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L’astronomie est un domaine où les Grecs ont fait preuve d’un talent remarquable. L’astronomie d’observation, qui était la principale forme d’astronomie ailleurs, a été poussée un peu plus loin en Grèce : ils ont tenté de construire un modèle de l’univers qui pourrait rendre compte des observations. Ils ont exploré toutes les alternatives imaginables, ils ont envisagé de nombreuses solutions différentes pour les divers problèmes astronomiques qu’ils rencontraient. Non seulement ils ont anticipé de nombreuses idées de l’astronomie moderne, mais certaines de leurs idées ont perduré pendant environ deux millénaires. Même à l’époque d’Isaac Newton, certains aspects de la cosmologie aristotélicienne étaient encore enseignés à l’université de Cambridge.

Notre connaissance de l’astronomie grecque avant le 4e siècle avant notre ère est très incomplète. Nous n’avons que quelques écrits survivants, et la plupart de ce que nous savons sont des références et des commentaires d’Aristote, la plupart du temps des opinions qu’il s’apprête à critiquer. Ce qui est clair, c’est qu’on croyait que la terre était une sphère, et qu’il y avait un effort croissant pour comprendre la nature en termes purement naturels, sans recours à des explications surnaturelles.

Les voisins des Grecs, les Égyptiens et les Babyloniens, avaient des astronomies très développées, mais les forces qui les animaient étaient différentes. L’administration égyptienne s’appuyait sur des calendriers bien établis pour anticiper les crues du Nil ; des rituels étaient nécessaires pour pouvoir lire l’heure pendant la nuit, et l’orientation des monuments dans les directions cardinales était également importante. Les Babyloniens croyaient en la lecture des présages dans le ciel comme moyen de sécuriser l’État. Tous ces éléments étaient des stimuli importants pour développer une astronomie de qualité.
Pythagore est crédité comme le premier Grec à penser que la terre est sphérique, mais cette idée était probablement fondée sur des raisons mystiques plutôt que scientifiques. Les pythagoriciens ont trouvé des preuves concluantes en faveur d’une terre sphérique après avoir découvert que la lune brille en réfléchissant la lumière, et la bonne explication des éclipses a été trouvée. L’ombre de la terre sur la surface de la lune a suggéré que la forme de notre planète était sphérique.

Le livre d’Aristote « Sur les cieux » résume certaines notions astronomiques avant son époque. Il dit, par exemple, que Xénophane de Colophon prétendait que la terre en dessous de nous est infinie, qu’elle a « poussé ses racines à l’infini » ; d’autres croyaient que la terre reposait sur l’eau, une affirmation dont l’auteur original semble être Thalès (selon Aristote) ; Anaximène, Anaxagore et Démocrite croyaient que la terre était plate qui « couvre comme un couvercle, la terre en dessous d’elle ».

Astronomie grecque après Aristote

À part quelques exceptions, le consensus général parmi les astronomes grecs était que l’univers était centré sur la terre. Au cours du 4e siècle avant notre ère, Platon et Aristote se sont mis d’accord sur un modèle géocentrique, mais les deux penseurs l’ont fait sur la base d’arguments mystiques : Les étoiles et les planètes étaient transportées autour de la terre sur des sphères, disposées de manière concentrique. Platon décrivait même l’univers comme le Fuseau de la Nécessité, accompagné par les Sirènes et tourné par les trois Parques. Platon a écarté l’idée d’un univers régi par des lois naturelles, car il rejetait toute forme de déterminisme. En fait, les mouvements imprévisibles de certaines planètes (notamment Mars), étaient considérés par Platon comme la preuve que les lois naturelles ne pouvaient pas rendre compte de tous les changements de la nature. Eudoxe, un élève de Platon, a contesté le point de vue de son professeur en travaillant sur un modèle mathématique plus exempt de mythes, mais l’idée de sphères concentriques et de mouvements planétaires circulaires persistait toujours.

