Modèles pour se représenter les mouvements célestes

Comment comprendre les mouvements que nous percevons de là où nous sommes ? Dans cet article, nous présentons une progression du modèle de rotation de la Terre, avec tout autour les étoiles lointaines fixes, à la représentation de notre ciel au-dessus de notre horizon, avec les étoiles en mouvement. De même, à partir de la révolution de la Terre autour du Soleil, nous passons progressivement à un modèle où l’on peut représenter les trajectoires apparentes du Soleil dans notre ciel, tout au long de l’année.

Les modèles 1, 2, 3 et 4 sont d’abord expliqués sans mention du Soleil. Les mouvements relatifs de la Terre et du Soleil sont d’abord présentés dans les modèle 5, héliocentrique, et 6, géocentrique. Ensuite, nous reprenons les modèles 2, 3 et 4 en y ajoutant la trajectoire apparente du Soleil.

Retour au texte introductif : De la course du Soleil aux cadrans solaires

Modèle 1 : la rotation de la Terre

La Terre est ronde et elle tourne sur elle-même autour de l’axe des pôles.

Les étoiles lointaines (toutes les étoiles sauf le Soleil) sont considérées comme fixes. En réalité, les astres sont en mouvement les uns par rapport aux autres mais les étoiles lointaines sont tellement loin que, à notre échelle et sur un laps de temps suffisamment court (quelques années par exemple), on ne perçoit pas leur mouvement.

Modèle 1. La rotation de la Terre.

Modèle 2 : la sphère céleste

De notre Terre, simplement en regardant le ciel, on ne perçoit pas la distance qui nous sépare de chacune des étoiles. Celles-ci semblent toutes circuler sur une voûte. Il sera pratique dans certaines situations de se les représenter accrochées à une grande sphère.

Dans ce modèle-ci, les étoiles sont fixées à une grande sphère au centre de laquelle se trouve la Terre.

Modèle 2. La sphère céleste fixe et la rotation de la Terre.

Modèle 3 : la rotation de la sphère céleste

C’est la rotation de la Terre autour de son axe qui provoque le mouvement apparent des étoiles. En fait, “tout” se passe pour nous comme si c’étaient les étoiles qui tournaient autour de nous.

Dans ce modèle, la sphère des étoiles tourne sur elle-même autour de l’axe des pôles, passant par l’étoile polaire (grosso modo) et non loin de la Croix du Sud.

Modèle 3. La rotation de la sphère céleste.

À la figure suivante, on voit, sur le même modèle, le mouvement apparent de quelques étoiles.

Modèle 3. La rotation de la sphère céleste et le mouvement apparent de quelques étoiles.

Modèle 4 : la moitié du ciel observable depuis un lieu donné

Depuis un lieu d’observation donné, on ne peut observer que la moitié de la sphère céleste, l’autre moitié étant située sous l’horizon. Cette moitié observable varie avec la latitude du lieu.

La figure animée ci-dessous permet d’effectuer pas à pas le passage du modèle 3 au modèle 4. Commencez par réduire la taille apparente de la Terre en déplaçant le curseur entièrement vers la gauche.
Vous pourrez alors progressivement “incliner” la sphère pour placer horizontalement le plan de l’horizon correspondant à la latitude de 50°N.
Enfin, le curseur du mouvement diurne permet de simuler le mouvement apparent des étoiles au cours d’une journée.

Modèle 4
Modèle 4. La rotation de la sphère céleste tenant compte de l’hémisphère qui peut être observé depuis une latitude donnée.

Modèle 5 : la révolution de la Terre dans le modèle héliocentrique

En un an, la Terre accomplit un tour complet autour du Soleil. On parle de la révolution de la Terre. En réalité (ou dans un meilleur modèle), la trajectoire de la Terre n’est pas un cercle mais une ellipse dont l’excentricité est proche de 0 (ellipse peu étirée). Les étoiles lointaines sont considérées comme fixes.

L’axe de rotation de celle-ci sur elle-même ne change pas de direction (par rapport à l’ensemble des étoiles) durant ce trajet. Mais cet axe n’est pas perpendiculaire au plan de révolution de la Terre. Ce plan s’appelle plan de l’écliptique. On représente souvent ce plan horizontalement. Il est clair que la notion d’horizontale n’a pas de sens dans l’absolu dans l’espace.

Modèle 5. La révolution de la Terre autour du Soleil.

Modèle 6. Mouvement du Soleil autour de la Terre, axe des pôles vertical.

Retour au modèle 2 : la sphère céleste et la trajectoire du Soleil sur l’année

Lancez l’animation “rotation de la Terre”. La Terre tourne autour de son axe au centre de la sphère céleste.

Lancez l’animation “mouvement annuel apparent du Soleil”. Le Soleil avance sur l’écliptique. Lorsqu’il accomplit un tour, la Terre effectue à peu près 365,25 tours. Ici, nous avons accéléré le mouvement apparent du Soleil.

Modèle 2. La sphère des étoiles fixes, avec l’écliptique, et la rotation de la Terre.

Retour au modèle 3 : la rotation de la sphère céleste, avec le mouvement apparent du Soleil

À la figure animée suivante, on peut choisir le moment de l’année puis lancer l’animation montrant le mouvement du Soleil sur une journée, dans le modèle 3.

Modèle 3. La rotation de la sphère céleste et le mouvement apparent du Soleil sur une journée.

La figure animée suivante donne une idée du mouvement apparent hélicoïdal du Soleil sur l’année, dans le modèle 3.

Lorsqu’on lance l’animation, le Soleil entame son mouvement apparent en laissant une trace. On voit alors apparaître une hélice. En réalité, cette hélice comprend 183 spires (jaunes) qui “descendent” du tropique du Cancer céleste au tropique du Capricorne céleste et autant (vertes) qui “remontent”. Dans cette animation, nous n’en avons mis qu’une douzaine.

Modèle 3. La rotation de la sphère céleste et le mouvement apparent du Soleil sur une année.

Modèle 4 : la moitié du ciel observable depuis un lieu donné, avec le mouvement apparent du Soleil

Retour au texte introductif : De la course du Soleil aux cadrans solaires