La mécanique céleste paraît complexe et difficilement abordable au départ (et avec elle aussi le fonctionnement des montures de nos télescopes équatoriales). Mais on comprend immédiatement, si l'on s'imagine que le soleil et la terre avaient des anneaux comme Saturne.

En fait, les anneaux de Saturne se trouvent exactement au niveau de son plan équatorial (donc au dessus de son équateur) !

Contrairement à celui de Saturne, les plans équatoriaux du soleil et de la terre ne sont pas visibles. Mais on sait que (presque) toutes les planètes de notre système solaire, dont la terre, ont leurs orbites sur le plan du soleil (donc au niveau des anneaux imaginés du soleil = jaune sur l'image ci-dessous). Le plan équatorial de la terre par contre est incliné de 23.5° par rapport à celui du soleil. "Les anneaux imaginés" de la terre (= verts sur l'image qui suit) s'entrecoupent donc quelque part avec ceux du soleil. Pendant tout son orbite annuel (la ligne rouge représentant l'orbite de la terre), une partie de l'équateur de la terre se trouve constamment au dessus du plan équatorial du soleil, une autre partie est constamment en dessous de ce plan. 

                                                                                                                          Source: Lincoln university of Nebraska

 Le plan équatorial du soleil s'appelle aussi le plan de l'écliptique.

Le système de référence des coordonnées célestes

Même si nous savons - au plus tard - depuis Nicolas Copernic et Galileo Galilée que le soleil est au centre du système solaire (et non pas la terre), notre système de référence pour les coordonnées du ciel reste cependant la terre.

L'équateur céleste est une projection de l'équateur terrestre à la sphère du ciel (et non pas de celui du soleil qui est l'écliptique), le pôle Nord céleste se situe sur la prolongation de l'axe terrestre (et non pas sur celui du soleil).

L'ascension droite (A.D.) correspond donc à la longitude terrestre (projetée à la sphère céleste) et la déclinaison à la latitude terrestre (projetée au ciel). Mais A.D. et longitude n'ont pas me même point de départ (cf. plus loin).

Vu que l'on ne peut pas voir les plans des "anneaux" de la terre et du soleil, on peut identifier cette ligne d'intersection spécifique uniquement aux dates où la terre se trouve à une position sur son orbite où les jours et les nuits ont la même longueur ("équi-noxes") pour tout observateur sur terre (où qu'il se trouve). Cette condition est remplie lorsque le terminateur (la limite d'ombre entre le jour et la nuit) suit exactement l'axe de la terre et se trouve donc perpendiculaire (angle de 90°) par rapport à l'équateur terrestre. C'est cet angle de 90° entre le terminateur et l'équateur qui garantit que les équateurs du soleil et de la terre "se croisent" sur un point (mais à une distance de 150 millions de km) qui se situe à la fois à l'exacte milieu du soleil et de la terre. (A midi le soleil se trouve au zénith sur l'équateur).

 Souce: wikipedia creative commons Autor S. fonsi (modifié)

Les points de croisement de cette ligne d'intersection (spécifique) avec l'orbite terrestre "en face" (= de l'autre coté de l'orbite; voir ligne rouge sur la grande image ci-dessus) pointent vers l'équinoxe vernal et l'équinoxe d'automne. (Le terme "équinoxe" vient du Latin et signifie "nuits égales").

Aux équinoxes se produisent les effets suivants:

• Vu de la terre: lorsque le soleil se trouve au point vernal / d'automne (sur la grande image en haut, le soleil se trouve au point d'automne par rapport à la terre "sombre"), le soleil semble en effet "basculer" d'un côte du plan de équatorial de la terre (vert sur la grande image en haut) vers l'autre: un observateur sur l'hémisphère Nord ou Sud de la terre a l'impression que le soleil est juste en train soit de "remonter" au dessus du plan équatorial de la terre, soit de "descendre" en dessous de ce plan.

• Vu du soleil: lorsque la terre passe par la ligne d'intersection décrite (sur son chemin de révolution autour du soleil), ce franchissement "décide" sur l'été ou l'hiver sur chacun des ses deux hémisphères. Si la terre continue son chemin sur son orbite, on peut toujours trouver une (autre) ligne qui passe à la fois par le centre de la terre et du soleil, mais il y aura des observateurs sur terre pour lesquels la distance entre les deux plans équatoriaux ne sera plus de zéro, car le soleil semble être monté ou descendu dans leur ciel respectif.
  

