qui avait déjà entamé une brillante carrière en astronomie, s’était déjà emparé du sujet14 .
1.2
La théorie de William Herschel
Avec les observations de Wilson, nous voyons s’ouvrir une nouvelle période pour l’étude du Soleil. Celle-ci sera exclusivement le fait de l’astronome anglais William Herschel. Ce monopole du sujet
est d’ailleurs symptomatique du rôle subalterne dont les autres savants cantonnent l’étude physique du Soleil. Le caractère unique mais en même temps essentiel de son œuvre occasionne cette réflexion
de l’historienne Agnes Clerke : « [t]he rise of Herschel was the one conspicuous anomaly in the astronomical history of the eighteenth century. It proved decisive of the course of events in the ninteenth. It was unexplained by anything that had gone before ; yet all that came after hinged
upon it.15» Herschel va de fait imposer une nouvelle manière d’aborder les phénomènes solaires et son œuvre, plus généralement, a posé les bases d’une nouvelle vision du Cosmos. Nous allons dans
ce paragraphe circonscrire notre étude à la partie du travail d’Herschel qui a trait, directement ou indirectement, à l’étude du Soleil. Notre tâche a été facilitée par des études très détaillées dans la
littérature secondaire16. Il apparaît pourtant au fil de ces lectures, croisées avec celles des propres mémoires d’Herschel, qu’un personnage important a été négligé pour cerner au mieux son apport à la
théorie du Soleil, à savoir le physicien et météorologue suisse Jean-André de Luc. Nous réinsérerons donc ce savant dans la trame de notre analyse. Commençons par résumer les principaux résultats
d’Herschel en ce domaine.
Anglais d’adoption, ayant quitté sa ville natale de Hanovre en 1757 pendant le guerre de sept ans, William Herschel est devenu un haut personnage de l’astronomie en ajoutant en 1781 une
nouvelle planète aux six connues : Uranus. Cette découverte lui vaut tous les honneurs, et surtout lui permet de bénéficier d’une pension de la part de la famille royale ainsi qu’une habitation voisine du
14. Secchi nota à ce sujet, en rappelant les premières observations des taches solaires, que « [c]es premiers moyens d’observation eurent bientôt produit tout ce qu’on pouvait en attendre. Il en résulta un temps d’arrêt dans le progrès de nos connaissances et une indifférence profonde pour ce genre de recherches. On désespérait même de cette branche de l’Astronomie lorsque W. Herschel se mit à l’œuvre avec les instruments qu’il avait construits de ses propres mains. » Secchi (1870), Le Soleil, p. vii.
15. Clerke (1885), A popular history of astronomy during the nineteenth century, p. 5.
16. Nous renvoyons au livre de Michael Hoskin qui, bien qu’offrant un panorama plus général de son travail, compile les mémoires d’Herschel relatifs aux nébuleuses. Hoskin (1969), William Herschel and the construction of heavens. Nous renvoyons également à études suivantes : Schaffer (1980), Herschel in Bedlam : natural history and stellar astronomy ; Schaffer (1980), Herschel on matter theory ; Hufbauer (1991), Exploring the sun, pp. 32-41 ; Merleau-Ponty (1983), La science de l’Univers à l’âge du positivisme, chapitre 2.
château de Windsor. Cette nouvelle position lui permet de se consacrer exclusivement à l’astronomie, abandonnant par conséquent sa carrière de musicien. Observateur assidu, construisant lui-même ses
télescopes – les plus puissants de l’époque –, il ne quittera plus guère son observatoire que pour aller présenter devant la Royal Society de Londres les résultats de ses recherches.
Parmi les travaux qu’il entreprend durant sa carrière17 , il est un domaine qui doit attirer plus particulièrement notre attention dans un premier temps, à savoir les nébuleuses. Ces objets célestes s’apparentent à des taches pâles au contour flou, que l’astronome français Charles Messier avait
commencé à cataloguer peu avant18. En examinant attentivement ces structures avec son télescope de 20 pieds, Herschel parvient à résoudre en amas d’étoiles la plupart des nébuleuses que Messier,
pourvu de lunettes moins puissantes, avait jugées irréductibles. Mais certaines résistent à l’analyse. Il se rallie alors peu à peu à l’idée qu’il existe des nébulosités qui ne sont pas de nature stellaire.
