Jean Picard

Mesure de la base.

Commencée fin 1668, la campagne de triangulation va durer jusqu'à octobre 1670. Armé principalement de nouveaux instruments géodésiques (quart de cercle mobile, secteur), l'abbé commence par mesurer une base de 11 km entre le moulin de Villejuif et le pavillon de Juvisy, puis il mesure treize triangles entre Malvoisine et Sourdon[14]…

Le 26 juillet 1669, à Mareil, accompagné de Cassini et de Richer, ils vérifient les travaux entrepris et mesurent différents angles ; il est alors envisagé de poursuivre les grands triangles et les mesures astronomiques[13]…

Finalement, les résultats seront exceptionnels : pour la longueur du degré, la différence sera inférieure à 130 m entre ses résultats-propres et ceux de Delambre qui, en 1795, effectuera une même mesure avec un instrument bien plus exact, le cercle répétiteur.

Toise : droite (A), pliante (D) et lieu de conservation de la toise-étalon (en B).

Pour mesurer la base de la méridienne, Picard va prendre une toise de référence identique à la toise-étalon du Châtelet nouvellement remise en état.

L'héritier de la Toise, le Mètre, au 36 rue de Vaugirard, à Paris ; remarquer le talon gauche.

Avant la mesure de la méridienne, en janvier 1667, confrontés à des différences de longueur entre les toises de l'Académie et la toise-étalon du Grand Châtelet, Auzout, Delanoye et Picard, vont les mesurer systématiquement[15] et constater leurs écarts de longueur. L'étalon original du Châtelet sera alors remis en état en 1668 et pris comme référence. Mais Picard n'oubliera pas cet épisode de confrontation entre étalons, et pour sa base, « de peur qu'il n'arrive [malheur] à notre Toise comme à toutes les mesures anciennes dont il ne reste plus que le nom, nous l'attacherons à un original, lequel étant tiré de la nature même doit être invariable et universel.»

Il propose, comme futur étalon de référence la longueur d'un pendule simple qui bat la seconde de temps et il le détermine de 36 pouces et 8,5 lignes, selon la mesure du Châtelet de Paris. Néanmoins, il s'interroge sur une éventuelle variation de longueur de ce pendule en fonction du lieu où on le détermine (variation qui existe en fait) ; mais dit-il, « cela n'empêcherait pas que dans chaque lieu, il n'y eut une mesure universelle et invariable... La longueur de la toise de Paris et celle du pendule à secondes, telle que nous l'avons établie, seront soigneusement conservés dans le magnifique observatoire que Sa Majesté fait bâtir pour l'avancement de l'astronomie[16]. » Quelque cent-vingt ans plus tard, à la Révolution, le pendule battant la seconde est toujours envisagé comme une possibilité de « mesure universelle[17] », mais « la dix-millionième partie du quart du méridien terrestre », le mètre gagnera la partie pour près de 200 ans[N 6].

Carte de l'île d'Heven, avec en D l'emplacement d'Uraniborg et la base mesurée par Picard.

Triangulation de Picard autour d'Heven ; détails de l'île.

Dans les années 1670, l'Académie Royale des sciences envisage de « pouvoir comparer des observations présentes aux observations des siècles passés », soit Alexandrie, patrie de Ptolémée, d'une part et Uranibourg, sur l'île d'Heven où observa Tycho, d'autre part. Pour profiter du travail des Anciens, il faut connaitre les coordonnées géographiques des observatoires, il est donc nécessaire de se rendre sur place. Après décision de « Sa Majesté », l'Assemblée décide d'envoyer Picard vers l'observatoire de Tycho[18].

En juillet 1671 donc, Picard part au Danemark et à Uranibourg, l'ancien palais-observatoire de Tycho, accompagné « d'un aide nommé Villiard qu'il avait dressé aux observations ».

Dans son voyage par bateau, il s'arrête en Hollande, peut-être à Leyde où il compare un étalon du pied du Rhin - mesure en vigueur au Danemark - au pied de Paris ; puis il s'arrête à Amsterdam où il rencontre Blaeu, cartographe qui s'est personnellement intéressé à la mesure de la Terre. Ils échangent sur la longueur d'un degré de méridien : la différence entre leurs résultats est inférieure à 60 pieds du Rhin[N 7]. Il observe aussi une tache solaire, phénomène qu'il n'a pas observé depuis dix ans.

