LE SEXTANT

deux objets situés dans une position quelconque relativement à l'horizoo. Avec lui, aucune installation n'est nécessaire, les observations se font en le tenant à la main ; aussi l'emploie-t-on surtout en mer, puisqu'il jouit de cette propriété précieuse de représenter à la fois les deux objets dont on cherche la distance angulaire, et de les réunir l'un à l'autre comme s'ils ne faisaient qu'un seul et même cor])s, et cela malgré tous les mouvements du bâtiment et de l'observateur. C'est avec lui que se font aujourd'hui presque toutes les déterminations astronomiques nécessaires aux marins, soit celles du temps et de la latitude par l'observation des hauteurs du Soleil et des étoiles, soit celle des longitudes géographiques , par la mesure des distances lunaires. » (Brtinnow. Traité (V astronomie pratique.)

Quand ou veut mesurer la distance angulaire d'une étoile à la Lune, c'est l'étoile qu'on vise directement, et l'on amène l'image du bord du disque lumineux en contact avec l'image de l'étoile. S'il s'agit de la dislance du Soleil à la Lune, c'est l'image du Soleil qu'on amène au contact de l'image lunaire ; mais alors on emploie des verres colorés placés en avant de chaque miroupour affaiblir l'intensilc des rayons du Soleil; ces verres sont portés par des axes parallèles au plan du sextant. Ils forment de groupes de trois ou quatre verres dont la teinte se fonce de plus en j)!us.

Enfin, si la distance angulaire qu'on veut mesurer est celle d'un astre au-dessus de l'horizon, ce qu'on nomme sa hauteur,

on lient le sextant verticalement, de façon que Tastre soit dans son plan, et l'on vise directement avec la lunette l'horizon formé par la surface même de la mer. Si cet horizon manque, od emploie un horizon artificiel, soit un bain de mercure, soil une glace polie placée horizontalement à l'aide de trois vis calantes.

g 4. LES GONIOMÈTRES.

Il existe, comme on sait, dans la nature un grand nombre de corps qui ont une forme géométrique définie, le plus souvent terminés par des faces planes et polies, diversement assemblées. Ce sont les cristaux. Les minéralogistes qui trouvent les cristaux tout formés dans les roches, les chimistes qui les obtiennent par divers procédés, ont un égal besoin, pour les définir, A^ connaître avec précision les angles des faces d'un même cristaf • Ils y parviennent à l'aide d'instruments qu'on nomme gfomo-^^ mètres (de ycovia angle, et fjiixpov mesure), et qui sont générale-^'^ ment basés sur le môme principe, celui des lois de la réflexion::!* des rayons lumineux. Le plus souvent, en effet, les faces àe^cristaux ont un pouvoir réfléchissant assez grand pour qu'oir*^ puisse considérer cl employer chacune d'elles comme un miroita J plan.

Les goniomètres de réflexion sont assez nombreux. Nous nousr .■: bornerons à décrire deux des plus employés, le goniomètre d^ Wollaslon et le goniomètre de Babinet, inventés par chacun d» ces deux célèbres physiciens.

Le goniomètre de Wollaslon se compose des pièces suivantes ^^

1*" D est un limbe vertical divisé en degrés sur sa tranche c^^e mobile sur un axe horizontal, qu'on fait tourner à volonté a-^iw moyen d'une virole G. Un vernier V fixé sur le montant 9Ke l'instrument sert à indiquer l'angle dont on a fait tourner ^^ limbe.

2° L'axe du limbe est creux ; il est traversé par une tige qm peut tourner sur elle-même, indépendamment du limbe, à Taid^

LES GOMIOMËTRES. «9

d'une virole A. Celle lige supporte une pièce articulée, qui ellemême porte une plaque métallique, susceptible de tourner en divers sens au moyen d'un bouton el des articulations. C'est sur cette plaque qu'on place le cristal dont il s'agît de mesurer un des angles.

Voici comment on procède à celte mesure.

On fait choix de deux mires horizontales parallèles, par exemple, de l'arête d'un toit de maison cl d'un barreau d'une croisée du rez-de-chaussée; ou encore on prend pour mire supérieure l'arête supérieure d'une fenêtre ouverte dont la ligne sombre se détache sur le ciel, et pour arête inférieure le rebord d'une table ou celui d'une feuille de papier posée sur cette table.

