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UNIVERSITE DE NANTES

FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES

ECOLE DOCTORALE CONNAISSANCES, LANGAGES, CULTURES

Année 2007

N°attribué par la bibliothèque

L"émergence de l"astronomie physique

en France (1860-1914) : acteurs et pratiques

TOME 1

THESE DE DOCTORAT

Discipline : Epistémologie

Spécialité : Histoire des sciences et des techniques

Présentée

et soutenue publiquement par

Stephane Le Gars

Président M. Dominique Pestre, directeur d"études, EHESS, Paris M. Dominique Pestre, directeur d"études, EHESS, Paris

Examinateurs M. David Aubin, maître de conférences, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI

M. Robert Fox, professeur émérite, Université d"Oxford Directeur de thèse : M. Gérard Emptoz, professeur émérite, Université de Nantes

A Jenny-Pia, Paul, Jules et Alix

i

Remerciements

Je remercie vivement Gérard Emptoz, qui a dirigé mon travail, qui m"a conseillé, soutenu et m"a apporté une méthode de travail efficace dans mes recherches et la mise en forme de mes idées. ont bien voulu faire partie de mon jury. Mes remerciements vont également aux personnes avec qui j"ai partagé idées et points de vue durant mon travail : Laetitia Maison, pour son soutien, sa rigueur et son entrain dans l"écriture de notre article ; Arnaud Saint-Martin, avec qui j"ai eu de nombreux échanges sur l"histoire de l"astrophysique française et qui m"a transmis des archives inédites ; l"ensemble du GHACFV (Groupe des Historiens de l"Astronomie du Centre François Viète), c"est-à-dire Guy Boistel, Olivier Sauzereau, Jacques Gapaillard, et plus particulièrement Colette Lelay qui a relu avec

une efficacité constante de nombreux chapitres de ma thèse ; Françoise Launay, pour sa

grande connaissance de l"histoire de la spectroscopie et des travaux de Jules Janssen, ainsi que pour son accueil lors de ma visite à l"observatoire de Meudon ; Audoin Dollfus, qui m"a

apporté un témoignage précieux de sa carrière d"astronome et m"a éclairé sur l"histoire de

l"observatoire de Meudon ; Michel Saillard, pour les échanges sur l"histoire de la spectroscopie que nous avons eus, et pour les ouvrages importants qu"il m"a transmis.

Mon travail n"aurait pas été le même sans ma participation à l"ACI " Savoirs et techniques de

l"observatoire », dont l"ambiance de travail à la fois efficace et sympathique se poursuit au travers du groupe Nadirane. Je remercie donc David Aubin, Charlotte Bigg, Guy Boistel,

Jean-Marie Feurtet, Mickaël Fonton, Jérôme Lamy, Colette Lelay, Nicolas Lesté, Fabien

Locher, Martina Schiavon pour le plaisir que j"ai eu à travailler à leurs côtés. Je remercie de même le personnel des fonds documentaires exploités dans le cadre de ce

travail. Et en particulier Frédéric Soulu pour son accueil chaleureux à l"observatoire Abbadia :

mes visites dans ce lieu unique ont toujours été, grâce à lui, des moments réjouissants et

stimulants, notamment lors du séminaire de l"ACI " Savoirs et technique de l"observatoire » que j"ai participé à organiser en février 2005. ii

Merci également à Stephane Tirard, directeur du Centre François Viète, pour sa disponibilité,

sa bienveillance et ses nombreux conseils, à Anne-Claire Déré pour son aide matérielle lors de

mes voyages à Paris, et à Pascal Labreuche pour son accueil, son encouragement et ses

conseils précieux.

