Pour citer ce billet : Challéat S., 2016, « Les impacts de l’éclairage artificiel sur l’astronomie », Blog du Collectif RENOIR – Ressources Environnementales Nocturnes & territOIRes [carnet de recherche]. [En ligne] URL : https://renoir.hypotheses.org/1394 (consulté le …). ISSN 2495-8581.

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Les apports de l’astronomie sur des questionnements ancestraux

Des conceptions de l’univers céleste liées aux différentes conceptions du monde

L’astronomie, science de l’observation des astres, est souvent considérée comme la plus ancienne science naturelle, qui va puiser ses origines à la Préhistoire, bien au-delà de l’Antiquité. Certaines civilisations de l’Âge du bronze et du Néolithique avaient ainsi déjà observé le caractère périodique des équinoxes, en lien avec le cycle des saisons. L’astronomie moderne s’est par la suite développée en lien étroit avec les mathématiques depuis l’Antiquité grecque, et ce grâce à l’invention d’instruments d’observation à la fin du Moyen Âge. Le siècle des Lumières et la redécouverte de la pensée grecque ont vu naître la distinction entre raison et foi, laissant le champ libre à « l’astronomie scientifique », même si Olivier Las Vergnas de l’Association Française d’Astronomie nous rappelle – et nous avons commencé à le voir – que « la représentation scientifique du ciel n’est qu’une représentation parmi d’autres, au même titre que la représentation culturelle, artistique, philosophique ». Pour plus de développements autour des apports scientifiques et donc culturels de l’astronomie au cours des âges, nous renverrons le lecteur à l’ouvrage de l’astronome Jean-Pierre Verdet, Une histoire de l’astronomie ((VERDET J.-P., 1990, Une histoire de l’astronomie, Paris, Seuil.)) . La consultation de nombreux ouvrages historiques de philosophie, de mécanique céleste et d’astronomie générale, rendue aisée par la bibliothèque numérique Gallica (BNF), apportera un précieux complément.

Les hommes scrutent donc le ciel depuis des millénaires afin d’y apercevoir le retour des saisons, des crues bienfaisantes du Nil, ou encore – comme nous l’avons vu – leur avenir. C’est en Mésopotamie, puis en Grèce durant l’Antiquité, que les explications mythiques des signes projetés dans les étoiles (les constellations, représentations mythiques) ont commencé à faire place à de réelles études du Système Solaire à partir de l’observation des planètes, ces « astres errants » sur la voûte céleste. La recherche d’une certaine harmonie était alors prédominante, et le souci de rationalité des astronomes grecs n’est pas sans lien avec celle-ci, trouvant dans la géométrie – et tout particulièrement dans la sphère – les fondements de l’ordre du monde (le cosmos, opposé au chaos). Les savants de l’époque pensent que la Terre, sphérique, est le centre du Monde et dessinent progressivement autour de celle-ci les trajectoires circulaires des planètes, elles aussi sphériques (système des « sphères homocentriques », soutenu par Aristote au IVe siècle avant J.-C.).

Au deuxième siècle de notre ère, Ptolémée, astronome et géographe, synthétise sept siècles de savoir grec dans trois ouvrages, qui feront référence durant 1500 ans. L’épicycle, introduit par les astronomes grecs, dont Hipparque, au IIe siècle avant J.-C. et servant à expliquer les mouvements de rétrogradation des planètes, devient ainsi le composant essentiel du système astronomique ptoléméen, qui remplace peu à peu le système aristotélicien.

Livres et cartes disparaissent lors de la chute de l’Empire Romain mais, à partir du IXe siècle, les savants arabes et persans vont traduire les ouvrages grecs subsistants, sauvegardant ainsi – non sans grandement l’améliorer – l’héritage ptoléméen. Ils perfectionnent également, grâce à leur maîtrise des mathématiques, les instruments d’observation (l’astrolabe en est le meilleur exemple), ainsi que les tables astronomiques, et permettent donc à l’occident chrétien, au XVe siècle, de renouer avec le savoir grec.

