G ERGONNE
Astronomie. Recherches sur la détermination des orbites des corps célestes
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 2 (1811-1812), p. 1-16
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ASTRONOMIE.
Recherches
surla détermination des orbites des corps célestes ;
Par M. G E R G O N N E.
ANNALES
DE M A T H É M A T I Q U E S
PURES ET APPLIQUÉES.
P R E M I È R E P A R T I E.
Détermination
des orbites des corpscélestes ,
parquatre
ou unplus grand
nombre d’observations voisines.LA
méthode queje
vais tracer, dans cettepremière partie,
est di-recte ; elle est fondée sur la
plus
sainethéorie;
et elle réduit aupremier degré
unproblème généralement regardé
comme très-difficile. Néan-moins ,
on lajugera peut-être plus
curieusequ’utile.
Elle suppose ,en
effet,
que l’on a au moinsquatre
observationscomplètes
de l’astredont il
s’agit
de déterminer lesélémens ;
elle suppose 3 deplus,
queTom. II. I
l’intervalle de temps
qu’embrassent
cesobservations
n’est pas très-con-sidérable ;
elle suppose,enfin,
que ces observations sont assez exactespour
qu’il
soitpermis
decompter
sur les troisièmes différences des don- néesqu’elles
aurontfournies ;
et l’on sent que ce sont là autant decirconstances très-difficiles à réunir.
C’est donc moins dans la vue des
applications pratiques
quej’in- dique
ici cetteméthode ,
que pour montrer i.°quelle
influence exerce,dans la solution du
problème ,
la considération des lois du mouvementauquel
l’observateur estassujetti ;
2.°quel parti
onpeut
tirer de la méthode des différences dans lesapplications
del’analise ;
3.’enfin ,
combien il
importe
deperfectionner
l’artd’observer puisque
des ob-servations
plus
exactes, en mêmetemps qu’elles
conduisent à desré-
sultatsplus précis, permettent ,
dans la recherche de cesrésultats,
desubstituer,
à des tàtonnemenstoujours
Incommodes et souvent très-compliqués,
des méthodes directes extrêmementsimples.
Toutefois,
à ne considérer même la méthode queje
vais sommai- -rement
présenter
que comme propre seulement à fournir uneapproxi-
mation
grossière, peut-être
serait-elle encore debeaucoup préférable
a toutes celles
qui reposent
surl’hypothèse
d’un mouvement sensi-blement
rectiligne
etuniforme 3 pendant
l’Intervalle detemps qu’em-
brassent les
observations ; hypothèse
tout a faitillusoire,
comme M.Lagrange
l’aprouvé
dans l’un de ses mémoires sur la détermination des orbites descomètes,
et commeje
l’ai faitvoir,
par de nouvellesconsidérations ,
dans un mémoire quej’ai lu
,il y
aquelques mois
à l’académie du Gard
(*). J’ajouterai qu’en
réduisant ainsi leproblème
au
premier degré ,
en mêmetemps qu’on
lesimplifie,
on élude unediscussion, toujours pénible,
et souventtrès-délicate,
entre les diver-ses solutions que
peut
admettre unproblème
d’undegré plus élevé ;
ce
qui
nieparaît
être unavantage très-précieux.
(*) J’ai
prouvé,
entre autres choses, dans ce mémoire, que, dansl’hypothèse
d’unmouvement sensiblement reedgne et uniforme, les mêmes données
pouvaient
ré-pondre
à une infinité detrajecteires
différentes.DES CORPS
CÉLESTES.
3Je
montrerai ,
ausurplus ,
dans la secondepartie
de cemémoire que , même
enn’employant
seulement que lespremières
et secondes dif-férences des données fournies par les
observations ,
leproblème
de ladétermination des élémens du mouvement d’un astre, n’est que du troi- sième
degré ,
si l’orbite de cet astre est assezalongée
pourpouvoir
être considérée comme sensiblement
parabolique,
etqu’il
n’est que du seconddegré
seulementsi,
aucontraire,
le peu d’excentricité de cette orbitepermet
de la considérer commecirculaire ;
de manière que lecas où l’excentricité n’est ni
très-grande
nitrès-petite , c’est-à-dire ,
le cas le
plus
rare dans la nature, est le seul où leproblème,
mêmepour une
première approximation ,
soit inévitablement duseptième degré.