Cela fait, on place le goniomètre dans une position telle, que le limbe soit bien vertical (un niveau à bulle d'air et les vis calantes du pied permettent d'obtenir ce résultat) , et

Fig. 35B. — GoDiomtlre à rélluiioH liu Wullasluii.

en même temps dans une

direction perpendiculaire aux mires choisies. Alors on dispose le cristal sur la plaque de l'instrument, en l'y maintenant avec de la cire ; et il importe de le placer de façon que l'arête de l'angle à mesurer soit elle-même perpendiculaire au limbe ou parallèle à l'axe de rotation. On se sert pour cela des images des deux mires obtenues par réflexion sur les deux faces, images qui, pour chacune des faces, doivent être bien parallèles enlre elles.

Une fois ces dispositions préliminaires prises, on place le zéro du limbe en coïncidence avec le zéro du vernier. Faisant

tourner alors le cristal avec la virole A, on amène l'image de la mire supérieure en co'incidence avec la mire inférieure vue directemenl, ou mieux encore avec l'image de la première mire réfléchie dans un petit miroir qu'on voit à druile fixé au pied de l'inslrunu'nt. Puis à l'aiile du boulon malleté G on ^

loiirne le iimbe lui-même, et par conséquent le cristal, jus- ^ ([u'à ce qu'on obtienne la même coïncidence, mais celle fois sur -^ la seconde face du cristal. Ce dernier a pris les deux posilions ^ ^ qu'indique la ligure 257, et chaque face a tourné de l'angle «. ^ La leclure de l'angte de rotation du limbe dotuie en lU^rés ol» ^^ fractions de dcgié, non pas l'angle ^ du cristal Iui-mi>me, niaiâs^ ^^ son supplément géomiîtrique a, d'où l'o^ ,^^ déduit le premier par un simple calcul ^ Le goniomètre de Babhiet consiste < f^-T — - y. ■ .. un limbe divisé horizontal, portant ia

\\y' , { collimaleur iîxé invariablement sur

'X.. ..J rayon du cercle : c'est une lunette |

Fïg. 357. - Prîncip» géc- ^="'1 '' =^0» '""î'"" (■P^'l"'' *^^»^ '"'« Crois«S s

miiiique du gonioaiÈirc. Une sccoude lunelte mobile peut tourno^-

Aiipli- ili! loLnlIun d" , ,, . , „ i- i ■ ■ n - '

crisiai. a I aule a une alidade munie d un verniey.

autour du cenire, ou peut être fixée dans une position quelconque au moyen d'une vis de pression. Enfin, une plate-forme, placée au cenire du limbe, peut tourner aulciw de son axe vertical, au moyen d'une alidade, munie ellc-mtoie d'un vernier qui sert à mesurer l'angle de rotation. C'est sur celle plateforme (tiui n'est nuli'e (]u'une plafpie de glace Me» plane et polie) que l'on pose le cristal, en ayant soin de placer l'arête de l'angle à mesurer an cenire et de lui dounoi iiue position parfaitement verticale. On s'assure de celte dernière cotidilion en vérinanl dans plusieurs directions la [)arraite culii' cidence des deux lignes droites qui forment l'arête du cristal et sou image dans la glace.

Voyons maintenant comment on procède à la mesure de l'angle.

On fixe d'abord la luiielle mobile en une posilion qui fait r

LES HÉLIOSTATS. Ml

inglc quelconque avec celle du collimateur; on amène le zéro iu Ternier de l'alidade vis-à-TÎs du zéro du limbe, et l'on tourne le support du cristal jusqu'à ce qu'on voie dans la lunette le fil diicrométrique placé à son foyer coïncider avec l'image du fil lu collimateur vue par réflexion sur l'une des faces du cristal.

A ce moment, on tourne de nouveau le cristal, mais cette fois k l'aide de l'alidade elle-même, jusqu'à ce que la même coïncidence Bit lieu avec l'image réffléchie vue sur l'autre face du sristal.

L'angle de rotation, mesuré au ?emier de l'alidade, est celui des deux normales aux faces rélléchissantes ; de sorte qu'en calculant le supplément de cet angle, on aura celui des deux faces du cristal.

