Airy 1859 : une anomalie cataloguée, une hypothèse réfutée par son auteur, et un aveu
L'Astronome Royal catalogue 233 observations d'étoiles paraissant projetées sur le disque lunaire, réfute sa propre hypothèse par un critère posé d'avance, et reconnaît que son explication de remplacement est vue par un observateur et pas par un autre. La question est restée ouverte depuis.
En 1859, l'Astronome Royal présente à la Royal Astronomical Society un mémoire qui, dit-il d'entrée, « n'arrive à aucun résultat définitif ». Il y catalogue 233 observations d'un phénomène que personne n'explique, réfute sa propre hypothèse au moyen d'un critère qu'il avait posé d'avance, et termine en avouant que l'explication de remplacement qu'il propose est d'une espèce qu'il n'a jamais rencontrée ailleurs.
Avant de commencer — de quoi parle cet article
Il ne parle ni de la forme de la Terre, ni de la distance du Soleil, ni du mouvement. Il porte sur un mémoire d'astronomie de 1859 et sur ce qu'il contient : une anomalie observée pendant deux siècles, un catalogue, une hypothèse réfutée par son auteur, et une question laissée ouverte. Nous n'avons rien mesuré nous-mêmes, et le document est consultable en entier.
01Le phénomène
Pendant une occultation, la Lune passe devant une étoile. L'étoile devrait s'éteindre à l'instant où le bord lunaire l'atteint. Il arrive qu'elle paraisse d'abord projetée sur le disque lunaire — comme si elle se trouvait devant la Lune —, y demeurer une ou deux secondes, puis disparaître brusquement.
Airy écrit l'avoir observé lui-même « en grande perfection » une trentaine d'années plus tôt, et la singularité de l'apparence lui a laissé une impression durable.
« Il est établi par des témoignages abondants que lorsque le bord de la Lune approche d'une étoile, il paraît parfois — mais pas toujours — passer d'abord derrière elle, de manière à offrir distinctement l'apparence qui se présenterait si l'étoile était de ce côté-ci de la Lune. »
02L'hypothèse, et le critère posé avant les données
Sir James South avait relevé que l'étoile projetée était souvent rouge. D'où l'hypothèse : si la lumière de l'étoile et celle de la Lune diffèrent en réfrangibilité, les rayons de l'étoile seraient moins courbés par l'atmosphère, et l'étoile paraîtrait plus basse que le bord lunaire. La projection s'observerait alors au bord supérieur, et au bord inférieur l'étoile disparaîtrait à l'extérieur du limbe.
C'est ici que le mémoire devient exemplaire. Airy en tire une conséquence vérifiable et l'écrit avant d'examiner quoi que ce soit : l'étoile doit apparaître uniformément plus haute, ou uniformément plus basse, que le centre lunaire rapporté au zénith du lieu.
« Si l'une ou l'autre de ces lois se maintenait uniformément, l'hypothèse serait plausible ; si aucune des deux ne se maintenait suffisamment, l'hypothèse serait certainement fausse. »
Un critère de décision énoncé avant l'examen des données, en 1859, et énoncé de telle sorte qu'il puisse condamner l'hypothèse de celui qui l'écrit.
03Le dépouillement — 233 observations sur 159 ans
Airy dit avoir longtemps reculé devant la quantité de calcul. C'est son assistant, M. Ellis, qui dépouille les archives accessibles : les observations de Greenwich, Cambridge, Paris et Madras ; les Notices et Memoirs de la Royal Astronomical Society, dont le mémoire de South au volume III ; les Astronomische Nachrichten ; l'Astronomical Journal.
Pour chaque cas il faut calculer la hauteur de l'étoile au-dessus du centre lunaire — ce qui suppose, pour les occultations antérieures aux tables d'angles de position, de calculer la distance zénithale de la Lune, de la corriger de la parallaxe, puis celle de l'étoile.
Le catalogue couvre 159 ans, de l'occultation d'Aldébaran observée par De La Hire à Paris le 18 août 1699 à celle de Régulus à Manchester le 19 mai 1858. Airy le répartit en quatre classes, qu'il définit ainsi :
| classe | définition | effectif |
|---|---|---|
| A | avec relevé distinct d'une projection observée | 74 |
| B | avec relevé d'une suspension au bord, sous une forme qui nie la projection | 81 |
| C | avec relevé distinct d'aucune projection ni suspension | 37 |
| D | où les comptes rendus au même lieu ou dans le même voisinage se contredisent : les uns de classe A ou B, les autres de classe C | 41 |
La distinction entre A et B n'est pas cosmétique : une étoile « suspendue » au bord n'est pas une étoile projetée sur le disque, et Airy classe la première comme une négation de la seconde. Il annonce pourtant tenir les deux phénomènes pour « intimement liés », et c'est cette tension qui porte tout le mémoire.