Enfin, tous mes remerciements vont à Jenny-Pia, qui a vécu pendant six années mon travail au

quotidien, qui a toujours été une oreille attentive et un soutien sans faille, et qui a même mis

la 'main à la pâte" en traduisant en anglais un de mes articles. C"est à elle que je dois ce

travail. iii

Liste des abréviations

ACI : Action Concertée Incitative

AdS : Académie des Sciences

AN : Archives Nationales

AP : Astronomie Physique

ApJ : Astrophysical Journal

BA : Bulletin Astronomique

BdL : Bureau des Longitudes

CRAS : Comptes rendus de l"Académie des Sciences

ENS : Ecole Normale Supérieure

MNRAS : Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

OP : Observatoire de Paris

RC : Rayons Cathodiques

RGSPA : Revue Générale des Sciences Pures et Appliquées

SAF : Société Astronomique de France

VR : Vitesse radiale

iv v

Sommaire

Remerciements ......................................................................................................................i

Liste des abréviations..........................................................................................................iii

Sommaire

Présentation du sujet...........................................................................................................1

Etat de la question et historiographie.................................................................................5

Méthode et périodisation....................................................................................................9

Partie 1 Une science en gestation (1860-1874)..............................17

1.1 D"une physique nouvelle à la nouvelle astronomie : enracinement

épistémologique d"une discipline ......................................................................................19

1.1.1 De la physique laplacienne à la physique fresnélienne...........................................20

1.1.2 Les héritiers d"Arago et Fresnel.............................................................................25

1.1.3 " L"invitation pressante à l"étude des spectres des étoiles »..................................36

1.2 Jules Janssen : un initiateur de la spectroscopie astronomique.........................49

1.2.1 D"une famille d"artiste à une vie de savant.............................................................49

1.2.2 De l"ophtalmologie à la construction de spectroscopes ..........................................53

1.2.3 Etudes spectroscopiques..........................................................................................56

1.2.4 Style et sociabilité ...................................................................................................60

1.3 L"Astronomie physique et l"Ecole Normale Supérieure.....................................67

1.3.1 Une institution montante de la science française : l"Ecole Normale Supérieure....68

1.3.2 La spectroscopie stellaire de Charles Wolf et Georges Rayet.................................76

1.3.3 L"actinométrie de Jules Violle ................................................................................80

1.3.4 L"interférométrie et les nébuleuses avec Edouard Stephan.....................................86

1.3.5 Spectroscopie et métrologie par Eleuthère Mascart................................................88

1.4 Le temps des éclipses..............................................................................................93

1.4.1 La physique solaire..................................................................................................94

vi

1.4.2 Jules Janssen : une mise en lumière par les éclipses de Soleil..............................101

1.4.3 L"Astronomie Physique normalienne : à l"ombre de Le Verrier...........................109

Conclusion de la partie 1 .................................................................................................117

Partie 2 De l"image à la mesure, et vice-versa (1874-1895).......121

2.1 Le Passage de Vénus : " L"Instant Rêvé » .........................................................123

2.1.1 Un promoteur précoce de la photographie scientifique : Hervé Faye...................124

2.1.2 La quête de l"image de Jules Janssen....................................................................126

2.1.3 Mesure et laboratoire : une alternative à l"image..................................................129

2.1.4 Le tournant métrologique d"Alfred Cornu............................................................131

2.1.5 De l"observatoire au laboratoire : le Passage de Vénus entre image et mesure....137

2.2 L"observatoire de Meudon : l"image et les voyages ..........................................143

2.2.1 La fondation d"un observatoire d"Astronomie Physique en France......................143

2.2.2 Par et pour l"image................................................................................................148

2.2.3 Meudon, entre voyages et sédentarité. ..................................................................159

2.2.4 Unité et spécialisation ..........................................................................................172

2.3 L"Astronomie Physique " invitée » à l"Observatoire de Paris.........................179

2.3.1 L"optique astronomique d"Alfred Cornu...............................................................179

2.3.2 Collaborations spectroscopiques et photométriques : Thollon, Gouy, Egoroff....194

2.4 L"expertise spectroscopique de Henri Deslandres............................................207

2.4.1 De l"Ecole Polytechnique à la recherche scientifique, en passant par l"armée.....207

2.4.2 La spectroscopie stellaire à l"Observatoire de Paris..............................................216

2.4.3 Vers l"imagerie solaire..........................................................................................229

