S'orientrer dans le ciel

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Faire de l'astronomie c'est observer dans un ciel sans pollution lumineuse les objets de la phère céleste : La Lune, les planètes, les étoiles mais aussi les objets du ciel profond tels que les galaxies; les nébuleuses, les amas détoiles ... les comètes ...

Pour pouvoir bien observer, il faut bien connaître le ciel, et pour bien connaître le ciel, il est nécessaire de savoir très bien se repérer.

Il va donc falloir impérativement savoir s'orienter dans le ciel nocturne.

Lorsque l'on observe la voute céleste on se rend compte que tout tourne dans le ciel. A y regarder de plus près, il existe deux sens de rotation différents.

Le sens direct

Sens direct de la rotation de la Terre - Globe terestre Sens direct de la rotation de la Terre - Globe centré sur le Pôle Nord
Sens direct de l'orbite de la Terre autour du Soleil C'est le sens de la rotation de la Terre sur elle même en 24 heures

et aussi le sens de sa rotation autour du Soleil en un peu plus de 365 jours.

Le sens indirect

C’est celui des aiguilles d’une montre ou d’une horloge. Sur Terre lorsque nous regardons le Soleil il semble tourner dans la journée autour de nous dans le sens indirect.

Les coordonnées horizontales

Pour observer le ciel on va choisir la position O de l’observateur = la position du télescope.

On va appeler horizon , le plan horizontal passant par O. Pour cela, on va s’aider d’un niveau avec une bulle.

Puis avec une boussole , on va déterminer les 4 points cardinaux : Est, Sud, Ouest et Nord.

Schéma pour position de l'observateur, du zénith, verticale du lieu, et plan méridien

Le zénith est le point de la voûte céleste à la verticale de l'œil, au dessus de l'observateur.

La verticale du lieu, c’est la droite passant par le Zénith, l’Observateur et le Nadir. C’est le fil à plomb que l’on tient à la main.

On appelle plan méridien de l’observateur, le plan qui contient la verticale de l’observateur, donc le Zénith, et les points Nord et Sud de son horizon.

Pour déterminer où je dois regarder pour trouver un astre, je dois définir deux éléments :

La direction de l’horizon où il doit regarder c’est l’azimut. C’est regarder à droite ou à gauche.

A quelle hauteur il faut regarder. C’est regarder plus haut ou plus bas.

Schéma présenation de l'azimut et de la hauteur pour trouver un astre sur la voute céleste

Pour mesurer l’azimut, il faut choisir une direction qui servira d’origine, et il faut choisir un sens de parcours. Contrairement à la géographie où l'origine est le Nord, en astronomie l’origine est le Sud.
Le sens de parcours est celui des aiguilles d’une montre, comme celui du Soleil. La boussole est graduée, elle peut servir à mesurer l’azimut.

La Terre fait un tour sur elle-même en presque 24 heures, donc le ciel semble tourner sur lui-même de 360° en 24 heures. Alors :

  • 360° en 24 heures
  • 180° en 12 heures
  • 90° en 6 heures
  • 30° en 2 heures
  • 15° en 1 heure

Se rappeler : La voûte céleste semble tourner en une heure de 15°.

L’azimut se mesure depuis le Sud , dans le sens des aiguilles d’une montre . Il varie de 0° à 360°

La hauteur se mesure de - 90° à 90°.
Si la hauteur a le signe +, l’astre est au dessus de l’horizon. (Le Zénith est à 90°).
Si la hauteur a le signe -, l’astre est en dessous de l’horizon. (Quand la Lune se lève, elle est à 0°).

Le déplacement apparent du ciel étoilé au cours d’une nuit, se fait autour de l'étoile polaire (dans l'émisphère nord)

Filé d'étoiles autour de l'étoile polaire Comment trouver l'étoile polaire à partir de la Grande ourse

La particularité de l'étoile polaire est de se situer quasiment dans le prolongement de l’axe des pôles (d’où son nom), c’est-à-dire de l’axe de rotation de la Terre. Elle est donc pratiquement dénuée de mouvement et tous les autres astres – Soleil, Lune, étoiles, planètes – semblent lui tourner autour dans un grand mouvement circulaire d’ensemble, d’est en ouest, un mouvement diurne qu’ils effectuent en une journée.

L’axe de rotation de la Terre intercepte la sphère céleste en deux points appelés pôles célestes. Il se trouve que l’étoile α Ursae Minoris se situe actuellement à environ 39’ du pôle céleste Nord, soit deux-tiers de degré. Nous avons ainsi la chance de vivre à une époque où une étoile relativement brillante matérialise le pôle céleste Nord de façon très correcte. L’étoile Polaire remplit bien son rôle.

Hauteur de l’étoile Polaire et latitude

Nous allons montrer que la hauteur de l’étoile Polaire sur l’horizon fournit une bonne approximation de la latitude du lieu où on la mesure, dans l’hémisphère nord.

Le schéma suivant montre une coupe de la Terre, vue dans le plan contenant l’axe des et passant par le point d’observation A. L’équateur, le centre O de la Terre, et le pôle Nord P sont indiqués. L’axe des pôles pointe vers le pôle céleste Nord. La position du point A est défini par l’angle φ, qui n’est autre que sa latitude.

