Par définition, l’instant de l’équinoxe d’automne dans l’hémisphère nord correspond au moment où la longitude géocentrique apparente du centre du Soleil est égale à 180 degrés.

À cet instant, l’ascension droite n’est pas exactement égale à 12 h et la déclinaison du centre du Soleil n’est pas nulle, car la latitude apparente du centre du Soleil n’est pas nulle, mais ces deux dernières valeurs sont proches de zéro. La direction du centre du Soleil est alors très proche de la direction opposée au point gamma, intersection de l’écliptique et de l’équateur céleste. La définition de cette direction est donc unique sur la sphère céleste. Il ne faut pas confondre la direction de l’équinoxe d’automne qui est unique et le fait que le Soleil passe par cette direction. Ainsi, dans l’hémisphère nord, le début de l’automne correspond au passage du Soleil dans la direction de l’équinoxe d’automne, alors que ce même phénomène traduit le début du printemps dans l’hémisphère sud.

Notre calendrier (le calendrier grégorien) est construit de manière à éviter la dérive des dates des changements de saisons en conservant une date quasi fixe pour le début de chaque saison.

La date de l’équinoxe d’automne est, en 2019, le lundi 23 septembre à 7 h 50 min 11,81 s UTC, soit à 9 h 50 min 11,81 s en temps légal français (UTC + 2 h). À cet instant, la latitude géocentrique du centre du Soleil est de − 0,35″, son ascension droite est de 11 h 59 min 59,991 s et sa déclinaison est de − 0,32″. Comme on le constate, la déclinaison et la latitude sont très proches de zéro et l’ascension droite est très proche de 12 h. C’est pourquoi l’on dit souvent que le Soleil est dans la direction opposée au point gamma, ce qui est en partie exact, dans la mesure où le diamètre apparent du Soleil est de l’ordre de trente minutes d’angle.

Néanmoins, pour un calcul à la seconde de temps près, le choix de la définition est important. En effet, la déclinaison du centre du Soleil est nulle à 7 h 49 min 51,80 s UTC et l’ascension droite du centre du Soleil est égale à 12 h à 7 h 50 min 15,58 s UTC.

Dans le calendrier grégorien, créé en 1582, l’équinoxe d’automne peut tomber le 21, 22, 23 ou 24 septembre. Il tombe en général le 22 ou le 23 septembre. Il tombera le 21 septembre en 2092 et ce sera la première fois depuis la création du calendrier grégorien. Cela se reproduira en 2096, puis en 2464, 2468, 2472, 2476, 2480, 2484, 2488, 2492, 2493, 2496 et 2497. Il est tombé un 24 septembre en 1803, 1807, 1903, 1907, 1911, 1915, 1919, 1923, 1927 et 1931 ; il tombera de nouveau à cette date en 2303. Le jour de l’équinoxe, si l’on fait abstraction de la réfraction atmosphérique, la durée de la nuit est égale à la durée du jour. C’est également le jour où le Soleil se lève plein est et se couche plein ouest.

Le phénomène du mois de septembre que nous vous proposons d’observer est l’opposition de la planète Neptune. Rappelons que depuis 2006 et le déclassement de Pluton du rang de planète à celui de planète naine, et plus justement encore d’objet transneptunien, Neptune est devenue la huitième et dernière planète du Système solaire.

Neptune est située en moyenne à 4,5 milliards de kilomètres du Soleil et tourne autour de ce dernier en 165 ans. À une telle distance du Soleil, l’énergie de notre étoile centrale est très faible et il en résulte une température d’environ - 220°C, soit guère plus de 50° au-dessus du zéro absolu (− 273°C). Comme les trois planètes qui la précèdent, Jupiter, Saturne et Uranus, Neptune est une planète gazeuse, et comme elles, est essentiellement constituée d’hydrogène (80%), d’hélium (18%) et de trace d’autres éléments (1% méthane…). L’axe de rotation de Neptune est incliné de 28°, valeur assez proche de celle de la Terre (23°) ; résultat : comme la Terre, Neptune connaît des saisons, à ceci près qu’une saison sur Neptune dure… 44 ans ! Enfin, elle est 4 fois plus grosse que la Terre (diamètre de 50 000 km).

