Cartographie

Le ciel est une évidence de tous les jours – et de toutes les nuits – mais pour le «cartographier», encore fallait-il l’inventer, afin d’en dessiner les espaces, les rivages, les escales possibles, … et les «Terra Incognitas».

CARTOGRAPHIE

Le ciel au moyen age (gravure du XIX ième siècle)

LA CREATION DE L'ESPACE

Pour les philosophes, il s’agissait de lui donner une troisième dimension, celle de la profondeur. Le ciel surface d’une sphère englobant un monde géocentrique devait laisser place à un espace uniforme, sinon infini du moins illimité. Dans ce monde redimensionné, la révolution copernicienne engagée au XVIième siècle remettait la Terre à sa place, celle d’une simple planète parmi d’autres, en rotation autour du Soleil.

Auparavant, l’astronomie avait toujours été considérée comme une discipline essentielle, mais traitant, dans les faits, moins de l’espace que du temps : on distinguait dans le ciel les étoiles fixes et éternelles, des astres errants – étymologiquement, des planètes - dont les trajectoires imprévisibles à travers les constellations du zodiac avaient à voir, paradoxalement, avec la prédiction du futur.

Ce que la Terre, par sa nouvelle position, perdait en prestige, le ciel le gagnait en intelligibilité : il devenait possible d’aller au-delàd’une astronomie purement descriptive, et de concevoir des «modèles» du monde. Il fallait ce nouveau point de vue pour que de pures observations conduisent, par exemple, aux remarquables « lois de Klépler » sur le mouvement des astres : elles énoncent, entre autres, que les trajectoires des planètes autour du Soleil sont des ellipses, un tracé identique à celui obtenu en coupant un cône par un plan. Etonnant retour des idées pythagoriciennes à la recherche d’un ordre mathématique et géométrique caché dans la nature...

Carte du ciel ...

Encore les lois de Képler ne font-elles qu’observer un phénomène et en prédire l’évolution sans pour autant le comprendre. Pour mieux approcher la « nature » de l’espace, il fallait donc que Newton, au XVIIème siècle, franchisse un nouveau pas. Suivant l’hypothèse que le complexe peut toujours se réduire au simple et à l’intelligible (ce n’est qu’une hypothèse, mais c’est celle de tout scientifique), Newton construit sa théorie de la gravitation universelle sur l’intuition géniale d’une loi unique régissant de la même façon la chute des corps - disons par exemple d’une pomme tombant de son arbre, pour respecter la légende – et le mouvement de la Lune autour de la Terre.

D’un point de vue mathématique, la multiplication et la division suffisent pour exprimer cette loi, qui tient en deux lignes, «l’attraction de deux corps est proportionnelle à leurs masses, et inversement proportionnelle au carré de leurs distances ». Cette formule s’appuie sur des considérations géométriques élémentaires, analogues à celle qui font qu’un promeneur est – de la même façon - éclaboussé par un jet d’eau en proportion de son débit, et en raison inverse du carré de sa distance …

Ce qui est remarquable, dans la loi de gravitation universelle, c’est qu’elle suffit pour expliquer toutes les lois de Kepler, simuler l’évolution de systèmes planétaires complexes, étudier la balistique d’un tir d’artillerie, et calculer la trajectoire Terre-Lune de la Columbiad de Jules Verne, de la fusée du professeur Tournesol, ou du vaisseau Apollo. Même si le modèle du monde qu’elle permet de bâtir sera réinterprété – c’est la destinée de tout modèle – dans une théorie plus puissante proposée quelque temps plus tard par Einstein, son efficacité est très largement suffisante, à notre échelle et à celle du système solaire, pour concevoir et planifier des voyages interplanétaires.

Carte du monde ...