Mais cessimplifications
nepeuvent
avoir lieuqu’autant qu’on emploie
concurremment lespremières
et secondes différences tant des lon-gitudes
que des latitudesobservées ,
ce que l’extrêmeprécision
que l’on ap-porte aujourd’hui
dans lesobservations
semble d’ailleurs suffisammentautoriser, du
moins dans ungrand
nombre de cas.Les seules
suppositions
queje
mepermettrai
dans cequi
vasuivre,
et elles sont
indispensables
pour le but quej’ai
en vue sont I.° queles observations sont faites au centre même de la terre ; 2.0 que le-
centre du soleil est dans une immobilité
parfaite ;
3.° que les masses de la terre et de l’astre observépeuvent
être considérées commenulles ,
par
rapport
à lasienne ; 4.0
queconséquemment
ces deux corps n’cxer-cent aucune attraction l’un sur
l’autre ; 5.° qu’enfin
iln’existe ,
d’au-tre
part ,
aucune causeperturbatrice
du mouvement. Ausurplus, si
l’on en
excepte , peut-être,
la belle méthode deM. Gauss,
il n’en estaucune
qui
ne soit fondée sur ces diverseshypothèses.
A
l’avenir , lorsque j’emploiral
les coordonnéesrectangulaires ,
lecentre du soleil sera
l’origine
; laligne
deséquinoxes
sera l’axe desx ; cellè’ des solstices sera l’axe des y ; l’axe de
l’écliptique
sera celuides z, et
l’angle
des coordonnéespositives
seracompris
entreAries,
le Cancer et le
pôle
boréal del’écliptique.
Jeprendrai
lejour
moyen pour unité detemps,
la distance moyenne du soleil à la terre pour unité delongueur,
etl’angle
droit pour unité de mesure desangles.
4
Enfin , je considérerai
les latitudes commepositives
ou commenéga- tives ,
suivantqu’elles
seront boréales ou australes.1. Cela
posé , soient,
pour uneépoque quelconque t ,
X, Y, Z ,
les coordonnées d’un astreobservé ,
et R son rayon vec- teur ;x , y , les coordonnées de la terre , et r son rayon vecteur 03B1 , sa
longitude ,
ou celle du soleilaugmentée
de deuxangles droits ;
03B2 , y, les
longitude
et latitudegéocentriques
de l’astre.Il est aisé de voir
qu’on
aura .on aura d’ailleurs
posant donc ,
en outre ,ou, ce
qui
revient aumême y
les deux
équations
ci-dessusdeviendront
II. Soit considéré le
temps
comme variableindépendante,
et soientadoptées
pourplus
desimplicité ,
les notations de M.Lagrange.
Endifférentiant
trois fois chacune des deuxéquations (5, 6) ,
ilviendra
DES CORPS CÉLESTES.,
5Mais ,
par leprincipe
desaires,
on aDans
chaque colonne
chacune deséquations
estcomportée
par les deux autres , en sorte que les sixéquations n’équivalent
réellementqu’à quatre ; mais, réunies
aux huitéquations (5 , 6 ,
... , II ,I2),
elles sont en nombre sursaut pour déterminer les douze inconnues
111. On a
aussi ,
en vertu du mêmeprincipe,
et , bien que ces deux dernières
équations n’expriment
que desimples
relations entre les données du
problème ,
leur considération n’en est pas moinstrès-importante,
à raison dessimplifications qu’elles
introdui-sent dans la recherche des valeurs des inconnues.
IV. Pour
parvenir
aux valeurs de ces inconnues d’une manière sim-ple ,
soient d’abordsubstituées,
dansl’équation (19),
les valeurs de x ,x" ,
y ,y" ,
données par leséquations (5, 6,
9,I0),
il viendraéquation qui,
en vertu deséquations (5, 6), peut
être écriteainsi
En
développant
lapartie
de cette
équation ,
et l’ordonnant parrapport à p
etq,
on voitqu’elle
évanouit y
en vertu deséquations (I3, I4, I5),
en sorte quel’équa-
tion devient
simplement
V.
Soient,
en secondlieu,
substituées dansl’équation (20)
pourleurs valeurs données par les
équations (5, 6,...., II, I2),
ilviendra
Cette
équation peut d’abord,
en vertu deséquations ( 5 , 6 , 7 , 8,9,I0),
être écrite ainsi :
En
développant
lapremière ligne
et l’ordonnant parrapport à p et q ,
on voit
qu’elle s’évanouit ,
en vertu deséquations ( I6 , I7 , I8 ) ;
lesurplus
del’équation
est, enréduisant ,
VI. Soit enfin différentiée
l’équation (.21) ;
on aura ainsiEliminant
alorsZ",
entre leséquations (
22,23 ) ,
ilviendra
DES CORPS CÉLESTES.
