Détails sur les raisons, les conséquences et la mise en œuvre de la re-définition UAI 2012 de l'unité astronomique (au)

1- L'unité astronomique comme l'une des unités du système de constantes astronomiques

- Il est pratique pour les astronomes d'utiliser, pour certaines applications, les unités du système de constantes astronomiques, dans lequel l'unité de masse est la masse du Soleil, MS, l'unité de temps est le jour, D, de 86400 s du SI, et l'unité de longueur est l'unité astronomique de longueur (ou plus simplement '"unité astronomique").
- L'unité astronomique, unité couramment utilisée par les astronomes pour mesurer les distances, est approximativement égale à la distance moyenne Soleil-Terre.

2- L'ancienne définition de l'unité astronomique

- L'au était définie par une expression mathématique impliquant la masse du Soleil, la longueur du jour et un nombre fixe, choisi comme étant la valeur conventionelle d'une constante appelée "Constante gaussienne de la gravitation" et notée k.
- Plus précisement, l'au était "la longueur telle que la constante k prenne la valeur 0.017 202 098 95 quand les unités de mesure sont l'unité astronomique de longueur, de masse et de temps", ou de façon équivalente "le rayon d'une orbite Newtonienne non pertubée circulaire autour du Soleil d'une masse infinitésimale tournant à la vitesse angulaire de 0.017 202 098 95 radians par jour".
- L'usage de la constante k pour définir l'unité astronomique, qui est apparu de façon non officielle dès le début du 19ème siècle, est devenu officiel à partir de 1938.
- Le nombre fixe choisi pour k provenait de l'ancienne mesure du mouvement moyen de la Terre autour du Soleil par Gauss.
- En exprimant les distances en unités astronomiques, les astronomes surmontaient la difficulté des mesures de distance exprimées dans les unités de la physique (tel que le mètre).
- Cette définition a été utile pendant de nombreuses années, tant que les astronomes ne pouvaient mesurer les distances dans le système solaire avec une précision aussi bonne que les angles.

3- Problèmes rencontrés avec l'ancienne définition

- Du fait de la complexité de l'ancienne définition, il y a eu de nombreuses descriptions érronées de l'au et des explications fausses de ce que l'unité astronomique etait censée représenter.
- Avec l'ancienne définition, la valeur de l'au dans le Système international d'unités (SI) était déterminée par des observations dans le système solaire utilisant certains modèls, sa valeur était dépendante de la théorie du mouvement ainsi que des mesures utilisées.
- L'ancienne définition était basée sur des concepts Newtoniens, rendant très difficile son extension possible au cadre de la relativité générale, extension pourtant indispensable à l'astronomie dynamique moderne.
- La valeur en SI du paramètre de masse solaire (i.e. le produit GMS de la masse solaire, MS, par la constante de gravitation, G) devait être dérivée d'une formule mathématique et de la valeur de l'ua en mètres, ce qui ne permettait pas une détermination directe de la valeur de ce paramètre.
- La précision des mesures actuelles (i.e. avec une incertitude inférieure à quelques mètres pour une distance de 150 millions de kilomètres) rendait inutile la procédure décrite en 2).

4- La nouvelle définition (Résolution UAI 2012 B2)

- La Résolution UAI 2012 B2 définit l'unité astronomique comme une longueur conventionnelle représentée par un nombre fixe de mètres dans le SI.
- Cette longueur conventionnelle de 149 597 870 700 m exactement qui a été adoptée pour la nouvelle définition, a été choisie pour être cohérente avec la meilleure estimation de la valeur numérique correspondant à l'ancienne définition, qui est la valeur donné dans le system de constantes astronomiques UAI 2009.
- Cette définition de l'unité astronomique peut être utilisée avec toutes les métriques utilisées en relativité générale.

5- Avantages de la nouvelle définition

- Elle élimine les conflits possibles avec les unités du SI.
- Elle élimine la dépendance de cette unité aux théories du mouvement.
- Elle élimine la nécessité de conventions additionelles pour tenir compte de la relativité Générale.
- Elle rend plus facile à la détection de variations possibles de la masse du Soleil.

6- Conséquences du changement de définition pour les utilisateurs

- Le changement de définition de l'unité astronomique concerne les scientifiques et ingénieurs travaillant dans le domaine de la dynamique du système solaire de haute précision car cette unité ne doit plus être estimée par des observations comme c'était nécessaire avec l'ancienne définition; elle doit maintenant être utilisée simplement comme fixée par un nombre conventionnel de mètres.
- Cette nouvelle définition rend cette unité plus compréhensible pour les autres scientifiques, ingénieurs et développeurs de programmes.
- L'unité astronomique est aussi utilisée dans la définition d'autres unités de mesure de distances astronomiques à d'autres échelles, mais la différence relative entre l'ancienne et la nouvelle définition de l'au est si faible qu'elle ne devrait voir aucun effet pour la compréhension des distances des objets extérieurs au système solaire, étant donné la précision des mesures actuelles relatives à ces objets. Ce résultat provient du fait que la nouvelle définition a été choisie de telle sorte qu'elle corresponde au mieux avec l'ancienne définition.

7- Etapes suivies pour l'adoption de la nouvelle définition

- L'idée de fixer la longueur de l'au était débattue depuis plusieurs années et a é discuté lors de conférences internationales et au sein de groupes d'experts, principalement, depuis 2009, par le groupe de travail de l'UAI portant sur les stantards numériques en astronomie fondamentale.
- Il y a eu des objections de la part de quelques personnes considérant que ce changement serait difficile à implémenter dans les programmes d'éphémérides du système solaire, ou bien qu'il induirait des divergences avec la pratique précédente, ou encore parce que ces personnes étaient attachées à la définition historique. Mais après plusieurs années de discussion et la preuve concrète de la possibilité d'effectuer ce changement par les producteurs d'éphémérides du système solaire, il y eut l'unanimité sur la nécessité d'une re-définition.
- Un projet de résolution fut soumis à la communauté astronomique en septembre 2011 pendant les "Journées 2011 "Systèmes de référence" à Vienne, où il fut largement débattu menant à une meilleure formulation de la proposition.
- Ce projet révisé fut soumis au président de la Division 1 (Astronomie fondamentale) de l'Union astronomique internationale (D.D. McCarthy) et transmis aux commissions concernées appartenant à cette Division, d'où il a résulté quelques légères modifications dans la formulation. Des améliorations mineures ont été proposées durant la Joint Discussion 7 qui a eu lieu lors de l'assemblée générale de l'UAI, un jour avant la publication du texte de la Résolution dans le journal de l'AG et de sa soumission à l'AG.
- La Résolution UAI 2012 B2 a été votée à l'unanimité lors de la réunion finale de l'assemblée générale de l'UAI (30 Août) par les membres de l'UAI presents à cette AG.

Nicole Capitaine, Observatoire de Paris, 2012

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