Dessin de Léonard de Vinci

A partir des concepts du XVIIème siècle, l’exploration spatiale cessait donc d’être une question théorique, pour n’être plus qu’une question technologique. Le ciel n’était plus seulement le lieu des théologiens, des philosophes et des savants, il devenait celui des ingénieurs, comme il le sera demain des architectes. Ce nouveau territoire pouvait être cartographié, comme l’ont été les continents lorsqu’était admis le concept d’une Terre ronde, et qu’apparaissaient des instruments de mesure du temps et de navigation.

Or une carte est avant tout un outil. Elle n’est pas faite seulement pour contempler le monde, mais pour y voyager. Et «passer de la scientia contemplativa à la scientia activa qui transforma l’homme de spectateur de la nature en son possesseur et maître » .

A PLURALITE DES MONDES

Dans le même temps, le ciel ne cesse de dévoiler peu a peu son extraordinaire diversité. La cartographie des « terres émergées », dans l’archipel du système solaire, fait penser à ces images fractales où le zoom sur un détail crée une image plus riche encore que celle du tout : Il n’y a pas deux satellites de Jupiter ou de Saturne qui se ressemblent, chacun se distinguant par sa couleur propre, sa taille, son atmosphère, sa composition chimique, ou son activité géologique. On peut dire la même chose de toutes les planètes, sans oublier la multitude – encore très partiellement explorée - des astéroïdes et comètes. Un rapide coup d’œil sur la carte du système solaire suffit pour localiser quelques continents remarquables, comme autant d’escales de futurs voyages interplanétaires.

Photo Hubble

Dans la banlieue immédiate, la Lune apparaît, à plus d’un titre, comme une voisine providentielle. C’est la cause majeure de cycles terrestres tels que les marées, essentiels au le développement de la vie. Mais c’est aussi une garantie de stabilité, sa masse importante agissant en véritable contrepoids capable de fixer, par les lois de la mécanique, l’orientation de l’axe de rotation de la Terre. Au-delà des variations climatiques observées à travers les ages, et de la lente dérive des continents, les mêmes territoires sont donc restés plus longtemps proches des mêmes zones équatoriales, tropicales, tempérées ou polaires, avec ce que cette continuité a de favorable à la survie et à l’évolution des espèces. Ce n’est pas le cas par exemple d’une planète comme Mars, dont les deux satellites Phobos et Deimos, de faibles tailles, n’ont pu jouer le même rôle, l’instabilité de son axe de rotation entraînant sur des échelles géologiques courtes des bouleversements climatiques violents, et permanents.

Photo NASA

La Lune, née de la collision avec la Terre, il y a plus de quatre milliards d’années, d’une planète en formation de taille probablement comparable à celle de Mars, est aujourd’hui un astre figé, sans activité volcanique ni atmosphère. Pour autant, c’est un lieu stratégique majeur, objectif des premières missions spatiales, relais possible de voyages plus lointains, source inépuisable de minerais satellisables à moindre coût, et point d’appui inespéré pour l’observation de l’espace profond.

Les poussières de micrométéorites accumulées sur la surface lunaire durant des milliards d’années concentrent des éléments, tels que l’hélium 3, qui pourraient être utiles un jour à la production d’énergie. L’oxygène, nécessaire à la consommation de stations habitées et source de carburant, est présent en grande quantité dans le sol puisqu’il compose 40 % de ses roches. Et dans les vallées sombres de cratères situés près des pôles, constamment protégées du rayonnement solaire, subsistent peut-être d’importantes quantités de glace, donc d’eau, issues de la collision avec des comètes.

Il faut à peine plus d’une seconde pour communiquer avec la Lune par des liaisons radio, ce qui en fait l’unique « sol » matériel naturel conservant une liaison quasi-directe avec la Terre. Ce ne sera plus le cas des planètes, lointaines, avec lesquelles le moindre message échangé mettra au minimum un quart d’heure - sinon plusieurs heures - pour arriver à destination, modifiant de façon très profonde – tant technologique que psychologique, voire philosophique - toute relation avec la planète d'origine.

