Quand les étoiles réglaient l’heure de nos montres

Dans l’une des salles du Musée d’histoire des sciences consacrée au premier observatoire astronomique de Genève se trouve une curieuse lunette. Dotée de deux solides appendices métalliques horizontaux qui lui servent d’axe de rotation, son tube optique ne peut que s’élever ou s’abaisser verticalement sans pouvoir pivoter sur la gauche ou la droite. Cet instrument était l’une des pièces maîtresses de l’observatoire fondé en 1772 par l’astronome genevois Jacques André Mallet à l’extrémité sud du Bastion de Saint Antoine à un jet de pierre de l’actuel Musée d’art et d’histoire.

Décrite comme «la lunette méridienne de 4 pieds», l’instrument était utilisé pour déterminer l’heure sidérale, c’est-à-dire l’heure des étoiles, qui pouvait ensuite être facilement convertie en un temps moyen sur lequel étaient réglées les montres et les horloges.

Une des missions fondamentales du premier observatoire était de fournir l’heure exacte aux nombreux horlogers établis dans la ville. Au cours du 18^e siècle, l’heure sidérale était considérée comme l’heure la plus fiable qu’il soit pour régler les montres et les chronomètres qui déviaient souvent de plusieurs dizaines de secondes par jour.

Les observatoires européens avaient établi un catalogue d’étoiles de référence dont la position (ascension et déclinaison) dans le ciel était parfaitement déterminée. Ces étoiles étaient disposées sur l’ensemble de la voûte céleste. Ce qui permettait aux astronomes de procéder à des observations répétées durant toute la nuit et parfois aussi la journée. La détermination du temps astronomique se fait en observant le passage d’une étoile de référence au méridien du lieu au moyen de la lunette méridienne. Pointant la lunette à la déclinaison (hauteur) de l’étoile recherchée, l’astronome attendait que l’étoile traverse horizontalement le champ de vision de l’oculaire. Ce dernier était muni d’un réticule comprenant un fil vertical matérialisant le méridien entouré de plusieurs autres fils parallèles pour permettre d’estimer le plus précisément possible la position de l’étoile et surtout l’instant précis de son passage au méridien.

En plus de la lunette, deux autres instruments étaient indispensables aux astronomes: une pendule astronomique réglée sur le temps sidéral et un compteur de secondes à deux sonneries (l’une pour la seconde, l’autre pour la minute) synchronisé sur l’horloge. Juste avant le passage, l’observateur notait le temps sur l’horloge. Ensuite, il regardait l’avancée de l’étoile devant les fils du réticule tout en écoutant les sonneries du compteur de seconde. Il extrapolait ensuite le temps de passage d’après la position de l’étoile et l’intervalle entre deux battements de seconde.

Lorsqu’ils constataient un éventuel écart de temps entre la position calculée de l’étoile et le temps lu sur la pendule, les astronomes la réglait pour la remettre parfaitement à l’heure des étoiles. Plus les observations étaient nombreuses, plus précis et fiable était le temps affiché par le garde-temps. Les astronomes convertissaient cette heure sidérale en un temps moyen mécanique affichée par une autre horloge de l’Observatoire qui était placée derrière une fenêtre pour être visible des horlogers. Ils pouvaient ainsi remettre à l’heure leurs montres et chronomètres.

La détermination astronomique du temps s’est poursuivie à Genève jusque dans les années 1950. Dans le second observatoire construit en 1827 pour remplacer le premier édifice qui tombait en ruine, la lunette méridienne originelle fut remplacée par un instrument plus performant construit par le mécanicien français Henri Gambey (1787-1847). L’estimation du temps de passage ne se faisait désormais plus à l’œil et à l’oreille, mais au chronographe, appareil électrique qui imprime les fractions de seconde sur un papier enregistreur. Lorsque l’étoile passe devant le fil du réticule symbolisant le méridien, l’observateur donne le top en pressant un bouton qui imprime une marque sur le papier. La mesure entre la marque et celles des secondes imprimées permettait d’évaluer le passage de l’étoile au dixième de seconde.

L’avènement des premières horloges à quartz dans les années 1940 marque l’abandon progressif de la détermination astronomique du temps par l’Observatoire. Bien plus précises que les montres mécaniques, ces horloges révélèrent que la vitesse de rotation de la Terre, base du temps sidéral, n’est pas aussi régulière qu’on le croyait alors. Si bien qu’en 1960, une nouvelle définition de la seconde est adoptée, fondée non plus sur la rotation de la Terre mais sur une propriété de la matière (la fréquence de vibration d’un atome de césium) bien plus précise et immuable.

Latitude et longitude céleste

A l’instar de la latitude et de la longitude utilisés par les géographes pour positionner un point sur la Terre, les astronomes ont leur propre système de coordonnées dites équatoriales pour déterminer la position d’une étoile dans le ciel. Equivalent de la latitude, la déclinaison mesure la hauteur de l’étoile dans le ciel à partir de l’Equateur jusqu’aux pôles. Elle est comptée positivement de 0 à 90° pour l’hémisphère nord et négativement pour l’hémisphère sud. Pendant de la longitude, l’ascension droite représente l’écart angulaire horizontal entre la position de l’étoile et un méridien d’origine, en l’occurrence le point vernal qui est l’intersection entre le plan de l’équateur terrestre et celui de l’écliptique (plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil).

L’ascension droite se mesure en heures, minutes et secondes croissant en direction de l’est. L’instant du passage d’une étoile de référence au méridien donne le temps sidéral du lieu, un temps relevé par le compteur de seconde et la pendule astronomique en charge de le conserver. En multipliant les observations méridiennes, les astronomes du 18e siècle pouvaient ainsi continuellement réajuster la pendule à l’heure des étoiles.