Le ciel comme une voûte : horizon, zénith et rotation du ciel

Le ciel fait un tour complet en 23 heures 56 minutes, soit environ 15° par heure.

Pourquoi le ciel ressemble à un bol renversé

La nuit, au milieu d'un champ dégagé, le ciel ressemble à un immense bol renversé posé au sol tout autour de toi. Les étoiles semblent fixées sur sa face intérieure, toutes à la même distance. Ce n'est pas le cas : l'étoile brillante la plus proche, Alpha du Centaure, se trouve à environ 4.4 années-lumière, et beaucoup d'étoiles visibles sont à des centaines d'années-lumière. Mais l'œil ne peut pas évaluer de telles distances. Pour se repérer dans le ciel, ce bol est donc une image très utile. Les astronomes appellent sa version complète la sphère céleste : une boule imaginaire centrée sur la Terre, avec toutes les étoiles fixées à l'intérieur.

À tout instant, seule la moitié de cette sphère se trouve au-dessus de toi. Le sol cache l'autre moitié, et la ligne où le ciel rejoint le sol est l'horizon. Le point situé juste au-dessus de ta tête est le zénith. Une ligne allant du nord au sud en passant par le zénith est le méridien ; elle sépare le ciel en une moitié est et une moitié ouest. Ces trois repères, horizon, zénith et méridien, dépendent de toi : si tu changes de ville, ton zénith se déplace avec toi.

Deux nombres pour chaque point du ciel

Pour indiquer à un ami où regarder, il te faut deux angles. La hauteur se mesure au-dessus de l'horizon : 0° sur l'horizon, 90° au zénith. L'azimut donne la direction le long de l'horizon, du nord vers l'est : le nord correspond à 0°, l'est à 90°, le sud à 180° et l'ouest à 270°. Une étoile de hauteur 30° et d'azimut 135° se trouve au tiers de la montée vers le zénith, au sud-est. Pour la plupart des gens, un poing tenu à bout de bras couvre environ 10° de ciel : une règle pratique sans instrument.

Pourquoi les étoiles se déplacent

Observe pendant une heure : le bol semble tourner. À l'est, les étoiles montent ; au sud, elles glissent vers la droite ; à l'ouest, elles descendent et se couchent. Ce mouvement ne vient pas des étoiles : la Terre tourne d'ouest en est, si bien que le ciel semble tourner en sens inverse, d'est en ouest. La Terre accomplit un tour par rapport aux étoiles en 23 heures 56 minutes 4 secondes : c'est le jour sidéral. Le Glenn Research Center de la NASA explique le calcul à partir des 360° auxquels s'ajoutent les 0.9856° que la Terre doit parcourir chaque jour parce qu'elle a aussi avancé sur son orbite. En divisant 360° par environ 24 heures, on obtient 15° par heure, soit un poing et demi.

Appuie sur Lecture dans le modèle ci-dessus. Chaque seconde d'animation représente une heure dans le ciel. Les étoiles se lèvent selon des trajectoires inclinées à l'est, atteignent leur hauteur maximale en traversant le méridien et se couchent à l'ouest. La fiche sous le modèle affiche le temps sidéral, qui indique quelle partie de la carte du ciel passe sur ton méridien à cet instant. Active Grille pour voir les cercles de hauteur 30° et 60°.

Les pôles et l'équateur célestes

Prolonge l'axe de la Terre vers le ciel : il coupe la sphère céleste en deux points, les pôles célestes nord et sud. Tout tourne autour d'eux. Prolonge l'équateur terrestre : il dessine un grand cercle dans le ciel, l'équateur céleste, exactement à mi-chemin entre les pôles. Pour repérer les étoiles sur cette sphère, on utilise deux angles semblables à la latitude et à la longitude : la déclinaison est l'angle au nord ou au sud de l'équateur céleste, et l'ascension droite se mesure vers l'est le long de cet équateur, en heures, de 0h à 24h. Contrairement à la hauteur et à l'azimut, ces coordonnées sont propres à l'étoile et changent très peu d'une année à l'autre. Voilà pourquoi les catalogues stellaires les utilisent.