Alors que les justifications d’Aristote pour un univers centré sur la terre manquent de soutien scientifique, il offre quelques preuves d’observation convaincantes pour justifier une terre sphérique, la plus importante étant la différence de position de l’étoile polaire quand on change de latitude, une observation qui offrait un moyen de mesurer la circonférence de la terre.

En effet, il y a des étoiles que l’on voit en Égypte et dans le voisinage de Chypre et que l’on ne voit pas dans les régions septentrionales ; et des étoiles, qui dans le nord ne sont jamais hors de portée de l’observation, dans ces régions se lèvent et se couchent. Tout cela concourt à montrer non seulement que la terre est de forme circulaire, mais aussi que c’est une sphère sans grande dimension : car autrement l’effet d’un si léger changement de lieu ne serait pas rapidement apparent.

(Aristote : livre 2, chapitre 14, p. 75)

Aristote, se basant sur la position de l’étoile polaire entre la Grèce et l’Égypte, estimait la taille de la planète à 400 000 stades. Nous ne connaissons pas exactement la conversion des stades en mesures modernes, mais le consensus général est que 400 000 stades correspondraient à environ 64 000 kilomètres. Ce chiffre est beaucoup plus élevé que les calculs modernes, mais ce qui est intéressant, c’est que d’un point de vue théorique, ce calcul est une méthode valable pour calculer la taille de notre planète ; c’est l’inexactitude des chiffres traités par Aristote qui l’empêche d’arriver à une conclusion acceptable.

Un chiffre plus précis pour la taille de notre planète apparaîtra plus tard avec Eratosthène (276-195 avant notre ère) qui a comparé les ombres projetées par le soleil à deux latitudes différentes (Alexandrie et Syène) exactement au même moment. Par simple géométrie, il a ensuite calculé que la circonférence de la terre était de 250 000 stades, soit environ 40 000 kilomètres. Le calcul d’Eratosthène est environ 15% trop élevé, mais la précision de son chiffre ne sera pas égalée jusqu’à l’époque moderne.

Les assez bonnes observations de la cosmologie aristotélicienne coexistaient avec un certain nombre de préjugés mystiques et esthétiques. On croyait, par exemple, que les corps célestes étaient « non régénérés et indestructibles » et aussi « inaltérables ». Tous les corps qui existaient au-dessus de notre planète étaient considérés comme sans défaut et éternels, une idée qui a perduré longtemps après Aristote : même pendant la Renaissance, lorsque Galilée a affirmé que la surface de la lune était aussi imparfaite que notre planète et remplie de montagnes et de cratères, cela n’a provoqué que du scandale parmi les érudits aristotéliciens qui dominaient encore la pensée européenne.

Malgré le consensus général sur le modèle centré sur la Terre, il y avait un certain nombre de raisons qui suggéraient que le modèle n’était pas totalement exact et nécessitait des corrections. Par exemple, il n’était pas possible pour le modèle géocentrique d’expliquer ni les changements de luminosité des planètes ni leurs mouvements rétrogrades. Aristarque de Samos (310 av. J.-C. – 290 av. J.-C.), mathématicien et astronome de la Grèce antique, a proposé une autre hypothèse astronomique qui pouvait répondre à certaines de ces préoccupations. Anticipant Copernic et Galilée de près de 20 siècles, il affirmait que le soleil, et non la terre, était le centre fixe de l’univers, et que la terre, ainsi que les autres planètes, tournaient autour du soleil. Il a également affirmé que les étoiles étaient des soleils lointains qui ne bougeaient pas et que la taille de l’univers était beaucoup plus grande que ce que croyaient ses contemporains. Grâce à une analyse géométrique minutieuse basée sur la taille de l’ombre de la terre sur la lune lors d’une éclipse lunaire, Aristarque savait que le soleil était beaucoup plus grand que la terre. Il est possible que l’idée que les objets minuscules devraient graviter autour des grands et non l’inverse ait motivé ses idées révolutionnaires.

