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William Herschel

Sir Frederick William Herschel est un astronome né à Hanovre (Allemagne) le 15 novembre 1738, mort à Slough (Angleterre), près de Windsor, le 25 août 1822. Son arrière-grand-père, que sa conversion au protestantisme avait fait expulser de Moravie, était venu s'établir comme brasseur à Pirna, en Saxe, au commencement du XVIIe siècle. Son père était chef de musique des gardes à pied du roi de Hanovre, et lui-même, le quatrième de dix enfants, entra à quatorze ans, comme hautboïste, dans ce régiment, qu'il accompagna à Londres en 1755. Deux ans plus tard, il assista à la bataille d'Hastenbeck, tomba peu après malade, déserta, retourna en Angleterre et, huit années durant, donna pour vivre des leçons de musique, aux environs de Leeds d'abord, puis à Durham, à Pontefract, à Doncaster, à Wakefield. En 1765, il fut nommé organiste à Halifax, passa, l'année suivante, en la même qualité, à l'Octagon Chapel de Bath et demeura quinze ans dans cette place, dirigeant entre temps des concerts, composant même, et employant les rares heures de liberté qui lui restaient à réparer, par l'étude de la philosophie, des langues, de la physique et des mathématiques, ce qu'il y avait eu de négligé dans son instruction première. 

William Herschel éleva ainsi, graduellement et sans maîtres, le niveau de ses connaissances jusqu'à pouvoir aborder l'Harmonics et I'Optics de Smith, les Fluxions de Mac Laurin, l'Astronomy de Ferguson, et, subitement épris, à cette dernière lecture, de recherches célestes, voulut faire venir de Londres un télescope. Le trouvant trop cher, il se procura des outils d'opticien, se mit courageusement à l'oeuvre et, après cent essais infructueux, se trouva enfin en possession d'un excellent réflecteur grégorien de cinq pieds et demi de focale, qu'il avait fabriqué de toutes pièces et qu'il braqua avec joie sur la nébuleuse d'Orion (M 42). C'était en 1774. Il avait trente-six ans. Il ne pouvait songer à abandonner tout de suite des occupations qui constituaient son unique gagne-pain. Mais il prit encore davantage sur son temps de repos afin de se construire des instruments plus puissants et de satisfaire sa passion chaque jour grandissante pour l'étude du ciel. En 1780, il communiqua à la Société royale de Londres un premier mémoire : Astronomical Observations on the periodical star in Collo Ceti (Philos. Trans., LXX, 338), puis; en janvier 1781, à la même société, un remarquable travail ayant pour titre : The Rotation of the planets (Philos. Trans., LXXI, 115). En décembre 1781, après sa retentissante découverte de la planète, Uranus (13 mars 1781), il fut élu membre de la savante compagnie, qui lui décerna en même temps la médaille Copley. En 1782, Georges III, intéressé par ses succès et peut-être un peu aussi par son origine hanovrienne, l'appela auprès de lui, lui pardonna sa désertion et l'installa, ainsi que sa soeur Caroline (Les Herschel), à Datchet, près du château de Windsor, avec le titre d'astronome de la cour et 200 livres sterling d'appointements. 
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La découverte d'Uranus.

Le 13 mars 1781, Herschel, à l'aide d'un télescope ayant 2,13 m de longueur et grossissant 227 fois en diamètre, aperçut un astre ayant un diamètre apparent, en examinant de petites étoiles au pied des Gémeaux

Herschel communiqua cette découverte à la Société Royale de Londres, en émettant l'hypothèse que le nouvel astre était une comète; mais lui-même et Laplace reconnurent ensuite que cet astre se mouvait dans une orbite elliptique de petite excentricité, et les astronomes le rangèrent au nombre des planètes, avec le nom d'Uranus

D'après les calculs relatifs à cette planète, les astronomes trouvèrent qu'elle avait été signalée comme étoile par Flamsteed en 1690, par T. Mayer en 1756 et par Le Monnier en 1765...