Arrivé à Copenhague, reçu par Erasme Bartholin, qui « lui rendit des offices très considérables », il vérifie ses instruments : le quart de cercle et le secteur de « la mesure de la Terre », deux horloges à secondes, dont l'une marque la demi-seconde, et deux grandes lunettes, respectivement de 14 et 18 pieds[19].

Le 6 septembre, il part pour Uranibourg, avec Bartholin et un jeune danois Ole Rømer qu'il ramènera à Paris. Sur place, il construit à l'emplacement même d'Uranibourg (point D sur la carte) un petit observatoire en bois où il installe ses principaux instruments. Ses observations peuvent commencer.

Il reprend les mesures angulaires de Tycho, mesure sur l'île une base de 1063 toises, et triangule - avec méridiennes - tout l'environnement (voir carte). Il en déduit la différence de longitude entre Copenhague et Uranibourg qu'il vérifie astronomiquement : il trouve 29 secondes de temps entre les deux lieux ; puis il mesure la hauteur du pôle aux deux endroits. Lors de ses mesures, il se rend compte de la variation de position de la polaire en fonction de la saison, phénomène qu'il observe depuis dix ans[N 8]. Finalement, il trouve pour la latitude d'Uranibourg une valeur de 55° 54' 15"[N 9].

Pour la différence de longitude entre l'Observatoire de Paris et Uranibourg, il travaille en parallèle avec Cassini resté à Paris. Ils observent à plusieurs reprises des occultations de Io, premier satellite de Jupiter, avec de grandes lunettes qu'ils ont comparées conjointement, à l'Observatoire, avant son départ. Ils trouvent un écart de temps de 42 min 10 s, soit une différence de longitude de 10° 32' 30"[N 10]. Cette détermination est historique : c'est la première jamais réalisée par ce procédé.

Picard n'oublie pas son étalon de mesure universel, et sur place, il va mesurer la longueur du pendule à seconde. Il ne constate pas de différence sensible avec les mesures effectuées à l'Observatoire[20].

Sa mission terminée, Picard va revenir à Paris, avec Rømer qui sera son collaborateur pendant près de dix ans.

première illustration du niveau (1671).

L'abbé Picard s'intéresse aussi à la topographie et au nivellement. Dans les années 1660-80, c'est un sujet d'actualité sur lequel se penchent des membres de l'Académie, tels Cassini, Mariotte, Huygens, Rømer, Picard, La Hire…

Le souci de l'époque est l'approvisionnement en eaux du château de Versailles. Les ressources de l'environnement sont insuffisantes. Les eaux de la Bièvre, rivière voisine, sont canalisées vers Versailles en 1668. Picard est recruté pour cette opération et il est chargé du nivellement du parc où doit être creusé le grand canal[21].

Pour ces travaux, Picard utilise son quart de cercle et un nouvel instrument, un niveau de sa conception, décrit dès 1671 dans son ouvrage La mesure de la Terre. À propos de cet instrument, Picard précise que les mesures effectuées sont faussées par la réfraction dont il cherche l'influence. Il différencie aussi niveau apparent et niveau véritable et en donne une table. Il termine en indiquant l'erreur de l'instrument : « nous déterminerons le niveau à 18 pouces près sur une distance de 3 000 toises[N 11], pour laquelle, il y a 8 pieds 3 pouces de correction à faire[22]. »

Devant un besoin de plus en plus important en eaux, Riquet, le concepteur du canal du Midi, suggère d'amener les eaux de la Loire à Versailles pour alimenter les fontaines et bassins du parc du château de Versailles, des « Grandes eaux » très consommatrices. Colbert, en 1674, charge Picard d'étudier la faisabilité du projet[23] : les différences d'altitude, entre Orléans, au plus près sur la Loire (altitude = 91 m) et Versailles (alt. 142 m) font que le projet est abandonné[24].

Un nivellement semblable au profil d'Orléans (A) à Versailles (F).

