Ce qu'il faut savoir sur la lune

On appelle lune tout satellite naturel d'une planète, mais la Lune, avec un L majuscule, désigne le seul satellite naturel de la Terre. Par sa visibilité et ses excentricités, la Lune a toujours constitué un sujet d'intérêt pour les humains. Avec la Terre, elle est le seul astre que l'Homme a pu explorer en personne.

Caractéristiques physiques

La distance moyenne entre la Lune et la Terre est de 384 403 km. Le diamètre de la Lune est de 3 476 km. On peut considérer la Terre et la Lune comme une planète double, l'influence gravitationnelle du Soleil étant comparable à leur interaction mutuelle. Elles tournent autour de leur centre de masse commun, le barycentre du système double. Comme ce dernier se trouve à l'intérieur de la Terre, à environ 4 700 kilomètres de son centre, le mouvement de la Terre est généralement décrit comme une « oscillation ». Vues de leur pôle Nord, la Terre et la Lune tournent sur elles-mêmes, la Lune tourne autour de la Terre et cette dernière tourne autour du Soleil, tous ces mouvements s'effectuant dans le sens anti-horaire (contraire à celui des aiguilles d'une montre).

La période de rotation de la Lune est la même que sa période orbitale et elle présente donc toujours la même face à un observateur terrestre. Cette rotation synchrone résulte des frottements qu'a entraînés la marée de la Terre sur la Lune qui ont progressivement amené la Lune à ralentir sa rotation sur elle-même, jusqu'à ce que la période de ce mouvement coïncide avec celle de la révolution de la Lune autour de la Terre. De la même manière, la rotation de la Terre continue de ralentir pour correspondre à la période orbitale de la Lune et la durée du jour allonge d'environ 15 µs par an. Le moment cinétique devant se conserver, la Lune s'éloigne de la Terre de 3,8 cm par année.

Les points où l'orbite de la Lune croise l'écliptique s'appellent les « nœuds » lunaires : le septentrional (ou ascendant) est celui où la Lune passe vers le nord de l'écliptique et le méridional (ou descendant) est celui où elle passe vers le sud.

Les variations de l'inclinaison du plan de l'orbite lunaire et de l'inclinaison de son axe de rotation listées dans le tableau peuvent sembler étranges, mais c'est un simple problème de référentiel. Normalement, ces inclinaisons sont mesurées par rapport au plan équatorial de la primaire et au plan orbital du satellite, respectivement ; dans le cas de la Lune, cela donne un résultat variable car la Lune est physiquement liée au plan orbital terrestre plus qu'aux plans susmentionnés.

Le plan de l'orbite lunaire maintient une inclinaison de 5,145 396º par rapport à l'écliptique (le plan orbital de la Terre), tandis que l'axe de rotation lunaire est incliné de 1,5424º par rapport à la normale à ce même plan. Le plan précesse rapidement (i.e. son intersection avec l'écliptique tourne dans le sens horaire), en 6793,5 jours (18,5996 années), à cause de l'influence gravitationnelle du Soleil et, dans une moindre mesure, du bourrelet équatorial de la Terre. L'équateur terrestre est lui-même incliné de 23,45º par rapport à l'écliptique, donc, au cours de cette période, l'inclinaison du plan orbital lunaire par rapport à l'équateur terrestre varie entre 28,60º (23,45º+5,15º) et 18,30º (23,45º-5,15º). Simultanément, l'axe de rotation lunaire voit son inclinaison par rapport à son plan orbital varier entre 6,69º (5,15º+1,54º) et 3,61º (5,15º-1,54º). Par contrecoup du premier mouvement, l'inclinaison de la Terre varie de 0,002 56º de part et d'autre de sa valeur moyenne, ce qu'on appelle la nutation.

Composition

Il y a plus de 4,5 milliards d'années, la surface de la Lune était un océan de magma liquide. Les scientifiques pensent qu'un des types de roches lunaires, le norite KREEP, (KREEP pour K-potassium, Rare Earth Elements [terres rares], P-phosphore) représente le dernier reste chimique de cet océan de magma. Le norite KREEP est en effet composé d'éléments que l'on désigne par le terme « d'éléments incompatibles » : ce sont les éléments incapables de cristalliser et qui restent à la surface du magma. Pour les chercheurs, les norites KREEP sont des marqueurs commodes, utiles pour mieux connaître l'histoire de la croûte lunaire, que ce soit son activité magmatique ou ses multiples collisions avec des comètes et d'autres corps célestes.
La croûte lunaire est composée d'une grande variété d'éléments : uranium, thorium, potassium, oxygène, silicium, magnésium, fer, titane, calcium, aluminium et hydrogène. Chaque élément émet dans l'espace un rayonnement qui lui est propre sous forme de rayons gamma, suite au bombardement par les rayons cosmiques. Quelques éléments sont radioactifs (uranium, thorium et potassium) et émettent leurs propres rayons gamma. Cependant, quelles que soient les origines de ces rayonnements gamma, chaque élément a un rayonnement unique, que l'on appelle une « signature spectrale unique », discernable par un spectromètre. Une carte globale décrivant l'abondance des éléments primaires sur la surface lunaire n'a encore jamais été effectuée.

Comparé à celui de la Terre, la Lune a un champ magnétique très faible. Bien que l'on pense qu'une partie du magnétisme de la Lune est intrinsèque (comme pour une bande de la croûte lunaire appelé Rima Sirsalis), la collision avec d'autres corps célestes pourrait avoir donné certaines des propriétés magnétiques de la Lune. En effet, une vieille question en science planétaire est de savoir si un corps du système solaire privé d'atmosphère, tel que la Lune, peut obtenir du magnétisme suite à des impacts de comètes et d'astéroïdes. Des mesures magnétiques peuvent également fournir des informations sur la taille et la conductivité électrique du noyau lunaire, données qui aident les scientifiques à mieux comprendre les origines de la Lune. Par exemple, si le noyau contient plus d'éléments magnétiques (tels que le fer) que ce qui existe sur la Terre, l'hypothèse de l'impact perd de la crédibilité.

La croûte lunaire est recouverte d'une couche poussiéreuse appelée régolithe. La croûte et le régolithe sont inégalement répartis sur la Lune. L'épaisseur de régolithe varie de 3 à 5 mètres dans les mers, jusqu'à 10 à 20 mètres sur les hauts plateaux. La croûte s'étend sur une profondeur de 60 kilomètres sur la face visible, jusqu'à 100 kilomètres sur la face cachée. Les scientifiques pensent qu'une telle asymétrie de l'épaisseur de la croûte lunaire pourrait expliquer pourquoi le centre de masse de la Lune est excentré. De même cela pourrait expliquer les différences du terrain lunaire, comme la prédominance des roches lisses (Maria) sur la face visible.

La Lune a une atmosphère très ténue. Une des sources de cette atmosphère est le dégazage, c'est-à-dire le dégagement de gaz, par exemple le radon, en provenance des profondeurs de la Lune. Une autre source importante est le gaz amené par le vent solaire, qui est brièvement capturé par la gravité lunaire.

De l'eau sur la Lune ?

A priori, la quasi absence d'atmosphère et une température supérieure à 100°C au Soleil rend impossible la présence d'eau sur la Lune. Pourtant, les données recueillies par les sondes Clementine et Lunar Prospector à la fin des années 1990 montrent la présence de grandes zones riches en hydrogène, aux pôles sud et nord. Or l'hydrogène est un des constituants de l'eau avec l'oxygène. À la fin de sa mission, la sonde Lunar Prospector a même été précipitée dans le fond d'un cratère censé contenir de la glace d'eau. On pensait que l'écrasement dégagerait de la vapeur d'eau, détectable par les télescopes terrestres, apportant ainsi une preuve supplémentaire de la présence d'eau sur la Lune. Mais aucune molécule d'eau n'a été détectée pendant l'impact. Cependant, la probabilité d'en voir était très faible : la sonde étant petite, l'énergie dégagée lors de l'impact n'était pas forcément suffisante pour vaporiser de l'eau.

Mais d'où pourrait venir cette eau ? L'hypothèse actuellement la plus populaire propose une origine cométaire à l'eau lunaire. Les comètes, de grosses boules de neige sale, en percutant la Lune il y a plusieurs milliards d'années, se seraient vaporisées, créant ainsi une atmosphère provisoire. La vapeur d'eau contenue dans cette atmosphère se serait condensée puis aurait givré sur le sol. La glace située au fond des cratères du pôle sud aurait pu se conserver pendant deux milliards d'années, le fond de ces cratères n'étant jamais exposé aux rayons du soleil (en raison de l'inclinaison très légère de l'axe de la Lune par rapport à l'écliptique, 1,5424°). De même au pôle nord, où l'eau glacée serait protégée par une couche de régolithe de 40 cm d'épaisseur.

Les scientifiques estiment le volume d'eau présent sur la Lune à un milliard de mètres cubes, une quantité suffisante pour rendre son exploitation intéressante par d'éventuels explorateurs. De l'hydrogène et de l'oxygène pourraient en être extraits par des stations alimentées par panneaux solaires ou par énergie nucléaire. Cela rendrait possible une colonisation permanente de la Lune. L'oxygène est en effet indispensable pour que les colons puissent respirer, et l'hydrogène est un carburant pour les fusées. Or transporter régulièrement de l'hydrogène et de l'oxygène depuis la Terre aurait un coût prohibitif.

Géographie lunaire

La surface de la Lune n'est pas uniforme. Très rapidement, du fait de la relative facilité d'observation, les hommes purent distinguer de grandes taches sombres qu'ils prirent pour l'équivalent de leurs océans terrestres et leur donnèrent le nom latin de mare. En réalité, ces étendues sont constituées de basalte, d'origine volcanique, et sont très inégalement réparties sur la surface lunaire, leur grande majorité se situant sur la face visible, la face cachée n'en ayant que quelques-unes de taille beaucoup plus réduite. Le reste de la surface lunaire est constitué par de grands plateaux recouverts de régolithe, beaucoup plus réfléchissante que le basalte. Autre relief ponctuant la géographie lunaire, les multiples cirques et cratères, créés par les impacts de météorites de taille diverse.

La formation de la Lune

L'origine de la Lune est au cœur d'un débat scientifique disputé. Plusieurs hypothèses sont évoquées, la capture d'un astéroïde, la fission d'une partie de la terre par l'énergie centrifuge, la co-accrétion de la matière originelle du système solaire. Étant donné l'inclinaison de l'orbite lunaire, il est peu probable que la Lune se soit formée en même temps que la Terre, ou que celle-ci ait capturé la Lune.

L'hypothèse la mieux acceptée est celle de l'impact géant : une collision entre la jeune Terre et un objet de la taille de Mars aurait éjecté de la matière autour de la Terre, qui aurait fini par former la Lune que nous connaissons aujourd'hui. De nouvelles simulations publiées en août 2001 soutiennent cette hypothèse. Cet impact est daté à 42 millions d'années après la naissance du système solaire, soit il y a 4,526 milliards d'années.

Elle est aussi corroborée par la comparaison entre la composition de la Lune et celle de la Terre : on y retrouve les mêmes minéraux, mais dans des proportions différentes. Ce sont les substances les plus légères qui auraient été éjectées le plus facilement de la Terre lors de l'impact et que l'on retrouve en plus grande quantité sur la Lune. Le principal élément qui confirme cela est le 54Fe, en effet, cet isotope du fer est bien présent sur Mars dans les même proportions que le 57Fe, mais sur la Terre et la Lune, il existe en quantité très faible. Seulement, pour qu'il puisse s'évaporer, il faut qu'il soit chauffé à plus de 2 000 °C pendant un temps important. La principale thèse pour expliquer cet échauffement est la collision Terre/Lune.

À l'exception de Mercure et Vénus, toutes les planètes du système solaire possèdent des satellites naturels qualifiés de lunes. Jupiter et Saturne, en revanche, en possèdent respectivement 63 et 48 de tailles et formes très variées. Dans les années 1970, on connaissait 32 lunes dans le système solaire, on en distingue aujourd'hui plus de 140.

La Lune vue de la Terre

Avec une magnitude de -12,6 pendant la pleine lune, la Lune est l'astre le plus visible dans le ciel de la Terre, après le Soleil. Cette luminosité et sa proximité la rendent facilement observable, même à l'œil nu. Une simple paire de jumelles permet de distinguer les mers et les plus gros cratères. De plus, de nombreux phénomènes observables, liés à son orbite caractéristique, la distinguent des autres astres. Par contre, un effet reste purement psychologique : l'apparente plus grande taille du Soleil et de la Lune quand ils sont près de l'horizon. La plus grande distance et la réfraction atmosphérique rendent en fait l'image de la Lune légèrement aplatie quand elle est près de l'horizon. On suppose que pendant l'évolution de l'appareil cognitif, les jugements de taille pour les objets aériens n'étaient pas importants, ils sont donc restés imprécis.

Les phases

Du fait de sa rotation synchrone, la Lune présente toujours quasiment la même partie de sa surface vue de la Terre : la face dite visible. Mais la moitié de la sphère éclairée par le soleil varie au cours des 29,5 jours d'un cycle synodique, et donc la portion éclairée de la face visible aussi. Ce phénomène donne naissance à ce que l'on appelle les phases lunaires, qui se succèdent au cours d'un cycle appelé lunaison.

Les librations de la Lune

La Lune présentant toujours le même hémisphère à la Terre (sa rotation étant synchrone, c’est-à-dire sa période de révolution étant égale à sa période de rotation), on appelle librations les phénomènes permettant à un observateur à la surface de la Terre de voir plus de 50 % de la surface de la Lune. :

Ces phénomènes peuvent prendre 4 formes : les librations en longitude, les librations en latitude, les librations parallactiques et les librations physiques.

Si la Lune tournait autour de la Terre en un cercle parfait (ellipse d’excentricité nulle), sa vitesse de translation serait uniforme (2e loi de Kepler) et donc toujours strictement opposée, en terme de vitesse angulaire observée depuis la Terre, à sa vitesse de rotation. Il n’y aurait donc pas de librations en longitude. Toutefois, les perturbations gravitationnelles dues aux autres corps du système solaire, ainsi qu’aux hétérogénéités de répartition de masse au sein des corps terrestres et lunaires entraînent des irrégularités dans le mouvement de révolution géocentrique lunaire, qui se traduit par une orbite dont l’excentricité varie autour d’une valeur moyenne de 0,0549.
La Lune parcourt donc son orbite avec une vitesse variable (2e loi de Kepler). Ainsi, quand elle se rapproche de son périgée (point de son orbite le plus proche de la terre), elle met moins de temps pour parcourir un quart de son orbite que pour pivoter de 90° sur son axe : la Lune laisse alors voir une mince bande supplémentaire de son bord Est (vu de la Terre).
À l’inverse, lorsque qu’elle se rapproche de son apogée (point de son orbite le plus éloigné de la Terre), sa vitesse de translation, minimale, devient inférieure à sa vitesse de rotation, et la Lune laisse voir plus largement son bord Ouest (vu de la Terre). De façon imagée, la Lune semble dire « non » de la tête. La valeur de la libration en longitude se situe autour de 7°54’ (donc un total de deux fuseaux d'un peu moins de 8° chacun au cours d'une lunaison).

La libration en latitude est due au fait que l’axe de rotation de la lune n’est pas perpendiculaire au plan de son orbite : la lune conserve cet angle de 6,7° tout au long de sa course orbitale. L’observateur peut donc successivement observer, au cours de plusieurs lunaisons, les zones polaires Nord et Sud du globe lunaire. De façon imagée, la Lune semble faire « oui » de la tête.

Librations parallactiques ( parallaxe diurne )

Il s’agit d’un phénomène purement optique, dû aux positions respectives de la Lune et de l’observateur à la surface du sol.
En début de nuit, alors que la Lune se lève pour un observateur situé à l'équateur, celui-ci est plus favorablement positionné pour observer le bord oriental de la Lune. À l’inverse, en fin de nuit, il peut observer plus favorablement le bord Ouest de la Lune.
Cette parallaxe, d'une valeur d'environ 1°, est très difficile à exploiter en pratique : en effet, c’est lorsque leur effet géométrique est maximal (lever et coucher de lune) que l’observation est rendue plus difficile, en raison de la lumière de l’aube et du crépuscule, et de l’épaisseur plus importante de l’atmosphère terrestre à travers de laquelle se fait l’observation.

Librations physiques

Il s’agit cette fois de véritables vibrations physiques de la sphère lunaire autour de sa position moyenne. Ces infimes vibrations (pas plus de quelques minutes d’arc) sont causées par l’attraction variable de la Terre sur la Lune, et ne sont pas perceptibles à l’œil nu. L’étude de ces oscillations sont de la plus haute importance pour la détermination de la forme et de la structure interne de la lune.

L’ensemble de ces phénomènes de libration au cours de lunaisons successives permet d’observer environ 59 % de la surface lunaire depuis la surface terrestre. Il faut noter toutefois que les zones supplémentaires ainsi offertes à l’observation sont très déformées par l’effet de perspective, et rendent difficile l’observation de ces régions depuis le sol. Seules les sondes automatiques, par un survol régulier, en permettent l’étude topologique précise.

Les éclipses solaires et lunaires

Par une coïncidence extraordinaire, vue de la Terre, la taille apparente de la Lune est presque exactement identique à celle du Soleil, si bien que deux sortes d'éclipse solaire sont possibles selon l'éloignement de la Lune : annulaire et totale. Les éclipses ne se produisent que rarement puisque le plan de la trajectoire de la Lune autour de la Terre est différent du plan de la trajectoire de la Terre autour du Soleil. Elles ont lieu uniquement quand un nœud coïncide avec la nouvelle lune. Celle-ci couvre alors le Soleil, en tout ou en partie. La couronne solaire devient visible à l'œil nu lors d'une éclipse totale.

Influence gravitationnelle de la Lune sur la Terre

Parmi les influences les plus connues, des plus réelles aux plus romantiques, citons :

La marée, le mouvement de révolution de la Lune autour de la Terre induit un effet gravitationnel différentiel (par rapport à l'effet gravitationnel Lune-Terre, vu du centre de la Terre) sur les eaux qui constituent les océans et les mers, provoquant une hausse locale du niveau d'eau à la surface de la Terre, approximativement dans la direction Terre-Lune, et dans la direction opposée. Cet effet différentiel est supérieur à celui dû au Soleil, même si sur Terre le champ de gravitation du Soleil est supérieur à celui de la Lune. L'onde de marée est en retard par rapport au mouvement de la Lune du fait de son frottement sur les fonds marins ; il s'ensuit un lent ralentissement du mouvement de rotation de la Terre, et un très lent éloignement de la Lune.
Les vents, l'air étant lui aussi un fluide, il subit lui aussi de grosses influences de la part de cet objet céleste très proche.
L'activité sismique, le magma du manteau, présent sous la croûte terrestre solide, subit lui aussi du fait de son état visqueux des mouvements, correspondant au passage du satellite. Pour certains, la fragmentation de la croûte en plaques serait une conséquence de la présence de la Lune. Il est important de réaliser que ceci n'est plausible que parce que la Lune était beaucoup plus près de la Terre à ses origines.
L'évolution des espèces, le nautile possède une coquille en spirale formée d'anneaux. Chaque jour, il forme un anneau supplémentaire. Au bout d'un mois se forme une nouvelle cloison intérieure. Ce phénomène est lié à l'instinct de frai du nautile, qui le fait remonter près de la surface à chaque pleine lune. Or, la fréquence de ces cloisons intérieures augmente si on observe des coquilles fossiles et augmente proportionnellement à l'ancienneté de ces fossiles. C'est une confirmation indirecte et indépendante de l'allongement du mois dû à l'augmentation progressive de la distance Terre-Lune.
L'obliquité terrestre, l'obliquité de la Terre varie entre 21 et 24° environ par rapport à l'équateur céleste. Celle de Mars qui n'a pas de satellite naturel comparable varie entre 20 et 60°. Les scientifiques pensent donc que la Lune stabilise la Terre dans son mouvement comme si elle était un contrepoids -- simplement parce que le moment d'inertie du système Terre-Lune est bien plus grand que celui de la Terre seule.
Les calendriers ont longtemps indiqué les phases de la Lune pour les activités rurales (visibilité de nuit) ou de pêche (marées).
Les cycles menstruels, la périodicité moyenne du cycle feminin suggère-t-elle une influence lunaire ? La plupart des scientifiques croient plutôt à une coïncidence car si le cycle moyen est voisin de 28 jours sous certaines latitudes (et de 28 jours exactement avec la pilule contraceptive) il est par exemple de 32 jours en Inde [1]. Cette vision du cycle de 28 jours proviendrait donc simplement d'un autocentrisme occidental et de la généralisation de la contraception hormonale.