En 1786, William Herschel changea cette résidence contre celle, peu éloignée et désormais historique, de Slough, « le lieu du monde, écrivait Arago, où il a été fait le plus de découvertes ». Il termina ses jours, comblé d'honneurs, associé à toutes les académies étrangères et visité par les plus illustres savants de l'Angleterre et du continent. Son ardeur au travail ne s'était ralentie qu'à partir de 1807, alors que sa santé était déjà gravement altérée. En 1814, il avait dirigé pour la dernière fois son télescope vers le ciel et, comme la première fois, en 1774, c'était la nébuleuse d'Orion qu'il avait observée. Il avait encore fait, en 1818, une intéressante communication à la Société royale de Londres : On the Telescopic Sounding of space-depths (Philos. Trans., CVIII, 429), et une autre, en 1821, à la Royal Astronomical Society, dont il fut le premier président : On the Places of 145 new double stars (Memoirs Astron. Soc., I, 466). Il était, depuis 1802, associé étranger de l'Académie des sciences de Paris et avait été élevé, en 1816, à la dignité de chevalier de l'ordre hanovrien des Guelfes. Il s'était marié, en 1788, avec la veuve d'un riche marchand de Londres et en avait un unique fils, John Herschel, qui devait suivre brillamment ses traces.

William Herschel ne saurait être comparé ni à Copernic, ni à Képler, ni à Newton, ni même aux Tycho Brahe ou aux Laplace; il n'a pas eu les visées créatrices des premiers, et ce n'est qu'incidemment qu'il a abordé les grands problèmes de la mécanique céleste. Il est pourtant une branche importante de l'astronomie, celle qu'on appelle plus spécialement l'astronomie sidérale, qui le compte parmi ses plus féconds fondateurs et à laquelle il a fait faire un pas décisif. Nul avant lui n'avait scruté aussi profondément les espaces stellaires, nul n'avait autant reculé les limites du monde connu. Ces résultats, il ne les dut pas seulement à un labeur acharné et à un rare talent d'observation. Il y avait en lui plus qu'un praticien de premier ordre son cerveau était organisé pour les grandes luttes et pour les plus hautes conceptions. Il s'était imposé la double tâche de pénétrer le mystère de la structure des cieux et d'en dénombrer les étoiles.

Pour cela, il lui fallait de puissants instruments. Avec l'aide pécuniaire de Georges III, il en construisit de plus grands et de meilleurs que tous ceux qu'on avait vus jusqu'alors. Son télescope géant, commencé en 1785 et terminé en 1789, mesurait 39 pieds 4 pouces (environ 12 mètres) de longueur et 4 pieds 10 pouces (1, 47 m) de diamètre. Le tube en était cylindrique et en fer; le miroir, du poids de 1000 kilogrammes, avait la forme de sections coniques, qui supprimait l'aberration de sphéricité et qu'il obtenait au moyen de sa machine à polir, amenée à son dernier perfectionnement en 1788; c'était enfin, suivant sa propre expression, un front-view telescope, ou télescope à vue de face, ainsi appelé parce que le petit miroir intermédiaire qui, dans le télescope newtonien ou grégorien, renvoie l'image à l'oculaire, y était supprimé, une légère inclinaison du grand miroir permettant à l'observateur, placé au bord supérieur du tube, de voir de face et directement l'image. C'est en 1776 qu'il imagina cette disposition, qui évita la déperdition d'un grand nombre de rayons lumineux. Il ne la réalisa pratiquement que quelques années plus tard. 

Outre ce télescope, que mettait en mouvement dans tous les sens un mécanisme fort ingénieux, quoique compliqué, et auquel il appliquait, pour l'examen des astres très brillants, des grossissements allant, prétendait-il, jusqu'à 6000, il en établit beaucoup de moindres dimensions, tant pour lui que pour l'université de Goettingen, pour l'observatoire de Madrid, etc., et il fabriqua en moins de sept ans (1788-95) 80 miroirs de 20 pieds, 150 de 10, 200 de 7, et une multitude de plus petits. Il perfectionna aussi le micromètre, qu'il fit à fil fixe et à fil mobile, et plus tard à lampe. S'étant ainsi supérieurement outillé, il poursuivit avec un succès prodigieux ce qu'il appelait ses « revues » du ciel. Sa découverte d'Uranus, qu'il baptisa, en l'honneur de son roi, l'Etoile de Georges, Georgium sidus, est son moindre titre de gloire. Ses travaux sur les nébuleuses, les étoiles doubles et les étoiles variables ont une bien autre importance.