Revenons au phénomène de l’opposition. L’opposition d’une planète dans le ciel correspond à l’instant T où les 3 astres Soleil–Terre–planète sont parfaitement alignés. Pour la planète Neptune, ce phénomène aura lieu le 10 septembre 2019 à 9 h 23. Cela signifie que Neptune se lèvera dans le ciel aux environs du coucher du Soleil et qu’elle se couchera lorsque le Soleil se lèvera. La planète étant alors au plus près de la Terre (périhélie), son diamètre est proche du maximum possible, en l’occurrence un très modeste 2,3″, ce qui est très faible (pour mémoire, Uranus = 4″, Saturne = 20″ et Jupiter = 40″). Concernant son éclat, Neptune brillera alors à la magnitude de 7,6, soit hors de portée d’un œil humain, mais tout à fait accessible avec une modeste lunette de 60 mm.

Neptune se situe en septembre 2019 dans la constellation du Verseau. Pour la trouver, rien de plus simple : on part tout d’abord du grand carré de Pégase, dont on prend les deux étoiles de l’axe vertical de droite (α et β Peg) que l’on prolonge vers le bas jusqu’à trouver l’étoile φ Aqr. Le jour de l’opposition, Neptune sera à seulement 7′ d’arc à l’est (à gauche) de cette étoile de magnitude 4,2, ce qui sera très pratique pour la localiser.

Elle est accessible dans tous les instruments à partir de 50 mm d’ouverture.

Que voit-on ?

Pas grand-chose… Une petite étoile tout au plus. Bien entendu, ce n’est pas une « vraie » étoile, puisque nous parlons d’une planète. Mais visuellement, tout le laisse à penser tant la confusion est aisée. Autant sur Jupiter, nul n’est besoin de grossir beaucoup pour distinguer le petit confetti blanc du disque planétaire, autant, sur Neptune, jusque 100 fois, on ne distingue rien d’autre qu’un point semblable à une étoile, la faute bien sûr à son éloignement et à sa faible taille angulaire. C’est à partir de 120 fois que l’observateur découvre que le point devient finalement une minuscule bille grise. Si notre curieux du ciel peut disposer d’un instrument plus puissant, l’observation sera plus confortable et intéressante. En effet, à partir de 200 mm d’ouverture, on note une légère couleur bleutée. Si le ciel est bon, noir et sans trop de turbulence, Neptune peut offrir de très belles images dans un T250.

L’une des plus belles images qu’il nous ait été donné de voir sur Neptune nous a été pourtant offerte par un instrument moins puissant : celui de l’observatoire de Thury-sous-Clermont. Cet instrument est une magnifique lunette Manent de 160 mm (F/15) datant du milieu des années 1930 et dont l’optique a été taillée par André Couder lui-même (excusez du peu… Rappelons qu’André Couder a été membre, puis directeur du laboratoire d’optique de l’Observatoire de Paris jusqu’en 1968). Dans cette lunette taillée pour cet exercice, Neptune est apparue d’un joli bleu roi assez profond et offrait un disque d’une très grande finesse.

Le cadran solaire de la place de la Gare à Arras est le 160^e cadran dans le Pas-de-Calais répertorié par la Société astronomique de France. Il a été inauguré le 12 juillet 2019 en présence des porteurs du projet et d’un grand nombre de personnes qui ont trouvé ce projet enthousiasmant. Avec l’aide de l’IMCCE et de Denis Savoie pour le calcul avec des formules modernes et la mise au point, voilà l’un des vieux rêves des Groupes scientifiques d’Arras, les GSA, qui se réalise : doter la ville d’Arras d’un cadran solaire très visible, beau, précis, aux vocations éducatives, culturelles et même touristiques.