Même si la rotation de la terre est un tout petit peu voilée, son axe reste cependant toujours orienté dans la même direction durant son orbite (d'une année). La terre ne bascule donc nullement autour de l'angle de 23.5° que son axe forme par rapport à l'axe solaire (en tout cas pas au cours d'une année qu'elle met pour son orbite). C'est différent si l'on raisonne sur un horizon de 28.500 années ("précession");  voir l'animation à gauche, le lien vers wikipedia et l'image "'Été et hiver" ci-dessous.

source de l'animation: wikipedia commons    

Si l'on revient aux deux plans "d'anneaux" jaune et vert (grande image tout en haut), on peut y voir que si la terre avance sur son chemin de révolution (= rouge), la distance entre les deux plans devient plus grand (ou plus petit). Vu d'un des hémisphères sur terre, les rayons du soleil  tombent automatiquement plus haut (ou plus bas) sur la terre. La distance entre les plans ne s'agrandit cependant pas éternellement, car elle se réduit à nouveau aux points où la terre "fait demi-tour" sur son orbite, c.-à-d. aux "solstices" d'été et d'hiver (la partie "-stice" du mot vient du Latin "stare" = "rester immobile").

Aux  solstices, le soleil semble se trouver respectivement à hauteur du tropique "du Cancer" ou "du Capricorne" qui ont chacun une latitude de 23.5° (cet angle vous dit-il quelque chose ?). La position du soleil au milieu sur l'image à droite correspond à un des équinoxes, où les équateurs du soleil et de la terre "se croisent" au centre de la terre et du soleil (à une distance de 150 millions de km). Les rayons du soleil passant par le "diaphragme" imaginé (sur l'équateur du soleil) tombent pour une courte période directement sur le centre de l'équateur; voir la belle simulation de l'université de Nebraska.

"Shot" de la simulation citée; modifié

Si nous mettons maintenant la terre à l'endroit pour un court moment (comme elle nous apparaît tout le temps), on peut voir qu'aux équinoxes, les rayons de lumière (flèches sur l'image) tombent brièvement de manière horizontale (verticale sur la tête du petit bonhomme, car, à midi pile, le soleil passe au zénith chez lui) non seulement sur l'équateur, mais en paralléle le long de toutes les latitudes de la terre *. Il en résulte que les jours et les nuits ont exactement la même longueur sur toute la terre, tant sur l'hémisphère Nord que sur celui du Sud. Le soleil a une déclinaison de 0°. Aux équinoxes, on ne sait alors pas sur quel hémisphère et a quelle saison (été où l'hiver) on se trouve: l'équinoxe vernal au Nord est celui d'automne pour le Sud et vice versa.

 "Shot" de la même simulation 

* Mais cela ne veut pas dire, qu'aux équinoxes, le soleil se trouve au zénith chez tout le monde sur la terre, car notre horizon est diffèrent.  A d'autres saisons, le soleil peut cependant se trouver au zénith d'autres latitudes de la terre (mais au maximum à 23.5° de l'équateur aux solstises).

Il est donc très important de ne jamais confondre l'axe du pôle Nord (avec ses latitudes / système equatorial) et l'axe du zénith (90° au dessus de l'horizon / zénith alt-azimutal).

Vu de la terre, le soleil et son plan = l'écliptique, semblent donc apparemment* se mouvoir en forme de courbe de sinus à travers l'année: les solstices (= les points de plus grande distance des "anneaux" imaginés entre eux) se trouvent au points les plus haut, respectivement les plus bas de la courbe; les équinoxes (où le soleil semble soit "plonger en dessous" du plan équatorial de la terre, soit de "remonter du dessous") sont au début et à la fin de la courbe (image à droite).

"Shot" d'une autre simulation de l'université de Nebraska, modifié

* En réalité, le soleil ne bouge pas d'un pouce; l'impression qu'elle monte et descend dans notre ciel (et que le plan solaire = l'écliptique a la forme d'une montagne russe "en huit") vient exclusivement de l'inclinaison de l'axe de la terre et du fait que la terre (restant toujours inclinée dans la même direction lors de sa révolution autour du soleil) est illuminée de différents cotés et "hauteurs" par le soleil.

