Tout sur Vulcain, une planète hypothétique située entre le Soleil et Mercure

C’est une oscillation de l’orbite de Mercure qui a conduit les scientifiques du XIXe siècle à rechercher Vulcain.

Pendant des millénaires, les planètes visibles à l’œil nu – Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne – ont complété le système solaire avec le Soleil, la Lune et la Terre.

Mais lorsque la révolution scientifique a conduit à la découverte des planètes “invisibles” Uranus et Neptune au XIXe siècle, les scientifiques ont également commencé à croire qu’il y avait au moins une autre planète qui se cachait autour du Soleil, et qu’elle était encore plus proche : la planète Vulcain, qui orbiterait quelque part entre Mercure et le Soleil.

La recherche de la planète Vulcain au XIXe siècle a été l’une des entreprises scientifiques les plus opiniâtres de l’époque, mais elle a été largement oubliée à l’époque moderne. Qu’est-ce qui a poussé les scientifiques à la rechercher ? Pourquoi pensaient-ils qu’elle était là ? Et qu’est-ce qui les a finalement poussés à abandonner la chasse ?

Comment Isaac Newton a-t-il révolutionné l’astronomie de l’invisible ?

Avant la découverte des lois de la gravitation par Isaac Newton, les astronomes ne pouvaient identifier que ce qu’ils pouvaient voir à l’œil nu ou à travers un télescope.

L’existence des planètes visibles (c’est-à-dire celles qui sont visibles à l’œil nu) est connue depuis toujours, et l’invention du télescope (généralement attribuée à Hans Lippershey en 1608, mais pointé vers le ciel pour la première fois par Galilée un an plus tard) a permis de découvrir des objets encore plus petits, comme les lunes de Jupiter et les plus gros astéroïdes de la ceinture d’astéroïdes, comme Pallas et Cérès.

Mais les travaux de Newton ont transformé le système solaire et les relations entre les corps célestes qu’il contient en interactions mathématiques. Cela a permis aux astronomes de faire des prédictions sur les planètes, les comètes et d’autres objets, en utilisant des formules bien définies.

Mieux encore pour les astronomes, comme les objets exercent une gravité, que l’on sache ou non qu’ils sont là, les moments où les calculs ne sont pas justes deviennent encore plus importants que ceux où ils le sont. Si les lois de la gravitation de Newton vous disaient que vous deviez vous attendre à ce que deux plus deux fassent quatre, mais qu’au lieu de cela l’univers vous donnait un cinq, ces mêmes lois signifiaient que quelque chose que vous n’aviez pas pris en compte devait contribuer à un.

Appliquées à la gravité, si l’orbite d’une planète ou d’une lune est prévisible grâce aux lois de Newton, mais que les observations ne correspondent pas à ce que vous attendiez en utilisant ces lois, alors quelque chose d’autre doit exercer une gravité supplémentaire sur le système.

Cela a permis aux astronomes de déduire l’existence d’objets qu’ils ne pouvaient pas voir en mesurant les effets observables de la gravité sur un autre objet. C’est ainsi que la huitième planète, Neptune, a été découverte en 1846.

Découverte de la planète Neptune

Après que William Herschel a découvert la planète Uranus en 1781 à l’aide d’un télescope, les astronomes ont utilisé les lois du mouvement de Newton pour tracer l’orbite précise de la nouvelle planète. Au fil des ans, cependant, une divergence entre l’orbite prédite d’Uranus et son orbite réelle, observée, a commencé à apparaître.

Soit les lois de Newton fonctionnent différemment à grande distance du Soleil (une idée rejetée par presque tout le monde à l’époque), soit quelque chose interfère avec l’orbite d’Uranus. Et, étant donné la taille immense d’Uranus, ce quelque chose devait être très grand.

Cela a donné le coup d’envoi d’une chasse mathématique à une huitième planète cachée dans le voisinage d’Uranus. C’est à l’astronome français Urbain Le Verrier que revient le mérite d’avoir déterminé la position de cette planète alors inconnue. En septembre 1846, il a envoyé une lettre indiquant la position de la planète à Johann Galle, de l’observatoire de Berlin, puis a confirmé visuellement la planète Neptune à l’aide du télescope réfractaire de l’observatoire.

