Dans l’histoire de l'astronomie, l’astronomie arabe renvoie aux découvertes astronomiques accomplies par la civilisation islamique, particulièrement au cours de l’Âge d'or de l'Islam (VIIIe siècle-XVIe siècle), et transcrites pour la plupart en langue arabe. Ces découvertes ont été effectuées pour l’essentiel dans les sultanats du Moyen-Orient, d’Asie centrale, dans l’Al-Andalus, en Afrique du Nord, puis plus tard en Chine et en Inde. Les débuts de l’astronomie ont procédé d'un cheminement semblable aux autres sciences dans l’Islam, par l’assimilation de connaissances de l’étranger et la composition de ces éléments disparates pour faire naître une tradition originale. Les principaux apports sont indiens, perses et grecs, connus par des traductions puis assimilés. Par la suite, l’astronomie arabe exercera à son tour une influence significative sur les astronomies indienne et européenne et même sur l’astronomie chinoise.

Plusieurs étoiles visibles à l’œil nu dans le ciel, comme Aldébaran (α Tauri) et Altaïr (α Aquilae), ainsi que plusieurs termes d’astronomie comme « alidade », « azimut » et « almucantarat » témoignent par leur morphologie de leur origine arabe.

Avec environ 10 000 manuscrits conservés à travers le monde, dont une grande partie n’a toujours pas fait l’objet d'un inventaire bibliographique, le corpus astronomique arabe constitue l’une des composantes les mieux préservées de la littérature scientifique médiévale. Malgré les lacunes bibliographiques, les textes étudiés à ce jour fournissent une image fidèle de l’activité astronomique des peuples de langue arabe.

La connaissance du ciel dans l’Arabie prémusulmane n’était qu’empirique : elle se limitait au lever et au coucher des astres. On considère généralement que l'essor de l'islam a provoqué un renouveau de la pensée des Arabes dans ce domaine[20]. Les débuts de l’astronomie ont procédé d'un cheminement semblables aux autres sciences dans l’islam, par l’assimilation de connaissances de l’étranger et la composition de ces éléments disparates pour faire naître une tradition originale. Les principaux apports sont indiens, perses et grecs, connus par des traductions et commentés.

L’historien des sciences Donald R. Hill divise l'astronomie arabe en quatre périodes :

* Assimilation par syncrétisme des doctrines astronomiques hellénistiques, indiennes et perses (700—825

* Phase de recherche intense, réception et amélioration du système de Ptolémée (825—1025

* Épanouissement d'une école de pensée spécifiquement arabe en astronomie (1025—1450

* Stagnation, encore ponctuée de quelques contributions remarquables (1450—1900

L'impulsion initiale

Les historiens discernent plusieurs facteurs favorables au développement de l'astronomie arabe. Le premier est la proximité des pays musulmans avec le monde de l'Antiquité classique. Un nombre considérable d'écrits grecs, sanskrits et pehlevis furent traduits en arabe dès le IXe siècle. Ce mouvement était possible grâce au respect envers les savants d'autres cultures[1].

Une autre impulsion résulte des pratiques religieuses propres à l'islam, qui recèlent une foule de problèmes d'astronomie mathématique. La résolution de ces problèmes par les savants musulmans est allée bien au-delà des méthodes mathématiques des Grecs.

La période qui s'étend du IXe siècle au début du XIe siècle fut marquée par d'intenses recherches, à la suite desquelles on reconnut d'abord la supériorité du système de Ptolémée sur les autres, et où on lui apporta diverses précisions. La recherche astronomique étant vivement encouragée par le calife abbasside al-Ma’mūn, Bagdad et Damas devinrent des centres scientifiques majeurs. Non seulement les califes apportaient à ces travaux un soutien financier, mais ils conféraient aux savants un réel prestige.

Astronomie d'observation

Muhammad Al-Khwarizmi, père de l’algèbre, composa le Zij al-Sindh, l’une des premières tables astronomiques en langue arabe.

En astronomie d'observation, le premier ouvrage d’astronomie proprement arabe est le Zij al-Sindh d’Al-Khawarizmi (830). Ce livre, un ensemble de tables donnant les positions successives du Soleil, de la lune et des cinq planètes connues à l'époque, a joué un rôle essentiel par l’introduction des concepts indiens et grecs dans les sciences arabes. Il marque également un tournant dans l’astronomie arabe : jusque-là, en effet, les astronomes s’étaient bornés à appliquer les connaissances anciennes, à traduire des ouvrages devenus classiques et à s’assimiler les données d'autrui : le livre d’Al-Khwarizmi au contraire innove à la fois au plan de l'approche des faits et du calcul.

En 850, Alfraganus rédigea Kitab fi Jawani (« Abrégé de la science des étoiles »). C’était avant tout un abrégé de la cosmographie de Ptolémée ; toutefois, il corrigeait aussi l'Almageste en s’appuyant sur les observations d’autres astronomes persans. Alfraganus proposa ainsi de nouvelles valeurs pour l’inclinaison de l’écliptique, le mouvement de précession des apogées du soleil et de la lune, et la circonférence de la Terre. Ces livres, qui connurent une large diffusion dans le monde musulman, furent même traduits en latin.

Albatenius (853-929) découvrit que la direction de l’excentricité du Soleil était variable, ce qu’en termes modernes on exprime en disant que la Terre décrit une orbite elliptique autour du Soleil[30]. Les périodes de retour de la nouvelle Lune, la durée de l’année tropique et de l’année sidérale, la prédiction des éclipses, et ses travaux sur le phénomène de parallaxe mirent, selon Wickens, les astronomes à portée des concepts modernes de relativité et d’Âge de l'univers[31]. » Son contemporain, Yahya Ibn Abi Mansour, procéda à des observations et des mesures systématiques, qu'il exploita dans son Al-Zij al-Mumtahan, où il corrige entièrement les valeurs données dans l’Almageste.

Au Xe siècle, Al-Soufi décrivit grâce à ses observations la position, la magnitude, la luminosité, et la couleur des étoiles, dessinant les constellations une par une dans son Livre des étoiles fixes (964). Il est aussi le premier à avoir décrit et représenté un « petit nuage » qu’on appelle aujourd’hui la Galaxie d'Andromède : il dit qu'elle se trouve devant la bouche de cette constellation que les Arabes appelaient le « Grand Poisson ». Ce nuage était probablement déjà bien connu des astronomes d’Ispahan, c'est-à-dire dès avant 905 de notre ère[33]. La première mention connue du Grand Nuage de Magellan est également due à Abd Al-Rahman al-Soufi[34],[35].