L'observation du mouvement de la projection des rayons du soleil sur la terre, et donc du "terminateur", pendant toute la révolution annuelle de la terre, donne l'animation ci-contre. On doit s'imaginer encore que la terre tourne dans l'animation: en 24 h et "en dessous" du terminateur (qui, lui, apparaît figé en raison de son mouvement beaucoup plus lent - de 6 mois dans un sens - que la rotation quotidienne terrestre).  Les jours ou les nuits sur terre sont donc respectivement plus longs ou plus courts selon la position du terminateur. L'observateur sur l'équateur se trouve constamment exactement au centre de l'animation, donc sur le plan équatorial de la terre et - en même temps - constamment sur le plan équatorial du soleil. Pour lui nuit et jour ont donc toujours la même longueur, même si le soleil passe parfois un peu à droit ou à gauche (au Nord ou au Sud) du zénith à midi.

Aux solstices, donc aux points où le soleil a sa plus grande distance du zénith à l'équateur et où son plan équatorial a la plus grande distance  "en hauteur" du plan  (de l'équateur) terrestre, le mouvement du terminateur s'inverse.             

Copyright: wikipedia commons (public domain)

Voici le mouvement apparent du soleil vu d'un autre perspective encore: si l'on prend une photo du soleil tous les jours de l'année à la même heure, on obtient une courbe de son mouvement qui ressemble à un "huit" allongé: "l'analemma" [de l'ancien grec = "support, consigne" (pour la construction d'un cadran solaire)]; voir encore ici. Les deux équinoxes sont au croisement ("x") du huit, les solstices aux points les plus haut et bas de la courbe.

La forme irrégulière et "allongée" du "8" est le résultat de plusieurs facteurs:

• d'abord de la position de l'observateur (sa latitude terrestre) et de l'heure de prise quotidienne de la photo,
• ensuite du fait que l'orbite de la terre n'est pas un cercle, mais une ellipse (voir image "été et hiver" ci-dessus), ce qui fait que le soleil avance plus lentement ou plus rapidement, selon qu'elle se trouve au périhélie (point le plus proche du soleil) ou à l'aphélie (point le plus lointain du soleil) de l'ellipse,
• et finalement des différences de temps entre le temps réel "local" et le temps "moyen" artificiel que nous utilisons quotidiennement, qui fait que si nous prenons une photo tous les jours à la même heure, ce n'est pas à la même heure locale que nous la prenons (cf. plus loin) !

copyright  UCAR, by Ronen Mir, creative commons

Si cela vous intéresse, lisez aussi sur Vitruve ayant vécu au premier siècle avant Jésus-Christ. Ici, son invention est expliqué de manière très simple. ... Mais là, on entre en plein dans l'astrologie (qui était cependant une science très exacte, car travaillant beaucoup avec l'invention grecque de la "géométrie", ... contrairement à ce que pense la grande majorité des gens).

*

Si nous pouvions observer du centre de la terre, nous n'aurions pas besoin d'une monture équatoriale, car:

• l'ascension droite (= la longitude terrestre projetée à la sphère céleste) sera mesurée sur une ligne d'horizon qui est en même temps le plan équatorial de la terre et correspondrait donc à l'azimut, et
• la déclinaison (positive = vers le Nord ou négative = vers le Sud), correspondrait à la latitude terrestre et  sera mesurée perpendiculairement à l'ascension droite = l'altitude sur l'horizon.

Mais nous ne nous trouvons pas au centre de la terre, mais sur sa surface qui constitue la limite extérieure de la "sphère". A l'équateur, l'horizon (l'azimut) est donc positionné perpendiculairement au "plan des anneaux" (imaginé) de la terre (prière d'observer la position de la petite personne noire; son zénith se trouve sur le plan équatorial !). Si nous nous positionnons exactement sur l'équateur, azimut et altitude (d'une monture alt-azimutale) sont donc "inversés" par rapport à un observateur au centre de la terre.