Bien que la découverte de Le Verrier fasse l’objet d’une certaine controverse, l’astronome anglais John Couch Adams a, à la même époque, prédit de manière indépendante une position moins précise, mais similaire, de la planète. Cependant, il ne publie ses résultats qu’après que Galle ait confirmé le travail de Le Verrier – même Adams reconnaît la priorité de Le Verrier dans la découverte de Neptune.

Cette reconnaissance donne sans doute un poids considérable à la parole de Le Verrier lorsqu’en 1859, il utilise la même technique mathématique pour tenter d’expliquer une perturbation similaire de l’orbite de Mercure. Il proposa qu’une minuscule planète, Vulcain, orbitait peut-être assez près du Soleil pour avoir été cachée par l’éblouissement du Soleil, mais suffisamment grande pour perturber l’orbite de Mercure.

L’oscillation de Mercure et la recherche de la planète Vulcain

“Vulcain est remarquable parce que l’idée de ce petit corps à l’intérieur de l’orbite de Mercure est parfaitement logique”, expliquait en 2015 à National Geographic Tom Levenson, professeur de rédaction scientifique au Massachusetts Institute of Technology.

“Si vous croyez à la théorie de la gravité d’Isaac Newton, ce que tout le monde fait à l’époque, la découverte d’une légère ondulation au milieu de l’orbite de Mercure qui ne peut pas être expliquée par la traction de Vénus ou de la Terre n’a qu’une seule interprétation : il doit y avoir une planète ou un troupeau d’astéroïdes non découverts que nous ne pouvons pas voir parce qu’ils sont trop proches du soleil, mais qui doivent exercer une certaine influence gravitationnelle sur Mercure.”

Cette nouvelle théorie sur l’oscillation de l’orbite de Mercure a déclenché une période de “Vulcain-mania” dans la seconde moitié du 19e siècle, alors que des astronomes professionnels et amateurs se sont mis à la recherche de la planète proposée et que certains ont même prétendu l’avoir vue.

La première de ces “observations” est due à un astronome amateur français, Edmond Modeste Lescarbault, en 1859. Travaillant dans son observatoire de fortune installé dans une grange dans son jardin, Lescarbault a pointé son télescope sur le Soleil et a vu ce qui ressemblait à une minuscule planète ronde transitant par le Soleil.

Enregistrant sa progression, Lescarbault finit par envoyer ses données à Le Verrier, alors directeur de l’Observatoire de Paris, après avoir lu un article de Le Verrier sur le problème de l’orbite de Mercure.

“Le Verrier est à une fête du Nouvel An lorsqu’il reçoit la lettre et se rend chez Lescarbault”, explique Levenson, “ce qui implique un voyage en train et ensuite une marche de 12 miles, pour l’interroger”.

“Le Verrier devient convaincu que Lescarbault a vraiment vu ce qu’il prétend avoir vu et que l’interprétation correcte est qu’il s’agit du transit d’une planète. On ne sait pas exactement qui l’a nommée en premier, mais elle a rapidement été connue sous le nom de Vulcain.”

La combinaison de la réputation de Le Verrier et de divers récits populaires d’“observations” de la planète inexistante a convaincu à peu près tout le monde que non seulement Vulcain était une planète réelle, mais qu’elle avait également été confirmée par l’observation.

“De nombreux milieux croyaient qu’il existait une planète située entre Mercure et le Soleil, mais qui était généralement perdue dans l’éblouissement du Soleil”, explique Daniel Kennefick, professeur de physique à l’université de l’Arkansas et auteur de No Shadow of a Doubt : L’éclipse de 1919 qui a confirmé la théorie de la relativité d’Einstein.

“Certaines personnes avaient cru voir Vulcain lors d’éclipses totales de soleil et il était très courant de chercher Vulcain lors de ces événements car l’éblouissement du soleil était éliminé et on avait donc beaucoup plus de chances de voir une éventuelle planète.”

Compte tenu de l’époque, il y avait peu de raisons de douter de la découverte puisqu’elle s’inscrit dans la vision dominante de l’univers fournie par les lois de la gravitation de Newton.

“L’ondulation de Mercure doit être causée par une source d’énergie gravitationnelle”, a déclaré Levenson. “Il n’y avait pas d’autre façon d’y penser. Les faits en eux-mêmes ne veulent rien dire si vous n’avez pas un cadre dans lequel les placer. Et ce cadre, c’était les lois de Newton.”

Faits concernant Vulcain (même si elle n’existe pas)

Pour une planète qui n’existait pas, les gens étaient attachés à des idées plutôt concrètes sur Vulcain au XIXe siècle.