Ibn Yunus releva méticuleusement année après année plus de 10 000 positions du Soleil en se servant d'un grand astrolabe (d'un diamètre d'environ 1,40 m). Ses observations des éclipses étaient encore utilisées, des siècles plus tard, par Simon Newcomb dans ses recherches sur le mouvement de la Lune, tandis que ses autres observations inspirèrent à Laplace ses remarques sur l’Obliquité de l’Écliptique et sur les Inégalités de Jupiter et de Saturne[36].

Al-Khujandi calcula assez précisément l’angle d’inclinaison de l’écliptique qu'il trouva égale à 23°32'19" (soit en degrés décimaux 23,53°). En 1006, l’astronome égyptien Ali ibn Ridwan observa SN 1006, la plus brillante supernova de toute l'histoire, et nous a laissé une description détaillée de cet astre éphémère : il dit que cet astre avait deux à trois fois le diamètre apparent de Vénus, à peu près un quart de la luminosité de la Lune, et qu'elle se trouvait bas sur le quadrant sud de l’horizon. On constata par la suite que les moines de l’abbaye bénédictine de Saint-Gall corroboraient les observations de bin Ridwan sur la magnitude et la position dans le ciel de la supernova.

Premiers modèles héliocentriques

À la fin du IXe siècle, Albumasar développa un modèle planétaire que certains ont interprété comme un modèle héliocentrique, par le fait que les révolutions orbitales des planètes s’y font autour du Soleil et non autour de la Terre, et que le seul modèle planétaire où cela advient est le modèle héliocentrique. Cette œuvre n'a pas survécu, mais ses tables astronomiques ont été recopiées ensuite par al-Hashimi, Al-Biruni et al-Sijzi[38].

Au début du XIe siècle, Al-Biruni avait déjà rencontré des savants indiens partisans de l'héliocentrisme. Dans ses Indica, il commente les théories de la rotation de la Terre acceptées par Brahmagupta et d'autres astronomes indiens, tandis que dans son Canon Masudicus, il écrit que les disciples d’Âryabhata assignent à la Terre un premier mouvement d'Est en Ouest, et une second mouvement d'Ouest en est aux étoiles. Al-Biruni rapport également qu'Al-Sijzi est adepte du mouvement de la Terre et qu'il a mis au point un astrolabe appelé "Zouraqi" fondé sur cette hypothèse[39] :

« J’ai vu l’astrolabe appelé Zouraqi inventé par Abu Sa'id Sijzi. Je l’ai admiré et j’en ai fait louange, car il est construit sur une idée avancée par certains, selon laquelle les mouvements que nous voyons sont dus au mouvement de la Terre et non à des mouvements des astres. Sur ma vie, voilà un problème difficile à résoudre et à réfuter. [...] car cela revient au même que de supposer que la Terre est mobile dans le ciel. Dans les deux cas, la connaissance astronomique n'est pas remise en cause. Il n'y a que le physicien qui puisse dire s'il est possible de le réfuter. »

Dans ses Indica, al-Biruni évoque un de ses livres (aujourd'hui perdu) sur la réfutation de l’héliocentrisme, la Clef de l’Astronomie[39] :

« Les plus fameux astronomes anciens et modernes ont soigneusement étudié la question du mouvement de la Terre, et ont essayé de la réfuter. Nous aussi, nous avons consacré un livre à ce sujet intitulé Miftah 'ilm al-hai'ah (Clef de l’Astronomie), et dans lequel nous pensons avoir surpassé nos prédécesseurs, si ce n'est par les mots, du moins par les idées. »

 

 

Cosmologie

À la différence des philosophes grecs qui croyaient que l’univers n'avait pas de commencement, les philosophes et les théologiens médiévaux se plaçaient dans le cadre d'une genèse de l’univers. Ce point de vue était celui des trois religions abrahamiques: le judaïsme, le christianisme et l’islam. C'est en l'occurrence un philosophe chrétien, Jean Philopon, qui présenta le premier une objection à la doctrine grecque du passé infini. Toutefois, les arguments les plus sophistiqués sont certainement ceux du philosophe musulman Al-Kindi, du philosophe juif Saadia Gaon (Saadia ben Joseph) et du théologien musulman Algazel. Ils y opposaient deux arguments logiques : le premier tiré de « l’impossibilité de l’existence d'un infini actuel », qui s'énonce :[40]

« Il ne peut exister un infini actuel. »

« La régression indéfinie dans le temps des événements est un infini actuel. »

« .•. Il ne peut exister de régression temporelle indéfinie des événements. »

Le second argument est tiré de « l’impossibilité d'achever un infini actuel par ajouts successifs », s'énonce :[40]

« Un infini actuel ne peut être achevé par ajouts successifs. »

« La succession des événements du passé est complétée par ajouts successifs. »

« .•. La succession des événements du passé ne peut être un infini actuel. »

Ces deux arguments furent adoptés sous une forme ou une autre par des philosophes et des théologiens chrétiens, et le second argument en particulier est devenu célèbre sous la forme que lui a donnée Kant dans sa thèse de la première antinomie concernant le temps[40].

Astronomie expérimentale, astrophysique et mécanique céleste

Au IXe siècle, l’aîné des frères Banū Mūsā, Ja'far Muhammad ibn Mūsā ibn Shākir, apporta des contributions décisives à l’astrophysique et à la mécanique céleste. Il fut le premier à formuler l'hypothèse selon laquelle les sphères célestes sont soumises aux mêmes lois physiques que la Terre, alors que les Anciens pensaient que ces sphères étaient régies par des lois distinctes[41]. Dans son traité Du mouvement astral et de La Force d’Attraction, Muhammad ibn Musa proposa aussi l'existence d'une force d’attraction entre corps célestes,[42] annonçant la loi de la gravitation universelle[43].