Durant la première moitié du XVIe siècle, Copernic (1473-1543) bouleverse cette vision géocentrique en affirmant que la Terre et les autres planètes gravitent autour du Soleil ; Galilée sera par la suite condamné pour hérésie après avoir confirmé cette hypothèse, qu’il reniera en prononçant le 22 juin 1633 une formule d’abjuration préparée par le Saint- Office (formule devenue célèbre, même si le fameux « Eppur si muove » – « Et pourtant elle tourne », dû à un récit du journaliste Giuseppe Baretti en 1757, apparaît aujourd’hui comme étant probablement apocryphe).

Dès lors, la représentation du ciel ne cessera de s’appuyer de plus en plus sur l’observation. Ainsi Kepler (1571-1630), à partir des travaux de Tycho Brahé (1546-1601), démontre que les planètes décrivent des ellipses, et non des cercles. Newton (1643-1727) énonce à la fin du XVIIe siècle la loi de la gravitation universelle (dont découlent, entre autres, les modèles gravitaires encore utilisés aujourd’hui par les géographes pour certaines modélisations). Par le calcul, seront ensuite définies la taille et la distance relative au Soleil des planètes.

Les perfectionnements successifs de la lunette astronomique puis du télescope doté d’un miroir primaire concave inventé par Newton, vont donner à l’astronomie moderne des instruments d’observation de plus en plus pointus, que l’on va placer de plus en plus haut afin de les affranchir des lumières de la ville et des perturbations atmosphériques. Très proche de nous dans le temps, la mise en orbite du télescope spatial Hubble signe l’émancipation de l’observation astronomique de ces effets de turbulence dus à l’atmosphère. L’espace est alors « redécouvert », à travers des images à la résolution spectaculaire d’objets inaccessibles depuis le sol (image 21), et les astrophysiciens commencent à espérer pouvoir capter la lumière des premiers moments de l’Univers. L’observation astronomique se fait désormais dans de multiples longueurs d’onde, offrant au chercheur astrophysicien (mais aussi physicien ou exobiologiste) le matériau nécessaire à l’avancée dans la compréhension de l’espace lointain comme de notre environnement plus proche.

La cosmologie contemporaine, ou le vertige des dimensions

L’astronomie passionne par les questions qu’elle soulève, et les réponses presque démesurées qu’elle y apporte. Mais l’astronomie contemporaine foisonne d’une complexité réellement déroutante pour le novice en sciences physiques ; aussi, ne pouvant prétendre à servir autant de connaissances avec la concision nécessaire, nous rapportons ici des extraits d’une magistrale leçon de vulgarisation des questionnements cosmologiques les plus pointus du moment, donnée par Jean-Pierre Luminet, astronome professionnel à l’Observatoire de Paris-Meudon, dans un numéro spécial de la revue Pour la Science (1994). L’extrait traite de la question de la dimension de l’univers (est-il fini ou infini ?) ; il a été choisi pour sa dimension conceptuelle et pour sa capacité à démontrer les liens entre l’astrophysique et les autres matières (physique théorique, mathématiques, philosophie). Bien entendu, la thèse de Luminet n’en est qu’une parmi d’autres actuellement débattues au sein de la communauté des astrophysiciens.

Les impacts sur l’astronomie professionnelle

La dégradation d’un outil de travail

Les astronomes professionnels et amateurs ont été les premiers à s’inquiéter de l’impact de l’éclairage artificiel sur la qualité du ciel nocturne. Étudier et photographier les objets célestes devient ainsi de plus en plus difficile et, dans nombre d’endroits, les objets faiblement lumineux ne peuvent plus être distingués du « fond de ciel ». Or les objets d’études de l’astronomie sont essentiellement des objets qui sont, vus depuis la Terre, très peu lumineux (galaxies lointaines, nébuleuses, amas stellaires, etc.). On démontre que la limite inférieure des éclats accessibles à un instrument d’observation dépend de plusieurs paramètres, dont le diamètre de cet instrument et la brillance du ciel. Toute lumière artificielle dégrade le rapport signal/bruit, d’où une recherche permanente, de la part des astronomes, des sites d’observation les plus exempts de lumières artificielles. Ainsi, il ne subsiste aucun site en Europe où il serait envisageable d’implanter un observatoire professionnel ou de mener une recherche de pointe sur l’univers lointain.