La Lune reste à découvrir, ou, plus précisément, à redécouvrir. Après la réussite des missions Apollo, les regards ont pu se tourner tout naturellement, mais trop rapidement peut-être, vers les rivages attrayants et colorés de la planète Mars. Les images actuelles de la Lune sont pourtant très incomplètes et réductrices : on en connaît les champs de cratères photographiés en altitude, ou les modestes collines entourant le site d’alunissage du LEM – sites sans aspérités choisis pour des questions de sécurité évidentes, mais qui ne reflètent pas la richesse des paysages lunaires. C’est un peu comme si, de la Terre, un voyageur extraterrestre ne connaissait que des photos aériennes et les champs de dunes du Sahara, ignorant les paysages de l’Himalaya et des Alpes, les vallées du Grand Canyon, les rues de Paris, ou les grottes de Lascaux …

Il suffirait de renvoyer sur la Lune un photographe – pourquoi pas un simple robot explorateur, comme cela a déjà été fait dans le passé – pour renouveler totalement son image, et rapporter ce qu’il y a de plus frappant et peut-être de plus important dans la conquête spatiale : des paysages.

Apollo XVI

Au cœur du système solaire, la planète Mercure apparaît couverte de cratères, surchauffée le jour et glacée la nuit, d’une atmosphère extrêmement ténue, et pourrait constituer un poste avancé idéal pour l’observation du Soleil. Plus loin, Vénus, pourtant la plus proche de la Terre et d’une taille très voisine, restera pour longtemps une escale peu hospitalière – sinon pour les chercheurs - cachée dernière une épaisse couche nuageuse, dans une atmosphère dense chargée en gaz carbonique et acide sulfurique, à une température ambiante voisinant les 500°C.

Mars, photo NASA

Mars est la prochaine étape au-delà de l’orbite terrestre. Ce futur Far West en possède l’étendue, les couleurs ocres, les déserts de sable et les canyons. L’eau y est rare aussi, mais dans un passé lointain elle coulait en abondance au point de former des océans. Il en subsiste aujourd’hui suffisamment pour répondre aux besoins de visiteurs, prisonnière des glaces polaires, ou, très probablement, dans des nappes souterraines accessibles à moyenne et grande profondeur. Dans l’archipel du système solaire, Mars est la première île dont on peut raisonnablement se demander si, demain ou après-demain, de simple lieu d’exploration, elle franchira le pas pour devenir une véritable colonie autonome.

Il ne faut pas espérer marcher un jour à la surface des quatre géantes gazeuses Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune : trop massives, trop turbulentes, … et trop gazeuses. Ce n’est pas le cas de leurs satellites, dont la diversité a déjà été soulignée. Certains d’entre eux, d’une taille importante comparable à celles de la Lune ou de Mars, ont été découverts dès les premières observations de Galilée au XVIIième siècle.

Europe, photo NASA

Le satellite Europe, par exemple, subit des marées puissantes provoquées par Jupiter, au point de dégager suffisamment d’énergie pour réchauffer en profondeur l’épaisse couche de glace qui la recouvre totalement. Il y a donc peut-être de vastes étendues d’eau liquide ailleurs que sur Terre dans le système solaire, ce qui fait d’Europe, après Mars, un site d’étude privilégié pour les exobiologistes à la recherche de formes de vie extra-terrestre. Près de Jupiter, toujours, Io a donné des preuves d’activité volcanique, ou, autour de Saturne, le satellite Titan possède une atmosphère dense de méthane, qui a pu former des océans liquides …

A la frontière extérieure du système solaire, Pluton - avec son satellite Charon - reste une planète mystérieuse (on parle aujourd’hui de «planète naine»), la seule a n’avoir encore jamais été survolée par une sonde. Avec un diamètre plus faible que celui de la Lune, et une orbite déformée – au point qu’il lui arrive d’être plus proche du Soleil que Neptune – c’est une petite planète atypique, composée en grande partie de glace, issue probablement des régions plus lointaines de la « ceinture de Kuiper ». Cette dernière s’étend bien au-delà de son orbite, où prennent naissance des comètes et subsistent des concentrations d’astéroïdes, jusque dans une zone plus vaste encore, le nuage de Oort, qui marque les confins de la sphère d’influence du Soleil.