Au Xe siècle, Albatenius (853-929) introduisit l'idée d’éprouver les « observations du passé en en faisant de nouvelles[44]. » Cela incita les astronomes arabes à multiplier les observations empiriques et à développer les techniques expérimentales à partir du XIe siècle[45].

Au début du XIe siècle, Alhazen rédigea un traité intitulé Maqala fi daw al-qamar (Sur l’éclat de la Lune) certainement avant 1021. C'était la première tentative satisfaisante de combiner l'astronomie mathématique et la physique et la première application de la méthode expérimentale en astronomie et en astrophysique. Il démentit l'opinion universellement reçue selon laquelle la Lune réfléchit la lumière du Soleil comme un miroir et conclut qu'elle émet plutôt « de la lumière par les portions de sa surface que la lumière du Soleil frappe. » Pour démontrer que « la lumière est émise depuis chaque point de la surface illuminée de la Lune », il fabriqua un « ingénieux dispositif expérimental ». Alhazen avait « formulée une conception claire des rapports entre un modèle mathématique idéalisé et la complexité des phénomènes observables ; en particulier, il fut le premier à faire varier de façon uniforme et reproductible les conditions expérimentales, dans une expérience montrant que l’intensité de la tache de lumière projetée sur un écran par la clarté lunaire à travers deux petits diaphragmes diminue constamment lorsque l'on referme régulièrement l'un des deux diaphragmes[46]. »

Alhazen, dans son Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique, composé entre 1015 et 1021), découvrit le premier que les sphères célestes ne sont pas faites de matière solide, et il établit en outre que les cieux sont moins denses que l’air. Ces idées, reprises par Vitellion, eurent une influence décisive sur les systèmes copernicien et tychonien de l’astronomie[47].

Alhazen réfuta aussi les idées d’Aristote sur la nature de la Voie lactée. Aristote croyait qu'elle résultait de « l’ignition d'exhalaisons violentes de nombreuses étoiles de grande taille serrées les unes contre les autres » et que « l’ignition a lieu dans la partie supérieure de l’atmosphère, dans la sphère sublunaire, une région de l'univers qui touche à la sphère céleste des fixes[48]. » Alhazen réfuta cette opinion en entreprenant pour la première fois de mesurer la parallaxe de la Voie lactée[49] et ainsi il put « établir que, puisque la Voie lactée ne présente aucune parallaxe, elle est extrêmement éloignée de la Terre et ne peut donc appartenir à l’atmosphère[50]. »

Toujours au début du XIe siècle, al-Biruni introduisit la méthode expérimentale en astronomie et fut le premier à mener des expériences élaborées à propos des phénomènes astronomiques[51]. Il découvrit que la Voie lactée est un ensemble d'innombrables étoiles nébuleuses[52]. En Afghanistan, il observa et décrivit en détail l’éclipse solaire du 8 avril 1019, et l’éclipse lunaire du 17 septembre 1019, et produisit les latitudes exactes des étoiles pendant l’éclipse lunaire[51].

 

Critique du ptolémaïsme et nouvelles écoles (1025-1450)

 

Cette période voit l’éclosion d'une doctrine astronomique proprement musulmane. Dans la tradition grecque et celles qui la suivirent, on distinguait traditionnellement l'astronomie mathématique (dont Ptolémée est un représentant typique) de la cosmologie, branche de la philosophie (représentée par Aristote). Les savants musulmans recherchèrent une configuration physique (hay’a) de l’univers simultanément compatible avec les axiomes mathématiques et les principes physiques. Dans le cadre de cette tradition hay’a, les astronomes musulmans mirent en cause les détails techniques du système de Ptolémée en astronomie[53]. Ces critiques, cependant, préservaient le paradigme ptolémaïque, en se confinant aux conceptions géocentriques[54]. Comme le note en effet l’historien des sciences A. I. Sabra :

« On sait que tous les astronomes arabes, de Thabit ibn Qurra au IXe siècle à Ibn al-Shatir au XIVe siècle, et tous les philosophes de la nature d’al-Kindi à Averroès et même après, ont accepté ce que Kuhn appelle l’« univers à deux sphères » ...—les Grecs se représentent le monde comme formé de deux sphères dont l'une, la sphère céleste, faite d'un élément particulier appelé « éther », entoure la seconde, où les quatre éléments (terre, eau, air, et feu) sont confinés[55] ».

 

Astrophysique et mécanique céleste

En astrophysique et mécanique céleste, al-Biruni définit la gravitation de la Terre comme[61] : « L’attraction de toute chose vers le centre de la Terre. »

Al-Biruni découvrit aussi que la gravité existe aussi pour les corps célestes et les sphères célestes, et il critiqua l’opinion aristotélicienne qui leur refuse toute légèreté ou gravité, et qui font du mouvement circulaire une propriété intrinsèque des corps célestes[62].

En 1121, al-Khazini, dans son traité Le Livre de la Balance de Sagesse, affirme[63] : « Pour chaque grave de poids connu placé à une certaine distance du centre de l’univers, sa gravité dépend de son éloignement au centre de l’univers. C'est pourquoi les gravités des corps sont entre elles comme leurs distances relatives au centre de l’univers. »

Al-Khazini est ainsi le premier à avoir proposé une théorie du poids des corps qui dépende de leur distance au centre de la Terre. Ce phénomène ne devait pas recevoir de preuve avant celle de Newton pour la loi universelle de la gravitation au XVIIIe siècle[63].

 

L'École de Maragha

L’École de Maragha est à l’origine d’une critique radicale de l’astronomie ptolémaïque. Cette tradition astronomique commence avec l’institution de l'observatoire de Maragha et se poursuit avec l'œuvre des astronomes de Damas et de Samarkande. Comme leurs prédécesseurs d’Andalousie, les astronomes de Maragha s'essayèrent à la résolution du problème de l’équant et proposèrent leurs alternatives au modèle ptolémaïque, et la supplantèrent en ceci qu'ils parvinrent à supprimer les constructions auxiliaires de Ptolémée (équant et excentriques), avec une précision supérieure dans le calcul numérique de la position des planètes, c’est-à-dire avec une meilleure concordance avec les données d’observation[89]. Les astronomes les plus éminents de l’École de Maragha sont Mo'ayyeduddin Urdi († 1266), al-Tūsī (1201-1274), 'Umar al-Katibi al-Qazwini († 1277), Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311), Sadr al-Sharia al-Bukhari (vers 1347), Ibn al-Shatir (1304-1375), Ali Qushji (vers 1474), al-Birjandi († 1525) et Shams al-Din al-Khafri († 1550)[90].