Les œuvres d’Aristarque où le modèle héliocentrique est présenté sont perdues, et nous les connaissons en reconstituant des œuvres et des références ultérieures. L’une des plus importantes et des plus claires est celle mentionnée par Archimède dans son livre « The Sand Reckoner »:

Mais Aristarque de Samos a fait paraître un livre composé de certaines hypothèses, dont les prémisses conduisent au résultat que l’univers est plusieurs fois plus grand que celui qu’on appelle maintenant ainsi. Ses hypothèses sont que les étoiles fixes et le Soleil restent immobiles, que la Terre tourne autour du Soleil dans la circonférence d’un cercle, le Soleil se trouvant au milieu de l’orbite, et que la sphère des étoiles fixes, située autour du même centre que le Soleil, est si grande que le cercle dans lequel il suppose que la Terre tourne a une telle proportion avec la distance des étoiles fixes que le centre de la sphère a avec sa surface.

(Archimède, 1-2)

Le modèle d’Aristarque était une bonne idée à une mauvaise époque, puisque tous les astronomes grecs de l’Antiquité tenaient pour acquis que l’orbite de tous les corps célestes devait être circulaire. Le problème était que la théorie d’Aristarque ne pouvait être conciliée avec les mouvements supposés circulaires des corps célestes. En réalité, les orbites des planètes sont elliptiques et non circulaires : les orbites elliptiques ou toute autre orbite non circulaire ne pouvaient être acceptées ; c’était presque un blasphème du point de vue des astronomes grecs.

Hipparque de Nicée (190 avant JC – 120 avant JC), l’astronome grec le plus respecté et le plus talentueux de l’Antiquité, a calculé la longueur du mois lunaire avec une erreur de moins d’une seconde et estimé l’année solaire avec une erreur de six minutes. Il a fait un catalogue du ciel fournissant les positions de 1080 étoiles en indiquant leur latitude et leur longitude célestes précises. Timocharis, 166 ans avant Hipparque, avait également réalisé une carte. En comparant les deux cartes, Hipparque a calculé que les étoiles avaient déplacé leur position apparente d’environ deux degrés, et il a ainsi découvert et mesuré la précession équinoxiale. Il a calculé que la précession était de 36 secondes par an, une estimation un peu trop courte selon les calculs modernes, qui sont de 50. Il fournit également la plupart des calculs qui constituent l’épine dorsale de l’œuvre de Ptolémée, l’Almageste, un essai astronomique massif achevé au cours du IIe siècle de notre ère, qui est resté la référence standard pour les savants et incontesté jusqu’à la Renaissance.

Hipparque met fin à la théorie d’Aristarque en affirmant que le modèle géocentrique explique mieux les observations que le modèle d’Aristarque. De ce fait, on lui reproche souvent d’avoir fait reculer les progrès de l’astronomie en favorisant la vision erronée centrée sur la terre. Cependant, c’est un risque qui entoure tous les génies, les deux faces d’une même pièce : lorsqu’ils ont raison, ils peuvent déclencher une révolution des connaissances, et lorsqu’ils ont tort, ils peuvent figer les connaissances pendant des siècles.

Le modèle aristotélicien a été « sauvé » par l’introduction de deux outils géométriques créés par Apollonius de Perga vers 200 avant notre ère et perfectionnés par Hipparque. Les cercles conventionnels furent remplacés par des cercles excentriques. Dans un cercle excentrique, les planètes se déplaçaient comme d’habitude dans un mouvement circulaire uniforme autour de la terre, mais notre planète n’était pas le centre du cercle, elle en était plutôt décalée. De cette façon, les changements de vitesse des planètes pouvaient être pris en compte, ainsi que les changements de luminosité : les planètes semblaient se déplacer plus rapidement, et aussi plus brillamment, lorsqu’elles étaient plus proches de la terre, et plus lentement, et aussi plus faiblement, lorsqu’elles étaient éloignées sur le côté lointain de leur orbite. Apollonius a imaginé un outil supplémentaire, l’épicycle, une orbite dans une orbite (la lune tourne autour de la terre et la terre tourne autour du soleil ou, en d’autres termes, la lune se déplace autour du soleil dans un épicycle). Ce dispositif pouvait aussi rendre compte des changements de luminosité et de vitesse, et il pouvait aussi rendre compte des mouvements rétrogrades des planètes qui avaient laissé perplexes la plupart des astronomes grecs.

