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En 1610, Galilée invente la lunette astronomique qui portera son nom, instrument permettant d'observer les astres à fort grossissement. © Christian Jégou, observatoire de Paris, d'après Galilée, le messager des étoiles (éd. Découvertes Gallimard)
Tout commence en 1609. GaliléeGalilée, l'un des bâtisseurs du ciel, prend connaissance d'une lettre du Français Jacques Badovere. Elle confirme que la longue-vue conçue par l'opticienopticien hollandais Hans Lippershey en 1608 existe bel et bien. Le savant ne tarde pas à construire son propre instrument, aujourd'hui appelé la lunette de Galilée. Elle est formée d'un tube comprenant à ses extrémités un objectif convergent et un oculaire divergent. L'objectif forme dans son plan focal l'image d'un objet placé à l'infini. L'oculaire divergent donne une image définitive à l'infini, que l'œilœil de l'observateur peut percevoir sans accommodation.
Avec sa lunette, Galilée va réaliser une série de découvertes qui bouleverseront l'astronomie. Mais avant cela, le 21 août 1609, il fait une démonstration à l'attention du sénat de Venise, depuis le sommet du campanile de la place Saint-Marc. Sa lunette ne grossit encore que huit ou neuf fois, mais la qualité des images convainc les doges vénitiens du potentiel de l'instrument pour les applications militaires. Galilée est le seul à l'époque à obtenir une image droite, grâce à l'utilisation d'une lentillelentille divergente en oculaire. Fort de ce succès, il cède alors les droits de son invention à la république de Venise et, en retour, voit ses gages doublés et son poste de mathématicienmathématicien à Padoue confirmé à vie.
La lunette de Galilée, une révolution en astronomie
Si Galilée n'est pas le premier à utiliser une lunette pour faire des observations en astronomie, puisqu'il a été devancé au moins par Thomas Harriot, il est le premier à publier ses découvertes dans son ouvrage de 1610 : Sidereus Nuncius (traduit par Le messager des étoiles). Il y révèle que la Voie lactée est constituée de myriades d'étoiles que l'on ne pouvait distinguer à l'œil nu, que la LuneLune est irrégulière et a des montagnes, comme la Terre.
Galilée a réalisé plusieurs lunettes au cours de sa vie, augmentant progressivement leur pouvoir de grossissement. On en connaît plusieurs dizaines. © Istituto e Museo di Storia della Scienza, Florence
Surtout, il fait savoir qu'il y a quatre corps célestes en orbiteorbite autour de JupiterJupiter, à l'instar des planètes tournant autour du Soleil dans le système de CopernicCopernic. Il s'agissait bien sûr de IoIo, Europe, GanymèdeGanymède et CallistoCallisto. En 1611, c'est Kepler qui donnera le nom de « satellites » à ces astresastres.
Dans les années qui vont suivre, Galilée fera d'autres découvertes qui remettront en cause la philosophie d'AristoteAristote et renforceront les théories de Copernic. Ainsi, il avance que la surface du Soleil n'est pas parfaite (à l'image de celle de la Lune) puisqu'on y observe des taches solairestaches solaires, et que VénusVénus a des phases, ce qui implique qu'elle tourne autour du SoleilSoleil et non de la Terre.
Une optique géométrique encore balbutiante du temps de Galilée
Les lois de l'optique géométrique sont encore mal connues à l'époque. Il faudra attendre les travaux de Descartes et Newton pour disposer d'un modèle mathématique solidesolide pour concevoir lunettes et télescopes. On pensait donc jusqu'à présent que Galilée n'avait pas beaucoup contribué aux connaissances plus ou moins empiriques des opticiens de son temps, lorsqu'il a conçu et fabriqué plusieurs de ses lunettes, finissant par atteindre un pouvoir grossissant de 30, à force de perfectionnement.
Mais selon Yaakov Zik et Giora Hon de l'université d'Haïfa en Israël, dans un article publié sur arxiv, il est difficile de croire que Galilée ne disposait pas d'une théorie de l'optique géométrique bien en avance sur celle de ses contemporains. Il ne se serait pas contenté d'améliorer légèrement les connaissances empiriques, vaguement théorisées, des ingénieurs et artisans de l'époque, utilisées par exemple pour monter des spectacles à la manière de Léonard de Vinci.
Selon les deux historienshistoriens des sciences, dès 1610, Galilée pose clairement les contraintes à respecter pour obtenir un instrument capable de faire de bonnes observations et les satisfait. La longueur de sa lunette peut être réglée pour faire une mise au point, ce qui atteste de ses connaissances sur les relations entre le pouvoir grossissant des lentilles associées et la longueur les séparant. Il est visiblement capable de calculer le grossissement de ses lunettes, et de modifier convenablement leur ouverture, de sorte que seule la bonne quantité de lumière entre dans le système optique. Galilée a aussi développé des moyens efficaces pour contrôler la plupart des aberrationsaberrations dans ses instruments. Il sait en outre calculer leur champ de vision apparent, et se sert de cette connaissance pour mesurer des distances angulaires entre les corps célestes.
Les secrets de Galilée, l'avis de Kepler
Le fait que Galilée soit implicitement en possession d'une théorie optique avancée n'a d'ailleurs pas échappé à l'un des meilleurs spécialistes de ces questions à cette époque : Kepler. En témoigne une lettre envoyée à Galilée par le mathématicien et astronomeastronome, puisqu'il y écrit : « Voilà pour l'instrument. Maintenant, en ce qui concerne son utilisation, vous avez certainement découvert une méthode ingénieuse pour déterminer exactement à quel point les images des objets sont agrandies par votre instrument et quelles tailles angulairestailles angulaires peuvent être découvertes dans le ciel... Vos accomplissements rivalisent avec la haute précision des observations de Tycho Brahe. »
Alors, Galilée avait-il vraiment des connaissances secrètes en optique géométrique, comme le pensent Yaakov Zik et Giora Hon ? Peut-être existe-t-il quelque part un manuscrit perdu ou une preuve définitive de cette connaissance. On se souvient de ce qu'il était advenu du fameux manuscrit de Descartes sur les polyèdres, et dont le contenu n'a été retrouvé dans les papiers de Leibniz qu'au XIXe siècle. Le mathématicien et philosophe français y avait devancé un célèbre théorèmethéorème d'Euler portant sur la topologie algébrique, ainsi que des notions de courbure des surfaces, que l'on ne trouvera que bien plus tard chez Gauss.