2.4.4 Affirmation d"une pratique spécifique : l"image et la mesure, entre Cornu et

Conclusion de la partie 2 .................................................................................................241

vii Partie 3 Pratiques multiples, savants dispersés (1895-1914)....243

3.1 Politiques d"appropriation de la discipline........................................................245

3.1.1 Structuration internationale de la discipline..........................................................245

3.1.2 Alfred Cornu : l"Astronomie physique française sur la scène internationale .......251

3.1.3 Henri Poincaré : de l"effet Doppler-Fizeau aux hypothèses cosmogoniques, un

stimulateur de la discipline.............................................................................................255

3.1.4 Jules Janssen : fin de règne, début du mythe........................................................257

3.1.5 Henri Deslandres : trajectoire diagonale sur l"échiquier de l"Astronomie Physique

française.. .......................................................................................................................272

3.2 L"Astronomie Physique hybride de Deslandres................................................295

3.2.1. Les tourbillons, ou l"Univers expliqué au laboratoire..........................................295

3.2.2. Des rayons cathodiques à une théorie corpusculaire du Soleil ............................308

3.2.3. Le renouveau cosmogonique comme fondement de l"Astronomie Physique......323

3.2.4. L"approche mécanicienne des problèmes cosmogoniques...................................336

3.3 Le Service d"Astronomie Physique de l"Observatoire de Paris (1898-1914)........347

3.3.1 Formations et parcours : une équipe combinant les compétences ........................348

3.3.2 Des travaux variés et originaux.............................................................................353

3.3.3 Une communauté active, sans véritable reconnaissance en France : analyse d"une

situation paradoxale........................................................................................................367

3.4 Permanence et continuité polytechnicienne.....................................................3777

3.4.1 De la métrologie à l"astronomie physique.............................................................377

3.4.2 Alfred Pérot : un physicien à l"observatoire de Meudon ......................................383

3.4.3 " Les physiciens sont partout chez eux », ou l"omniprésence de Charles Fabry..388

3.4.4 Entre tradition et modernité : Jean Bosler, acteur et critique................................400

Conclusion de la partie 3 .................................................................................................411

viii

Annexes .............................................................................................................................425

Annexe 1 : Publications dans les CRAS à la rubrique " Astronomie Physique », de 1866 à

1895, et par thème..............................................................................................................427

Annexe 2 : Conversation de Janssen avec Faye Mardi 22 septembre 1863.......................431 Annexe 3 : Publications d"Alfred Cornu, d"après le Catalog of Scientific Papers, publié par

la Royal Society of London, de 1861 à 1900.....................................................................433

Annexe 4 : Extrait du dossier d"Alfred Cornu conservé aux Archives de l"Ecole

Polytechnique, Cote X-III-b 56.........................................................................................435

Annexe 5 : Publications de Henri Deslandres dans les CRAS de 1885 à 1928..................437 Annexe 6 : Publications des chercheurs français dans l"Astrophysical Journal(1895-1928) Annexe 7 : Lettre de Henri Deslandres à William Campbell, New York le 28 septembre

1910 (conservée à la bibliothèque du Lick Observatory)

1

Introduction

Présentation du sujet

Au cours du XIX

ème siècle, l"astronomie voit ses méthodes et ses objets d"étude

considérablement évoluer : à côté d"une astronomie dite de position, c"est-à-dire qui ne

s"intéresse qu"à la position des objets célestes dans le ciel, émerge et s"affirme une astronomie

dite physique, qui aboutira plus tard à l"astrophysique. Pour autant, l"expression 'astronomie physique" est utilisée depuis au moins le XVIII ème siècle, mais avec un sens fort différent de celui qui préludera à la naissance de l"astrophysique. Par exemple, en 1740, M. de Gamaches publie sous le titre principal d" Astronomie Physique un ouvrage où il défend les principes cartésiens face à la théorie de Isaac Newton