On a pu qualifier leurs réalisations aux XIIIe siècle et XIVe siècle comme la « Révolution Maragha », la « Révolution de l’École de Maragha », ou encore une « Révolution scientifique antérieure à la Renaissance ». Un acquis important de cette révolution est la prise de conscience que l’astronomie ne doit plus se borner à décrire le mouvement des corps physiques en langage mathématique, ou n’être qu’une hypothèse mathématique, ce qui ne ferait que sauver les apparences (pour reprendre l'expression de P. Duhem). Les astronomes de Maragha se convainquirent aussi que le précepte aristotélicien, selon lequel les mouvements dans l'univers ne peuvent être que circulaires ou rectilignes est faux, puisque l’hypocycloïde d'Al-Tusi montre qu’on peut engendrer un mouvement rectiligne uniquement à partir de mouvements circulaires.[91]

À la différence des astronomes grecs qui ne se préoccupaient que de la cohérence entre les axiomes mathématiques et les principes physiques du mouvement des planètes, les astronomes arabes s’efforçaient d'adapter les mathématiques au monde qui les entourait[92] permettant un passage de la Physique d’Aristote à la physique expérimentale et à la physique mathématique à la suite des travaux d’Ibn al-Shatir. La Révolution Maragha est donc caractérisée par une prise de distance avec les bases philosophiques de la cosmologie aristotélicienne et de l’astronomie géocentrique, par un plus grand poids accordé à l’observation et à la mathématisation de l’astronomie et des sciences naturelles en général, comme on le voit dans les œuvres d’Ibn al-Shatir, d’al-Qushji, d’al-Birjandi et d’al-Khafri[93],[94],[95].

Parmi les autres progrès dont on est redevable à l’École de Maragha, citons les premières observations prouvant la rotation de la Terre sur elle-même par al-Tusi et al-Qushji[96], l'autonomie donnée par Ibn al-Shatir et al-Qushji à l’astronomie par rapport à la philosophie naturelle[97], la réfutation par Ibn al-Shatir du modèle de Ptolémée sur des raisons expérimentales plutôt que philosophiques[89], et la conception d'un modèle mathématiquement identique au modèle de Copernic par Ibn al-Shatir[98].

Mo'ayyeduddin Urdi (d. 1266) fut le premier des astronomes de Maragha à imaginer un modèle planétaire non ptoléméen, et proposa à cet effet un nouveau théorème, le « lemme Urdi[99]. » Nasir ad-Din at-Tusi (1201-1274), à l'aide de l’hypocycloïde qui porte son nom (et dont le principe est celui de l'engrenage de La Hire) parvint à résoudre une grande partie des difficultés propres au système de Ptolémée en se passant du problématique équant imaginé par l'astronome grec[100], et construisit un modèle à orbites elliptiques[79]. Un de ses disciples, Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311), dans un traité intitulé Le summum de la connaissance des cieux, examina la possibilité de l’héliocentrisme. 'Umar al-Katibi al-Qazwini (d. 1277), qui était également actif à l'observatoire de Maragha, rapporta dans son Hikmat al-'Ain un argument en faveur du modèle héliocentrique, bien qu'il ait abandonné cette doctrine par la suite[76].

Manuscrit médiéval de Qutb al-Din al-Shirazi représentant un modèle planétaire et ses épicycles.

Ibn al-Shatir (1304–1375) de Damas publia dans son livre Ultime tentative pour corriger la Théorique des planètes le « lemme Urdi », et parvint à supprimer l'équant en introduisant un épicycle supplémentaire (l’hypocycloïde de Tusi), corrigeant le système de Ptolémée d'une façon mathématiquement analogue à celle de Nicolas Copernic au XVIe siècle. À la différence des astronomes qui l'avaient précédé, Ibn al-Shatir ne cherchait pas à préserver les principes théoriques de la philosophie naturelle ou de la cosmologie aristotélicienne, mais plutôt à établir un modèle plus cohérent avec les observations. C’est d'’ailleurs ce souci empirique qui le poussa à éliminer les épicycles du système solaire et tous les excentriques, épicycles et l'équant du système lunaire de Ptolémée. Ainsi, son modèle surpassa en précision tous les autres[89], et fut le seul à permettre de faire des expériences[101]. Cette démarche, qui marque un tournant dans l'histoire de l'astronomie, a pu être qualifiée de « Révolution Scientifique d’avant la Renaissance[89]. » Avec quelques modifications (inverser la direction du rayon-vecteur Terre-Soleil[3]), Copernic en fit un modèle héliocentrique[100]. Dans la version imprimée de son chef d’œuvre, De revolutionibus orbium coelestium, Copernic cite aussi les théories d’al-Battani, d’Arzachel et d’Averroès parmi ses sources[79], mais les ouvrages d’Alhazen et d’al-Biruni étaient aussi déjà connus en Europe à cette époque.

Un thème d’intenses débats à l’École de Maragha, et plus tard dans les observatoires de Samarkande et d’Istanbul, était l'éventualité de la rotation de la Terre. Parmi les partisans de cette théorie, on comptait Nasir ad-Din at-Tusi, Nizam al-Din al-Nisaburi (vers 1311), al-Sayyid al-Sharif al-Jurjani (1339-1413), Ali al-Qushji (d. 1474), et Abd al-Ali al-Birjandi (d. 1525). Al-Tusi le premier présenta des preuves fondées sur des observations de la rotation de la Terre, en se servant des positions des comètes par rapport à la Terre, une démonstration qu’al-Qushji renforça avec de nouvelles observations tout en dénonçant la philosophie naturelle d’Aristote. Leur arguments sont identiques à ceux qu'utilisera Nicolas Copernic en 1543 pour expliquer la rotation de la Terre[96].