Néanmoins, Picard continue à s'impliquer dans d'autres systèmes d'alimentation : soucieux de trouver une solution au problème, en prospectant les environs de Versailles, il constate que les mares situées sur le plateau de Trappes et de Bois d'Arcy, au sud ouest de Versailles, sont plus hautes que les réservoirs de Versailles[23]. Il fait barrer les deux gorges qui laissent écouler leurs eaux vers la vallée de la Bièvre et aménage ainsi les étangs de Trappes Saint-Quentin, de Bois-d'Arcy et de Bois-Robert. Deux rigoles assurent l'écoulement des eaux de pluie vers Versailles. Un aqueduc souterrain amène les eaux de l'étang de Saint-Quentin aux réservoirs Gobert via le moulin de Launay, d'une part, et d'autre part, au bassin des Suisses, via les moulins et réservoir de Satory. Cet aqueduc présente une pente de 2,93 m. sur 11 km de longueur totale, soit moins de 0,3 mm/m, il s'agit d'un travail remarquable pour l'époque.

« Ce n'est qu'en 1679 qu'il demande à Colbert d'être déchargé de ces travaux pour reprendre ses observations à l'Observatoire[21]. ».

Jean Picard a laissé un Traité du nivellement, lu devant l'Assemblée depuis juillet 1680 et publié, à titre posthume, par Philippe de La Hire[25].

Dans les années 1671-1673, après avoir été informé des observations effectuées à l'extérieur du royaume[N 12], le Roi ordonne à l'Académie de « dresser une carte de toute la France avec la plus grande exactitude possible[26] ». Mais la guerre va retarder ce projet initié par Picard : dans un premier temps, il s'agit de définir des coordonnées géographiques ; jusque-là, les distances étaient définies à l'estime, évaluées par exemple en journées de chevauchées. Picard ne s'implique que de façon secondaire, n'étant pas nommément mandaté : lors de certains déplacements, il transporte néanmoins ses instruments (horloge à secondes, quart de cercle de 1 m, lunette de 14 pieds ...) et effectue quelques observations.

On le trouve à l'automne 1672 à Loudun, à Brion près Beaufort (dans son prieuré), à La Flèche, où il détermine la latitude des lieux. À Brion il observe aussi, conjointement avec Richer à Cayenne, la position de Mars par rapport aux étoiles proches pour déterminer la parallaxe de la planète[27].

Plus tard, en 1674, il part pour le Languedoc dans le but d'observer, sous des cieux cléments, un passage éventuel de Mercure devant le Soleil. L'évènement n'a pas lieu. Dans son déplacement, il s'arrête à Montpellier, Sète, Maguelone et revient par Lyon. Il y mesure des latitudes, des longitudes par les satellites de Jupiter, conjointement avec Cassini resté à l'Observatoire ; il dresse aussi une table des réfractions enregistrées à Sète, et mesure à Sète et à Lyon la longueur du pendule battant la seconde qu'il trouve de 36 pouces et 8,5 lignes comme à Paris[28].

Carte de France corrigée, présentée à L'Académie en 1682.

En août-septembre 1679, Picard et La Hire reçoivent l'ordre de se rendre en Bretagne. Il s'agit de localiser précisément, par des observations célestes la description de certaines côtes occidentales qui résulte du travail (de triangulation) en cours des ingénieurs du Roi. Ils se rendent à Brest et à Nantes où ils définissent latitudes et longitudes[29].

En août-septembre 1680, leur mission se poursuit sur les côtes du sud-ouest. Ils visitent dans l'ordre Bayonne, Bordeaux, Royan, Cordouan, La Rochelle et ils en déterminent les coordonnées géographiques[30].

En 1681, il ne reste plus que les côtes septentrionales à définir. En octobre, Picard se rend en Bretagne du nord, tandis que la Hire se déplace vers Dunkerque, en Flandre. Picard visite Saint-Malo, Le Mont-Saint-Michel, Cherbourg et Caen, villes où il détermine latitude et longitude lorsque c'est possible. Ce seront ses dernières observations sur le terrain. La Hire terminera seul la définition des côtes de Provence, à la fin de 1682[31], après la mort de l'abbé.