L’Almageste

Entre Hipparque et l’Almageste de Ptolémée, nous avons un écart de trois siècles. Certains chercheurs ont suggéré que cette période était une sorte d' »âge sombre » pour l’astronomie grecque, tandis que d’autres chercheurs pensent que le triomphe de l’Almageste a effacé tous les travaux astronomiques antérieurs. Ce débat est superflu puisque l’importance d’une œuvre scientifique est souvent mesurée par le nombre d’ouvrages antérieurs qu’elle rend superflus.

L’Almageste est une œuvre colossale sur l’astronomie. Il contient des modèles géométriques liés à des tables grâce auxquelles les mouvements des corps célestes pouvaient être calculés indéfiniment. Toutes les réalisations astronomiques gréco-babyloniennes sont résumées dans cet ouvrage. Il comprend un catalogue contenant plus de 1 000 étoiles fixes. La cosmologie de l’Almageste allait dominer l’astronomie occidentale pendant les 14 siècles à venir. Bien qu’elle ne soit pas parfaite, elle était suffisamment précise pour rester acceptée jusqu’à la Renaissance.

Ironiquement, Ptolémée était plus un astrologue qu’un astronome : à son époque, il n’y avait pas de distinction nette entre le commerce obscur de l’astrologie et la science de l’astronomie. Les observations astronomiques n’étaient qu’un effet secondaire du désir de Ptolémée, en tant qu’astrologue, de pouvoir connaître et anticiper la position des planètes à tout moment. De plus, Ptolémée était également l’auteur d’un ouvrage nommé Tetrabiblos, un ouvrage classique sur l’astrologie.

Les outils imaginés par Hipparque et Apollonius permettaient une précision d’observation suffisante, encourageant la progression du modèle géocentrique, mais le succès total ne pouvait jamais être atteint. Ptolémée ajouta encore un autre dispositif pour « sauver les apparences » du modèle : le point équant. L’équant était le point symétriquement opposé à la terre excentrique, et la planète devait se déplacer sur son orbite de telle sorte que, du point de vue de l’équant, elle semblait se déplacer uniformément dans le ciel. Comme l’équant était décalé par rapport au centre de l’orbite, les planètes devaient varier leur vitesse afin de remplir cette condition. En bref, parce que certaines hypothèses de base du modèle cosmologique étaient fausses (la notion de terre centrée, les orbites circulaires parfaites, etc.), il a fallu ajouter des dispositifs discutables et compliqués (cercles excentriques, épicycles, équants, etc.) pour éviter les incohérences ou, du moins, essayer de les minimiser. En fin de compte, le modèle ptolémaïque s’est effondré non seulement en raison de ses inexactitudes, mais surtout parce qu’il manquait de simplicité. Lorsque l’hypothèse centrée sur le soleil de Copernic a été publiée au 16e siècle de l’ère chrétienne, elle a gagné en popularité non pas parce qu’elle était plus précise, mais parce qu’elle était beaucoup plus simple et qu’elle n’avait pas besoin de tous les dispositifs trop complexes que Ptolémée devait utiliser.

Légitimité

Les réalisations des Grecs en art, en politique et même en philosophie peuvent être jugées selon les goûts personnels, mais ce qu’ils ont accompli en astronomie est totalement incontestable. Ils ont non seulement développé une connaissance astronomique fine, mais ils ont également exploité avec succès les données astronomiques qu’ils ont obtenues de l’astronomie égyptienne, babylonienne et chaldéenne et ont réussi à les fusionner avec leurs propres connaissances. Même lorsqu’ils faisaient une hypothèse erronée, ils faisaient preuve d’une créativité unique pour trouver des moyens de sauver leurs erreurs. Pendant l’essor de la science moderne, ce n’est qu’à la Renaissance que le monde verra des penseurs ayant des compétences astronomiques suffisantes pour remettre en question les notions de l’astronomie grecque antique.