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C'est
en reprenant les travaux de Schiaparelli et de Lowell qu'Antoniadi aborda la question des hypothétiques canaux martiens. Il commença à mettre en doute leur existence dès ses premières observations en 1894 et 1895, notamment lorsque Maunder, astronome à l'Observatoire de Greenwich, émit l'idée qu'ils pourraient «être la somme d'une complexité de détails». Cerulli, à Milan évoqua lui aussi la possibilité d'une illusion d'optique.
C'est en 1909, lorsqu'il obtint l'autorisation d'observer pour la première fois à la grande lunette de 83 cm de Meudon, qu'Antoniadi fit des observations décisives. Mars était alors en opposition périhélique, position particulièrement favorable pour les observations. La toute première observation d'Antoniadi à Meudon, le 20 septembre 1909, fut la meilleure qu'il ait jamais faite et lui permit de distinguer des détails jusque là invisibles. Non content d'observer la planète, il la dessina à l'aide de plusieurs techniques (aérographies, pastels, crayons,..) et ses doutes se transformèrent en certitudes. Il se rallia ainsi à l'idée de Maunder et réfuta la théorie des canaux martiens.
Antoniadi pensait pouvoir trouver des traces de végétation sur Mars et l'observa très souvent à la Grande Lunette.
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