Le résultat de leurs observations communes, complété par les travaux d'autres astronomes et les descriptions des ingénieurs du Roi vont permettre à La Hire, astronome, peintre et aussi sculpteur de tracer une nouvelle carte de France. Elle est établie sur un fond de carte de Sanson de 1679. Ce sera la célèbre Carte de France corrigée par Ordre du Roy sur les observations de Messieurs de l'Académie des Sciences, présentée à l'Académie en 1682, et publiée en 1693. Cette carte, soumise au Roi lui aurait fait dire sur le ton de la plaisanterie que « ces Messieurs de l'Académie lui avaient enlevé une partie de ses États[N 13].»

Pour finir, en 1681, après ses dernières observations, l'abbé Picard présente à l'Académie « un projet pour faire un châssis géographique pour toute la France… présenté à Monseigneur Colbert. ». Ce châssis doit comporter « une grande traverse » triangulée qui irait de Dunkerque à Perpignan et une autre ligne « qui contournerait le royaume suivant les frontières et les côtes », en liaison avec la première[32]. Ce sera le point de départ d'une grande aventure, l'établissement de la carte des Cassini.

L'Observatoire, à l'époque de Picard.

Observation de Saturne par J. Picard.

Observation de Jupiter qu'il trouve « un peu ovale » avec 3 de ses satellites.

Observation de Mercure.

Dessins de taches solaires

Localisation de le mire Nord.

Les observations astronomiques de Picard sont bien connues à partir de 1666 (date de création de l'Académie), jusqu'à sa mort en 1682. Le nombre de ses observations des astres (Soleil, Lune, Saturne, Mercure, Vénus, étoiles), et des éclipses est très important. Lemonnier a compilé toutes ces observations dans un ouvrage couvrant la période 1666-1685. Picard y prend la plus grande place, ses observations couvrent environ 275 pages, soit 75 % de l'ouvrage[33].

Au début de cette période, l'évolution des techniques crée un climat favorable à l'évolution propre de l'astronomie :

• en mars 1667, Huygens, propose à l'Académie une nouvelle méthode, en se servant d'une pendule à secondes, pour déterminer les ascensions droites des étoiles[34] ;
• en mai, puis en juillet 1669, Picard découvre, avec ses nouveaux instruments à lunette munie du micromètre d'Auzout, que l'on peut observer certaines étoiles en plein jour[35] ;
• dans les années 1673-75, au cours de ses observations dans le royaume, il introduit la méthode des hauteurs correspondantes pour déterminer l'instant du midi solaire[N 14] et accessoirement la direction de la méridienne attachée au point d'observation[36].

Fin 1669, Picard, observateur hors pair reconnu, va être amené à proposer, à l'Assemblée, de nouvelles priorités à l'astronomie[37] :

• corriger les tables du Soleil qui sont défectueuses par des observations des hauteurs méridiennes de l'astre ;
• établir une table des réfractions pour Paris[N 15] ;
• suivre journellement les étoiles potentiellement observables en plein jour, par rapport au Soleil « pour trouver leur ascension droite immédiatement[N 16] » ;
• mesurer l'équation du temps, chaque jour, si possible ;
• suivre les diamètres du Soleil et de la Lune « pour tâcher de découvrir la cause de certaines irrégularités… »
• aller à Uranibourg pour pouvoir profiter des observations de Tycho en les rapportant à Paris[N 17].

Ce programme sera sa ligne de conduite pendant les douze ans à venir. Il sera même poursuivi, sur plus de quarante ans au total, par La Hire et son fils. Son instrument de prédilection est un quart de cercle de 32 pouces (86 cm) de rayon ; il l'utilisera toute sa vie, et La Hire s'en servira jusqu'en 1718[38].

Dans ce programme, à titre indicatif, en 1666, le diamètre de la Lune est mesuré une cinquantaine de fois ; dans l'intervalle 1667-1669, le diamètre horizontal du Soleil, lui, est mesuré environ 260 fois[39] ; les hauteurs méridiennes du Soleil sont déterminées systématiquement ; les mesures de son diamètre (avec une erreur inférieure à 10") ont été utilisées comme base de données dans une étude des variations du diamètre solaire par un groupe de chercheurs français en 1988[40] ; il observe aussi, quand elles se présentent, des taches solaires qui sont rares à cette époque.

