Georges Ellery Hale (1868-1938)

Georges Ellery Halle (1868-1938) est né à Chicago. Son père William est un industriel fabriquant d’ascenseurs. De son union avec Mary Browne, naissent cinq enfants dont deux meurent en bas-âge. Georges l’ainé, fait ses études primaires au Beloit Collège dont son père, attaché aux valeurs de l’éducation, compte comme généreux donateur. Georges soutenu dans ses études est un élève curieux qui s’intéresse particulièrement aux disciplines scientifiques et techniques. De son côté, sa mère lui donne le goût de la lecture, à travers la poésie ou des œuvres plus classiques. Le jeune Georges transforme sa chambre en un véritable petit atelier-laboratoire. Par exemple, il reçoit en cadeau de Noël, un tour avec lequel il réalise diverses pièces et instruments. On lui offre également un microscope qui le conduit à faire des cultures de micro-organismes comme les infusiora ou les rotifera pour les observer et bientôt les photographier avec un appareil que lui offre encore son père. Avide de découvertes, il entreprend la réalisation d’un télescope, mais l’unique lentille qu’il utilise donne de mauvais résultats et Georges est déçu. A cette époque, il entre en relation avec Sherburne. W. Burham, un astronome indépendant à qui l’on doit la découverte de quatre cent cinquante étoiles doubles. Cet initiateur est une aubaine pour le jeune Georges. Burnham deviendra par la suite professeur d’astronomie pratique à l’observatoire de Yerkes. Il recevra la médaille d’or de la Royal Astronomical Society ainsi que le prix Lalande. Le père de Georges, pour le récompenser d’une bonne année scolaire, se fait conseiller par Burnham pour l’achat d’un instrument. Georges n’a que quatorze ans lorsqu’il reçoit une lunette Alvan Clark. Dés lors, il se passionne pour l’astronomie et prend ses premières astrophotographies lors d’une éclipse partielle de Soleil. Il devient un fervent admirateur de Norman Lockyer, William Huggins ou de Charles Auguste Young, tous pionniers de cette science émergeante qu’était alors l’astrophysique. Georges fabrique un spectroscope avec lequel il peut voir les raies spectrales du Soleil. Dés lors, son avenir est tracé.

A dix sept ans, Georges aménage un laboratoire plus spacieux dans la maison que vient de faire bâtir son père. Il étudie les travaux des physiciens Ernest Rutherford et de Henry A.Rowland. Après un séjour à Oakland Public School de Chicago, Georges entre à la Allen Academy, où le directeur reconnaissant ses compétences lui proposé un poste non officiel d’assistant qui lui permet d’accéder au laboratoire de physique.

Georges continue ses études au « M.I.T» où il passe quatre années à étudier la chimie la physique et les mathématiques. Il occupe le peu de temps libre qui lui reste à l’observatoire de Harvard où Edward Pickering l’a accepté en tant qu’assistant volontaire.

Il fréquente assidument la bibliothèque du Harvard Collège. Un jour, alors qu’il a l’occasion d’observer des protubérances solaires avec le télescope de Charles A. Young, il entreprend de mettre au point un appareil pour pouvoir les photographier. Les premiers résultats furent décevants, en raison d’imperfections optiques ou mécaniques, mais il ne faisait plus aucun doute que son principe et sa méthode étaient bons. Ci-dessus, un croquis explicatif réalisé par Hale vers 1898. Jusqu’alors, on ne pouvait fixer les protubérances solaire sur des plaques photographiques qu’à l’occasion des éclipses, ce qui rendait l’exercice rare et coûteux. Il fallait, en effet, déplacer matériel et personnel, parfois à de grandes distances. Georges Ellery Hale découvre qu'en prenant une image des protubérances solaires sur un plaque sensible, dans la longueur d'onde des raies de l'hydrogène (H alpha) ou du calcium (Ca I), il parvenait non seulement à en tirer une image visuelle, mais aussi à les photographier en dehors d'une éclipse. Pour cela, il devait remplacer l'oculaire du spectroscope par une seconde fente, au travers de laquelle la lumière rouge de la raie H alpha et violette du calcium ionisé, formaient une image sur la plaque photographique. Le montage reposait sur un principe de balayage synchronisé de l’image du Soleil, devant la fente d’entrée du spectroscope et la plaque photographique recevant l’image à la sortie de la deuxième fente. L’ensemble de ce montage demandait une extrême précision mécanique. Quand à l’élimination de la partie brillante du disque solaire, il suffisait d’y interposer un écran métallique circulaire. Le père de Georges, convaincu par les premières recherches de son fils, n’hésite pas à lui proposer de financer la construction d’un télescope de taille suffisante pour pouvoir recevoir un spectrohéliographe et l’achat d’une lunette de 36 cm de diamètre. En 1893, il lui fait construire, à proximité de la demeure familiale de Chicago, un observatoire (ci-dessus à droite) qui devint le Kenwood Astrophysical Observatory doté d’un dôme et comprenant également un atelier et une bibliothèque.