La découverte qu’il existe des nébuleuses au centre desquelles se loge une étoile le renforce dans son opinion. Le 13 novembre 1790, il est témoin d’un phénomène qui finalement cristallisera son
opinion. Il observe une étoile parfaitement au centre d’une atmosphère faiblement lumineuse, de 3’ de diamètre. Ce ne peut être que l’atmosphère même de cette étoile, en déduit-il. Mais quelle relation
de dépendance entretiennent ces deux parties ? « If, therefore, this matter is self-luminous, it seems more fit to produce a star by its condensation than to depend on the star for its existence.19» Ainsi,
après avoir démontré, par des arguments probabilistes, que ces luminosités très étendues sont bien coextensives à l’étoile, il en infère que ces structures singulières sont les témoins d’une étoile en phase
de formation, dont l’atmosphère se condense graduellement pour en former l’astre central. Elles sont alors à un stade intermédiaire entre la nébuleuse pure et l’étoile pleinement formée. Il ne prétend pas
donner une explication sur la nature même de cette matière lumineuse, il lui suffit seulement d’avoir apporter la preuve de son existence, et dès lors qu’il existe dans les espace célestes de nombreux
amas de matière diffuse et « self-luminous », s’ouvre devant lui un vaste champ de recherche dont il va entreprendre l’exploration.
Grâce à ses observations, Herschel dispose bientôt d’un schéma évolutif partant de la nébuleuse
17. On trouve la liste de ses mémoires dans Arago (1842), Analyse de la vie et des travaux de Sir William Herschel. 18. Le premier catalogue, publié en 1774, regroupait 45 objets diffus. Le catalogue final, achevé en 1781 et publié 3 ans plus tard, en comprenait 103. Messier a édité ces catalogues d’objets nébuleux afin que les astronomes ne puissent les confondre avec les comètes, dont il était un ardent chasseur.
19. Herschell (1791), On nebulous stars, properly so called, p. 85. Notons ici que la relation causale est inversée par rapport à ce qui prévaudra plus tard. Ce n’est pas l’étoile qui produit la matière lumineuse, mais bien cette matière qui confère à l’étoile ses propriétés éclairantes.
1.2 La théorie de William Herschel 23
élémentaire jusqu’à l’étoile, dont notre Soleil n’est qu’un prototype parmi des milliards. Comme le fait remarquer Michael Hoskin, à l’époque où Herschel pensait que toutes les nébulosités étaient
résolubles potentiellement en amas d’étoiles, « [...] unresolved nebulae differed importantly from star clusters in being more distant – rather than being younger [. . . ] and so the time factor had not
yet assumed its later overriding importance.20» Sa « construction des cieux » était basée sur un processus d’agrégation d’étoiles soumises à des forces attractives en des systèmes de plus en plus
larges, dont il s’est efforcé d’en révéler l’architecture. Celle-ci ne représente plus maintenant que la dernière étape d’un processus évolutif bien plus vaste, reposant sur l’existence initiale d’une sorte de
chaos primordial. Les objets célestes observés dans le ciel sont maintenant les témoins des différents stades de l’évolution des astres, et si l’échelle de temps est bien trop vaste par rapport à l’homme
pour espérer en détecter les transformations, du moins peut-il s’en faire une idée à la manière d’un naturaliste observant une forêt, selon la métaphore que Herschel lui-même employe et dont Schaffer
a saisie et analysée la rhétorique21. Par ses spéculations audacieuses, il parvient, selon l’expression de Hoskin, à transformer une image statique en un processus dynamique continuellement à l’œuvre
dans l’économie de la nature et dont la gravitation est seule responsable.