D'après Lemonnier, il fait construire, après de longues années d'attente, un quart de cercle mural (dans le plan du méridien) de 5 pieds de rayon[N 18] qui ne pourra être mis en place qu'après sa mort par La Hire ; en 1682, il demande aussi l'installation de quatre lunettes fixes avec micromètre pour observer les variations du mouvement de la Polaire : deux dans le plan du méridien, au maximum et au minimum de son élévation et deux autres vers ses digressions maximum, ce qu'il n'obtiendra pas[41].

Pour l'anecdote : il fait des observations le 9 juillet 1673 pour installer un pilier à Montmartre, mire nord de la méridienne de l'Observatoire ; il constatera une erreur de quelques secondes dans sa mise en place, le 16 août 1675, et Cassini et La Hire, le 18 juillet 1683, corrigeront son emplacement de deux pieds (30") pour s'aligner avec le centre précis de l'Observatoire [42] ^- [N 19].

Picard ne se contente pas d'observer ; après intervention auprès de Colbert, il fait éditer le premier fascicule d'éphémérides, en 1679, La connaissance des temps, mais son nom n'y apparait pas[43]. Ce n'est que sur le fascicule de 1763, notamment, que Lalande, dans son avertissement d'introduction souligne que « LA CONNOISSANCE DES TEMPS que M. l'Abbé Picard publia pour la première fois en 1679, a été continuée depuis sans interruption… ».

Picard a aussi rapporté de son voyage à Uranibourg des manuscrits de Tycho Brahe. Il s'attache à les faire imprimer, toujours après intervention auprès de Colbert.

Le 11 septembre 1682, un mois avant sa mort, il observe encore, avec La Hire, la localisation d'une comète[44].

Toutes ces activités : mesures, innovations, méthodes, vont faire de Picard l'incontestable « leader de la nouvelle école d'astronomie de précision[45] » ou « le créateur de l'astronomie moderne[46] ».

L'abbé est impliqué dans le tracé ou la vérification de certaines méridiennes :

Plan de l'étage de l'Observatoire, avec la méridienne.

• Dès son entrée à l'Académie, l'abbé astronome est chargé de vérifier les instruments de l'Académie installée temporairement dans la Bibliothèque du Roi. Dans le jardin se trouvent « un grand quart de cercle, un cadran solaire de M. Buot et une méridienne, tracée sur une bande de cuivre enchâssée dans une table de pierre et vérifiée par M. Picard[47]. » ;
• Le jour du solstice d'été 1667, comme cité en Biographie, une équipe d'astronomes, dont Picard, vont tracer une méridienne sur une pierre à l'emplacement du futur Observatoire. Ils emploient à cet effet « une méthode d'astronomes » : à l'aide de deux sextants astronomiques - dont celui de Picard - ils vont prendre huit hauteurs du Soleil le matin et les huit correspondantes l'après-midi, ainsi que les seize directions du Soleil, en simultané. Ils en tireront huit tracés différents de méridiennes dont ils déduiront la méridienne de référence par où passera le centre de l'Observatoire[5] ;
• Dans l'Observatoire, au premier étage, Cassini prévoit un très grand cadran solaire. Seule sera tracée une méridienne (d'environ 32 m) avec l'aide de l'abbé Picard et de La Hire[48]. Elle sera tracée avant 1680, et le 1^er mai 1682, le Roi vint « y régler sa montre. »

Vue de la cour d'honneur de la Sorbonne, avec le cadran de Picard.

Il a aussi l'occasion de tracer « une grande quantité[49] » de cadrans solaires. Mais, seuls les cadrans de la Sorbonne peuvent lui être attribués aujourd'hui (2015). Le nouveau collège Plessis-Sorbonne, commencé en 1629, sera terminé par Charles Le Brun. En 1676, les membres de la Sorbonne décident qu'un « cadran solaire sera fait, selon le projet de D. Duval, architecte… ». En fait, « par le registre des Prieurs, on sait que c'est l'abbé Jean Picard, astronome, membre de l'Académie des Sciences, qui a dessiné en 1676, les trois cadrans… installés dans la cour d'honneur. En remerciement, la Société de la Sorbonne a fait don à Picard des quatre volumes in-folio des œuvres de Christophorus Clavius ».