Pour sa part, il faut noter que Le Verrier n’a jamais affirmé de manière définitive qu’une planète perturbait l’orbite de Mercure. Il pensait en fait qu’une ceinture d’astéroïdes ou même plusieurs petites planètes étaient aussi probables, sinon plus.

La quantité de masse nécessaire pour créer l’oscillation de Mercure serait presque égale à Mercure elle-même, et il ne semblait donc pas probable que les astronomes aient simplement manqué une autre planète de la taille de Mercure en orbite autour du Soleil. Cela dit, on ne pouvait pas non plus l’écarter, car son orbite aurait été entièrement comprise dans celle de Mercure. Une planète à l’intérieur de cette orbite restreinte serait facilement perdue face à la lumière aveuglante du Soleil.

Et une fois que Le Verrier eut vu les données de Lescarbault sur le transit supposé de Vulcain en 1859, il fut suffisamment convaincu de la théorie de la planète singulière pour annoncer la “découverte” de Vulcain en 1860, sur la base de ses propres calculs et des observations faites par Lescarbault en guise de confirmation.

L’observation de Lescarbault et les enregistrements qu’il en a fait ont fourni des données importantes à Le Verrier pour tenter de déterminer l’orbite de Vulcain, sa distance au Soleil et d’autres caractéristiques.

À partir de ces données, Le Verrier calcula une orbite à peu près circulaire pour la planète. Il estime la distance de Vulcain au Soleil à environ 13 millions de kilomètres. Mercure a l’orbite la plus excentrique de toutes les planètes du système solaire, mais à son approche la plus proche du Soleil, au périhélie, elle est à environ 28,5 millions de miles. Vulcain se trouverait donc à un peu moins de la moitié de la distance qui sépare le Soleil de l’approche la plus proche de Mercure.

Le Verrier a calculé une période orbitale d’environ 19 jours et 18 heures, avec une inclinaison orbitale d’environ 12 degrés et 10 minutes par rapport à l’écliptique. Et, selon Le Verrier, l’élongation la plus éloignée de Vulcain était d’environ huit degrés. Vulcain ne serait pas assez éloigné du Soleil pour échapper à son éblouissement, même au crépuscule, de sorte que le seul espoir de le voir aurait été pendant une éclipse ou un transit du Soleil. Compte tenu de la rapidité de la période orbitale, Le Verrier estime qu’il y aurait deux à quatre transits de Vulcain par an.

Avant sa mort en 1877, Le Verrier a tenté à plusieurs reprises de prédire un transit de Vulcain, mais aucun ne s’est produit. Alors que d’autres prétendent avoir vu un passage de Vulcain entre 1860 et 1877, Le Verrier continue à affiner ses calculs de l’orbite de Vulcain, dans l’espoir de prédire un passage qui prouverait de manière concluante l’existence de la planète.

Au-delà des calculs de Le Verrier, il n’y a pas grand-chose d’autre que l’on puisse dire avec certitude sur une planète qui, après tout, n’a jamais existé. Elle devait être chaude et rocheuse, cependant. Bien que personne ne sache à l’époque à quel point Mercure était réellement chaude, Vulcain portait de toute façon bien son nom. Si elle avait existé, elle aurait été nettement plus chaude que Mercure, car elle était plus de deux fois plus proche du Soleil que Mercure. C’est peut-être la raison pour laquelle certains observateurs qui prétendaient avoir vu Vulcain pendant une éclipse affirmaient qu’il avait une teinte rougeâtre.

Toujours est-il que le fait que personne n’ait été en mesure d’identifier de manière fiable la planète intermercuriale, même avec certains des équipements d’observation les plus avancés de l’époque, indiquait fortement que si une telle planète existait, elle ne pouvait pas être aussi massive que Mercure.

“À notre avis”, écrivent en 1909 les chercheurs de l’Observatoire Lick du Mont Hamilton, en Californie, “les travaux des trois expéditions Crocker, qui ont observé les éclipses de 1901, 1905 et 1908, mettent définitivement un terme à l’aspect observationnel du problème des planètes intermercuriales… On ne prétend pas qu’aucune planète ne sera trouvée dans la région intermercuriale… mais on croit avec confiance que leur masse serait inadéquate pour expliquer les perturbations observées dans le mouvement de Mercure”.