 

Astronomie théorique

 

On pensait jusqu'à la fin du XXe siècle que les progrès des astronomes arabes dans la théorique des planètes avaient pris fin avec l'œuvre d’Ibn al-Shatir au XIVe siècle, mais de nouvelles recherches ont mis en lumière les découvertes remarquables accomplies jusqu'au XVIe siècle, notamment à la suite des travaux de George Saliba sur Shams al-Din al-Khafri (†1550), un glossateur séfévide des écrits des astronomes de Maragha. Saliba écrit à propos d’al-Khafri :

« Par sa perception claire du rôle des mathématiques dans la description des phénomènes naturels, cet astronome réussit à porter la tradition hay’a à des sommets inégalés ailleurs, au plan mathématique comme au plan astronomique. La recherche de modèles mathématiques pouvant supplanter celui de Ptolémée, et l'examen des œuvres de ses prédécesseurs tous en quête d'un modèle mathématique unifié à même de rendre compte de tous les phénomènes physiques, lui firent conclure que toute modélisation mathématique n’a pas par elle-même de sens physique, et qu’elle n’est qu'un langage parmi d'autre pour décrire la réalité physique. Il se persuada également que les phénomènes décrits par les modèles ptoléméens n’admettent pas de solution mathématique unique soumise aux mêmes contraintes ; qu’au contraire il existe plusieurs modèles mathématiques capables de rendre compte des observations de Ptolémée ; qu’ils aboutissent aux mêmes prévisions sur les points critiques que Ptolémée avait retenus pour construire ses propres modèles (et qu’ainsi ils ne rendent pas mieux compte des observations que Ptolémée) tout en respectant les conditions imposées par la cosmologie aristotélicienne, admise par les auteurs de la tradition hay’a[104]. »

Ali al-Qushji améliora aussi le modèle planétaire d’al-Tusi et proposa une alternative au modèle de l'orbite de Mercure[108].

 

L'astronomie d'observation dans l'empire ottoman

Autre astronome musulman fameux du XVIe siècle, l’Ottoman Taqi al-Din fit construire en 1577 l’Observatoire d’Istamboul, où il put observer le ciel jusqu’en 1580. Il dressa des tables Zij (intitulées La perle intacte) et des catalogues astronomiques plus précis que ceux, contemporains, de Tycho Brahe et de Nicolas Copernic. Al-Din est aussi le premier astronome à utiliser la notation à virgule plutôt que les traditionnelles fractions sexagésimales dans les compte-rendus de ses observations[109]. Il inventa aussi entre 1556 et 1580 de nombreux instruments astronomiques, parmi lesquels de très précises horloges astronomiques.

Observatoires

L’observatoire astronomique moderne en tant qu’institut de recherches[127] (à la différence des postes d’observation privés tels qu’ils existaient dans l’Antiquité[128]) est une conception des astronomes musulmans, qui rédigèrent les traités Zij grâce à ces observatoires. L’observatoire islamique fut la première institution astronomique spécialisée avec un personnel scientifique[127], un directeur, un programme d’études[128], et des locaux où s'accomplissaient la recherche astronomique et les observations. Les observatoires islamiques furent également les premiers centres de recherche à avoir recours à de grands instruments pour améliorer la précision des observations[127].

Les observatoires islamiques médiévaux étaient aussi les premières institutions à promouvoir le travail d’équipe (au contraire de la recherche individuelle) et où « les investigations théoriques marchaient main dans la main avec l’observation. » En ce sens, ils étaient semblables aux modernes instituts de recherche scientifique[129].

Astrolabes

On fabriqua des astrolabes en laiton partout dans le monde musulman, et on les utilisait surtout pout trouver la qibla. Le plus ancien spécimen date des années 927-928. On attribue la fabrication du premier astrolabe du monde musulman à Fazari[137]. Bien que la civilisation hellénistique ait vu naître des astrolabes primitifs qui servaient à cartographier le ciel, al-Fazari l'a considérablement perfectionné. Les Arabes en systématisèrent l'usage et le perfectionnèrent pour déterminer notamment la date du Ramadan, les heures des prières (Salah), la direction de La Mecque (Qibla)[138].

Au Xe siècle, al-Soufi décrivait 1 000 utilisations possibles de l’astrolabe, dans des champs aussi divers que l’astronomie, l’astrologie, les horoscopes, la navigation maritime, la topographie, la mesure du temps, la Qibla, les Salah, etc[138].

Grand astrolabe

Ibn Yunus releva soigneusement plus de 10 000 positions du Soleil pendant des années en se servant d’un astrolabe d’un diamètre de près de 1,40 m[36].

astrolabe à engrenages

Les premiers astrolabes mécaniques à engrenages sont apparus dans le monde musulman, et ont été perfectionnés par Ibn Samh (vers 1020). Un de ces appareils, comportant huit roues dentées fut aussi fabriqué sur les indications d’Abū Rayhān al-Bīrūnī en 996. Ces instruments peuvent être considérés comme les ancêtres des horloges astronomiques mises au point ultérieurement par les ingénieurs arabes[139].

Astrolabe de navigation

Le premier astrolabe de navigation est apparu dans le monde musulman au Moyen Âge, utilisait une projection polaire[140]/

Astrolabe à projection orthographique

Abu Rayhan al-Biruni imagina et composa le plus ancien traité connu sur l’astrolabe orthographique autour de l'an mil[61].

Scaphées et Zouraqi

Les premiers astrolabes étaient utilisés pour déterminer l'heure du lever et du coucher du Soleil et des étoiles fixes. Au XIe siècle, Arzachel d’al-Andalus construisit le premier astrolabe universel : à la différence de ses prédécesseurs, cet appareil ne dépendait plus de la latitude du lieu d’observation : on pouvait l'utiliser n'importe où sur Terre. L’astrolabe universel se répandit en Europe sous le nom grec de « scaphée ». Autre astrolabe, le zouraqi (cf. supra) imaginé par al-Sijzi est le seul conçu pour intégrer un modèle planétaire héliocentrique où c'est la Terre, et non les cieux, qui sont mobiles[39].

Astrolabe linéaire

Dans un livre célèbre, al-Tūsī décrit un astrolabe linéaire de son crû, parfois appelé « bâton d’al-Tusi »[141]

Horloges-astrolabes

Ibn al-Shatir a inventé cet appareil dans la Syrie du XIVe siècle[142].

Calcul analogique

On inventa plusieurs calculateurs analogiques pour calculer la latitude du Soleil, de la Lune et des planètes, l’écliptique du Soleil, la date des conjonctions planétaires et aussi pour effectuer des interpolations linéaires.