Nous sommes en présence, chez William Herschel, d’une vision qui s’émancipe progressivement
des contraintes spatiale et temporelle ; il est le premier a avoir clairement perçu cette union en soulignant qu’un objet lointain devait être vu tel qu’il était dans le passé du fait de la vitesse finie
de la lumière. Il forge ainsi une cosmogonie qui dépasse celle que Laplace avait initialement proposée dans son ouvrage sur le Système du Monde22 , puisqu’il se restreint à considérer uniquement la formation de notre système solaire par la condensation de l’atmosphère gazeuse d’un Soleil déjà formé. Comment s’articule sa vision d’un cosmos en évolution et celle de la constitution du Soleil ?
Herschel va poursuivre une analogie non plus entre la Terre et le Soleil, mais entre ce dernier et les étoiles. Il fait constamment appel à l’identification entre ces deux registres comme d’un guide
heuristique dans ses recherches. Tantôt ce sont les étoiles qui sont comme notre Soleil afin de lui permettre de sonder leur distribution dans l’espace, tantôt c’est le Soleil qui est vu comme un étoile,
et ainsi tenter de détecter son mouvement propre. Ses premières opinions à propos de notre Soleil
20. Hoskin (1980), William Herschel and the construction of heavens, p. 68. 21. Schaffer (1980), Herschel in Bedlam : natural history and stellar astronomy.
22. La première édition de l’Exposition du système du monde remonte à 1796. Sur l’hypothèse cosmogonique, voir Numbers (1977), Creation by natural law : Laplace’s nebular hypothesis in american thought, et Brush (1996), A history of modern planetary physics : nebulous earth, ainsi que Brush (1996), A history of modern planetary physics : transmuted past.
datent du début de ses travaux sur les étoiles variables, en 1780. Remarquant les variations de luminosité de l’étoile Collo Ceti, il l’a décrit comme « [...] a sun [...] perhaps surrounded with a
system of Planets [that] undergoes a change, which, were it to happen to our Sun would probably be the total destruction of every living creature.23 » Il interprète cette variation en imaginant que la surface de l’étoile est constellée de taches, certaines d’entre elles sont « [...] occasionally consumed, as [...] on the sun. » Par la suite, après la découverte de la nébuleuse stellaire, l’apparition d’une tache
de grande dimension en 1791 attire à nouveau son attention sur le Soleil. Il avait déjà observé de telles taches en 1779 et en 1783, mais à partir de ce moment, ses hypothèses sur la matière lumineuse
des nébuleuses et celle sur les taches vues comme des dépressions sur la surface du Soleil vont se renforcer mutuellement.
Il entame alors une série d’observations des taches solaires, et livre ses conclusions à la Royal Society en 1795 dans un mémoire intitulé On the nature and constitution of the Sun and fixed stars.
Il débute par ces phrases : « [a]mong the celestial bodies the sun is certainly the first which should attract our notice. It is a fountain of light that illuminates the world ! It is the cause of the heat
which maintains the productive power of nature, and makes the earth a fit habitation for man ! It is the central body of the planetary system ; and what renders a knowledge of its nature still
more interesting to us is, that the numberless stars which compose the universe, appear, by strictest analogy, to be similar bodies.24» Dans son histoire naturelle des astres, l’étude du Soleil prend tout son sens du fait de sa proximité25. Pourtant, fait-il remarquer, malgré les progrès rendus grâce à l’application des lois de Newton, les connaissances sur « [the] internal [or] physical construction
of the sun » restent sommaires. Ses observations vont l’amener à suggérer une théorie tout à fait cohérente et en conformité avec les connaissances de l’époque.
En premier lieu, l’observation attentive des taches solaires l’a conforté dans la véracité de la théorie de Wilson, dont il connaît les travaux depuis 178026. Le noyau des taches donne une vision de la surface sombre du Soleil, probablement recouvert de montagnes et de vallées, en suivant fidèle- ment l’opinion de son prédécesseur. C’est l’occasion pour Herschel de forger un certain nombres de
23. Cité dans Hufbauer (1991), Exploring the sun, p. 33.
24. Herschel (1795), On the nature and construction of the Sun and the fixed stars. Cette généralisation / identifi- cation sera reprise par l’astronome français Hervé Faye, lorsqu’il proposera sa théorie de la constitution physique du Soleil. Voir chapitre 4.