La figure 258 représente un goniomètre de Babinet monté sur un pied à genou ; mais on en

fabrique de plus petits et de plus simples qu'on peut tenir à la main à l'aide d'une poignée.

Le même instrument peut servir dans les recherches d'optique toutes les fois qu'on emploie des prismes dont il est nécessaire de connaître l'angle avec exactitude, par exemple dans le cas oii l'on veut déterminer l'indice de réfraction de la substance dont le prisme est formé.

Fig. 258. -

l 5. LES HKLIOSTATS.

Dans un grand nombre d'expériences d'optique, il est nécessaire de projeter, suivant une direction constante, un faisceau de lumière solaire : ce que le mouvement diurne du Soleil ne permet pas d'obtenir directement dans les expériences de

LE MONDE PHYSIQUE, quelque durée. Si le faisceau est d'ahcn'd reçu sur un miroir |)liin d'où il est renvoyé, par réflexion, vers le point ou vers l'objet fpi'il s'agit d'éelairer, il faut changer progressivement l'inclinaison du miroir pour conserver au faisceau rélïéclii sa direction constante.

On y parvient au moyen des porte-lumière, appareils que ^^

nous aurons plus loin l'occasion de décrire quand il sera ques- .

tion du micrascope solaire et qui consistent en un miroir sus-

coptiblede tonrneià volonté autour de deux axes, l'un horizon- — -,«--^^ lai, l'autre vertical, si le faisceau réfléchi doit avoir lui-mémerifc ^^ " uuc direction horizontale. Mais l'intervention de l'obscrviitem» ^^^ est toujours nécessaire |iour modilicr, dans un sens convenable ?— ^r^ — l'orientation du miroir.

I^s héliosUits sont des appareils destinés à rendre cette ir ^ lervcnlion inutile : le miroir. qui en constitue la pièce réfl^^. ^. chissanlc est mis en mouvement d'une façon continue par ue:^^^^ horloge, et un mécanisme approprié le maintient constanime^ ^ dans une inclinaison telle, que les rayons solaires réQéchIs à s~^^-^ surface suivent une direction constante, malgi'é le niuuveme^^,/ diurne de l'astre. J

Il y a des hélioslals de constructions variées : nous noi z^ss m bornerons à décrire ceux qui portent les noms de Gambey. iJfi' M Siibermann et de Foucault, leurs inventeurs. Mais auparavai .*/ ■ nous ferons cotinaUre le principe commun à tous, et sa». -s ■ lequel on ne pourrait comprendre leurs dispositions ni le jeu Ê de leur mécanisme.

La ligne VV (lig. 2oU) représentant l'axe du monde, la ligne de direction invariable autour de laquelle a lieu le mouvemeiil diurne des étoiles et du Soleil, le cercle S sera la route apimrente parcourue par ce dernier astre en un jour, l'angle SOP étant la déclinaison du Soleil à l'époque considérée. En A est un cadran équatorial sur lequel l'ombre du style AO marque à chaque instant l'heure du jour. La ligne SOB indique donc le chemin suivi par un faisceau de rayons solaires; et, si l'on coiit;oit que la ligne OB tourne autour du point 0 en suivant con-

'■>Hiui tint

LES HËLIOSTATS. 47.3

stamment l'extrémité B du rayon AB, elle sera toute la journée la route de la lumière incidente.

Soit RR la direction suivant laquelle on veut que tes rayons solaires soient conslamment réfléchis, la bissectrice NN' de l'angle SOR sera la normale au point d'incidence, ce qui détermine la position que le miroir mm doit occuper au moment supposé, pour que la réflexion se fasse suivant la direction voulue.

Toute ta question est donc de maintenir le miroir dans une

Fig. 359. ~- Princijic gi'oniùtrique des di\en systèmes d'hélioslals.

position relative toujours la même, par rapport à la direction constante des rayons réfléchis et à la direction variahlc des rayons solaires incidents. On y arrive de plusieurs manières.