7Eliminant enfin Z’ entre les
équations (
2I ,24 ) ,
et dnisaatpar Z
l’é-quation résultante ,
on en tireraVI. Pour
calculer
cette valeur deZ,
il faudrad’abord ,
a l’aide des valeurs de r et ,qui répondent
àl’époque t ,
et que donneront leséphémérides ,
et par les lois connues du mouvement de la terre , déter- minerr’ ,
rll et03B1’ ; d’où ,
par leséquations ( I , 2) ,
et leurs différen- tiellespremières
etsecondes ,
onconclura,
pour la mêmeépoque,
les valeurs
de x’ , y’ , x" , yll,
dont lesdernières
en vertu del’équa-
tion
(19),
ne renfermeront pas 03B1".Ensuite ,
à l’aide deplusieurs longitudes
et latitudesobservées,
dans le
voisinage
del’époque t,
oncalculera,
par la méthode que M.Laplace
aindiquée (*) ,
les valeursapprochées , toujours
pourl’époque
t,de 03B2 , 03B2’ ,
03B2" ,03B2’’’ ;
03B3 ,03B3’ , 03B3" , 03B3’’’,
Recourant alorsaux
équations !3, 4),
et à leurs différentielles des troispremiers ordres,
on en conclura les valeurs
correspondantes
de p,p’ , p" , p’’’,
q,q’ , qll., q’’’ ;
aumoyen
dequoi
tout se trouvera connu dans layaleur de Z.
Z étant ainsi
déterminé, l’équation (2I)
fera connaîtreZ’ ,
et onobtiendra ensuite
X , XI Y , YI ,
par leséquations (5 , 6, 7 , 8).
Appelant
donc R le rayon vecteur pourl’époque t,
on aurade
plus ,
en formant laquantité
(*)
Voyez Métanique
celeste , tom. 1 , pag. I99.DÉTERMINATION
suivant
qu’on
la trouverapositive
ounégative
on sauraque l’épo- que t
suit ouprécède
celle dupérihélie.
VII. Ces
préliminaires établis,
rien ne fieraplus
facile que de déterminer les élémens del’orbite.,
en suivantla marche
tracée par Fillustre auteur de laMécanique
céleste(*)
etqui
revient à peuprès
a ce
qui
suit :Soient
posés
équations
danslesquelles,
endésignant pa. S
la durée de l’année sy-dérale ,
on aposant,
en outre,en trouvera
I.°
demi--brand
axe=03BCR 203BC-R(X’2+Y’2+Z’2) ;
2.°
rapport
de l’excentricité aitdemi-grand
axe =H 03BC ;3.°
Tang. Long.
du noeud ascendant =-A B ;
4.° Tang.
inclinaison de l’orbite =- A2+B2 C;
(*) Voyez Mécanique céleste ,
tome I , page I60.5.°
DES
CORPSCÉLESTES. 9
5.°Tang. Long.
dupérihélie
surl’écliptique
=E D ;
6.° Cos. anomalie vraie
=DX+EY+FZ HR ;
enfin , désignant
par a ledemi-grand
axe , par e lerapport
de 1’*ex- centricité à cedemi-grand
axe , par vl’anomalie ,
et posanton aura
7.° Epoque
dupérihélie =t±(u-eSin.u)a3 k ;
lesigne
-+- ou Iesigne
- devant êtrepris, suivant
quel’époque t précède
ou suit celledu
périhélie.
D E U X I È M E
PARTIE.Détermination
des orbites des corpscélestes ,
par trois ou unplus grand
nombre d’observations voisines.Dans la
première partie
de cemémoire, je
n’ai faituniquement usage-
que du
principe
desaires,
et il m’afallu,
poursuppléer
aux autrescirconstances connues du mouvement des corps
célestes ,
recourir auxtroisièmes différences des
longitudes
et latitudesobservées,
cequi
sup-posait quatre
observations au moins. Icij’aurai
indifféremment recoursa toutes les lois
qui
résultent duprincipe
de lagravitation,
cequi n’exigera plus
quel’emploi
des secondesdifférences,
et ne supposera.pas
conséquemment
que les observations doivent être au nombrede plus
de trois. Je conserverai d’ailleurs les
conventions
et notationsdéjà adop-
tées dans la
première partie.