25. Schaffer (1980), Herschel on matter theory, p. 92.
26. Le fils de Alexander Wilson ira même jusqu’à accuser Herschel de plagiat. Voir Schaffer (1980), Herschel on matter theory, p. 95.
1.2 La théorie de William Herschel 25
néologismes afin de s’approprier plus personnellement ce champ27. Il est entouré d’une atmosphère très étendue, mais il ne donne pas plus de précision ; peut-être pense-t-il que la couronne lumineuse
que l’on constate lors d’une l’éclipse totale – comme celle qui eut lieu l’année précédente (1794) et dont il a été témoin – constitue cette atmosphère. Herschel est d’ailleurs l’un des premiers à se servir
de cet événement comme une occasion pour approfondir ses connaissances sur l’astre. « It will be proper », écrit-il à ce sujet, « to remark that my attention, in observing this eclipse, was not directed
to the time to the several particulars which are usually noticed in phaenomena of this kind ; such as the beginning, the end, and the digits eclipsed. [...] The only view I had was, to avail myself of
the power and distinctness of my telescopes, in order to see wether any appearances would arise that might deserve to be recorded.28 » En ce qui concerne la surface brillante du disque solaire, il suggère que des réactions chimiques dans cette atmosphère génère une couche de ce qu’il nomme « lucid fluid », sorte de nuages lumineux qui flottent dans son atmosphère transparente.
Même si elle va subir quelques modifications à la suite de sa découverte du rayonnement in-
frarouge dans le spectre du Soleil – nous allons y revenir –, sa nouvelle théorie se veut un schéma cohérent dans lequel tous les objets célestes sont classés suivant un lien de parenté, une série naturelle
où chacun astre s’identifie par sa place au sein d’une chaîne causale déployée tant dans l’espace que dans le temps. Par analogie entre la structure du Soleil et celle de la Terre, Herschel soutient alors que : « [...] this way of considering the sun and its atmosphere, removes the great dissimilarity we
have hitherto been used to find between its condition and that of the rest of the great bodies of the solar system.29 » Sa motivation première, celle qui charpente son œuvre en grande partie, repose sur
l’hypothèse de la vie dans le cosmos. Le Soleil doit être construit de manière à abriter cette vie, à lui être favorable, quitte à faire appel à des hypothèses ad-hoc. Ainsi, selon lui, cet astre est « nothing
else than a very eminent, large, and lucid planet [which] is most probably inhabited, like the rest of the planets, by beings whose organs are adapted to the peculiar circumstances of that vast globe. »
Tous les systèmes stellaires sont également susceptibles des mêmes propriétés. Soutenir l’opinion de l’habitabilité des mondes n’est pas choquant pour l’époque30, ce qui caractérise Herschel c’est le
27. Simon Schaffer écrit à ce sujet « new theory-laden claims were bolster by making language realistic scotching metaphor, and insinuating much new stellar and solar knowledge through the literary technology itself. » Schaffer (1998), The Leviathan of Parsontown : literary technology and scientific representation, pp. 193-194. Un observateur des taches solaires lui disputera justement leur description en terme d’analogies avec certains phénomènes terrestres. Capocci (1827), Sur les taches solaires, p. 245.
28. Herschel (1794), Account of some particulars observed during the late eclipse of the sun, p. 39. 29. Herschel (1795), On the nature and construction of the Sun and fixed star, p. 63.
poids que représente cette conception dans la construction de ses hypothèses31.