Cinzano et al.¹ montrent que la vision du ciel nocturne s’est sévèrement dégradée dans un grand nombre de pays, que plus de 99 % des États-Unis et de l’Union Européenne, et environ deux tiers de la population de la planète vivent dans des zones où le ciel nocturne est au-dessus du seuil de pollution, c’est-à-dire que la clarté artificielle du ciel nocturne est supérieure de 10 % à la clarté naturelle au-dessus de 45 degrés de hauteur² . Dans les zones où vivent 97 % des habitants des États-Unis, 96 % des habitants de l’Union Européenne et la moitié de la population mondiale, le ciel nocturne dans des conditions atmosphériques normales est plus éclairé que ce qui a été mesuré au premier quartier de Lune dans les meilleurs sites astronomiques³ . 93 % de la population des États-Unis, 90 % de l’Union Européenne et environ 40 % de la population mondiale vivent sous un ciel au zénith plus brillant qu’il le serait avec un premier quartier de Lune à 15 degrés de hauteur et aucune lumière polluante⁴ . On peut donc considérer qu’ils vivent en permanence au clair de Lune, s’en rendant rarement compte car connaissant aussi le ciel de Pleine Lune, plus brillant. Cinzano et al.⁵ constatent que pour 80 % de la population des États-Unis, les deux tiers de l’Union Européenne et plus d’un quart de la population mondiale, la clarté du ciel est encore plus forte que celle relevée près de la Pleine Lune dans les meilleurs sites astronomiques. Ainsi, la « nuit » ne tombe jamais réellement pour ces populations. Sur la base d’une vision moyenne, plus des deux tiers de la population des États-Unis, la moitié de l’Union Européenne et un cinquième de la population mondiale on déjà perdu la possibilité de voir la Voie Lactée. Enfin, toujours selon Cinzano et al.⁶ , environ 40 % de la population des États-Unis, un sixième de l’Union Européenne et un dixième de la population mondiale ne peuvent voir le firmament, même avec un regard habitué et entraîné à la vision nocturne, parce que sa clarté est inférieure au seuil de vision nocturne⁷ .

De nombreuses zones que l’on croyait non polluées, parce qu’apparaissant complètement sombres sur les images satellitaires nocturnes, montrent au contraire, dans l’Atlas de la clarté artificielle du ciel nocturne de Cinzano et al.⁸ , des niveaux de clarté artificielle non négligeables, et ce à cause de la pollution lumineuse exogène. Souvent le ciel d’un pays s’avère pollué par des sources provenant du pays voisin, comme c’est le cas pour l’extrême nord-est de la France, à proximité de la Belgique. Ainsi, les sites à l’essai pour les nouvelles générations de télescopes nécessitent donc une étude précise, et sur le long terme, de l’augmentation de la clarté artificielle du ciel nocturne, pour s’assurer la conservation d’un ciel noir longtemps après leur installation. Un contrôle sérieux à la fois des installations d’éclairage et des nouvelles aires d’urbanisation est nécessaire sur de grandes étendues autour des sites, parfois sur un rayon de 250 kilomètres⁹ .

Sur le site Web de l’Observatoire de Haute-Provence (Saint-Michel l’Observatoire, Alpes de Haute Provence), Jean-Pierre Sivan, directeur de l’Observatoire Astronomique de Marseille-Provence, écrit :

« Parce que les villes, les villages, les voies de communication sont éclairés de façon excessive et irrationnelle, une véritable pollution lumineuse s’étend sur toute la planète. Si elle prive les hommes du contact direct qu’il a toujours eu avec son environnement cosmique, elle perturbe aussi, gravement, la faune nocturne (oiseaux, insectes) quand elle ne la massacre pas. Elle engendre enfin une gêne parfois rédhibitoire pour la pratique de l’observation astronomique. On n’observe plus depuis longtemps au cœur des villes. Dans les sites isolés, la nuisance existe aussi, plus ou moins forte. L’Observatoire de Haute-Provence a été en 1995 le théâtre de la découverte de la première planète extrasolaire, une planète détectée autour d’une étoile semblable à notre soleil, située à 42 années lumière de celui-ci. Cette grande première mondiale, les découvertes de planètes extrasolaires qui l’ont suivie, et bien d’autres études astrophysiques de pointe, si elles attestent de la compétitivité des équipements de cet observatoire, attestent aussi de la qualité du site où il est implanté. Mais le site de Saint Michel, toujours remarquable par le nombre de nuits claires qu’il offre dans une année, n’échappe pas toutefois aux effets nocifs de la pollution lumineuse. Les halos lumineux des villes et des villages augmentent dans le ciel, en étendue et en intensité. Les astronomes s’accommodent encore de cette gêne aujourd’hui. Dût-elle s’accroître démesurément, elle risquerait d’entraver à terme toute activité d’observation à Saint-Michel jusqu’à la condamner. À l’Observatoire de Haute- Provence, comme dans les grands observatoires du monde, couramment les télescopes sont braqués vers des astres des millions de fois moins lumineux que les plus faibles étoiles visibles à l’œil nu et des milliards de fois moins brillants que les lampadaires des rues de nos villages. »¹⁰