Photo Hubble - NASA

D’autres astéroïdes, en très grand nombre, parcourent tout le système solaire, notamment dans la ceinture s’étendant entre les orbites de Mars et de Jupiter, traces d’une planète qui n’a pu se former du fait de la proximité de la géante gazeuse. Si la masse cumulée de ces astéroïdes n’excède pas un vingtième de celle de la Terre, ils constituent une considérable ressource minière de près de 250.000 blocs rocheux de toutes tailles. Les plus importants, dépassant quelques dizaines, voire quelques centaines de kilomètres, sont capables de retenir eux-mêmes par leur très faible attraction d’autres petits astéroïdes satellites.

AU DELA DU SYSTEME SOLAIRE

L’espace lointain s’étendant au-delà du système solaire semble, pour longtemps encore, inaccessible aux explorateurs. Mais à défaut d’y poser le pied, l’homme peut y jeter un œil ...

L’expérience confirme une hypothèse qui, a y bien réfléchir, ne va pas de soi : les lois de la physique semblent être les mêmes partout dans l’univers, du moins jusque dans les plus lointaines galaxies observées. La même centaine d’atomes - que classe la table de Mendeleïev – se retrouvent dans toutes les étoiles, et leurs planètes associées. La variété n’apparaît que dans l’infinie combinaison de la chimie minérale ou organique. Et dans la biologie.

Photo Hubble - NASA

Si seule la lumière – au sens large du terme, c’est-à-dire incluant toutes les ondes électromagnétiques – nous parvient du ciel profond, elle suffit pour fournir une quantité considérable d’informations : l’étude du spectre de lumière reçue d’une étoile, d’une galaxie, ou d’une planète, renseigne de façon très précise sur sa composition chimique. Il est donc en théorie possible de connaître, à distance, les éléments constituant la surface d’une étoile ou l’atmosphère d’un astre comparable à la Terre.

La recherche d’exo-planètes – c’est-à-dire en orbite autour d’autres étoiles - est devenue une activité majeure de l’astronomie. Plusieurs centaines ont déjà été identifiées. La finesse des instruments d’observation doit être améliorée afin de détecter des astres plus petits que les géantes – comparables à Jupiter – que seules la technologie actuelle permet de localiser. Cela suppose la construction de nouvelles générations de télescopes dans l’espace, ou, pourquoi pas, sur la surface d’un satellite proche : revenir sur la Lune sera peut-être le meilleur moyen de découvrir d’autres Terres …

LA CARTOGRAPHIE DU VIDE

Mais une cartographie du ciel se limitant aux escales matérialisées par une planète, une comète ou un astéroïde, serait incomplète. Il existe aussi dans l’espace des positions privilégiées, des trajectoires particulières, des points d’équilibre, qui, bien qu’immatériels, méritent d’être relevés sur la carte, car tout autant susceptibles de conditionner de futurs voyages spatiaux.

Ne serait-ce qu’à proximité immédiate de la Terre, toutes les orbites ne se valent pas : dès à présent, l’aménagement de l’espace est un enjeu économique et stratégique majeur. Pour définir une orbite, seule compte la vitesse du satellite artificiel. A quelques centaines de kilomètres d’altitude seulement, les orbites dites « LEO » (Low Earth Orbit) ont concentré tous les vols de navettes, ou de stations spatiales habitées telles que Skylab, Saliout, MIR, ou l’International Space Station (ISS). LEO est l’endroit idéal pour observer la Terre : la vitesse nécessaire pour s’y maintenir permet d’effectuer une révolution complète en des temps très courts – de quatre-vingt dix minutes à quelques heures – et de survoler à intervalles de temps réguliers les mêmes points du globe. L’orientation du plan de ces orbites par rapport à l’équateur terrestre n’est pas neutre, car il déterminera la liste les pays survolés : l’élargissement du partenariat international pour le financement de l’ISS s’est accompagné de négociations délicates portant sur l’inclinaison de son orbite, initialement trop faible pour survoler des pays situés aux latitudes plus élevées …