Les observateurs ne sont pas des amateurs isolés : De La Hire, Le Monnier, Messier, Maskelyne, Pingré, Darquier, Arago, Bouvard, Mathieu, Savary, Méchain, Struve, Bessel, Sir James South, Sir Thomas Brisbane, Lassell, Smyth, Babbage, Baily, Robinson, W. C. Bond, Dawes.
Airy relève que les observateurs emploient toujours les mêmes tournures, en quatre langues, et il les numérote pour les citer en abrégé. Du côté de la projection : « entamer le disque », « imbedded in the limb », « sobre el disco », et la plus frappante — « à travers la partie claire, comme si elle avait été vue à travers une Lune transparente ». Du côté de la suspension : « der Stern am Rande klebte », « dancing in the limb », « avancer sur le disque la moitié de son image et y rester ». Du côté du démenti : « keine Projection », « came out with full brightness instantaneously and did not hang ».
04Le verdict, rendu contre sa propre hypothèse
« L'inspection de ces tables montrera qu'il n'existe aucun lien entre la projection et la circonstance géométrique d'un signe + ou − dans les dernières colonnes. Et je rejette aussitôt l'explication conjecturale par laquelle ce mémoire a commencé. »
Le critère avait été posé ; les données ne le satisfont pas ; l'hypothèse tombe, immédiatement, sans négociation et sans réaménagement. C'est ce que nous demandons ailleurs dans ce site, et c'est fait ici par l'Astronome Royal contre son propre travail.
L'hypothèse de la réfrangibilité différentielle est réfutée par le catalogue, selon le critère que son auteur avait lui-même fixé d'avance. Le phénomène, lui, reste entier.
05Le même lieu, le même instant, des observateurs qui divergent
Le 15 octobre 1829, occultation d'Aldébaran à Paris. Treize observateurs consignent leur observation : Nicollet, Bouvard, Sir James South, Mathieu, Savary, Arago, Damoiseau, Zach, Pouillet, Francœur, et trois Delessert. Leurs relevés ne concordent pas.
D'autres cas du même genre : Aldébaran à Genève en 1829 (Gautier, Bouvard, Gambart) ; Lalande 8411 à Kensington en 1830 (Lord Ashley, South, et quatre observateurs non nommés) ; Spica à Greenwich en 1857 (Main et Dunkin).
Ce n'est une divergence ni entre lieux, ni entre nuits, ni entre instruments de qualité différente. C'est une divergence entre observateurs placés au même endroit, au même instant, devant le même astre.
Quarante et une des 233 entrées du catalogue — près d'une sur six — sont des cas où des observateurs situés au même lieu rapportent des choses incompatibles sur la même occultation.
06L'observation d'Innes, et l'explication proposée
Aldébaran, bord brillant, Aberdeen, 23 octobre 1831, par George Innes :
« Quand Aldébaran arriva à environ six secondes du bord lunaire, elle parcourut la distance restante avec une grande rapidité, sa vitesse apparente devenant cinq ou six fois plus grande qu'auparavant. Elle parut demeurer suspendue au bord lunaire pendant environ cinq secondes, puis disparut soudainement. »
Airy propose alors une explication par irradiation. La lumière diffuse de la Lune, agissant sur la faculté visuelle, empêcherait de percevoir la lumière plus faible au-delà d'une certaine courbe ; et dans l'excitation de l'observation, l'œil deviendrait de plus en plus sensible à cette lumière diffuse, la frontière visible s'étendant de plus en plus loin dans l'obscurité.
07L'aveu, qui est le plus intéressant du mémoire
« L'explication que j'ai proposée range en réalité ces phénomènes curieux dans la catégorie générale de l'irradiation. Mais c'est une espèce d'irradiation qui n'a, autant que je sache, jamais été remarquée dans d'autres cas ; une irradiation qui parfois existe et parfois — dans les mêmes circonstances astronomiques — n'existe pas ; qui, au même endroit, est vue par un observateur et non par un autre ; qui demeure parfois apparemment constante plusieurs secondes durant, et parfois varie d'instant en instant. […] mais des observations critiques font encore défaut. »
L'explication de remplacement proposée par Airy est, de son propre aveu, sans précédent connu, intermittente dans des circonstances identiques, et variable d'un observateur à l'autre. Il ne la présente pas comme une solution et réclame des observations critiques, qui n'ont pas été faites depuis.