Sa théorie de 1795 est essentiellement basée sur l’observation de la surface du Soleil, couplée
à l’utilisation de l’analogie et sur sa présupposition de l’abondance de la vie dans l’Univers. Pour Herschel, entre un globe sombre, tempéré, et des nuages lumineux, ou un corps incandescent parsemé
à sa surface de fragments de matière sombre, l’observation a tranché. Pourtant, des considérations plus théoriques ne sont pas absentes de ses spéculations. Le problème principal est l’interaction entre
la chaleur rayonnée par la couche lumineuse et la surface du globe solaire, qui doit en définitive maintenir celle-ci habitable. Herschel suppose au départ que la chaleur n’est générée que lorsque
la lumière s’unit avec « the matter of fire ». Il emprunte probablement cette idée au physicien et météorologiste suisse Jean-André De Luc, comme nous pouvons nous en convaincre en consultant
ses Idées sur la météorologie, publié en 1786. Il est fait référence dans ce livre à la « [m]atière du feu, [...] substance qui, avec la lumière, compose le feu.32» Il insiste sur le fait que les rayons du Soleil ne sont pas calorifiques par eux-mêmes, mais simplement « phosphoriques », et attribue à la lumière la faculté de s’unir par affinité aux diverses substances présentent dans notre atmosphère
et ainsi parvenir à l’état latent. Ces fluides atmosphériques peuvent ensuite se décomposer, et ainsi, dans des « phénomènes phosphoriques », libérer à nouveau lumière et chaleur33.
Ces deux savants ne sont pas inconnu l’un de l’autre. De Luc se remémore en 1803 du temps où « [. . . ] le Dr Herschel, de qui j’ai l’avantage d’être voisin par mon domicile à Windsor, me
communiqua ses observations comme confirmant ce que j’avais dit du Soleil dans mes Ouvrages de Géologie, je reçu de Genève une lettre de mon frère dans laquelle, d’après des observations semblables
sur le Soleil, il faisait les mêmes remarques.34» Il fait référence ici au fait que le Soleil n’est pas un corps embrasé, mais un globe sombre entouré d’une atmosphère d’où est produit la lumière par des
phénomènes de décomposition. De Luc, tout comme Herschel, se rallie à l’hypothèse de la pluralité des mondes, et expose son opinion en 1779 que toutes les planètes de notre système sont habitées,
et que le Créateur « [...] a pourvu aux Êtres sensibles les différentes planètes, pour qu’ils y fussent également bien, malgré leur distance au Soleil. » Les liens qu’ils ont entretenus sont clairement attestés par ces références, et outre la proximité physique de ces deux hommes, nous discernons une
31. Ibid., pp. 59-70.
32. De Luc (1786), Idées sur la météorologie, p. 104.
33. Le terme phosphorique apparaît à de nombreuses occurrences. Il renvoie pour l’époque au phénomène de phos- phorescence, propriété que possèdent certains corps de briller d’une lumière plus ou moins vive, sans répandre de chaleur – une lumière froide en somme – dont la pierre dite de Bologne est la première découverte à présenter ce phénomène.
1.2 La théorie de William Herschel 27
convergence dans leurs idées qui mériterait un examen plus approfondi35.
A partir de 1800, à la suite de ses expériences sur la chaleur radiante, Herschel modifie son opinion sur le lien entre chaleur et lumière36. Ses premiers résultats lui suggèrent l’identité entre les deux, à l’inverse de ce qu’il soutenait auparavant37, et le font par la même occasion s’écarter sensiblement de la théorie de De Luc. Il tire de ses mesures l’évidence que les rayons du Soleil transportent tout
autant la lumière que la chaleur. Il abandonne donc son hypothèse initiale qui expliquait la faible température de la surface du Soleil, et afin de préserver les « solariens » de l’effet désastreux du
rayonnement, et ajoute en conséquence une couche de nuages opaques et réflecteur entre le globe solaire et la couche lumineuse. Ses nombreuses observations des taches solaires prouvent selon lui
la présence de cette strate similaire à nos propres nuages (Figure 1.2). Cette modification de sa théorie de la constitution physique du Soleil suggère clairement que les éléments théoriques qu’il