Désert de Namib - Photo NASA

A l’extrême, certaines trajectoires seront perpendiculaires au plan de l’équateur, passant au dessus des pôles. Correctement positionnées, elles auront un intérêt tout particulier : celui de survoler un même territoire toujours à la même heure de la journée. Il sera donc possible de suivre avec précision l’évolution de tel ou tel site, sur des séries de chronologiques de clichés où l’orientation des ombres portées – toujours observées au même moment de la journée - ne variera qu’au fil des saisons, et non au fil des heures du jour.

Plus le diamètre d’une orbite augmente, plus longue est la durée d’une révolution. Il arrive un point, à 36.000 kilomètres d’altitude, où celle-ci atteint précisément 24 heures, soit la durée de rotation de la Terre sur elle-même, de telle sorte que le satellite positionné sur cette orbite dite « GEO » ( Geostationary Earth Orbit), apparaîtra fixe dans le ciel. Dès les années 1950 avait été souligné l’importance de ces « points d’ancrage » où sont installés, comme au sommet des montagnes, des relais de communication.

Photo NASA

Il existe d’autres trajectoires et points singuliers à tracer sur cette « carte du vide ». Parmi eux les points de Lagrange, encore peu utilisés mais incontournables pour un navigateur spatial. Mis en évidence par le mathématicien Joseph Louis Lagrange au XVIIIième siècle, ils résultent de calculs plus complexes reposant sur une idée simple et intuitive : dans un système double, tel que le couple Terre-Lune, où chaque corps exerce une attraction proportionnelle à sa masse conformément à la loi d’attraction universelle, il existe nécessairement des points d’équilibre. Sont-ils stables, comme le serait le fond d’un bol où reviendra toujours une bille placée n’importe où dans ce bol, ou instables, comme si cette même bille était posée au sommet d’une colline, dévalant la pente dès qu’on l’écarte un peu de son point équilibre précaire ? La question devient ardue lorsqu’on se souvient que la Lune tourne autour de la Terre…

Mais les calculs sont faits pour relayer l’intuition : il existera, dans ces conditions, cinq points d’équilibre, dits « points de Lagrange ». Parmi eux, deux points stables appelés « L4 » et « L5 » sont particulièrement intéressants. Situés chacun aux sommets supérieurs de triangles dont la Terre et la Lune seraient la base, ces points de l’espace ressemblent à des « planètes virtuelles », à proximité desquelles un satellite décrirait un semblant d’orbite. Plus simplement, pour un objet placé sur un point de Lagrange, la Terre et la Lune sembleront éternellement fixes dans le ciel. Un endroit idéal pour stabiliser, là encore, un relais de communication, ou une station habitée.

Les points de Lagrange ne sont pas le propre du couple Terre-Lune. Tout système composé de deux corps possède ces points d’équilibre. C’est le cas par exemple de l’imposant système Jupiter-Soleil, dont on a découvert qu’il maintenait, en deux points symétriques situés beaucoup plus loin sur l’orbite de la planète géante, des concentrations stables d’astéroïdes appelés les « planètes troyennes ».

On devine le casse-tête mécanique lorsqu’il s’agira d’étudier un ensemble formé cette fois-ci non plus de deux, mais de milliers - voire de centaines de milliers – de corps, comme les blocs rocheux formant les anneaux de Saturne, dans un désordre local d’où émerge étonnamment, à plus grande échelle, une forme cohérente, simple, et permanente.

La seule loi de la gravitation dessine dans le ciel des formes, des courants favorables, des zones de turbulence et des points stables, qui complètent les rivages matériels des planètes. La carte est tracée, pourquoi ne pas l’utiliser ?

Gravure du XVIième siècle

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