1. A la fin du XVIIIème siècle, influencé par J.-A.-

J. Cousin qui publie en 1787 une Introduction à l"étude de l"astronomie physique, ouvrage rassemblant ses conférences au Collège royal, Pierre Simon Laplace envisage la rédaction

d"un traité d"astronomie physique qui est en fait l"étude de la théorie du mouvement et de la

figure des planètes. Roger Hahn note que c"est en 1797 que Laplace utilisera pour son traité l"expression 'mécanique céleste" au lieu d" 'astronomie physique" : l"astronomie physique est donc une branche de la mécanique, un problème de mathématiques

2. Pour Pierre Brunet,

l"expression 'astronomie physique" a remplacé la notion de 'physique céleste" de Jean

Bernoulli, et était utilisée pour distinguer le domaine qui s"intéressait à la recherche de la

raison physique des mouvements des corps célestes, de l"astronomie géométrique.

3 En 1810,

le Traité Elémentaire d"Astronomie Physique de Jean-Baptiste Biot est toujours dans la lignée

laplacienne de la mécanique céleste.

Mais dès le XIX

ème siècle, l"expression 'astronomie physique" prend un sens bien différent :

elle est la branche de l"astronomie qui s"intéresse à l"apparence physique des astres, et est née

dès le début du XVII ème siècle lorsque Galilée mit au point sa lunette et commença l"étude de

1 GAMACHES, Etienne-Simon de, Astronomie Physique, ou Principes Généraux de la Nature, appliqués au

mécanisme astronomique, et comparés aux principes de la philosophie de M. Newton, C.-A. Jombert, Paris,

1740.

2 HAHN, Roger, Le système du monde. Pierre Simon Laplace. Un itinéraire dans la science, Gallimard, 2004,

p.140.

3 BRUNET, Pierre, "Note sur l"expression 'Astronomie Physique"», L"Astronomie, 1932, p.99-100.

2

la surface des planètes, de la Lune ou du Soleil. Jules Janssen écrit ainsi que " C"est

l"invention des lunettes qui donna à l"astronomie physique ses premières bases. »

4 Charles

Wolf, au même moment écrit aussi que " [...] Galilée, armé de la lunette qu"il venait de

perfectionner, scrutait, pour la première fois, les profondeurs des cieux et transformait

l"Astronomie en créant l"Astronomie physique [...] »

5. Et Wolf d"associer aux figures de

Kepler, Newton et Galilée les " trois parties de la Science, l"Astronomie d"observation, la

Mécanique céleste et la Physique des astres ». Guillaume Bigourdan, un peu plus tard, apporte

au crédit des lunettes que, grâce à elles," Pour la première on put apercevoir des détails à la

surface de divers corps célestes et on peut dire que de cette époque date l"Astronomie

physique » 6.

Pourtant, la littérature historique contemporaine porte un regard différent sur l"origine de

l"astrophysique. En 1961, Jacques Lévy écrit que l" " on peut ainsi fixer la date de naissance de l"astrophysique au 27 octobre 1859, jour de la communication mémorable que Kirchhoff fit à l"Académie de Berlin »

7. De même, Owen Gingerich avance que " ce fut vraiment la

combinaison heureuse à Heidelberg d"un chimiste habile et d"un physicien à la recherche de

généralisations qui donna naissance à l"astrophysique -ou, de façon plus juste, à

l"astrochimie »

8. Ainsi, cette différence d"appréciation entre l"histoire écrite dans les années

1880 par des acteurs mêmes d"un champ émergent et celle contée presque un siècle plus tard

peut nous inviter à la question suivante : décrire l"évolution de l"astronomie physique revient-

il au même que de faire l"histoire de l"astrophysique ?