1* On place au-dessous du cadran équatorinl une horloge qui fait mouvoir une aiguille BA et lui fait décrire un cercle entier en vingt-quatre heures. Cette aiguille se trouve donc sans cesse dans la direction qu'occuperait précisément l'ombre du style. A son extrémité est fixée une tige BO à laquelle on donne une inclinaison, sur le cadran, égale à la déclinaison du Soleil pour le jour de l'obsei'valion. C'est là une première condition 11. 60

à laquelle satisfont pareillement les divers systèmes d'hélio-

stats.

2° La tige OB porte le miroir ; elle est liée à un parallélogramme articulé Oabc, dont la diagonale 06 coïncide avec li bissectrice de l'angle SOR, c'eslrà-dire avec la normale au point d'incidence, le côté fixe Oa du parallélogramme étant dirigé

J. T. Silbermanii.

suivant la direction OU qu'on veut doiuier au faisceau réilécht ' Tel est le système d'héliostat imaginé par J. T. Silbermann, ^^' qu'on voit réalisé dans la figure 200.

5° Soit maintenant OC (lig. 259) une lige de longueur coa— ' stantc pouvant prendre autour du point 0 une position quelconque, celle qu'on veut donner au rayon réfléchi. Cette tige est ci'euse et porte une fourchette à laquelle est fixé le miroir m'm', qui peut aussi tourner autour de OR et autour^de AC.

LES HÉLIOSTATS. 475

e autre tige CD, disposée dans le plan du miroir, est arti-

ée à un anneau en D', à l'extrémité d'une tige OIV égale

Un rayon S'C qui tombera sur le miroir parallèlement

^0 sera réfléchi suivant CR. Telle est la disposition de l'hé-

^tat de Gambey.

--4' Le miroir est supporté en B par une tige verticale autour laquelle il peut prendre toutes les directions possibles. Il

Fig. 361. — Uéliotlat de Léon Foucaull.

est dirigé par une autre tige CB normaleà sa surface elarticulée en B à un anneau fixe sur OB à une distance OC = OB. Uans son plan, une troisième tige CH' est percée d'une rainure dans laquelle on peut glisser le prolongement OD' de OB. Les deux triangles OCD et OBC sont louj()urs isocèles, de sorte que la normale CB au miroir est ])arallèle à ON, bissectrice de l'angle des rayons iucïdeuts et réfléchis. C'est le principe de l'hélioslat de Léon Foucault.

Ces principes posés, il est aisé de comprendre le mécanisme

des trois systèmes d*héliostats deGambey, de Silbermann el de Foucault, dont les deux derniers sont reproduits par les figures 260 et 261.

§ 6. LE SIDÉROSTAT.

Un grave inconvénient des instruments employés dans les observatoires aux recherches d'astronomie physique, c'est que l'observateur doit se déplacer avec l'oculaire delà lunette, selon le point du ciel qu'il étudie, et avec le mouvement de rotation diurne qui entraîne ce point. De là, pour lui, des positions fori incommodes, gênantes et fatigantes, et, en somme, nuisibles à l'étude du phénomène observé.

Quand il s'agit d'obsei*vations à la lunette méridienne pu au théodolite, l'emploi d'un prisme rectangulaire, à l'intérieur duquel les rayons lumineux subissent la réflexion totale, permet de renvoyer l'image dans une direction constante : on nomme hiîiette brisée l'instrument où cette modification est apporta. Mais c'est une solution qui n'est point applicable aux équaloriaux, instruments dont l'axe se déplace uniformément autour de l'axe du monde et suit l'astre observé à mesure que Fentraîno le mouvement diurne.

C'est dans le but de remédier à cette lacune et d'éviter les inconvénients signalés plus haut que Léon Foucault a iniagHK' l'instrument auquel il a donné le nom de sidérostat\ Ce n'esl autre chose qu'une lunette astronomique, dont l'axe optique est invariablement fixé dans une position horizontale, au devant de laquelle l'image du point du ciel qu'il s'agit d'observer esl renvoyée par un miroir mû par un mouvement d'horlogerie, el susceptible de prendre à chaque instant la position variab^

1. M. le commandant Lausscdat, actuellement directeur des études h FÉcole polytew"' nique, a eu le premier l'idée de combiner l'héliostat avec Temploi d'une lunette fixe ^"^ zontale pour observer et photograpbier les phénomènes célestes. Voyez à ce sujet les dcui articles publiés par ce savant dans la Revue scientifique des années 1868 et 1874, où il revendique la priorité pour Finvention sinon pour la réalisation du sidérostat.