A l'équateur, le soleil passe toujours très haut dans le ciel à midi (aux equinoxes il passe au au zénith

, pendant le reste de l'année, la distance maximale du zénith à midi est de 23,5° Nord ou Sud). Les étoiles font pareilles la nuit. Le fait que les constellations "montent tout droit dans le ciel" permet de les voir toutes au courant de l'année, tant celles de l'hémisphère Nord que celles du Sud. En regardant vers le lever des étoiles (Est) ou vers leur coucher (Ouest), l'étoile polaire et la "Croix du Sud" se trouvent sur l'horizon Nord et Sud (voir les cercles des étoiles circumpolaires sur la photo à droite).

Aux pôles Nord et Sud, l'horizon est bien-sûr à nouveau redressé correctement (mais que veut bien dire correct dans ce contexte ?), en tout cas parallèle à l'équateur terrestre. Mais notre position serait alors "décalée" (du radius de la terre de +/- 6.300 km) vers le Nord ou le Sud, ce qui introduirait un déplacement  de la perspective des objets observés (parallaxe). Par ailleurs, puisque les constellations se meuvent horizontalement, nous ne pouvons voir que les constellations circumpolaires depuis les pôles et aucune autre.

Finalement, la plupart des êtres humains n'habitent ni sur l'équateur, ni sur les pôles de la terre, ce qui crée plein de positions "horizontales" intermédiaires (l'image ci-contre montre l'horizon pour Paris = 50° de latitude géographique). L'horizon (azimut) d'une monture (alt-) azimutale dépend donc de la latitude géographique, sur laquelle nous nous trouvons (et par conséquent aussi l'altitude des étoiles sur notre horizon).

Pour simplifier le problème (du réglage de l'ascension droite de l'étoile sur une échelle tournante), on a donc inventé encore une autre échelle, qui est en principe la même que celle de l'ascension droite  (1 h correspond à 15° dans le ciel), mais qui est "fixe" (et non-tournante), car son point de départ est le méridien de l'observateur sur la terre (= sa longitude géographique). Il s'agit de "l'angle horaire". (C'est la raison pour laquelle certains appellent l'axe d'ascension droite aussi "l'axe horaire").

L'échelle de l'angle horaire court (comme l'ascension droite) le long de l'équateur céleste, mais son point de départ est le méridien local (point Sud) sur la longitude terrestre de l'observateur. Et elle court dans le sens contraire de celle de l'ascension droite, c.-à-d. elle part du méridien (projection de la longitude terrestre dans le ciel) vers l'Ouest, tandis que l'ascension droite part (depuis l'équinoxe vernal) vers l'Est.                         

 Source: wikipedia commons

Si l'on règle donc, au début de l'observation, le cercle d'ascension droite de sa monture de manière à ce que l'ascension droite d'une étoile plein Sud en train de culminer (et qu'on a dans son chercheur) corresponde au réglage sur le cercle, le point de départ, 00h00m, de l'ascension droite pointera automatiquement sur le point vernal ? On peut alors trouver n'importe quel objet céleste par simple calcul de la différence (de temps) par rapport à celui qui culmine en ce moment.  ... Ou peut-être pas ?

Malheureusement, il existe encore le problème de la définition du "jour". Une journée a 24 heures, mais une rotation de la terre ne dure que 23 h 56 m. La raison en est que le "jour" a été défini de sorte à ce qu'on a observé, depuis un point d'observation précis quand culminait le soleil (à midi) derrière un clocher ou une arbre, et a mesuré ensuite le temps jusqu'à ce qu'il passe à nouveau derrière le clocher le lendemain. ... Et là on arrivait à 24 heures (respectivement on a défini l'heure de telle manière que le jour ainsi déterminé était composé de 24 heures).         

Source: wikipedia commons

Mais en procédant ainsi "on a oublié quelque chose" *, ... à savoir le fait qu'entre les deux passages du soleil derrière le clocher, la terre n'a pas seulement fait une rotation complète, mais a en plus avancé encore un petit peu sur son orbite autour du soleil. En raison du mouvement sur son orbite, la terre doit donc tourner un petit peu plus qu'une rotation complète pour que le soleil arrive à nouveau derrière le clocher (voir image).

* On l'a bien-sûr fait intentionnellement, car sinon, il serait midi 4 minutes plus tôt tous les jours; après un trimestre il serait donc midi à 6 heures du matin, après une demie-année  à minuit et après trois trimestres à 18 heures le soir, etc. ... Une idée amusante !