Équatoire

L’Équatoire était un calculateur analogique inventé par Arzachel dans l’al-Andalus, probablement vers 1015. Cet appareil mécanique sert à trouver les longitudes et positions de la Lune, du Soleil, et des planètes sans calcul. Il s'appuie sur un modèle géometrique rendant compte de la position et de l’anomalie moyenne des astres[143].

Le planisphère, la plus ancienne carte du ciel, fut imaginée par Abū Rayhān al-Bīrūnī.

Planisphère et carte des étoiles

Au début du XIe siècle, Abū Rayhān al-Bīrūnī composa le premier traité sur le planisphère, la plus ancienne carte du ciel, et sur un calculateur analogique primitif[144],[61].

Calendrier perpétuel à engrenages

Abū Rayhān al-Bīrūnī inventa aussi le premier calendrier luni-solaire à calculateur mécanique utilisant un train d’engrenages et huit roues dentées[145]. C'est là un exemple primitif de machine de traitement des données à câblage fixe[146].

Le torquetum fut inventé par Geber.

Torquetum

Jabir Ibn Aflah (vers 1100-1160) inventa le torquetum, à la fois instrument d’observation and calculateur analogique permettant de convertir les coordonnées équatoriales[147]. Il permettait de relever la position des astres et de les convertir en trois système de coordonnées: horizontales, équatoriales, et écliptiques.

Astrolabe mécanique à calendrier perpétuel

En 1235, Abi Bakr d’Ispahan fabriqua un astrolabe équipé d'un calendrier mobile à engrenages en s'inspirant du calendrier mécanique d’Abū Rayhān al-Bīrūnī[148]. L’astrolabe à engrenages d’Abi Bakr, qui met en œuvre un train réducteur, constitue la plus vieille machine à engrenages fonctionnelle encore intacte[149],[150]

Plaque des conjonctions

Au XVe siècle, al-Kashi mit au point une Plaque des conjonctions, calculateur permettant de trouver la date des conjonctions planétaires[151], et d’effectuer des interpolations linéaires[152].

Calculateur planétaire

Au XVe siècle, ce même al-Kashi proposa un calculateur planétaire mécanique qu’il appela « plaque à orbes », et qui permettait de résoudre graphiquement un certain nombre de problèmes relatifs aux orbites des planètes, dont la prédiction de la longitude vraie du Soleil, de la Lune[152] et des planètes en considérant les orbites comme elliptiques[153] ; les latitudes du Soleil, de la Lune et des planètes ; et l’écliptique du Soleil. Cet instrument comportait aussi une alidade et une règle[154].

Horloges astronomiques

Les Musulmans équipèrent leurs observatoires d’horloges astronomiques de haute précision[155].

Horloges astronomiques à eau

Al-Jazari inventa de monumentales horloges astronomiques à eau qui animaient des effigies du Soleil, de la Lune et des étoiles. La plus grande horloge astronomique représentait le zodiaque et les orbites solaire et lunaire. Innovation supplémentaire, cette horloge comportait dans la partie supérieure d'un panneau une bielle permettant d’ouvrir une trappe toutes les heures[156].

Horloges astronomiques à ressort

Taqi al-Din inventa la première horloge astronomique à ressorts, décrite dans un livre intitulé Les plus brillantes étoiles pour la construction d'horloges mécaniques (Al-Kawākib al-durriyya fī wadh' al-bankāmat al-dawriyya, 1556-1559)[157].

Carillons mécaniques

Taqi al-Din inventa le premier carillon mécanique à heures fixes, décrite dans l'ouvrage cité précédemment. La sonnerie était déclenchée par une bille sur un cadran à roue[157].

Horloges mécaniques d’observation

Taqi al-Din inventa aussi l’« horloge d’observation », qu'il décrit comme « une horloge mécanique à trois cadrans donnant les heures, les minutes, et les secondes. » C'était la première horloge à mesurer le temps en secondes, et il l'utilisa spécifiquement pour mesurer l’ascension droite des étoiles. On considère que c'est l’une des plus importantes innovations d'astronomie pratique du du XVIe siècle, dans la mesure où les horloges précédentes n'étaient pas assez précises pour l'astronomie[109]. Il améliora encore cette horloge, comme il l’explique dans son Sidrat al-muntaha, en n'utilisant plus qu'un cadran pour indiquer les heures, minutes et secondes. Il décrit cette horloge d’observation comme « une horloge mécanique à cadran unique affichant les heures, minutes et secondes où nous avons divisé chaque minute en cinq secondes[158]. »

Cadrans

Les astronomes et ingénieurs musulmans inventèrent d'innombrables types de cadrans pour la mesure du temps, et pour calculer les heures des cinq prières.

Cadrans solaires

Les musulmans apportèrent des contributions significatives à la théorie et la fabrication des cadrans solaires, dont le principe leur venait de leurs prédécesseurs indiens et grecs. Al-Khwarizmi composa des tables qui abrégèrent et facilitèrent considérablement la fabrication de ces instruments. Les cadrans solaires arabes pouvaient être utilisés tels quels n’importe où sur Terre. On en plaçait fréquemment au fronton des mosquées pour vérifier l'heure de la prière. L’un des plus beaux spécimens fut fabriqué au XIVe siècle par le muwaqqit (grand horloger) de la mosquée omeyyade de Damas, Ibn al-Shatir[159]. Les astronomes et ingénieurs musulmans furent les premiers à coucher par écrit des instructions sur la construction de cadrans solaires tant horizontaux que verticaux ou polaires[160].

Comme les anciens cadrans étaient des écrans à style avec des lignes horaires rectilignes, ils marquaient des heures inégales (appelées d’ailleurs « heures apparentes ») qui variaient avec les saisons, chaque jour étant divisé en douze segments égaux : de la sorte, les heures étaient plus courtes l’hiver et plus longues l’été. L’idée de marquer des heures d’égale durée quelle que soit la période l’année est une innovation due à al-Shatir en 1371, suggérée par les découverte en trigonométrie d’Albategnus. Déjà, Ibn al-Shatir savait que « un gnomon parallèle à l'axe de la Terre fait un cadran solaire dont les divisions horaires marquent des heures de durées égales tout au long de l’année ». Son cadran solaire est le plus vieux cadran à axe polaire encore intact. Ce concept est connu de l’Occident dès 1446[161],[162].