« Émerveillez-vous »

Comme le veut la tradition, ce cadran est accompagné d’une devise. C’est une version élégante, en latin, de la devise des GSA (Groupes scientifiques d’Arras) qui a été inscrite au sol : Semper Universi Mirabimur Splendores. Cette inscription est provisoire, dans l’attente des prochains travaux de réaménagement de la place de la gare d’Arras prévus pour les prochaines années.

Ce projet est avant tout un projet pédagogique, et il a permis le développement d'activités à différents niveaux avec de nombreux partenaires. Le déroulé de ces activités sera mis en ligne sous forme de fiches sur le site internet des GSA : reproduction sur moquette ou dans les cours de récréation pour les classes les plus petites, repérage sur la sphère cycle des saisons et calcul des distances avec un peu de mathématiques, voire la trigonométrie et la compréhension de tous les secrets d’un cadran pour les plus aguerris. Sachant que les meilleures idées sont toujours celles à venir, d’autres valorisations pédagogiques pourront voir le jour à moyen terme (si vous avez l’impression que ceci est un appel à idées, l’impression est la bonne ! ).

Un lien entre tous 

Ce cadran est dit analemmatique, car le projet se veut participatif : c’est l’observateur qui crée avec son corps l’ombre qui lui permet de lire l’heure. Avec un gnomon suffisamment fin et placé parfaitement verticalement, à une position le long du méridien local tracé au sol qui dépend du jour de l’année, on obtient une heure précise à la minute près : une seconde chance de voir les trains en gare d’Arras être à l’heure, fût-elle solaire! La courbe de l’équation du temps, tenant compte aussi de l’écart en longitude par rapport au méridien de Greenwich, permet de faire la conversion entre le temps solaire local et l’heure UTC. Qu’on ne s’y trompe pas, pour citer Denis Savoie, « un cadran analemmatique est d’un usage faussement simple » : si l’ombre créée par l’observateur facilite la compréhension des directions des points cardinaux et de la variation de la longueur des ombres au cours de la journée, il s’agit d’un véritable défi que de faire comprendre, sans recours à des termes techniques et des équations, pourquoi le cadran est elliptique et pourquoi la position de l’observateur doit changer au cours de l’année. Dans l’Histoire de l’Académie royale des sciences (1757), J.J. Lefrançois de Lalande reconnait d’ailleurs là que « ce problème est un des plus compliqués de toute la Gnomonique. »

Un cadran solaire est un formidable outil pour matérialiser les liens entre la terre et le ciel ; l’adoption d’une heure commune à tout un territoire est aussi nécessaire pour vivre en communauté. Parfaitement calculé avec les formules de l’Observatoire de Paris, ce cadran est, comme tous les autres, un des outils reliés à la Connaissance des Temps et [des] tables astronomiques et calendriers utiles à l’usage des astronomes, des navigateurs et à la vie de la Nation, pour paraphraser l’un des des textes fondateurs du Bureau des longitudes. Mesurer l’heure avec un cadran est aussi une occasion de prendre conscience du temps qui passe et de la nécessité de profiter de chaque jour. Pour les missions d’enseignement de toutes celles et ceux qui aiment parler d'astronomie, et à tous les niveaux, les cadrans solaires sont de formidables outils pour aborder des notions élémentaires (ou pas...) de cosmographie, de mathématiques, et forgent l’esprit critique ; ils sont l’occasion d’association entre science et art, entre science et histoire, et offrent des supports fabuleux aux artistes et artisans les plus talentueux. Rien d’étonnant à ce que les cadrans solaires de toutes sortes, à l’heure d’internet et du temps atomique, continuent de passionner autant sur Terre…. et même au-delà (puisque nombre d’atterriseurs sur la Lune ou d’autres surfaces planétaires en sont pourvus!).