LE SIDÉROSTAT. 477

qu'exige le mouvement diurne. Tout le ciel peut donc ainsi, à la volonté de l'observateur, défiler devant la lunette qui reste immobile, et celui-ci, sans se déranger, conserve l'œil à l'oculaire de l'instrument. Le sidéroslat est, par conséquent, en réalité, une espèce d'héliostat où la direction du rayon réfléchi reste constante et horizontale.

La figure 262 permet d'en saisir nettement la disposition.

Pig. 262. — Le sidéroslal.

Le miroir peut tourner autour d'un axe horizontal porté luimême par deux montants verticaux tournant eux-mêmes sur une couronne de galets autour d'un axe vertical. Il est soutenu par une tige normale à sa surface qui glisse dans un anneau embrassé par une fourchette dont l'axe donne la direction des rayons incidents de l'astre observé. Cette fourchette est articulée, à son autre extrémité, au bout d'un axe cylindrique qui est parallèle à l'axe du monde, et qu'une série de rouages et d'en-

grenages fait tourner sur lui-même d'un mouvement uniforme avec la vitesse angulaire du mouvement diurne.

Un cercle divisé permet de fixer la direction de l'axe de la fourchette, de manière que l'angle qu'elle fait avec l'axe du monde, soit égal à la distance polaire de l'astre. L'angle horaire de ce dernier étant donné pour le moment où l'observateur: doit commencer, on dispose l'instrument de manière que lei rayons de l'astre viennent tomber dans le plan qui passe pai l'astre et par l'axe de la lunette, et le mouvement l'y laissf=— ensuite pendant tout le temps de l'observation.

11 est important de remarquer que la longueur de la fourchette est précisément égale à la distance de son axe d'articulation à l'axe horizontal du miroir. 11 résulte de là, en effet, qui la ligne joignant les milieux des deux axes, prolongée au de] du miroir, donne la direction des rayons réfléchis. Cette dii tion est donc constante : on l'incline ordinairement de quelque ^ degrés au-dessous de l'horizon, afin de pouvoir observer a^j besoin les astres très voisins de l'horizon.

Une des grandes difficultés de la construction du sidéroslat, c'était le miroir plan, dont la surface doit être travaillée de manière à offrir une perfection géométrique aussi grande que possible. C'est en cela que consiste la différence essentielle de l'héliostat et du sidérostat. Dans lliélioslat, le principal esl d'obtenir une direction constante pour les rayons réfléchis; comme c'est la lumière qu'on étudie, non la source lumineuse elle-même, il importe peu que celle-ci soit ou non déformée. Le sidérostat, au contraire, doit donner une image exacte, identique, du ciel lui-même, des astres, de leur figure, de leur mouvement. Ce problème difficile de la réalisation d'un plan optique a été résolu par Léon Foucault à l'aide d'une mélliode dont cet habile et regrettable i)hysicien a laissé tous les éléments entre les mains d'un de ses amis, M. Ad. Martin.

Yoici comment M. Wolf apprécie les avantages du nouvel instrument : « II n'est i)oint d'observateur, dit-il, qui n'ait eu à lutter contre les difficultés que présente l'adaptation, à la

LE SIDÉROSTAT. 479

lunette d'un équalorial, d'un grand spectroscope, des chambres photographiques, des appareils de projection ou de recherches photométriques. Toutes ces diflicultés disparaissent par l'emploi du sidéroslat. Les instruments des cabinets de physique, quels que soient leur poids, leur volume et leur forme, viennent se placer deyant le foyer de la lunette comme devant le portelumière delà chambre obscure. Et l'astronome étudie la lumière ûe tous les astres dans les mêmes conditions où le physicien a étudié la lumière solaire. Par là, bien des expériences, aujourd'hui presque inabordables, peuvent se réaliser aisément, et particulièrement celles qui exigent une stabilité parfaite de l'instrument de mesure : telles sont les déterminations des positions absolues des raies spectrales et des déplacements de ces raies, les mesures photométriques, etc.