Navicula de Venetiis

Il s’agit d’un cadran horaire universel inventé au IXe siècle à Bagdad. On l'utilisait pour la mesure exacte du temps avec le Soleil et les étoiles, et il pouvait servir sous n'importe quelle latitude[163] (c’est là son caractère « universel »). L’Europe le reçut à la Renaissance sous le nom de « Navicula de Venetiis[164] », et le considérait comme l'horloge la plus précise[165].

Cadran-boussole

Au XIIIe siècle, Ibn al-Shatir inventa la boussole à cadran, une horloge combinant un cadran solaire universel et une boussole : il l’utilisait pour trouver l’heure des Salah[166].

 

 

Globes

Sphères armillaires

Une sphère armillaire s'utilise de la même façon qu'un globe. Il ne subsiste aucune sphère armillaire provenant des pays arabes, mais plusieurs traités ont été composés sur l’« instrument à bagues ».

 

Astrolabes sphériques

Les astrolabes sphériques sont apparus pour la première fois dans le monde arabe[167]. C'était une variante régionale de l’astrolabe et de la sphère armillaire des Grecs, dont seul un spécimen, daté du XIVe siècle, subsiste.

Globes terrestres

Le premier globe de l’Ancien Monde fut fabriqué dans le monde arabe au cours du Moyen Âge[168], par des géographes et des astronomes musulmans actifs sous le calife abbasside Al-Mamoun, au IXe siècle[169].

Globes célestes

On utilisa d'abord les globes célestes pour résoudre les problèmes d'astronomie. Aujourd’hui, il subsiste 126 de ces appareils à travers le monde, dont le plus ancien remonte au XIe siècle. À l'aide de cet appareil, on pouvait déterminer la hauteur du Soleil, ou l’ascension droite et la déclinaison des étoiles en marquant la position de l’observateur le long de l'anneau méridien du globe.

Au XIIe siècle, Geber fut « le premier à concevoir une sphère céleste portative pour mesurer et expliquer les mouvements des astres[170]. »

Les globes célestes d’une seule pièce

Les globes célestes d’une seule pièce fabriqués par des artisans de l’Empire moghol (à Lahore et dans le Cachemire), sont considérés comme l’un des plus hauts faits de métallurgie et d’artisanat de l’époque moderne. Tous les autres globes connus sont fabriqués par soudure de plusieurs éléments, et encore au XXe siècle, les métallurgistes considéraient qu’il était impossible de faire un globe de métal sans aucun pli de soudure. Mais dans les années 1980, l’archéologue Émilie Savage-Smith découvrit à Lahore et dans le Cachemire plusieurs globes de métal sans soudure. Le plus ancien a été construit au Cachemire par l’orfèvre Ali Kashmiri ibn Luqman en l'an 1589 sous le règne d’Akbar le Grand ; un autre, coulé en l'an 1659 par Muhammad Salih Tahtawi, porte des inscriptions en arabe et en sanskrit ; un troisième a été coulé à Lahore par l'orfèvre hindou Lala Balhumal Lahuri en 1842 sous le règne de Jagatjit Singh Bahadur. Il existe vingt-et-un autres globes de ce genre. Ces orfèvres du moghol avaient su développer une technique de coulée à la cire perdue pour atteindre ce résultat[171],[172].

Ces globes célestes d’une seule pièce sont sans équivalent : un auteur[172] n’hésite pas à comparer cette prouesse à ce que peut représenter la pyramide de Khéops pour l'architecture.

Théodolites muraux

quadrant à sinus

Le quadrant à sinus, inventé par Al-Khawarizmi dans le Bagdad du IXe siècle, servait aux calculs astronomiques[173].

Quadrant horaire

Le premier quadrant horaire qui ne servait que sous certaines latitudes, fut imaginé par Al-Khawarizmi dans la Bagdad du IXe siècle, alors le centre de production de ces instruments[173]. On l'utilisait pour trouver l'heure (surtout les heures des prières) en observant le Soleil et les étoiles[174].

Quadrans Vetus

Le Quadrans Vetus (« vieux quadrant », tel qu'on l’appelait en Europe lorsqu'on le connut, au XIIIe siècle) était un quadrant à temps universel. Cet appareil mathématique ingénieux avait lui aussi été imaginé par Al-Khawarizmi dans le Bagdad du IXe siècle. On pouvait l'utiliser sous n'importe quelle latitude et à n'importe quel moment de l'année pour trouver l'heure à partir de l’altitude du Soleil. C'est, derrière l’astrolabe, le deuxième instrument astronomique le plus répandu au Moyen Âge. Sa principale utilisation dans le monde musulman était le calcul des heures de la Salah[173].

Le Quadrans Novus

Ce quadrant–astrolabe, que l’Europe a appelé Quadrans Novus (« quadrant moderne ») est apparu en Égypte au XIe siècle ou au XIIe siècle[175].

Quadrant à almucantarat

Le premier quadrant à almucantarat est né dans le monde musulman, et se fondait sur les relations de trigonométrie. Le mot « almucantarat » lui-même vient de l'arabe[176]. Le quadrant à almucantarat n'est au départ qu'un astrolabe amélioré[160].

Sextant

Le premier sextant, fabriqué à Ray (Teheran), est l’œuvre d’Abu-Mahmud al-Khujandi en 994. Il décrit cet instrument, permettant une très grande précision dans les mesures astronomiques, dans son traité, Sur l’inclinaison de l’écliptique et les latitudes des villes[177]. Au XVe siècle, Ulugh Beg fit construire le « Sextant de Fakhri », d’un rayon d’à peu près 36 m. Il se dressait à Samarkande, en Ouzbékistan, et cet arc édifié avec beaucoup de soin comportait des escaliers de chaque côté pour permettre aux assistants chargés des mesures de se déplacer rapidement.

