Questions to the experts

C'est une question à la fois très classique en astronomie, tout à fait fondamentale ... et un peu délicate !
Le problème est le suivant : par rapport à quoi repère-t-on le mouvement de rotation de la Terre ? En effet, définir une rotation suppose implicitement qu'on ait défini un cadre fixe par rapport auquel on tourne. Ainsi si vous tournez sur vous-même dans une pièce, vous repérez implicitement un "point fixe", un objet dans la pièce (une lampe, une porte...). Pour mesurer votre période de rotation, vous mesurez l'intervalle de temps séparant deux passages de cet objet devant vous.
Imaginez maintenant que cette pièce soit en fait posée sur un manège qui tourne, vous-même étant immobile à l'intérieur. Par rapport à la pièce, vous ne tournez pas, puisque les objets gardent la même position. Ce n'est que par rapport à
l'extérieur que vous tournez. Autrement dit la vitesse de rotation n'est pas absolue, elle dépend du cadre par rapport auquel vous vous référez.

Qu'en est-il de la Terre ? Pour définir la période de rotation de la Terre, on doit choisir un "objet extérieur", donc un astre et mesurer la période séparant le retour de cet astre à un même point du ciel en une journée (par exemple à la verticale du clocher de l'église voisine, ou plus abstraitement le passage le plus au sud ou "culmination"...).
L'astre le plus évident à choisir est le Soleil, dont la rotation apparente fixe le jour et la nuit : la durée du jour sera définie comme l'intervalle de temps entre deux passages du Soleil au sud (dans l'hémisphère Nord), soit deux "midis". En fait, pour des raisons que je ne développerai pas ici, cette durée n'est pas strictement constante au cours de l'année mais en moyenne elle vaut 24 heures = 1440 minutes = 86400 secondes : c'est le jour solaire "moyen" habituel.

Mais, au lieu du Soleil, on aurait pu choisir un astre encore plus lointain comme repère : une étoile, par exemple Sirius. Ainsi, au lieu de mesurer l'intervalle de temps séparant deux passages du Soleil au Sud, on peut mesurer l'intervalle de temps séparant deux passages de Sirius au Sud (la nuit). A première vue, ça ne devrait rien changer, comme dans la pièce le choix de l'objet de référence est indifférent. Mais un examen un peu plus approfondi montre en fait que la durée mesurée par les étoiles n'est pas la même que celle mesurée par le Soleil !
Ceci parce qu'au cours d'une rotation (une journée) la Terre a aussi tourné autour du Soleil dans son mouvement de révolution. Il y a DEUX mouvements de la Terre ! Il y a plusieurs manières de comprendre le problème, de toute façon plus facile à expliquer avec un dessin.

On peut se placer de l'extérieur en regardant la Terre tourner autour du Soleil (figure 1). Je vous conseille de réaliser un modèle à l'aide d'une rondelle de carton sur laquelle vous ferez une petite marque rouge au marqueur sur le bord. Cette marque rouge représente quelqu'un sur la Terre. On dessine aussi sur une feuille un rond central qui représente le Soleil, et une marque sur le bord de la feuille représentant une étoile.

En faisant tourner la rondelle autour du Soleil et en même temps sur elle-même, on s'aperçoit que la marque rouge ne peut pas se retrouver dans le même laps de temps en face du soleil et en face de l'étoile, à cause du décalage des positions apparentes au cours du mouvement. En faisant un tour complet, on s'aperçoit en fait que le Soleil est passé une fois de moins devant la marque que l'étoile (ou une fois de plus si les deux rotations ont lieu en sens contraire).
On peut aussi faire l'expérience en réalité en tournant autour d'une personne en même temps qu'on tourne sur soi-même. On verra aussi la personne passer devant soi une fois de moins qu'un objet de la pièce à l'extérieur du mouvement.

Conséquence : lorsque la Terre a fait un tour autour du Soleil, le Soleil est passé 365,25 fois au Sud mais une étoile sera passée 366,25, soit une fois de plus. La durée du "jour sidéral" est plus courte, de 23 h 56 minutes seulement. Vous avez fort judicieusement calculé que le retard atteignait 12 h au bout de 6 mois, et donc un jour complet de 24 h au bout d'un an ... ce qui est exactement ce qu'il faut pour donner un tour de plus !

Une autre façon de voir les choses est de les considérer à partir de la Terre. Le Soleil se "projette" sur le ciel à un moment donné de l'année dans une constellation, mais cette constellation n'est pas toujours la même, toujours à cause du mouvement de la Terre autour du Soleil. Ces constellations ne sont autres que celles du zodiaque utilisées par les astrologues (évidemment leur interprétation concernant les humains est considérée comme totalement farfelue par tous les astronomes, mais c'est un autre débat !) : Bélier, Taureau, etc ...
Comme le Soleil semble se déplacer en un an par rapport aux étoiles, on comprend bien qu'il ne met pas le même temps à revenir au sud qu'une étoile, le décalage étant de 4 min par jour. On retrouve encore qu'au bout d'un an, ou tout se remet dans la même position, les étoiles ont fait un tour de plus que le Soleil.

Pour des raisons là encore un peu subtiles, les physiciens considèrent que le repère lié aux étoiles est "meilleur", dans un certain sens plus "immobile" que celui lié au Soleil. Ainsi c'est par rapport aux étoiles, et non par rapport au Soleil, qu'un objet isolé tend à se déplacer en ligne droite. Donc la "vraie" période de rotation de la Terre est plutôt de 23 h 56 minutes, la durée de 24 h étant une combinaison de la vitesse de rotation sur elle même ET de la révolution autour du Soleil ... mais c'est celle qui nous importe le plus dans la vie courante !

[Ndlr] 

Nos ressources en lien avec ce sujet : La durée d'une journée est-elle toujours et partout la même ?