L’astronomie amateur touchée de plein fouet

La vocation pour l’astronomie scientifique, professionnelle, faite dans les laboratoires de nos universités se fait sentir, pour beaucoup, grâce à la pratique de l’astronomie amateur, au départ en dilettante, puis dans un club d’astronomie. Ainsi, l’astronomie dans son ensemble doit en partie son existence et sa subsistance à de simples curieux passionnés levant les yeux en direction du ciel étoilé.

Une première approche de cette discipline, abordée par le côté pratique en portant un regard vers cette voûte céleste, dévoilera la magnificence de ses objets. Cette découverte commence par une simple observation à l’œil nu qui révèlera les bases de cette science ainsi qu’une meilleure compréhension de l’espace qui nous entoure et peut se prolonger, pour les plus passionnés, par l’utilisation d’instruments astronomiques parfois très puissants qui permettront d’étudier l’espace profond.

Combien sont-ils ? Difficile de les comptabiliser, tellement les pratiques de l’astronomie amateur sont diverses et variées ; l’Association Française d’Astronomie a pourtant, en 2006, publié des chiffres pour la France, nous donnant ainsi quelques repères : l’AFA a ainsi recensé 30 800 amateurs membres d’un club d’astronomie, dont 5 500 observateurs réguliers.

Les impacts sur leurs activités

Pour les astronomes amateurs, cette pollution les contraint à s’éloigner fortement des villes pour pratiquer leur passion. Il est ainsi obligatoire de parcourir plusieurs dizaines de kilomètres pour s’extraire de l’empreinte lumineuse (voir deuxième partie de ce travail) générée par celles-ci et avoir ainsi accès à un ciel commençant à être exploitable au zénith. Mais pour la pratique de l’astrophotographie à longue pose, de l’imagerie CCD (très utilisée par les astronomes amateurs, en collaboration avec les professionnels, pour la découverte d’astéroïdes, de comètes ou de supernovae), ou même pour l’observation visuelle du « ciel profond » (objets ténus, extérieurs au Système Solaire ou à notre propre galaxie, tels que les nébuleuses, les amas d’étoiles, les galaxies), un ciel très peu ou pas du tout pollué – pas de grosse agglomération sur un rayon de 100 kilomètres – est un idéal recherché par chacun d’eux.

Qu’ils soient esthètes (regardant la voûte céleste pour le plaisir des yeux et les questions physiques ou philosophiques qui s’y rapportent), « astrophotographes » (cherchant à garder une trace des objets observés, de l’état de l’atmosphère de Jupiter ou du passage de telle ou telle comète), « extrémistes » du ciel profond (du nom de la principale revue amateur, en France, compilant les observations des amateurs cherchant coûte que coûte à repousser les limites de leur vision et de leur télescope : Ciel Extrême), collaborateurs à des programmes de recherche professionnels ou simples dilettantes, tous s’accordent à reconnaître l’apport décisif d’un ciel effectivement noir dans leurs activités : perte des repères et plongée dans l’infini du nocturne pour les uns, augmentation des contrastes visuels et du rapport signal/bruit arrivant à la surface du capteur photosensible pour les autres.