YIII. L’équation (2I)
donned’où
résultent,
par leséquations (7 , 8)
Tom. II. 2
DÉTERMINATION DES ORBITES
si
ensuite on substitue dansl’équation (13)
les valeurs données par leséquations (5, 6 , 9 , I0),
enayant égard
auxéquations (I9, 2I), il
viendra
(py-qx)Z"= (py"-qx")Z+(pq"-qp")Z’+2(pq’-qp’)ZZ’,
multipliant
cetteéquation
parp’y-q’x
et éliminant Z’ au moyen del’équation (2I),
ilviendra
équation qui
se réduit àmais,
en vertu del’équation (I9),
on asubstituant donc et
divisant par
py-qx, on aurad’où on
conclura ,
par leséquations (9, 10)
et parla
formule(25),
en
ayant toujours égard
àl’équation (19) ,
DES CORPS CÉLESTES.
IIVoila
donc X, Y, XI, Y’, Z’, X", Y", Z",
déterminés en fonc- tion deZ;
et il est essentiel de remarquer 1.0que
les valeurs deX, Y, X’, Y’
sontcomplètes
dupremier degré en Z;2.°
que celle deZI,
3assidu
premier degré
enZ,
ne renfermepoint
de termesans Z;
3.° que les valeurs deXII, Y",
sontcomplètes
du seconddegré ; 4.°
enfinque celle de
ZII :J
aussi du seconddegré
enZ,
ne renfermepoint
de termesans z.
IX. Il nous faut donc une
équation
deplus
pour déterminer nosinconnues,
et leprincipe
de lagravitation donne,
comme l’onsait,
équation
danslaquelle
a la même valeur que nous lui avonsdéjà assignée (
VII).
Faisant donc les substitutions et divisant par Z2 il viendraCette
équation
semble devoir monter au 8.medegré;
mais elle ne s’é-lève réellement
qu’au 7.me ,
comme nous allons le voir(*).
Le dernier terme de cette
équation
estmais,
les lois du mouvementétant,
pour la terre , les mêmes que pour l’astreobservé ,
on a(*) Cette
équation équivaut à
cellequi
a été donnée par M.Laplace.
Voyez laMécanique
céleste, tome I.er, page 2og.DÉTERMINATION DES ORBITES
d’où
ce
qui donne,
enquarrant
chassant le dénominateur ettransposant,
d’où l’on voit en effet que , le dernier terme de
l’équation (3l)
étantzéro,
elle ne doit s’élever seulernent
qu’au septième degré.
Cette
équation
étantrésolue,
on en déduira les valeurs deZI , X, X’, Y, Y’,
commeci-dessus,
et onachevera
absolument le calcul comme ilà été
indiqué
dans lapremière partie.
X. Nous allons montrer maintenant comment le
problème
sesimplifie
dans
les cas lesplus ordinaires, c’est-à-dire,
dans les cas d’unetrès-grande
ou d’une
très-petite
excentricité.Supposons,
enpremier lieu,
que ledemi-grand
axe soit assezgrand
pour
pouvoir
sensiblement êtresupposé infini ,
ou, cequi
revient aunlême,
supposons que l’astre observé soit unecomète ; d’après l’expres-
sion que nous avons donnée du
demi-grand
axe, nous aurons alorsce
qui donnera,
euquarrant
et introduisant la valeur deR2
enX, Y, Z ,
Il est aisé de voir que la substitution des valeurs de
X, Y, X’, Y’, ZI ,
ne fera monter cetteéquation, en Z, qu’au 6.me degré
seule-ment
(*) ;
mais ce n’est pas laplus simple
que l’onpuisse employer y
dans ce cas, pour
parvenir
à la solution duproblème.
On a,
eneffet,
par leprincipe
de lagravitation ,
ainsi que nous l’avonsdéjà rappelé,
(*)
Cetteéquation équivaut a
cellequ’a
donné M.Laplace. Voyez
laMécanique
cileste,
tome I.er,page 2I6.
DES CORPS
CÉLESTES. I3
et
l’équation (32) peut
d’ailleurs être mise sous cette formemultipliant
donc ces deuxéquations
l’une parl’autre 1
ilviendra,
enréduisant et
transposant
équation qui,
par la substitution des valeurs deX, Y, X’, Y’, Z’, Z",
nes’élevera, en Z , qu’au
troisièmedegré seulement ;
elle pourradonc être résolue
directement y
par les tablestrigonométriques;
et, sielle a toutes ses racines
réelles
, on n’admettra que celle d’entre ellesqui
satisfera à peuprès
àl’équation (3I); l’hypothèse
d’une orbiteparabolique
pourra être admise avec d’autantplus
de fondement quecette
valeur y
satisfera d’une manièreplus approchée (*).
On voit donc que, dans le cas de la
parabole,
on a uneéquation
surabondante ;
on enpourrait
faire usagepour
éliminer les secondes différences soit deslongitudes
soit des latitudesgéocentriques,
et c’estainsi
qu’en
use M.Laplace.