Si le mot " astrophysik », formulé pour la première fois par l"allemand Johann Carl Friedrich

( l"astronome anglais Edwin Dunkin nomme dès 1869 " astrophysicist » tout astronome impliqué dans des travaux de spectroscopie solaire et stellaire

9), le Grand Robert de la

4 JANSSEN, Jules, " Les méthodes en astronomie physique », Comptes rendus de l"AFAS, 1882, p.12.

5 WOLF, Charles, " Les méthodes en astronomie physique », Ciel et Terre, vol.4, 1884, p.78.

6 BIGOURDAN, Guillaume, L"Astronomie. Evolution des idées et des méthodes, Flammarion, Paris, 1920,

p.125.

7 LEVY, Jacques, " Exploration de l"Univers stellaire », in La Science contemporaine. 2/ Le XXème siècle. Années

1900-1960, TATON, René (dir.), Quadrige, PUF, 1995, p.127.

8 GINGERICH, Owen, " Astronomical Scrapbook, Unlocking the Chemical Secrets of the Cosmos », Sky and

Telescope, juillet 1981, p14. Les travaux de Kirchhoff et Bunsen cités ici correspondent à l"élucidation des raies

du spectre solaire, à savoir que la relation entre la puissance de l"émission et le pouvoir absorbant de chaque sorte

de rayon est la même pour tous les corps à la même température, c"est-à-dire qu"un corps, placé dans des

conditions d"excitation déterminées, ne peut émettre que les radiations qu"il est capable d"absorber.

9 Voir DEVORKIN, David H., " Astrophysics », in History of Astronomy : An Encyclopedia, New York,

Garland Publishing, 1997, p.72-80.

3 Langue française (édition 2001) donne comme première occurrence du mot 'astrophysique" l"année 1904

10. Nous avons cependant pu identifier son utilisation en France plus tôt,

notamment par Alfred Cornu dès 1897 11.

Pour le cas français toujours, il apparaît que le premier ouvrage à caractère universitaire

12, que

nous ayons identifié, qui utilise explicitement le mot 'astrophysique" est celui de Jean Bosler :

son Cours d"Astrophysique est le résultat de conférences données à la Sorbonne dans le cadre

d"un cours libre.

13 Il faudra attendre 1959 pour que Pecker et Schatzmann publient leur

Astrophysique Générale, soi-disant le premier ouvrage écrit pour des étudiants et des

chercheurs, consacré à l"astrophysique.

A un niveau institutionnel, l"astrophysique française apparaît elle aussi de façon explicite

seulement en 1936, avec la création du Service de Recherche d"Astrophysique, dirigé par Jean Perrin, service qui deviendra l"Institut d"Astrophysique de Paris en 1952

14. On rencontre alors

chez les astrophysiciens l"évocation, récurrente, d"un retard de l"astrophysique française par

rapport aux autres nations. Charles Fehrenbach, par exemple, identifie la Carte du Ciel comme l" " une des causes profondes du retard de l"astronomie physique en France »

15. Dans

la même idée d"ailleurs, l"historien des sciences John Lankford attribue à la non-participation

américaine au projet de la Carte du Ciel le développement important de l"astrophysique aux

Etats-Unis.

16 L"astronome français Philippe Véron écrit pour sa part :

La France, à la fin du XIXe siècle, avait pris l"initiative d"un programme d"observations démesuré, la

Carte du Ciel, qui mobilisa l"essentiel des moyens humains et financiers disponibles ; il en résulta que

10 NORDMANN, Charles, " Fondation d"un observatoire astrophysique en Espagne», Revue Générale des

Sciences Pures et Appliquées, t.15, 1904, p.474-475.

11 CORNU, Alfred, "L"oeuvre astrophysique de Fizeau», L"Astronomie, 1897, p.457-461. Voir aussi : TOWNE,

Gelion, Astronomie, astrophysique, géodésie, topographie et photogrammétrie pratique, avec méthodes

d"observations et exemples numériques...à l"usage des astronomes amateurs, des explorateurs, des ingénieurs

civils et militaires, des topographes, des officiers de l"armée et des gens du monde, E. Bertaux, 1896.