Les trois cadrans datent donc de l'époque de Picard : le cadran principal sur la façade sud, est légèrement déclinant de l'après-midi, les deux autres sont disposés de part et d'autre sur les façades perpendiculaires. Les cadrans, toujours en place en 1876, sont restaurés par l'architecte Louis-Ernest Lheureux.

Une illustration de Pratique des grands cadrans.

Le cadran central, tel que l'on peut le voir aujourd'hui, est décoré et signé par le sculpteur Aubert, en 1876. En 1899, la Sorbonne est reconstruite, seul ce cadran, large de 1,4 m, est conservé et placé en haut de la nouvelle façade à 15 m du sol. Il diffère peu de celui de Picard, seule une courbe en huit y a été ajoutée. Sa devise « SICUT UMBRA DIES NOSTRI » - « Nos jours fuient comme l'ombre » est située au-dessus d'un bas-relief représentant Phébus conduisant le char du Soleil. Dans le bas, un autre bas-relief en bronze n'est pas sans rappeler le cul de lampe qui orne la dernière page de la Mesure de la Terre[50]. Des deux cadrans latéraux, il ne subsiste que le cadran de la façade ouest. Il se trouve actuellement à l'Observatoire de Nice, édifice en partie classé, en partie inscrit au titre des Monuments historiques. Le cadran fait partie des éléments protégés[N 20] ; il semble avoir été restauré récemment[51].

Jean Picard commence à rédiger, dès 1681, un opuscule sur la Gnomonique intitulé Pratique des grands cadrans qu'il ne terminera pas. Il sera publié après sa mort par La Hire. Delambre, dans son étude sur Picard, se contente de traiter l'ouvrage en deux paragraphes. Fidèle à lui-même, Picard y « établit d'abord que le calcul est préférable à toutes les constructions graphiques », et il s'appuie sur la trigonométrie sphérique pour traiter les problèmes qu'il se propose de résoudre[52].

Une illustration des Fragments de dioptrique.

Picard a ébauché un traité de dioptrique. Sa confrontation aux lunettes et à des instruments de mesure angulaire « avait dû naturellement diriger ses réflexions sur les propriétés optiques des lentilles, de leurs foyers et des axes optiques[53] ».

Cette ébauche est composée de 77 pages. Le sujet comporte quarante-neuf propositions qui concernent :

• la réfraction sur surface plane ou sphérique ;
• l'étude des lentilles à verre plan-convexe, double-convexe, plan-concave, double-concave, concave-convexe, avec les déviations des rayons lumineux s'y rapportant et la détermination des foyers correspondants ;
• l'étude de l'association de verres concaves et convexes ;
• l'incidence du milieu : air, eau ou combinaison des deux.

Ces fragments de dioptrique ont été lus depuis 1680 à l'Académie, mais édités seulement après sa mort et publiés en 1730[54].

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Collectif, Jean Picard et les débuts de l'astronomie de précision au XVII^e siècle : Actes du colloque du tricentenaire, Guy Picolet, CNRS, 1987 (ISBN 2-222-04104-X).
• J.-B. Delambre, Histoire de l'astronomie moderne, t. 2, Paris, Coursier, 1821+ (lire en ligne).
• Raymonde Barthalot, L'Observatoire de Paris : Histoire, Science, politique (1667 -1795) : L'École Européenne de Paris, Paris I-Panthéon-Sorbonne, Thèse, 1982 (lire en ligne), voir 2^e chap.
• Abbé Picard, La mesure de la Terre, Paris, 1671 (lire en ligne)
• Académie des sciences (France), Mémoires de l'Académie royale des sciences : depuis 1666 jusqu'à 1699, t. VII-I, Paris, 1729 (lire en ligne).
• Jean-Jacques Levallois, Mesurer la Terre : 300 ans de géodésie française, Paris, A.F.T., 1988, 389 p. (ISBN 2-907586-00-9)
• Jean Picard, Traité du nivellement, 1684 (lire en ligne)
• Le Monnier, Histoire céleste : recueil de toutes les observations astronomiques, t. 1, Paris, 1741 (lire en ligne).

• Histoire de la triangulation en France ; Méridienne (géodésie)

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