La première nébuleuse (en fait la galaxie d'Andromède, M 31) avait été signalée par Simon Marius au commencement du XVIIe siècle et le catalogue de Messier, paru en 1783, n'en contenait encore que 103. William Herschel en découvrit, à lui seul, plus de 2500, qu'il divisa en nébuleuses résolubles ou amas stellaires, de forme généralement circulaire et ramifiées, et en nébuleuses  (Le milieu interstellaire) non résolubles ou diffuses, qui affectent des contours irréguliers et qui, croyait-on alors, seraient constituées par de la matière cométaire. Il en donna, dans les Philosophical Transactions, trois catalogues, celui du premier mille en 1786, celui du second en 1789, celui des cinq cents dernières en 1802. Il entreprit en même temps la description de la voie lactée, qu'il reconnut être une nébuleuse résoluble, de forme lenticulaire, dans laquelle est compris le Système solaire, et dont il compta les étoiles par sa célèbre méthode du jaugeage du ciel : elle lui donna, jusqu'à la 15e grandeur (magnitude) inclusivement, limite de visibilité du télescope de 0,60 m dont il se servit pour ce travail, le chiffre respectable de 20 000 000. 

William Herschel élucida aussi, le premier, le problème depuis quelque temps posé des couples stellaires et établit qu'ils sont soumis, de même que notre monde, aux lois de la gravitation, la plus petite des deux étoiles tournant, comme un satellite, autour de la plus grande : il trouva, de 1776 à 1804, plus de huit cents de cas systèmes binaires, dont il dressa trois catalogues (Philos. Trans., 1782, 1785 et 1805), et il calcula approximativement la durée de leurs révolutions. Les variations d'éclat et de couleur de certaines étoiles lui offraient un autre champ d'études (Les étoiles variables); outre Mira Ceti (Baleine), dont il s'était occupé en 1780, puis en 1791, et dont il avait fixé la période à 331 jours, il suivit se 1795 à 1796,  a d'Hercule qu'il reconnut comme une étoile variable, avec une période de 60 jours environ. Dans ses quatre Catalogues of comparative brightness for ascertaining the permanence of the lustra of stars (Philos. Trans., 1796 et 1799), il dressa en quelque sorte l'inventaire photométrique du ciel, afin de préparer aux astronomes de l'avenir un point de départ sûr pour leurs constatations. Il suivit lui-même les phases de quelques-unes et attribua leurs fluctuations à une rotation périodique qui leur fait présenter tour à tour des faces diversement lumineuses.

Ces investigations lointaines ne lui firent pas négliger notre Système solaire. A la découverte d'Uranus, il ajouta bientôt celle de ce qui pensa être six de ses satellites,  mais dont deux seulement étaient  avérés, Titania et Obéron (11 janvier 1787), et il en aperçut deux nouveaux à l'intérieur des anneaux de Saturne, Mimas (18 juillet 1789) et Encelade (29 août 1789). Des uns et des autres, il détermina les orbites et les durées des révolutions, calcula l'inclinaison des bandes de Saturne par rapport à son anneau, les temps de rotation de celui-ci et de la planète elle-même, l'aplatissement de Jupiter, l'inclinaison de son équateur sur le plan de son orbite, la durée de sa rotation, attribua à des masses de neige qui fondent en été les taches blanches périodiquement observées aux pôles de Mars et à des nuages phosphorescents les lueurs qui éclairent parfois la portion obscure de Vénus, contesta à Cérès, à Pallas, à Junon et à Vesta, dont il étudia les éléments, le caractère de planètes et leur donna le nom d'astéroïdes.

Herschel imagina pour la mesure des diamètres des planètes une méthode ingénieuse, qui consistait essentiellement dans la présentation à l'oeil non appliqué à l'oculaire d'un petit disque de papier blanc éloigné par un aide jusqu'à ce qu'il apparut de même grandeur que l'astre observé, mais il n'obtint, à cause de sa connaissance insuffisante du grossissement employé, que des valeurs relatives. En perfectionnant la méthode d'Hévélius, il mesure à partir de 1780 les montagnes  de la Lune et donna pour leur hauteur des nombres voisins relativement inexacts. Mais il a dit le premier que la Lune n'a pas d'atmosphère

En 1783, Herschel, qui avait remarqué, comme Halley et Cassini II, le mouvement de certaines étoiles, fit l'importante découverte du mouvement de translation de notre Système solaire vers un point du Ciel qu'il nomma apex; de ses observations de 1783 et de 1805, il conclut que l'apex est l'étoile l de la constellation d'Hercule. Fontenelle, Bradley, T. Mayer avaient déjà émis des conjectures à ce sujet, et Lambert, dans ses Cosmologische Briefe (1761), l'idée que le Soleil se déplace autour d'un centre qui est dans la contrée d'Orion ou de Sirius (Grand Chien).

