La science derrière les éclipses

Le diamètre du Soleil est environ 400 fois celui de la Lune, mais il est aussi, en moyenne, environ 400 fois plus éloigné de la Terre. Le résultat de cette double coïncidence est que, vus depuis la surface terrestre, le Soleil et la Lune ont presque exactement la même taille apparente dans le ciel — au point que, selon la distance exacte de la Lune sur son orbite elliptique lors de chaque éclipse, elle recouvre parfois le Soleil entièrement et parfois pas tout à fait, laissant l'anneau d'une éclipse annulaire. Pour autant que l'on sache, il s'agit d'une coïncidence extrêmement rare dans le système solaire : aucune autre planète dotée de lunes connues ne présente une correspondance aussi étroite entre la taille apparente d'une lune et celle du Soleil.

Cette coïncidence est ce qui permet d'observer naturellement la couronne solaire. Les astronomes utilisent aussi des coronographes, des instruments munis d'un disque opaque qui bloque artificiellement la lumière du Soleil afin d'étudier son environnement, mais ce disque doit être un peu plus grand que le Soleil lui-même pour bloquer également la lumière diffusée dans l'optique de l'instrument, et cette différence de taille masque la couronne la plus interne, celle qui touche directement le bord solaire. Pendant une éclipse totale, la Lune occupe exactement la place du Soleil, ni plus ni moins, ce qui permet de voir une bande de couronne qu'aucun coronographe terrestre ne peut montrer d'aussi près du bord.

La surface visible du Soleil, la photosphère, a une température d'environ 5 500 °C et constitue de loin la partie la plus brillante de l'astre. Au-dessus se trouve une couche fine et plus ténue, la chromosphère, qui ne devient visible que sous la forme d'un mince liseré rougeâtre juste au début et à la fin de la totalité, coloré par l'émission caractéristique de l'hydrogène. Plus loin encore s'étend la couronne, l'atmosphère extérieure du Soleil, qui se prolonge sur plusieurs millions de kilomètres dans l'espace — bien au-delà de ce qui est visible à l'œil nu lors d'une éclipse — et qui, chose surprenante, atteint des températures d'un à plusieurs millions de degrés, bien supérieures à celles de la photosphère qui se trouve en dessous.

Ce chiffre n'est pas une erreur : la couronne est des centaines de fois plus chaude que la surface dont elle provient, ce qui contredit à première vue l'intuition selon laquelle la chaleur devrait diminuer en s'éloignant de la source. On appelle cela le problème du chauffage coronal, et même si les mécanismes généraux qui l'expliquent sont aujourd'hui assez bien compris — turbulences magnétiques et ondes qui transportent l'énergie depuis l'intérieur du Soleil jusqu'à la couronne —, il reste un domaine de recherche actif, et les éclipses continuent d'apporter des données parce qu'elles permettent d'observer directement, sans le filtre d'un coronographe, comment cette énergie se répartit près du bord solaire.

Malgré ces températures extrêmes, la couronne est si ténue — elle contient très peu de matière par unité de volume — que sa luminosité totale ne représente qu'un millionième de celle de la photosphère. C'est là la raison physique toute simple, sans aucun mystère, pour laquelle la couronne n'est visible que pendant la totalité : le reste du temps, la lumière directe du Soleil, un million de fois plus intense, la noie complètement, tout comme on ne voit pas une bougie allumée à côté d'un projecteur industriel.

Les exemples historiques sont les plus connus — la découverte de l'hélium en 1868, rendue possible par une analyse spectrale réalisable seulement pendant la totalité, ou la confirmation en 1919 que la gravité du Soleil courbe la lumière des étoiles, exactement comme le prédisait la relativité générale d'Einstein, détaillées dans « Les éclipses dans l'histoire » — mais l'utilité scientifique d'une éclipse ne s'arrête pas là. Les éclipses restent aujourd'hui le seul moment où des instruments terrestres peuvent observer la couronne la plus proche du bord solaire sans l'interférence d'un coronographe artificiel, ce qui en fait une occasion de calibrer et de recouper les données qui arrivent, elles, en continu depuis les missions spatiales dédiées à l'observation du Soleil.

Les éclipses ont aussi donné naissance à des projets de science participative à grande échelle : en coordonnant des centaines d'observateurs bénévoles répartis le long de toute la bande de totalité, chacun photographiant l'éclipse depuis un point différent pendant les minutes où elle passe à son emplacement, on peut assembler ces images pour reconstituer une séquence bien plus longue que la totalité vue depuis un seul point — des minutes au lieu de secondes —, en suivant l'évolution de la couronne tout au long du parcours de l'ombre lunaire.

Il existe aussi une contribution moins évidente, presque circulaire : les registres d'éclipses laissés il y a des siècles, ceux-là mêmes que les civilisations anciennes consignaient pour des raisons religieuses ou politiques et qui sont expliqués dans « Les éclipses dans l'histoire », servent aujourd'hui à mesurer avec précision comment la vitesse de rotation de la Terre a évolué, très lentement, au fil des siècles. Calculer où et quand une éclipse donnée aurait été visible il y a 2 000 ans, puis comparer ce calcul avec ce que les chroniques disent avoir réellement été observé, permet de détecter de minuscules écarts accumulés qui révèlent comment la rotation terrestre a ralenti avec le temps — le même effet de friction des marées qui, comme l'explique « Curiosités et éclipses futurs », éloigne aussi peu à peu la Lune de la Terre. Un phénomène étudié par des astronomes il y a plus de trois millénaires continue ainsi, sans qu'ils l'aient jamais su, de fournir des données à l'astronomie d'aujourd'hui.