Optique instrumentale

Diaphragme

On trouve la première référence à un « tube d’observation » dans l’œuvre d’Albatenius (853-929), et la première description exacte d’un tel tube est due à al-Biruni (973-1048), dans une partie de son livre « consacrée à la vérification de la présence du croissant nouveau sur l’horizon. » Bien que ces diaphragmes primitifs soient encore dépourvus de lentille optique, ils « permettaient à l'observateur de se concentrer sur une zone du ciel en éliminant les interférences de la lumière. » Ces tubes furent adoptés plus tard dans l’Europe latine, où ils influencèrent le développement de la lunette astronomique[178].

Appareil expérimental à diaphragmes

Pour prouver que « de la lumière est émise de chaque point de la surface éclairée de la Lune », Alhazen fabriqua « un appareil ingenieux » montrant « que l’intensité de la tache de lumière formée sur un écran par la projection de la clarté lunaire à travers deux petites ouvertures diminue constamment à mesure que l’on obture l’un des trous[46]. »

Lentilles de verre

Le premier travail d’optique décrivant une loupe intégrée à un instrument est le Traité d’Optique (1021) composé par Alhazen[179]. Ses descriptions furent reprises en Europe lors des premières recherches sur la réfraction[180] ; quant à ses autres travaux sur la réfraction, les miroirs paraboliques, et ses autres instruments comme la chambre noire, jouèrent également leur rôle dans la Révolution mécaniste[179],[181].

Anticipation supposée du principe de la lunette astronomique

Taqi al-Din imagina un « appareil pour voir à longue distance », comme il l'affirme dans son Livre de la Lumière de la pupille et de la Vérité des images de 1574 ; il a pu s'agir d'une lunette astronomique primitive : il dit que cet instrument fait apparaître les objets éloignés plus près qu'il ne sont, et qu'il permet de voir les détails d'objets éloignés. Taqi al-Din affirme qu'il a écrit un autre traité (perdu aujourd'hui) où il explique la fabrication et l’utilisation de cet instrument. Ce qu'il décrit est cependant confus car il ajoute que son appareil est semblable à celui qu’utilisaient les Grecs au Pharos d’Alexandrie[110].

 

Autres instruments

* boussole astronomique: la première utilisation d’une boussole à aiguille aimantée est évoquée dans un traité sur les instruments astronomiques dû à la plume du sultan yéménite al-Ashraf (†1296) en 1282[182].

* boussole sèche : en 1282, al-Ashraf fit construire une boussole améliorée comme « index à Qibla » , c'est-à-dire pour trouver la direction de La Mecque. L’instrument d’Al-Ashraf est l'une des plus anciennes boussoles sèches, et il semble que Pierre de Maricourt ait fait simultanément cette découverte[183]

Une alidade.

* Alidade: l’alidade, mot d'étymologie arabe, est apparue dans le monde musulman.

* Compendium: il s’agit d’un instrument polyvalent, dont le premier exemple est décrit par l'astronome Ibn al-Shatir au XIIIe siècle. Son compendium consistait entre autres en une alidade et un cadran solaire de type polaire. Al-Wafa'i réalisa au XVe siècle un autre compendium qu'il appela « cercle équatorial », et qui comportait également un cadran solaire horizontal. Ces compendia furent par la suite très répandus dans l’Europe de la Renaissance[160].

* Cadrans à réseau orthogonal : les quadrants arabes utilisés dès le Xe siècle tant pour l’astronomie que comme horloges, comportaient une grille régulière à réseau orthogonal, avec des graduations semblables à celles de notre Papier millimétré[184],[185].

* sextant à réseau : entre 1577 et 1580, Taqi al-Din, à l’observatoire d'Istanbul, inventa un sextant à réseau (mushabbaha bi'l manattiq), muni de cordelettes pour déterminer les équinoxes ; Tycho Brahe utilisa un appareil similaire par la suite[109].

* Index à qibla: dans la Perse séfévide du XVIIe siècle, deux instruments en bronze uniques comportant, gravées, des cartes du monde centrées sur La Mecque, servaient essentiellement à trouver la qibla. Sur le plateau de ces instruments, un canevas cartographique était gravé, qui permettait de trouver la direction et la distance à La Mecque depuis n'importe quel point de la Terre. De tels canevas cartographiques peuvent remonter à la Bagdad du Xe siècle[165]. À l’un des deux instruments, fabriqué par Muhammad Husayn[186], étaient attachés un cadran solaire et une boussole[187].

* Carré à ombre: cet instrument, muni d'une alidade, servait à trouver la taille en hauteur d'un objet, pour les mesures d'angle[188]. Son invention est due à Al-Khawarizmi au IXe siècle à Bagdad[189].

Les principaux centres culturels et scientifiques du monde musulman au Moyen Âge

* al-Andalus

o Saragosse (Espagne)

o Tolède (Espagne)

o Cordoue (Espagne), capitale du califat de Cordoue jusqu'en 1039, elle fut un grand centre d'études au Moyen Âge. C'est à Cordoue qu'est né Averroès

* Fès (Maroc)

* Marrakech (Maroc), fondée en 1062

* Béjaïa (Algérie)

* Kairouan (Tunisie)

* Le Caire (Égypte)

* Damas (Syrie) : capitale de la dynastie omeyyade,

* Bagdad (Irak) : capitale de la dynastie abbasside, Bagdad fut pendant longtemps un centre intellectuel de première importance. La maison de la sagesse était une institution destinée à développer l'enseignement et la recherche. Elle a été fondée sur le modèle de l'académie perse des frères Bana Musa, al-Kindi.

* Maragha (Iran), près de Tabriz : Hülegü, petit-fils de Gengis Khan, y fit construire en 1259 un observatoire où travailla l'astronome Nasir ad-Din at-Tusi

* Rayy (Iran), l'actuelle Téhéran : école de médecine

* Shiraz (Iran)

* Ispahan (Iran) : le mathématicien, astronome et poète persan Omar Khayyam (1048-1131) y séjourna de 1074 à 1092, au service du sultan seldjoukide Malik Shah Ier, et réforma le calendrier persan. Le « prince des médecins » Avicenne (980-1037), également persan, y résida à la fin de sa vie, au service des émirs bouyides.

* Samarcande (Ouzbékistan) : célèbre pour son observatoire, fondé par le prince timouride Oulough Beg (1394-1449) qui y travailla avec Al-Kachi, Qadi-zadeh Roumi et Ali Quchtchi ; Omar Khayyam y séjourna de 1072 à 1074.