Galilée, Kepler, Newton : les lois du ciel qui guident encore nos sondes
Une lunette pointée vers Jupiter, des années de calculs sur l'orbite de Mars, un livre publié en 1687 : en moins d'un siècle, trois savants ont compris comment bougent les astres. Leurs lois servent toujours à piloter les sondes.
Quand une sonde quitte la Terre pour Jupiter, personne ne la guide pas à pas comme une voiture télécommandée. Sa route a été calculée des années à l'avance, à partir de lois découvertes au XVIIe siècle par trois savants : un Italien qui regardait, un Allemand qui calculait et un Anglais qui expliquait.
Galilée : regarder, enfin
En 1609, Galileo Galilei tourne vers le ciel une lunette, instrument tout récent. Le 7 janvier 1610, il remarque près de Jupiter de petites « étoiles » alignées qui, d'une nuit à l'autre, changent de place. Il comprend bientôt qu'il s'agit de lunes tournant autour de la planète. Ces quatre satellites, Io, Europe, Ganymède et Callisto, portent aujourd'hui le nom de satellites galiléens. Galilée publie ses découvertes dès mars 1610 dans Sidereus Nuncius (« Le Messager des étoiles »). En septembre 1610, il observe aussi que Vénus présente des phases, comme la Lune.
Ces observations portent un coup sévère à l'idée que tout tourne autour de la Terre : voilà des astres qui tournent, de toute évidence, autour d'un autre corps. Galilée avait même aperçu Neptune en 1612 et 1613, sans se douter que ce point lumineux était une planète.
Kepler : l'orbite de Mars et les trois lois
Au même moment, Johannes Kepler s'attaque à un problème plus ingrat : expliquer le mouvement de Mars à partir des mesures très précises accumulées par l'astronome danois Tycho Brahe. Après des années de calculs, il abandonne une idée vieille de deux mille ans, celle d'orbites parfaitement circulaires. En 1609, dans Astronomia nova, il énonce ses deux premières lois : chaque planète décrit une ellipse dont le Soleil occupe un foyer, et elle balaie des aires égales en des temps égaux, ce qui signifie qu'elle accélère en se rapprochant du Soleil.
La troisième loi, trouvée en 1618 et publiée en 1619 dans Harmonices Mundi, relie la durée de l'orbite à sa taille : le carré de la période est proportionnel au cube du demi-grand axe. Une planète deux fois plus éloignée met donc un peu moins de trois fois plus de temps à faire le tour du Soleil. Kepler décrit comment bougent les planètes ; il ne sait pas encore pourquoi.
Newton : une seule force pour le ciel et la Terre
La réponse vient d'Isaac Newton. Le 5 juillet 1687 paraissent ses Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, publiés grâce au soutien de l'astronome Edmond Halley. Newton y pose les lois du mouvement et celle de la gravitation universelle : deux corps s'attirent avec une force proportionnelle à leurs masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance. De cette seule loi, il déduit mathématiquement les trois lois de Kepler. La force qui fait tomber les objets sur Terre est la même que celle qui retient la Lune et les planètes.
La théorie a ensuite fait mieux qu'expliquer : elle a prédit. En 1846, en analysant les écarts de l'orbite d'Uranus, Urbain Le Verrier calcule où doit se trouver une planète inconnue. L'observatoire de Berlin la trouve dans la foulée : Neptune devient la première planète découverte par le calcul plutôt que par l'observation du ciel.
Pourquoi ces lois pilotent encore les sondes
Pour aller de la Terre à Mars, une sonde ne suit pas une ligne droite. Une fois ses moteurs éteints, elle décrit une ellipse autour du Soleil, exactement comme une petite planète : c'est la première loi de Kepler. Les ingénieurs choisissent l'ellipse qui touche l'orbite de la Terre au départ et celle de Mars à l'arrivée, puis calculent la date de lancement pour que la planète soit au rendez-vous.
Pour les destinations lointaines, on utilise aussi l'attraction des planètes pour changer de vitesse et de direction sans carburant. Les sondes Voyager l'ont fait : Voyager 1 a survolé Jupiter en mars 1979, puis Saturne en novembre 1980, avant de devenir l'objet humain le plus lointain. Au Jet Propulsion Laboratory, une équipe calcule avec une grande précision les positions des planètes et des petits corps, des « éphémérides » qui servent à la navigation des engins spatiaux. Ces calculs reposent sur les équations de Newton, complétées de corrections fines.
Et sur Terre ?
Les mêmes lois gouvernent les satellites qui tournent autour de notre planète. Prévoir où se trouvera un satellite de navigation, de météorologie ou de télécommunication, éviter les collisions en orbite, calculer la retombée d'un engin en fin de vie : tout cela est de la mécanique de Newton appliquée au quotidien. Une marche d'Anthropolaris s'intéresse à une navigation autonome fondée sur les signaux réguliers des pulsars ; sur Terre, elle pourrait fournir des références de temps et de position indépendantes du GPS (voir la marche H-LNK-01).
Les lois de Kepler servent aussi à « peser » les étoiles : en mesurant la période et la taille de l'orbite de deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre, comme Alpha du Centaure A et B, on en déduit leur masse. Quatre siècles après Galilée, les mêmes outils permettent de traquer les planètes de notre plus proche voisine. Reste à inventer la navigation d'une sonde qui, loin de la Terre, devra calculer seule sa route.