Astronomie 🌌

VI. La mesure du temps:

La mesure du temps est un problème difficile à résoudre lorsqu'on ne dispose pas de moyens techniques importants. Nous en avons pourtant une notion intuitive plus ou moins bonne. Mais on sait bien que le temps ne passe pas aussi vite lorsqu'on attend que lorsqu'on s'amuse ! Il s'agit là bien sûr du temps subjectif. Scientifiquement, on veut mesurer un temps objectif, mais il n'est pas facile à définir.

Pour mesurer le temps, il faut des repères. Ceux-ci seront soit naturels, soit artificiels. Dans les deux cas, ils sont basés sur des phénomènes périodiques, ou tout au moins réguliers.

Le premier instrument de mesure du temps est la clepsydre, ou horloge à eau. L'écoulement de l'eau, relativement régulier, indiquait l'heure. L'eau a été remplacée par le sable, dans les sabliers, sur le même principe. Plus tard, beaucoup plus tard, on a remplacé un écoulement par un phénomène périodique : le mouvement d'un pendule. Mais un pendule laissé à lui-même s'amorti très vite, à cause des frottements. Pour assurer un garde-temps efficace, il faut lui restituer l'énergie perdue, et ceci se fait grâce au système d'échappement. Ces horloges mécaniques, d'une précision de plus en plus grande, ont permis de mesurer les mouvements des astres. L'horlogerie a eu une importance capitale, car seule la conservation du temps peut permettre, sur un navire en pleine mer, de déterminer la longitude. La création d'horloges de marine précises a sans douté marqué l'apogée de ces mécanismes. Aujourd'hui, les oscillateurs mécaniques sont remplacés par des oscillateurs électriques (quartz piézo-électrique) ou même atomiques (horloges atomiques).

Pendant très longtemps, le mouvement des astres a été considéré comme parfaitement régulier, et la rotation de la Terre a été prise comme étalon de temps. On en a tiré le temps solaire moyen, qui nous sert tous les jours. Les horloges mécaniques étaient périodiquement recalées sur le temps astronomique.

La notion de jour elle-même, bien qu'évidente pour nous, pose un problème majeur : quand commence une journée ? Diverses réponses ont été données, celle que nous employons maintenant fait commencer le jour à minuit, d'autres le faisaient commencer au lever du Soleil, ou au coucher, ou à midi...

Voici pour le début, mais qu'en est-il de la durée ? Ceci aussi semble naturel, le jour dure 24 heures bien régulières... Mais si vous plantez un bâton vertical dans le sol, et si vous notez à quelle heure de votre montre l'ombre est la plus courte, vous aurez des surprises : ce n'est jamais à la même heure, et c'est rarement à midi ! L'heure que marque un cadran solaire (le bâton est un gnomon, son ancêtre), donne le midi vrai du lieu où l'on se trouve. Complication supplémentaire, mais les voyages en avion nous ont bien habitués au décalage horaire, qui n'est rien d'autre que la constatation du fait qu'il n'est pas midi partout au même moment !

A/Jour sidéral:

Le jour sidéral est l'intervalle de temps qui s'écoule entre deux passages d'une même étoile au méridien. Les étoiles étant à des distances extrêmement grandes, il délimite un tour complet de la Terre sur elle-même.

B/ Jour solaire:

Le jour sidéral n'intéresse par grand-monde, à part les astronomes. C'est le jour solaire qui règle notre vie. Le jour solaire vrai est l'intervalle de temps entre deux midis vrais successifs. Puisqu'il est sans cesse variable, il ne serait pas possible de régler une montre sur ce feu follet. Alors, on définit le jour solaire moyen, comme étant la durée moyenne du jour solaire vrai sur une longue période.

Quelle est la différence entre le jour sidéral et le jour solaire moyen ? Supposons que l'orbite de la Terre soit parfaitement circulaire (elle n'en est pas loin) :

Dans la première position dessinée, le Soleil, la Terre et une étoile sont alignés. Après un tour exactement sur-elle-même, la Terre se retrouve tournée vers la même étoile, mais le Soleil n'est pas au rendez-vous, parce que la Terre s'est déplacée sur son orbite, en lui tournant autour. Pour retrouver le Soleil en face, il lui faut faire encore une petite fraction de tour. L'angle qu'il lui faut faire est égal à l'angle que font ses deux positions successives par rapport au Soleil. Or il est très facile à évaluer : La Terre fait un tour en 365 jours, ce qui est peu différent de 360. Donc, la Terre fait à peu près un degré par jour. Il lui reste donc à faire un degré sur elle-même. Puisqu'elle fait un tour complet (360°) en 24 heures = 24 x 60 x 60 = 86.400 secondes, elle fait un degré en 86.400 / 360 = 240 secondes = 4 minutes. Si on fait le calcul avec 365 jours, on trouve 3 mn 56 s. C'est la différence entre le jour sidéral et le jour solaire moyen. Il est facile de voir que c'est le jour solaire moyen qui est le plus long, donc :

Jour solaire moyen = jour sidéral + 3 mn 56 s

L'orbite de la Terre n'étant pas vraiment un cercle, le jour solaire vrai est légèrement variable. La différence entre le jour solaire moyen et le jour solaire vrai se nomme équation du temps. Elle est parfois dessinée sur les cadrans solaires.

Basé sur la loi de Newton, le temps des éphémérides est un temps plus théorique, qui est censé être parfaitement régulier. C'est celui des équations.

C/ L'année sidérale:

Comme pour repérer le jour, on repère l'année par rapport aux étoiles, c'est l'année sidérale qui vaut 365,25636042 jours solaires moyens. Cette valeur correspond aussi à l'intervalle de temps entre deux passages de la Terre au périhélie.

Mais il y a un problème, c'est celui de la précession des équinoxes. Les saisons ne suivent pas exactement ce rythme, parce qu'elles sont déterminées par le mouvement apparent du Soleil par rapport à l'équateur. Or celui-ci tourne lentement, entraînant l'équinoxe de printemps dans une ronde au ralenti : le printemps va la rencontre du Soleil. L'année des saisons se nomme année tropique. On constate qu'elle vaut 365,2422 jours solaires moyens. Elle est donc plus courte que l'année sidérale 365,25636042 - 365,2422 = 0,01416 jour, ou 20 minutes 23 s.

année tropique = année sidérale - 20 mn 23 s

A raison d'un déplacement de 0,01416 jour par an, il faudra 365 / 0,01416 ans pour faire un tour complet, c'est-à-dire 25.000 ans à peu près. C'est la période de la précession. Elle correspond à une avance de 360° / 25.000 = 360 x 60 x 60 / 25.000 = 50" d'arc par an. C'est la valeur de la précession annuelle.

Nous n'entrerons pas ici dans les détails de la mesure du temps. Mais il en est un aspect qui intéresse tout le monde, par son côté pratique de tous les jours, c'est celui qui concerne la mesure des périodes relativement longues, de l'heure à l'année ou au siècle. Ces durées sont un peu plus faciles à appréhender que les plus courtes, et ont été étudiées et maîtrisées avant. Elles donnent lieu à l'établissement d'un , qui fait l'objet d'une étude à part.