08En faveur de quoi ? De rien — c'est une question restée ouverte
Il faut répondre franchement, parce que c'est la première chose qu'un lecteur demandera. Ce mémoire ne soutient aucun modèle cosmologique. Il ne parle ni de la forme de la Terre, ni de la distance du Soleil, ni du mouvement. Il n'est d'aucun camp, et le présenter comme une pièce à charge ou à décharge serait le trahir.
Ce qu'il pose est une question, et elle est restée ouverte cent soixante-six ans. Pourquoi une étoile paraît-elle parfois projetée sur le disque lunaire ? Pourquoi le phénomène apparaît-il dans certaines occultations et pas dans d'autres, dans les mêmes circonstances astronomiques ? Et pourquoi, au même endroit et au même instant, treize observateurs consignent-ils des choses différentes ?
Ou bien c'est dans l'œil. C'est la réponse d'Airy. Elle rend bien compte de la divergence entre observateurs — c'est même ce qu'on attend d'un artefact de perception, et c'est un argument contre une origine physique, pas pour. Mais Airy écrit lui-même que cette irradiation-là n'a jamais été constatée ailleurs, qu'elle existe parfois et parfois non, qu'elle varie d'un instant à l'autre. Une explication qui doit être exceptionnelle à ce point n'explique pas grand-chose, et il le sait : il termine en réclamant des observations critiques.
Ou bien c'est dans le trajet de la lumière. Airy avait ouvert cette voie et l'a fermée par son propre critère. Cela écarte une hypothèse, pas la famille entière.
Ce qui trancherait, et qui n'a jamais été fait. Airy réclamait des observations critiques. Il ne pouvait pas les faire : en 1859, l'instrument de mesure était l'œil, et l'œil est précisément ce qui est en cause. Aujourd'hui il suffit d'enregistrer une occultation au capteur, avec deux instruments côte à côte au même lieu. Si le phénomène apparaît sur l'image, il est dans la lumière. S'il n'apparaît que dans le compte rendu des observateurs, il est dans l'œil. Si les deux capteurs divergent alors que l'optique est identique, la question devient tout autre chose.
Une occultation d'Aldébaran suffit — c'est l'étoile qui revient le plus souvent dans les tables d'Airy —, une nuit, deux boîtiers, une horloge commune.
Ce qu'il ne faudra pas en faire : ni « Airy a prouvé que le ciel est une projection » — il n'a rien prouvé de tel et ne l'a jamais suggéré ; ni « l'affaire est classée, c'était l'œil » — l'auteur lui-même refuse de classer. Une question ouverte se dit ouverte, et se ferme par une mesure.
Ce mémoire n'établit rien sur la forme de la Terre ni sur la nature de la lumière. Il établit qu'un phénomène observé pendant 159 ans, catalogué sur 233 entrées par l'institution astronomique la plus établie de son temps, est resté sans explication — et que l'observation qui le trancherait est aujourd'hui à la portée de deux amateurs équipés d'un capteur.
09Sources
Chaque source porte sa classe de vérifiabilité. Elle ne dit pas si la source est bonne, mais ce qu’elle permet de faire : A mesure directe, protocole et instrument connus — conclure. B chemin mesuré mais indirect — borner. C valeur rapportée, calculée depuis un modèle, ou source primaire non consultée — illustrer, jamais conclure. D déclarative, affirmée sans donnée jointe — rien. renvoi désigne un de nos propres articles, qui n’est pas une source. La grille est détaillée dans Standards et méthode.
- A G. B. Airy, « On the Apparent Projection of Stars upon the Moon's Disk in Occultations », Memoirs of the Royal Astronomical Society, vol. 28, p. 173-186, lu le 8 avril 1859. Document primaire, quatorze pages lues en entier, tables comprises. Bibcode 1860MmRAS..28..173A, NASA Astrophysics Data System.
- B Les 233 observations du catalogue, tirées des observations de Greenwich, Cambridge, Paris et Madras, des Notices et Memoirs de la RAS, des Astronomische Nachrichten et de l'Astronomical Journal. Rapportées par Airy et par M. Ellis ; nous n'avons consulté aucune de ces publications dans son édition d'origine.
- B George Innes, observation du 23 octobre 1831 à Aberdeen, Astronomische Nachrichten, vol. X, p. 211. Citée par Airy, non consultée par nous.
- C Sir James South, mémoire du volume III des Memoirs de la RAS, où se trouve selon Airy le seul recueil explicite antérieur d'observations de projection. Cité par Airy, non consulté.
- renvoi Standards et méthode — la grille de sourçage et ce que nous tenons pour une question ouverte.