Depuis 2012, l'unité astronomique n'est plus mesurée : elle est déclarée. Les astronomes ont cessé de rechercher une valeur toujours plus précise pour la distance moyenne Terre-Soleil et l'ont tout simplement fixée à 149 597 870 700 mètres, un point c'est tout. Voilà l'étrange dénouement d'une énigme que l'on cherchait à résoudre depuis plus de deux millénaires.
L'unité astronomique est l'une des mesures de base de l'astronomie, un substitut permettant d'exprimer les distances du Système solaire qui, sinon, se noieraient dans une avalanche de zéros. Établir sa valeur exacte a mené les observateurs de la géométrie antique à un astronome flamand refaisant des calculs vieux d'un siècle, en passant par un rare passage planétaire observé depuis les deux hémisphères du globe, jusqu'à un astéroïde de passage. L'histoire qui suit retrace comment un nombre aujourd'hui traité comme une constante fixe fut, pendant l'essentiel de son histoire, l'une des choses les plus difficiles à cerner dans le ciel.
Une distance fixée par définition, non par mesure
Aujourd'hui, l'unité astronomique est définie comme une longueur égale à exactement 149 597 870 700 mètres — sans marge d'erreur, sans incertitude. Avant la redéfinition de 2012, elle était comprise de façon plus approximative : la moyenne des points les plus proches et les plus éloignés de la Terre par rapport au Soleil au cours d'une année, un chiffre qui évoluait légèrement à chaque amélioration des techniques de mesure.
Cette ancienne version, ancrée dans la réalité physique, explique aussi pourquoi cette unité intervient dans les discussions sur la lumière. Selon la norme de l'UAI de 2009, un rayon de lumière met 499,0047838061 secondes — un peu plus de 8 minutes et 19 secondes — pour parcourir une unité astronomique. Fixer par décret la valeur en mètres de l'unité, plutôt que par l'observation, a permis d'exprimer enfin ce temps de trajet avec dix décimales au lieu de poursuivre indéfiniment une cible mouvante.
Géométrie antique, des siècles de correction
La première tentative connue pour évaluer l'écart Terre-Soleil est étonnamment ancienne. Vers 280 avant notre ère, Aristarque mesura l'angle entre la Lune, la Terre et le Soleil au moment exact où la Lune présentait un premier quartier, puis utilisa cet angle pour déterminer la distance du Soleil. La géométrie du raisonnement était solide ; les instruments de l'époque ne l'étaient pas, et la distance obtenue se révéla très inférieure à la réalité.
Il fallut longtemps avant que quiconque ne conteste sérieusement cette erreur. En 1635, l'astronome flamand Godefroy Wendelin répéta l'observation d'Aristarque et découvrit que le chiffre de Ptolémée était erroné d'au moins un facteur onze. Quelques décennies plus tard, deux nouvelles pièces s'ajoutèrent au puzzle : en 1669, Jean Picard produisit une mesure fiable du rayon terrestre, l'établissant à 3 269 000 toises, et en 1676, l'astronome Ole Rømer démontra que la lumière elle-même met un temps mesurable pour se propager — une découverte si utile que les astronomes commencèrent à décrire l'écart Terre-Soleil en termes de temps de parcours de la lumière, une habitude qui perdura.
Nommer la règle, puis l'affiner
Pour un concept sur lequel les astronomes s'appuyaient depuis l'Antiquité, le nom vint étonnamment tard : le terme « unité astronomique » ne fut utilisé pour la première fois qu'en 1848.
La valeur derrière ce nom continua d'être affinée jusque tard dans le vingtième siècle. Une avancée particulièrement utile vint d'un rocher spatial de passage : les astronomes utilisèrent l'astéroïde géocroiseur 433 Éros, tout juste découvert, et son passage rapproché près de la Terre en 1900-1901, pour affiner les mesures de parallaxe et considérablement préciser la valeur de l'unité astronomique.
Vénus traverse le Soleil
Indépendamment de la traque de l'astéroïde, un événement céleste récurrent devint l'outil favori des astronomes pour cerner l'unité : un transit de Vénus, lorsque la planète passe directement devant le Soleil vu depuis la Terre. Une fois que les astronomes eurent pris conscience de ces transits en 1631, leur rareté — et leur potentiel pour aider à mesurer le Système solaire — continua d'attirer des expéditions pendant des siècles.
Le premier à en avoir réellement observé un fut l'astronome anglais Jeremiah Horrocks, qui observait le Soleil depuis son domicile de Much Hoole le 4 décembre 1639. Plus d'un siècle plus tard, le transit de 1761 produisit sa propre percée : le scientifique russe Mikhaïl Lomonossov, observant depuis l'Académie impériale des sciences de Saint-Pétersbourg, est la figure à qui l'on attribue depuis longtemps la découverte que Vénus possède bel et bien une atmosphère.
Les transits de Vénus surviennent selon un rythme irrégulier plutôt que selon un calendrier bien réglé, ce qui explique en partie pourquoi une exposition du Smithsonian a construit son récit autour d'eux : elle marquait le sixième transit observé, survenu en juin 2004, comme la dernière entrée d'une traque menée depuis des siècles.
Les chiffres de Newcomb
L'astronome américain Simon Newcomb aborda cette question sous deux angles différents, et les deux résultats méritent d'être connus. En exploitant d'anciennes données de parallaxe solaire, il déduisit une valeur de 8″,87 — un chiffre que ses contemporains jugeaient bien plus fiable qu'un calcul concurrent de Powalky. Abordant le problème sous un angle différent, Newcomb rassembla également les données d'observation des quatre derniers transits de Vénus et parvint à une distance Terre-Soleil de 149,59 plus ou moins 0,31 million de kilomètres, une fourchette qui englobait déjà la valeur utilisée aujourd'hui par les astronomes.
L'orbite terrestre elle-même, mesurée en UA
L'unité astronomique décrit en définitive la trajectoire propre de la Terre, il vaut donc la peine d'examiner directement cette orbite. La trajectoire de la Terre la maintient à environ 149,60 millions de kilomètres du Soleil en moyenne, soit environ 8,317 minutes-lumière — suffisamment proche de l'unité astronomique définie pour que les deux chiffres décrivent essentiellement la même mesure.
Parcourir cette orbite exige une vitesse que la plupart des objets sur Terre n'approchent jamais : notre planète se déplace à une moyenne de 29,78 kilomètres par seconde, assez vite pour traverser son propre diamètre en 7 minutes et pour couvrir toute la distance jusqu'à la Lune en environ 4 heures.
Des voisins proches et lointains
Une fois l'unité astronomique établie, elle devint la règle naturelle pour décrire tout le reste dans le Système solaire, planètes comprises.
Jupiter, la plus grande planète, se situe à 5,2 UA du Soleil. Neptune, la planète la plus éloignée, orbite plus de cinq fois plus loin, à 30 UA — une distance qui exigerait sinon d'écrire des nombres de la taille de la distance Terre-Soleil encore et encore, planète après planète.
C'est là le résultat discret d'un très long effort : un nombre unique et fixe, obtenu grâce à des triangles antiques, des transits et un astéroïde égaré, qui permet désormais aux astronomes de décrire tout un Système solaire dans une seule unité cohérente.