Il résulte de là quecinq
données seulement sontsuffisantes pour la détermination
complète
des élémens du mouvement d’une -comète.XI.
Supposons ,
en secondlieu ,
que Forbite soit assez peu excen-trique
pourpouvoir
être sensiblement considérée commecirculaire ?
ainsiqu’il
arrive pour laplupart
desplanètes y
du moinslorsqu’on n’aspire quà
unepremière approximation ;
dans ce cas R etconséquemment
R2devra être constant ; on aura
donc,
à lafois,
(*) Les
équations
(32 , 33) étant combinées entre elles,pourraient
conduire à uneéquation
dupremier degré
seulementqui
serait, sans doute fort difficile à obte-nir; mais qui, par l’elfet des réductions ,
pourrait peut-être
devenir assez simple.Après
lessubstitutions ,
ceséquations
seront , lapremière
du seconddegré
et la seconde dutroisième , en Z ;
il sera donc facile d’en déduireune
équation
de relation entre les données duproblème
et une valeur deZ au
premier degré.
Cette valeur substituée dansl’équation (3i)
donneraune nouvelle
équation
de relation. Si ces deuxéquations
se trouvent sa-tisfaites ,
on sera assuré que l’orbite est en effetcirculaire ;
et comme, par leur moyen , on pourra éliminer de lavaleur
de Z les secondes diffé-rences tant des
longitudes
que des latitudesgéocentriques,
il s’ensuit que deuxobservations
seulement seront alors sursautes pour résoudre com-plètement
leproblème.
XII. Considérons maintenant le cas où la
trajectoire
décrite serait rec-tiligne:
on aurait alorsm , n , g , h
étant des constantes ; de la résulteet par suite
’équations qui,
en vertu deséquations ( I4, I5), peuvent
êtrechangées
en celles-ci
ces dernières
prouvent qn’alors
le mouvement estdirigé
vers le soleil.Après
lessubstitutions ,
ceséquations
ne seront que dupremier degré en Z ,
et ellesfourniront ,
avecl’équation (3I),
deuxéquations
de con-dition
qui
serviront à vérifierl’hypothèse
du mouvementrectiligne ,
et aumoyen
desquelles
on pourra fairedisparaître
de la valeur de Z les, se-DES CORPS
CÉLESTES.
I5condes différences des
longitudes
et des latitudesobservées ; ainsi, encore ici,
deux observations suffiront pour résoudrecomplètement
leproblème.
XIII. Pour
compléter
cettethéorie ,
il nous reste encore à examiner deux cas : ce sont I.° celui où l’astre observé serait dans une immobilitéparfaite ;
2.° celui où son mouvement serait à la foisrectiligne
et uni-forme. Dans le
premier
cas on a , à lafois ,
et comme les
équations
du mouvement sont engénéral
on voit
quelles
ne peuvent être satisfaitesqu’autant que R
estinfini ,
c’est-à-dire, qu’autant qu’une
au moins des trois coordonnéesX, Y, Z ,
est elle-même infinie.
Les
équations (
7 ,8 )
deviennentsimplement
dans ce cas- d’où on tire
si donc ni p
ni q ne
sontinfinis , c’est-à-dire, si 03B3
n’estpas zéro e
ondevra
avoir
d’où
CÉLESTES.
ainsi les
angles 03B2 ,
03B3 ,doivent
être les mêmes pour des observations faites à diversesépoques. C’est y
parexemple ,
cequi
arrive pour les étoiles fixes.XIV. Dans le cas d’un mouvement à la fois
rectiligne
etuniforme,
on a seulement
ce
qui
suppose encorequ’une
au moins des coordonnéesX, Y, Z,
estinfinie ,
du moins enayant égard
à toutes les loisqui
résultent duprin- cipe
de lagravitation ;
maisl’équation (28)
donnant alorssi p ou q
ne sont pasinfinis 1 c’est-à-dire,
si l’on n’apas 03B3=o,
on devra avoiréquation
dontl’intégrale complète
estou , par les
équations ( 3 , 4 ) ,
on aura
pareillement ;
pour deux autresobservations,
éliminant
les- deux constantes M et N entre cestrois équations,
on arri-vera à
l’équation
de conditionSin.(03B2 2-03B2I).Tang.03B3+Sin.(03B2I-03B2).Tang.03B3 2+Sin.(03B2-03B2 2).Tang.03B3I=o;
et
l’hypothèse
d’un mouvementrectiligne
et uniforme ne pourra être admisequ’autant
que les données fournies par trois observationsvérifie-
ront cette