Le mouvement des étoiles et des constellations dans le ciel

L’aspect du ciel étoilé évolue d’heure en heure, mais aussi en fonction du moment de l’année où on l’observe. Ces changements déconcertants pour le néophyte obéissent à des cycles et sont donc prévisibles. Explications.

Au fil de la nuit

La Terre effectue un tour complet sur son axe en un jour, de l’ouest vers l’est. Cette rotation est la cause du mouvement apparent du ciel en sens inverse. Ainsi, les étoiles, la Lune, les planètes mais aussi le Soleil se lèvent vers l’est et traversent le ciel jusqu’à leur coucher en direction de l’ouest. Ce mouvement apparent est analogue à celui que le passager d’un manège en fonctionnement observe en regardant vers l’extérieur.

L’étoile Polaire matérialise la direction vers laquelle pointe l’axe de rotation de la Terre dans le ciel de l’hémisphère nord.

En observant les constellations proches de cet astre, qui ont la particularité de ne jamais passer derrière l’horizon (ce sont des constellations circumpolaires), on visualise bien ce mouvement inverse des aiguilles d’une montre.

Si l’on surveille par exemple au cours d’une nuit la position de la Grande Ourse, elle aura bougé d’un quart de tour après que six heures se soient écoulées (un quart de 24 heures).

Au fil de l’année

Notre planète effectue également une révolution complète autour du Soleil en une année. C’est lorsque nous sommes du côté non éclairé de la Terre que nous pouvons voir les étoiles dans le ciel. Or ce côté nocturne voit son orientation par rapport aux étoiles évoluer au fur et à mesure que la Terre avance sur son orbite. C’est la raison pour laquelle les étoiles visibles changent au fil des semaines, et que les constellations ne sont pas les mêmes suivant les saisons.

Mais à quelle vitesse le ciel évolue-t-il ? Si l’observateur relève chaque mois l’heure à laquelle une étoile remarquable se retrouve au même endroit dans le ciel, il constatera que cela se produit deux heures plus tôt à chaque nouvelle observation.

En effet, en un mois, la Terre a parcouru un douzième de son orbite et le côté nuit s’est décalé d’un douzième de tour. Ramené à l’échelle de 24 heures, un douzième correspond à deux heures, ce qui correspond bien au décalage constaté par l’observateur. Sur une durée de trois mois, le passage de cette étoile remarquable sera donc avancé de six heures, et sur douze mois, de 24 heures, soit un horaire identique à la toute première observation.

C’est ce décalage continu qui entraîne le renouvellement des étoiles au fil du temps à l’échelle globale du ciel, avec une périodicité d’une année. Et de soir en soir, cela signifie aussi que le même ciel revient avec quatre minutes d’avance.

Il y a jour… et jour

Pourquoi ce décalage de quatre minutes chaque jour ? On l’a vu, la Terre tourne sur elle-même en un jour, dont on sait que la durée est de 24 heures, comme l’indiquent nos montres et horloges. Mais en pratique, c’est un peu plus compliqué, car tout dépend quel est le repère utilisé pour considérer que le tour est complet.

Si ce repère est le Soleil, alors le jour fait bien 24 heures (enfin, à peu près… voir en fin d’article le paragraphe « Pour aller plus loin »). On parle de jour solaire. Mais si on choisit les étoiles comme référence, on parle alors de jour sidéral qui dure cette fois 23h 56min 4s. Cet écart d’environ quatre minutes trouve son origine dans le fait que nos repères sont situés à des distances bien différentes. Ainsi, pour faire un tour complet par rapport aux étoiles situées à l’infini, l’observateur regarde toujours dans la même direction. Mais lorsqu’il se repère par rapport au Soleil, relativement proche et autour duquel la Terre tourne, il faut effectuer une petite fraction de tour supplémentaire chaque jour, et cela prend environ 4 minutes (schéma ci-dessous).

Alors, quel ciel ce soir ?

Au final, la rotation de la Terre sur elle-même et sa révolution autour du Soleil ont les conséquences concrètes suivantes pour l’observateur :

• chaque soir, le ciel se présente dans la même configuration que celui de la veille, mais avec quatre minutes d’avance ;
• on peut observer la configuration du ciel du mois suivant, simplement en patientant deux heures (par exemple, le ciel du 1^er mai à 23h est le même que le ciel du 1^er juin à 21h) ;
• sur le même principe, le ciel de la saison suivante est observable au cours de la même nuit, si l’on patiente six heures (par exemple, le ciel d’été est visible à la fin d’une nuit de printemps).

La carte céleste tournante est un outil pédagogique qui retranscrit ces mouvements et leurs conséquences de façon très simple. Elle est constituée d’une carte circulaire tournant autour d’un rivet situé à la place de l’étoile Polaire, qui combine le mouvement de rotation de la Terre et la révolution de notre planète autour du Soleil, et d’un cache masquant les constellations situées au-dessous de l’horizon. En faisant correspondre une date d’observation de la graduation située sur la carte circulaire avec une des heures indiquées au bord du masque, on obtient très simplement la représentation du ciel à cette date et cette heure. Une fois le réglage effectué, un simple examen de la correspondance des graduations permet aussi de constater les concordances énumérées ci-dessus.

Lorsque vous avez un tel outil en main, amusez-vous à multiplier les réglages et à regarder les correspondances : vous verrez ainsi qu’il est par exemple possible d’observer quelques merveilles du ciel du ciel d’hiver peu avant l’aube à la fin du mois d’août !

POUR ALLER PLUS LOIN : LA DURÉE EXACTE DU JOUR SOLAIRE

Le jour solaire regroupe deux notions : le jour solaire moyen et le jour solaire vrai. Le premier dure 24 heures (le temps de nos montres) mais comme son nom l’indique, il n’est que la moyenne annuelle du jour solaire vrai, qui lui a une durée variable dans une amplitude de quelques dizaines de secondes.

Cette variabilité est liée à la vitesse changeante de la Terre qui circule sur une orbite elliptique autour du Soleil, combinée au fait que l’axe de rotation de notre planète n’est pas perpendiculaire au plan de cette orbite, ce qui entraîne des projections d’angle changeantes pour la mesure. Ainsi, les jours solaires les plus courts sont en septembre (23h 59min 40s) et les plus longs sont en décembre (24h 0min 30s). De plus, ces durées se cumulant de jour en jour, l’écart du temps solaire vrai peut atteindre une quinzaine de minutes en avance ou en retard par rapport au temps solaire moyen. Ces variations sont retranscrites par l’équation du temps (courbe ci-dessous), qui permet de connaître la différence entre le temps solaire moyen (ligne rouge) et le temps solaire vrai (courbe jaune) à une date donnée. Si la valeur est positive, par exemple + 5min, le temps vrai est en retard sur le temps moyen : ainsi, le Soleil passe réellement au sud à 12h 05min à la montre au lieu de 12h. Si la valeur est négative (par exemple - 4min), alors le temps vrai est en avance et le Soleil passe au sud à 11h 56min à la montre. Fort heureusement, l’utilisation du temps solaire moyen nous affranchit de ces variations, dont nous ne nous rendons même pas compte dans notre quotidien.

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