Schéma - La latitude de l'étoile polaire est égale à la latitude du lieu Le prolongement du segment [OA] en A pointe vers le zénith de ce lieu. L’horizon, toujours en ce lieu, lui est perpendiculaire et représente la tangente à la surface terrestre en A. Le pôle céleste Nord, attaché à la sphère céleste et rejeté à l’infini, ne voit pas sa direction modifiée, qu’on le regarde depuis le centre O de la Terre ou depuis A. (BA) est donc parallèle à (OP) et par conséquent, perpendiculaire à (OB). Dans le triangle (OAB), la somme des angles en A, O et B vaut 180°. L’angle en A vaut ainsi 180° - (φ+90°) = 90° - φ. (OA) étant perpendiculaire à l’horizon du lieu, si on additionne l’angle en A que l’on vient de déterminer à l’angle β, on obtient 90°. Ainsi, (90° - φ) + β = 90°. Il vient β = φ. Enfin, α et β étant deux angles opposés par le sommet, ils sont égaux : α = β. Au final, α = φ.>

Les coordonnées horizontales ce sont l’azimut et la hauteur. Elles dépendent de l’endroit où je me trouve et de l’heure de l’observation . Donc elles ne sont pas absolues. Pour réaliser un référentiel fiable quelque soit le lieu et la date d'observation on doit avoir recours aux coordonnées équatoriales.

Les coordonnées équatoriales

Pour définir des coordonnées fixes des étoiles, Il nous faut un plan de base, ce sera le plan équatorial.

Il est perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre, et il coupe la Terre suivant un cercle, l’équateur.

On le prolonge dans le ciel, et il coupe la sphère céleste imaginaire suivant un cercle qui est l’équateur céleste.

Ce qu’on appelle déclinaison d’une étoile dans le ciel, c’est comme la latitude d’une ville sur Terre. Elle se note d ou δ. Elle varie de - 90° à 0°.

C’est aussi l’inclinaison du tube du télescope ou de la lunette au dessus de l’équateur quand on vise l’étoile.

- La déclinaison est positive pour les astres au dessus de l’équateur.
- La déclinaison est nulle pour les astres situés sur l’équateur.
- La déclinaison est négative pour les astres en dessous de l’équateur.

Schéma de la déclinaison dans le cadre des coordonnées équatoriales Schéma de l'ascencion droite dans le cadre des coordonnées équatoriales

Ce qu’on appelle ascension droite d’une étoile dans le ciel, c’est comme la longitude d’une ville sur Terre. Le méridien de Greenwich est l’origine pour la mesure des longitudes.
Pour le ciel, on a choisi le point gamma, point ϒ, position du Soleil le jour du printemps, comme origine de la mesure des ascensions droites. On l’appelle aussi point vernal.

L’ascension droite est comptée en heures, minutes, secondes de temps. Comme des fuseaux horaires ! Elle varie de 0 à 24h.

L’ascension droite est comptée dans le sens direct.

Remarque : Les dimensions de la Terre sont négligeables par rapport aux distances qui nous séparent des étoiles . Quand nous regardons le ciel, on peut donc assimiler la Terre à un point et nous sommes situés sur ce point.

Schéma des coordonnées équatoriales
Schéma des coordonnées équatoriales. La Terre est au centre. Le prolongement de son équateur sur la sphère céleste donne l'équateur céleste (cercle bleu). De même pour ses pôles nord et sud. L'écliptique (cercle jaune) est le plan de l'orbite de la Terre autour du Soleil. Le cercle horaire, ou méridien de l'étoile considérée, est le grand cercle passant par les pôles et l'étoile elle-même. L'intersection de l'écliptique avec l'équateur céleste définit deux points. Celui pointant dans la constellation des Poissons s'appelle le point vernal. À partir de ce point, on établit l'ascension droite sur l'équateur céleste (ligne rouge horizontale). La déclinaison est déterminée à partir de la position de l'objet sur le méridien (ligne rouge verticale).

Déclinaison + Ascension droite : Avec ces deux coordonnées, nous pouvons repérer chaque astre du ciel. Les coordonnées équatoriales sont absolues, et ne dépendent : Ni de l’endroit de la Terre à partir duquel on observe, ni de l’heure à laquelle on observe. Elles sont identiques pour tous les observateurs. Cela permet de tracer des cartes détaillées, des atlas du ciel et de rechercher un objet. Et de publier des éphémérides (positions en fonction de la date) pour les planètes, qui elles, se déplacent sur le fond du ciel étoilé !

Mais la Terre , elle ne tourne pas seulement sur elle-même , elle tourne aussi autour du Soleil ! Et elle fait une révolution en un an !

Schéma de la déclinaison dans le cadre des coordonnées équatoriales

L’aspect du ciel étoilé change suivant l’époque de l’année. Parce que le côté nocturne de la Terre est orienté différemment selon la saison, les constellations que nous observons ne sont pas les mêmes. Ainsi par exemple, la constellation d'Orion est visible en janvier, pas en juillet. Pour le Cygne, c'est l'inverse. Si on voyait les étoiles de jour, on verrait que le Soleil se déplace jour après jour sur le fond des étoiles !

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