En 1890, Georges avait obtenu son doctorat au M.I.T et épousé Éveline Conlie. A Kenwood, il put enfin mettre place l’instrument qu’il avait conçu. Pour l’aider, il engage un assistant, Ferdinand Ellerman qu’il retrouvera plus tard au Mont Wilson. Ses travaux sont publiés dans un journal qu’il crée: Astronomy and astrophysic, qui devient, en 1895, le Astrophysical Journal. En 1897, il fonde, pour l’université de Chicago, un observatoire à Yerkes. Il y installe son matériel et lance la fabrication d’un réflecteur de quarante pouces. Durant la période qu’il a passée dans son observatoire solaire de Kenwood, Il a perfectionné ses méthodes et réalisé pas moins de trois mille spectrohéliogrammes.

Hale se rend en Europe en 1893, et lie des connaissances dans la communauté des astrophysiciens. Sa santé fragile lui impose de cesser ses activités à plusieurs reprises, mais déterminé, ambitieux et persuasif, il entre en contact avec de riches industriels et parvient, entre autres, à convaincre le riche homme d'affaire Andrew Carnegie (ci-contre) de l’aider à financer ses projets. Ainsi Hale prend une part prépondérante dans la création du California Institute of Technologie et à la mise en place de l’observatoire astronomique du Mont Wilson. Après avoir observé deux grandes éruptions solaires, il découvre quelques dizaines d’heures plus tard, d'importants orages magnétiques.

Son analyse de certaines raies spectrales révèle la présence de perturbations dont le physicien néerlandais Peter Zeeman venait de découvrir qu’elles affectaient les raies des éléments soumis à de forts champs magnétiques (figure ci-contre à droite). Hale put déduire que les taches solaires étaient le lieu d’importants champs magnétiques. Il étudia en détail l’activité solaire durant de nombreuses années et remarqua que les plus grandes taches solaires apparaissaient souvent sous forme de paires rapprochées et approximativement alignées dans la direction de la rotation du Soleil, ce qui le conduit à faire une autre découverte. Des relevés de taches solaires effectués sur de longues périodes, ont permis de compiler sur le diagramme ci-dessous les positions des taches solaires apparues depuis une longue période.

On remarque effectivement qu’une telle symétrie entre les positions et la période n’est pas, comme l’a montré Hale, le fait d’un hasard mais répond bien à une loi. Des croquis comme celui ci-après, réalisés méthodiquement par Hale l’aidèrent probablement à remarquer la périodicité et la symétrie relative aux taches solaires. Mais Hale et ses collaborateurs découvrirent en outre que les polarités des paires sont toujours opposées et presque toujours ordonnées de la même manière. L'ordre des polarités est inversé d'un hémisphère à l'autre et les polarités s'inversent d'un cycle à l'autre. Les analyses de Hale montrent que la polarité de l'intense champ magnétique du Soleil s'inverse tous les onze ans (durée identique aux cycles de Schwabe). Un cycle magnétique complet, appelé Cycle de Hale, a donc lieu en vingt deux ans et se manifeste par l'apparition de taches.

L’image ci-dessous montre deux spectro-héliogrammes obtenus par Hale à l’observatoire du Mont Wilson le 30 juillet 1906. Celle de gauche présente deux taches visibles en lumière blanche et l’autre est prise dans la longueur d’onde du Calcium, où les zones claire représentent les températures les plus élevées.

En 1928, la Rockfeller Foundation accorde six millions de dollars au California Institute of Technology, pour la construction d'un télescope géant de cinq mètres d'ouverture. Hale ne vivra pas assez longtemps pour voir la réalisation de ce gigantesque instrument dont il fut l'instigateur. Débordé par le travail et sujet à des dépressions épisodiques, en 1923, au sommet de sa carrière, Hale abandonne son poste de directeur à l‘observatoire du Mont Wilson et l'année suivante, il se retire de la vie scientifique publique, bien qu’il continue ses travaux en Californie.

Hale s’était fait construire à proximité de Passadena, un observatoire équipé d’un télescope solaire. Il y avait également installé un bureau et une bibliothèque. Il y connut ses dernières séances d’observation du Soleil, qui continuait de le fasciner autant qu’à ses débuts. Il est ici difficile de résumer l’ensemble de sa contribution, en effet, ses découvertes fondamentales sont peut-être encore moins importantes que ses réalisations, qui permirent à l’astrophysique de disposer de lieux pour pouvoir se développer. Entre 1894 et 1935, il recevra pléthore de prix ou médailles dont la médaille d’or de la Royal Astronomical Society, les médailles Bruce, Janssen, Draper, Galileo, Copley, Franklin... On pourra enfin noter qu’au Mont Wilson, il avait recruté deux jeunes diplômés, Harlow Shapley et Edwin Hubble qui deviendront de grandes figures de l’astrophysique que j’aurai l’occasion d’évoquer dans les pages qui suivent.