Leur rôle majeur dans la promotion d’une culture scientifique trop peu présente

En dehors de leurs activités personnelles d’observations, les astronomes doivent répondre à une demande sociale de découverte du ciel de plus en plus importante dans le domaine éducatif et culturel, en témoignent le succès des manifestations mises en place pour l’Année Mondiale de l’Astronomie en 2009 ou, plus généralement, les succès de La Nuit des Étoiles, de La Nuit des Étoiles Junior, l’accroissement des manifestations grand public lors d’événements astronomiques remarquables (passage d’une comète, éclipse de Lune, de Soleil), la multiplication des interventions des associations d’astronomie amateur en milieu scolaire avec la réapparition de l’astronomie dans les programmes d’éducation, etc.

L’AFA, dans son recensement de 2006, estime qu’en France, 2,74 millions de personnes ont été touchées par l’astronomie cette année là (par le biais d’expositions, d’observations publiques, de conférences, d’animations dans les écoles, les MJC, les centres de loisirs, etc.). À son échelle, un club amateur, comme la Société Astronomique de Bourgogne implantée à Dijon, peut atteindre 130 adhérents et toucher, par les manifestations et prestations qu’il propose, 12 000 personnes en une année (estimation sur 2009-2010, hors personnes touchées par les relais médiatiques). Par ailleurs, nombre d’astronomes amateurs participent à la parution d’ouvrages de vulgarisation à destination du grand public ou des scolaires. En France, le Comité de Liaison Enseignants-Astronomes tient un rôle important dans la promotion de l’astronomie (sous toutes ses facettes, par ses liens avec la culture scientifique générale, l’histoire, la littérature, les mathématiques, la physique ou bien encore les sciences de la vie) dans les programmes scolaires, « au moment où la science a presque totalement disparu des grands médias qui postulent qu’elle n’intéresse personne si elle n’est pas scandaleuse ou catastrophique » (Raichwarg et Jacques, 1991). En 2001, Pierre Causeret (alors président de la Société Astronomique de Bourgogne, professeur de mathématiques, formateur en astronomie à l’IUFM de Dijon) et Liliane Sarrazin (professeur de sciences physiques) publient un ouvrage de vulgarisation sur Les saisons et les mouvements de la Terre¹¹ , dont Lucienne Gouguenheim, Professeur à l’université Paris- Sud, signe la préface :

« Notre vie est rythmée par la succession des jours et des nuits et par celle des saisons. Ces alternances constituent l’une des premières perceptions que l’enfant a de son environnement. Cependant, leurs causes exactes ne sont pas toujours comprises, même du grand public. L’obstacle principal réside probablement dans la difficulté qu’il y a – et c’est celle qui domina majoritairement dans le débat copernicien du XVIIe siècle – à concevoir une Terre en mouvement. […]
L’étude des mouvements célestes – plus particulièrement ici des mouvements apparents, diurnes et annuels du Soleil et des étoiles, interprétés en termes de mouvement de rotation propre et de révolution de la Terre autour du Soleil – relève, comme c’est souvent le cas pour les phénomènes astronomiques, de disciplines variées. Elle donne lieu à une approche pluridisciplinaire, encore trop rare dans notre enseignement excessivement cloisonné, qui implique les professeurs de sciences physiques et de sciences de la Terre, mais aussi celui de géographie, sans oublier l’instituteur. […]
Le ciel s’offre à nous. C’est en le scrutant que ceux qui nous ont précédés ont peu à peu élaboré les connaissances qui sont aujourd’hui les nôtres. Que l’enfant ou l’adolescent qui apprend refasse les mêmes démarches et rencontre les mêmes obstacles est en soi satisfaisant. Comme l’écrivait Clairaut en 1741, dans la préface de ses Éléments de Géométrie : “J’ai pensé que cette Science, comme toutes les autres, devait s’être formée par degrés; que c’était vraisemblablement quelque besoin qui avait fait faire les premiers pas et que ces premiers pas ne pouvaient pas être hors de la portée des Commençants, puisque c’étaient les Commençants qui les avaient faits.” »¹² .

Les astronomes amateurs s’attèlent donc fortement à une tâche chère à Camille Flammarion (1842-1925) : mettre à la portée du grand public les problèmes de l’astronomie et de la science.