Avec tant d’occasions d’observer des transits qui se sont avérées infructueuses ou, au mieux, peu concluantes, et un manque d’identification définitive lors d’une multitude d’éclipses solaires au fil des ans, en 1879, beaucoup ont commencé à douter de l’existence de Vulcain, mais il faudra attendre près de 40 ans pour que l’existence de Vulcain soit définitivement rejetée.

Albert Einstein met fin à l’existence de Vulcain

Il s’est avéré que le problème se situait depuis le début dans les lois du mouvement et de la gravitation de Newton.

Si les lois de Newton étaient et sont toujours remarquables pour leur capacité à prédire les effets gravitationnels, elles ne sont pas le dernier mot en matière de gravité. Et lorsqu’Albert Einstein a commencé à élaborer sa théorie de la relativité générale, l’insaisissable planète Vulcain était au cœur de ses préoccupations.

“Pour Einstein, Vulcain avait depuis longtemps dérivé vers l’extrême pénombre des possibilités”, écrit Levenson dans La chasse à Vulcain. “Mais à présent, Albert Einstein, qui construisait un cosmos sur la base de la relativité, visait la planète inconnue. Dès le début de ses recherches sur la gravité, Einstein a saisi le caractère crucial de l’existence ou de l’absence de Vulcain.”

Pendant plus d’un demi-siècle, l’existence de Vulcain a été contestée, mais elle a au moins été sérieusement débattue. Einstein a donc compris que Mercure était un terrain d’essai crucial pour le développement de sa théorie de la relativité générale. Si la relativité pouvait expliquer l’oscillation de l’orbite de Mercure sans avoir besoin de recourir à Vulcain, elle ne résoudrait pas seulement un grand mystère de l’astronomie et de la physique. Cela montrerait que la relativité a entièrement supplanté Newton et ses lois du mouvement et de la gravitation pour décrire l’univers.

L’idée maîtresse de la relativité générale d’Einstein est de concevoir la gravité non pas comme une force entre deux corps, comme le croyait Newton, mais comme la conséquence d’une masse qui “s’enfonce” dans le “tissu” d’un élément appelé espace-temps.

“Le cœur de la relativité générale est que l’espace et le temps ne sont pas statiques, mais dynamiques et peuvent changer”, a déclaré Levenson. “La façon dont ils changent est due à la présence et au mouvement de la matière et de l’énergie. Une vaste masse comme le Soleil crée des courbes dans l’espace-temps, ce qui signifie que les choses ne vont pas tout droit. Un rayon de lumière passant près du Soleil suivra une trajectoire courbe.”

En ce qui concerne Mercure et son orbite, cette même courbe dans un espace-temps dynamique explique exactement l’oscillation de l’orbite de la planète à elle seule, sans qu’il soit nécessaire d’avoir une autre planète entre Mercure et le Soleil. En affinant sa théorie de la relativité générale sur le problème du périhélie bancal de Mercure, Einstein a supprimé du jour au lendemain la nécessité d’une planète Vulcain.

“La réfutation de l’existence de Vulcain était essentielle pour Einstein”, a déclaré Levenson, “car elle montrait que sa nouvelle image radicale et bizarre, selon laquelle l’espace-temps est fluide, était en fait la bonne façon de voir l’univers.”

“Mercure oscille parce que c’est le chemin le plus court qu’il peut emprunter à travers l’espace-temps courbé créé par cette énorme bosse imposée par la masse du Soleil. Sans espace-temps courbé, vous avez besoin d’une autre masse pour tirer dessus. Avec un espace-temps courbé, Mercure se comporte exactement comme la théorie d’Einstein l’indique.”

Au cours de la centaine d’années qui ont suivi la publication de la relativité générale, la planète Vulcain a disparu de la conscience du public (à l’exception de Star Trek, bien sûr), mais son histoire a refait surface ces dernières années, les historiens et les journalistes scientifiques se penchant sur la petite planète ardente qui a failli exister et sur son importance dans le développement de la relativité générale. Plus que tout, cependant, elle s’avère être un important récit édifiant pour les scientifiques du monde entier.

“Vulcain nous apprend combien il est difficile de comprendre ce que la nature nous dit, combien il est difficile de comprendre quand la nature nous dit non”, a déclaré Levenson. “Les gens ont continué à découvrir Vulcain parce que la façon dont ils voyaient le monde exigeait que Vulcain soit là”, a-t-il ajouté. “Il a fallu Albert Einstein pour fournir le cadre dans lequel Vulcain est devenu non seulement inexistant mais inutile.”

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche