L’heure donnée par les cadrans solaires est imprécise, notamment parce que l’orbite de la Terre autour du Soleil est une ellipse. La Terre se déplace plus vite lorsqu’elle est proche du Soleil que lorsqu’elle en est éloignée : l’intervalle de temps entre deux passages successifs du Soleil au méridien d’un lieu – ou jour solaire – varie donc au cours de l’année, ce qui n’est pas le cas de l’intervalle de temps entre deux passages successifs d’une étoile au méridien – ou jour sidéral. Dès que les astronomes disposèrent d’horloges qui pouvaient garder le temps avec une bonne précision, ils « fabriquèrent » l’heure en observant des étoiles de repère, dont la position est connue.

L’astronome repère le passage d’un astre dans le plan méridien et en note l’instant grâce à l’horloge (méthode « œil et oreille »). L’assistant lit sur le cercle gradué, à l’aide d’un microscope, la hauteur de cet astre au-dessus de l’horizon. A partir de ces deux quantités, ils calculent ses coordonnées et leur comparaison avec celles répertoriées dans un catalogue d’étoiles (ou dans les éphémérides s’il s’agit de la Lune ou du Soleil) permet de connaître la « marche » de l’horloge garde-temps. Il est alors possible d’obtenir l’équation de « correction » de l’horloge et donc de « fabriquer » le temps.

Inventé aux Etats-Unis au début des années 1870, le chronographe astronomique est rapidement utilisé en Grande-Bretagne puis dans le reste de l’Europe. Il se compose d’un cylindre enregistreur recouvert de papier, auquel un mécanisme d’horlogerie transmet un mouvement de rotation uniforme. Relié électriquement à l’horloge d’un cercle méridien, il enregistre à l’aide d’une plume les intervalles de temps correspondant aux battements du pendule.

Il permet également le report sur le papier d’instants déterminés par l’observateur : au lieu de regarder le cadran de l’horloge et d’écouter l’aiguille des secondes pour noter l’instant de passage d’un astre au méridien (« méthode œil et oreille »), l’astronome garde l’œil rivé à l’oculaire et active manuellement un « toppeur ». Sa tâche est ainsi facilitée et la détermination de l’instant du passage gagne en précision. Le chronographe peut aussi enregistrer la marche des régulateurs astronomiques. Les générations successives de chronographes, de technologies différentes, ont permis d’augmenter considérablement la précision des observations.

D’après un texte extrait de : Le Guet Tully (Françoise), Davoigneau (Jean). L’inventaire et le patrimoine de l’astronomie [...] In Situ, revue des patrimoines [en ligne], 2005, n° 6, galerie d’images. Accès Internet : http://www.culture.gouv.fr/culture/revue-inv/PJ/n7-d17/index.html

L’instrument méridien est constitué d’une lunette astronomique dont l’axe de rotation est horizontal et perpendiculaire à l’axe optique. Cet axe de rotation traverse la lunette en son milieu et repose à chacune de ses extrémités, terminées par des tourillons coniques, sur des coussinets fixes. Il est dirigé suivant la ligne est-ouest. L’axe de rotation ainsi défini est invariable et l’axe optique de la lunette est donc disposé dans le plan méridien.

Cependant aucun instrument n’est parfait ni dans sa construction, ni dans son positionnement. Il est donc important de connaître les écarts à l’idéal – dénommés constantes instrumentales – afin de « réduire » les observations brutes effectuées avec l’instrument en vue d’obtenir des mesures corrigées de ces écarts.

L’instrument souffre de trois types d’erreurs instrumentales :

- le défaut de perpendicularité de l’axe optique de la lunette par rapport à l’axe est-ouest constitue l’erreur de collimation ;

- le défaut d’horizontalité de l’axe de rotation de la lunette (axe est-ouest des tourillons) constitue l’erreur d’inclinaison ;

- le défaut d’alignement dans le plan est-ouest constitue l’erreur d’azimut.

L’estimation des erreurs instrumentales s’obtient par diverses méthodes nécessitant l’emploi d’accessoires :

- des visées nadirales avec réflexions sur un bain de mercure (IM25001816), puis de nouvelles visées après retournement de l’instrument permettent de connaître l’erreur de collimation et d’inclinaison ;

- des mesures à l’aide de deux collimateurs est et ouest placés dans l’axe des tourillons permettent également de connaître l’erreur de collimation ;

- un niveau à bulle à enjambement (IM25001814) posé sur l’axe des tourillons permet de mesurer l’erreur d’inclinaison ;

- des visées à l’aide de collimateurs (IM25001822) sur des mires fixes (IM25001821) placées dans le plan méridien de l’instrument permettent d’estimer l’erreur d’azimut.

La mire est un signal constitué d’un dispositif optique placé sur un édicule fixe (par glissement sémantique le terme de mire désigne également l’édicule). En visant ce signal, on détermine une direction. Une seule mire méridienne suffit pour estimer l’erreur d’azimut d’un cercle méridien si l’on renouvelle les visées après retournement de l’appareil (avec un chariot de retournement : IM25001815). Cependant l’installation de deux mires, l’une au sud et l’autre au nord de l’instrument, dispense d’effectuer ces manipulations.

Grâce à l’existence des mires nord et sud, on peut également contrôler la stabilité des mires elles-mêmes. Celles-ci peuvent être proches (entre 30 et 100 mètres, ce qui est le cas à Besançon) ou lointaines (plusieurs kilomètres) : ainsi le cercle méridien Brunner de l’observatoire de Nice était pourvu d’une mire sud située à 67 m et d’une mire nord située à 6,5 km sur le Mont Macaron.

Les premiers travaux effectués à l’aide du cercle méridien consistèrent à étudier les erreurs de division des cercles gradués. L’étude, qui dura de 1885 à 1888, fut ensuite reprise en 1922. Les mires nord et sud (IM25001821), installées en 1888, sont complétées en 1894 par des collimateurs (IM25001822) qui, tout d’abord placés à l’extérieur du bâtiment, sont déplacés à l’intérieur de la salle méridienne en 1900.

Quant aux études portant sur les erreurs de flexion de l’instrument faites à l’aide d’un instrument spécifique (IM25001813) imaginé par Maurice Loewy, directeur de l’observatoire de Paris et construit par Paul Gautier, elles furent menées jusqu’en 1922.