«La rénovation de l’astronomie servirait peu au progrès général de l’humanité si ces connaissances restaient enfermées dans le cercle restreint des astronomes de profession. » Et de poursuivre : « Il faut prendre le flambeau à la main, accroître son éclat, le porter sur les places publiques, dans les rues populeuses, jusque dans les carrefours. »¹³

Le ciel nocturne constitue donc bien un patrimoine aux enjeux éducatifs, sociaux et culturels devant, aussi à ce titre, être préservé :

« Jamais l’astronomie n’a autant fait rêver qu’en cette fin de siècle. Jamais cette science n’a été aussi proche des grandes questions que l’homme se pose depuis toujours.
D’extraordinaires paysages nous parviennent des planètes du système solaire, de fabuleuses images révèlent des galaxies dans leur prime jeunesse aux confins de l’univers, des planètes nouvelles apparaissent autour de lointains soleils ouvrant la voie exaltante de la quête des mondes extrasolaires et de la recherche de la vie extraterrestre.
Il est paradoxal de constater que dans le même temps, l’homme, en s’éclairant la nuit de façon irréfléchie, se prive progressivement du spectacle à la fois simple et grandiose d’un ciel noir constellé d’étoiles. L’éclairage artificiel, petit à petit, efface à sa vue la magie du ciel nocturne. »¹⁴

Assurer la présence de la science dans la culture, c’est en premier lieu lui reconnaître sa place dans notre vie quotidienne ; c’est ensuite être conscient des libertés qu’elle permet et procure et, enfin, s’armer d’un minimum de connaissances nécessaire, à l’heure où certains choix politiques (locaux et internationaux) se font sur une base scientifique (problèmes bioéthiques, politiques de lutte contre le changement climatique d’origine anthropique, etc.).

1. CINZANO P., FALCHI F., ELVIDGE C.D. et BAUGH K.E., 2000, «The artificial night sky brightness mapped from DMSP Operational Linescan System measuremen », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, n° 318, p. 641-657. [↩]
2. SMITH F.G., 1979, «Report and Recommandations of IAU Commission 50», Reports on Astronomy, IAU Transaction, XVIIA, p. 218-222. [↩]
3. WALKER M.F., 1987, National Optical Astronomy Observatory Newsletter, n° 10, p. 16. [↩]
4. KRISCIUNAS K. et SCHAEFER B. E., 1991, « A model of the brightness of moonlight », Publications of the Astronomical Society of the Pacific, n° 103, p. 1033-1039. [↩]
5. CINZANO P., FALCHI F., ELVIDGE C.D. et BAUGH K.E., 2000, «The artificial night sky brightness mapped from DMSP Operational Linescan System measuremen », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, n° 318, p. 641-657. [↩]
6. Ibidem. [↩]
7. GARSTANG R.H., 1986, « Model for artificial night-sky illumination ». Publications of the Astronomical Society of the Pacific, n° 98, p. 364-375.
   SCHAEFER B. E., 1993, « Astronomy and the limits of vision », Vistas in Astronomy, n° 36, pp. 311-361. [↩]
8. CINZANO P., FALCHI F., ELVIDGE C.D. et BAUGH K.E., 2000, «The artificial night sky brightness mapped from DMSP Operational Linescan System measuremen », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, n° 318, p. 641-657. [↩]
9. Ibidem. [↩]
10. SIVAN J.-P., 2002, « La Pollution lumineuse et l’Observatoire de Haute Provence », site Web de l’Observatoire de Haute Provence, dernière consultation le 29 août 2010.
URL : http://www.obs-hp.fr/pollution/rapport/rapollum.shtml [↩]
11. CAUSERET P. et SARRAZIN L., 2001, Les saisons et les mouvements de la Terre, Paris, Belin. [↩]
12. GOUGUENHEIM L., 2001, Préface à CAUSERET P. et SARRAZIN L., 2001. [↩]
13. FLAMMARION C., 1877, Les Terres du Ciel, Paris, Flammarion. Cité par RAICHWARG D. et JACQUES J., 1991. [↩]
14. SIVAN J.-P., 2002, « La Pollution lumineuse et l’Observatoire de Haute Provence », site Web de l’Observatoire de 
Haute Provence, dernière consultation le 29 août 2010.
URL : http://www.obs-hp.fr/pollution/rapport/rapollum.shtml [↩]

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