La constitution même du Soleil fut l'objet de ses préoccupations. Il en émit une théorie qui rencontra de nombreux partisans.
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Théorie physique du Soleil

Herschel, complétant les idées de Wilson d'après ses propres observations, a émis en 1795 les hypothèses suivantes :

Le Soleil est formé d'un corps solide opaque et d'une couche lumineuse, qui entoure ce corps et qui est soutenue beaucoup au-dessus du corps solide pur un milieu élastique transparent; ce milieu porte une couche nébuleuse à un niveau beaucoup plus bas que sa surface supérieure. 

Si une éruption gazeuse déchire les deux couches, la couche nébuleuse, étant fortement éclairée d'en haut, réfléchit à nos yeux une portion considérable de lumière et forme une pénombre, tandis que le corps solide, ombragé par la couche nébuleuse, n'en réfléchit point. 

II résulte de là qu'une tache est l'effet produit par une cavité conique dont le fond, qui est noir, appartient au corps solide et dont les parois, qui sont demi-claires, appartiennent à la couche nébuleuse.

La couche nébuleuse se nomme atmosphère réfléchissante; et la couche lumineuse a été appelée photosphère par Schröter.

La belle comète de 1811 a été le point de départ de ses recherches sur la nature des comètes, qu'il continuera jusqu'en 1841. Il conclura à la complète diaphanéité de leurs noyaux aussi bien que de leurs queues. L'optique aussi lui est redevable d'importants travaux, auxquels. il fut conduit par la recherche des meilleures conditions d'exécution des miroirs de ses télescopes. De Rochon, en 1775, avait remarqué que la chaleur dans le spectre solaire croît du violet au rouge; Herschel traça à son tour les courbes de chaleur et de lumière du spectre solaire et reconnut des maxima, non seulement dans les rayons jaunes, mais encore dans de nouveaux rayons qu'il découvrit au delà du rouge et qu'on a désignés depuis sous le nom d'infrarouges.Et, pour mesurer l'intensité de la chaleur solaire, il imagina un instrument, l'actinomètre. (Léon Sagnet / E. Lebon).



Roland Lessens, William Herschel, Burillier, 2006.

En bibliothèque - La liste des 71 mémoires que William Herschel fit insérer de 1780 à 1818 dans les Philosophical Transactions offre un vif intérêt en ce qu'elle permet d'embrasser toute son oeuvre et de la suivre dans son développement. Nous ne pouvons la donner ici. On la trouvera dans le Biographisch-Literarisches Handwaerterbuch de Poggendorff (Leipzig, 1863, t. 1) ou dans le Catalogue of scientific papers de la Société royale (Londres, 1870, t. IV).. Nous avons déjà mentionné quelques-uns de ces écrits. Nous citerons encore : 

Description of a Lamp-Micrometer (1782); On the Proper Motion of the Sun and solar system (1783); On the Remarkable Appearences at the polar régions of Mars (1784); On Some Observations tending to investigate the construction of the heavens (1784); On the Georgian planet and its satellites (1788); On the Satellites of Saturn and the rotation of its ring (1790); On Nebulous Stars (1791); On the Nature and construction of the sun and fixed stars (1795); Description of a forty-feet reflecting telescope (1795); Investigation of the powers of the prismatic colours to heat and illuminate objects (1800); Experiments on the refrangibility of the invisible rays of the Sun (1800); Account of the changes that happened during the last 25ears in the relative situation of double stars (1803); On the Direction and velocity of the motion of the Sun and solar system (1805); On the Quantity and velocity of the solar motion (1806); Astronomical Observations relating to the construction of the heavens (1811); Astronomical Observations relating to the sidèreal part of the heavens and its connexion with the nebulous part (1814). 

Quant à ses compositions musicales, une seule, l'Echo, a été imprimée Elle est d'ailleurs sans grande originalité, et les autres méritent à peine qu'on en parle. 
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Annual Register, 1822, p. 289 - Fourier, Eloge historique, dans les Mém.de l'Acd. des sciences de Paris, 1823, p. LXI. - Astron. Jahrbuch de Bode, 1826. - J.-W. Pfaff, W.Herschel's Entdeckungen; Erlangen,1828; 2e éd., Leipzig, 1850. - Bessel, Abhandlungen, t. III, p. 468. - Arago, Analyse historique de la vie et des travaux de sir William Herschel, dans l'Annuaire du Bureau des longitudes, 1842, p. 249. - E.-S. Holden, Sir W. Herschel, his life and works; New York, 1881, in-12. - Holden et Hasting, Synopsis of the scientific writings of sir William Herschel; Washington, 1881.

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