12 Deux ans avant Bosler, Albert Nodon fait paraître un ouvrage également consacré à l"astrophysique :

NODON, Albert, Eléments d"astrophysique. Introduction à l"étude de l"énergétique solaire et stellaire, Librairie

scientifique Albert Blanchard, Paris, 1926. Cependant, cet ouvrage n"a pas eu une vocation universitaire, mais

était plutôt destiné à un public large, puisqu"il résultait de conférences grand public.

13 BOSLER, Jean, Cours d"Astronomie. III Astrophysique, Librairie scientifique Hermann et Cie, Paris, 1928.

14 Arnaud Saint-Martin prépare en ce moment une thèse sur la recomposition du champ astronomique français,

de 1900 à 1940.

15 FEHRENBACH, Charles, Des hommes, des télescopes, des étoiles, Editions du CNRS, Paris, 1990, p.23.

16 " By a curious turn of events, then, the growth of astrophysics in the United States may have been stimulated

as a consequence of non-participation in the Carte du Ciel while, at least to a degree, astrophysical research in

Europe may have been retarded because the Carte absorbed funds and engrossed staff time that otherwise might

have been allocated to astrophysics. » LANKFORD, John, "The impact of photography on astronomy», The

General History of Astronomy, vol.4, Astrophysics and twentieth century astronomy to 1950, part A,

GINGERICH, Owen (dir.), Cambridge University Press, Cambridge, 1984, p.32. 4

l"astrophysique, qui prit son essor à la même époque aux Etats-Unis et ailleurs, fut complètement négligée en

France.

17

Cependant, Ileana Chinnici, à la fin de son ouvrage consacré à la correspondance inédite de la

Carte du Ciel, nuance cette position : " [...] que cette entreprise ait empêché l"astrophysique

française de se développer, voilà qui serait à examiner »

18. L"historien de l"astronomie anglais

D.H.P. Jones a, quant à lui, récemment nuancé cet effet néfaste de la Carte du Ciel.

19 Jones

souligne que postuler l"obstacle que la Carte du Ciel aurait opposé au développement de l"astrophysique en Europe, et donc en France, suppose d"affirmer implicitement que l"astrophysique est plus importante que l"astronomie de position, en négligeant le fait que ces

deux branches aient pu se développer indépendamment. En regardant de plus près l"évolution

du matériel européen, la possibilité de sites d"observations privilégiés et la présence de

mécènes, Jones conclut que la Carte du Ciel a constitué une raison mineure dans l"évolution

de l"astrophysique européenne. 20

Ainsi, notre thèse vise non pas à écrire une histoire de l"astrophysique (qui aurait eu comme

horizon, comme nous l"avons vu plus haut, l"astrophysique française telle qu"elle a abouti dans la deuxième moitié du XX ème siècle) , mais à analyser les liens entre les sciences physiques et l"astronomie qui, tout au long du XIX

ème siècle, ont permis l"apparition d"un

nouveau champ du savoir, dans la perspective de mettre en relief les spécificités françaises

plutôt qu"à constater un éventuel retard ou déclin

21. Ainsi, on peut déjà se poser la question de

savoir si cette astronomie physique française est le résultat d"une astronomie marginale qui a trouvé les ressources de s"institutionnaliser, ou au contraire une physique particulière qui a colonisé l"astronomie. Dans cette optique, il est important de regarder exactement les acteurs

impliqués, leurs formations, influences, publications, etc. Et, par conséquent, c"est une étude

17 VERON, Philippe, "Préhistoire de l"Observatoire de Haute Provence», Colloque Observatoires et patrimoine

astronomique français, Nantes, 8-9 juin 2001,

18 CHINICCI, Ileana, La carte du ciel : correspondance inédite conservée dans les archives inédites de

l"observatoire de Paris, Observatoire de Paris, 1999, p.466.

19 JONES, D.H.P., " Was the Carte du Ciel an obstruction to the development of astrophysics in Europe ? », in

HECK, André, Information handling in astronomy-historical vistas, Kluwer Academic Publishers, 2003, p.267-

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