a Le miroir du sidérostat, essayé sur le ciel avec rexcellente lunette de Gauche de 16 centimètres d'ouverture, qui appartient à l'Observatoire, et des grossissements de 100 à 300 fois, ne produit aucune déformation du faisceau provenant d'une étoile sous une incidence de plus de 45 degrés. »

La perte de la lumière occasionnée par la réflexion est faible ; d'après les expériences de Foucault, elle ne s'élève pas, pour l'argent poli des miroirs, à plus des ~ de la lumière incidente. D'ailleurs le poli dure très longtemps, et, comme la réargenture est facile, on peut remettre en état le miroir dès que la surface en est altérée pour une cause quelconque'. Au point de vue astronomique le sidérostat a un défaut plus grave que celui qui peut résulter de la perte de la lumière : il ne permet pas l'exploration de toutes les parties du ciel, mais seulement celles qui sont comprises entre le pôle et l'horizon du côté du sud. Pour les autres, il faudrait un sidérostat construit de façon à réfléchir les rayons au nord.

Une note de iM. H. Sainte-Claire Deville, insérée dans le

i . Le sidérostat de l'Observatoire de Paris a été construit par M. Eichcns, scus la direction de MM. Wolf et A. Martin. Voici une note du Rapport annuel sur r Observatoire par M- r amiral Mouchez, qui indique quel en a été Tusage en 1880 : « Le sidérostat a été employé à Fagrandissement de clichés, puis à la photographie solaire. »

480 LE MONDE PHTSIQUE.

volume des œuvres de Léon Foucault, indique quelles es] rances avait conçues ce dernier de Temploi futur du sidérostat, espérances qui ne devaient pas se réaliser pour l'inventeur, rinstrumenl n'ayant été construit qu'après sa mort. Le savani et regretté physicien commence par faire ressortir en ces termeî Futilité du sidérostat :

ce La disposition habituelle des instruments astronomiques,.» , lunettes ou télescopes, ne permet pas d'y adapter aisément le^^s appareils nécessaires à l'étude des propriétés de la lumière astres (photométrie, photographie, polarisation, spectroscopie). De plus, l'instabilité des équatoriaux devient très grande lors-

qu'on y adapte des appareils souvent lourds et excentriques qu dérangent l'équilibre. Le sidérostat a pour but d'éviter ce^ s inconvénients et de permettre à l'astronome d'observer la lu mière exactement comme le physicien étudie la lumière di Soleil dans la chambre obscure, en employant à ces recherches^ s des instruments qui se trouvent dans les cabinets de physique. -» et sans avoir à en changer ni la forme ni la disposition... Si 1 miroir plan reste immobile, cet appareil peut être employ comme un équatorial aux mesures des positions relatives des^^^ astres. C'est aussi le véritable instrument pour la construction des caries célestes, et M. Wolf s'est mis en mesure d'y adapter un appareil au moyen duquel l'astronome obtiendrait immédiatement la reproduction des cartes célestes. »

Puis il ajoute, en rappelant les espérances de l'inventeur : « Une des applications les plus intéressantes du sidérostat '^ était celle qu'en voulait faire M. Foucault à l'étude permanente du Soleil. Dans une des salles les plus fréquentées d'un observatoire, il voulait disposer un appareil donnant sur un écran quadrillé une image fixe et amplifiée du Soleil. L'apparition et ^ la forme de taches, le passage d'un astéroïde sur le disque ^^ solaire, auraient été un sujet d'études continuelles, faites, sans ^^ danger pour les yeux, par toutes les personnes que leurs occupations amènent sans cesse à traverser cette salle.

« Dans la photographie du Soleil, M. Foucault voulait ^ ^^

^fj'

LE SIDÉROSTAT. 481

employer, avec le sidérostat, un objectif de très long foyer achromatisé pour les rayons chimiques. Un second miroir presque normal au faisceau réfracté recevait celui-ci à une distance égale à la moitié de sa longueur focale et ramenait rimage à se former sur la paroi antérieure de la chambre noire auprès de Pobjeclif même. L'observateur se trouvait ainsi à portée de l'image et du miroir mobile, malgré la grandeur de la distance focale de l'objectif. »

Tout le monde désirera que cet instrument nouveau, entre les mains d'observateurs savants et habiles, justifie les espérances qu'il avait fait concevoir, par les découvertes et les travaux astronomiques qu'il rendra possibles.