lune

(latin luna)

Satellite naturel de la Terre (avec une majuscule).

Presque toutes les planètes du Système solaire possèdent des lunes, notamment les planètes géantes Jupiter et Saturne qui comptent plusieurs dizaines de satellites naturels, de formes et de tailles très variées.

Introduction

La Lune, seul satellite naturel de la Terre, est, après le Soleil, l'objet le plus lumineux de notre ciel. Cette qualité, jointe à ses éclipses, à son influence sur les marées et aux changements de forme de sa partie brillante (croissant, quartier, etc.), qui ponctuent le temps et servirent dans de nombreuses civilisations comme calendrier, explique l'intérêt précoce des hommes pour cet astre. Sa relative proximité en a fait le seul corps céleste dont la surface a pu être étudiée en détail depuis la Terre, puis le premier à avoir été exploré, récemment, par les hommes, qui ont pu y prélever des échantillons de roches.

Les caractéristiques physiques et astronomiques

Seul satellite naturel de la Terre, la Lune est, à plusieurs égards, un objet unique dans le Système solaire. D'un rayon de 1 738 km, elle est quatre fois plus petite et 81,3 fois moins massive que la Terre. Bien qu'il existe dans le Système solaire des satellites à la fois plus gros et plus massifs que la Lune, aucun, excepté Charon, le satellite de Pluton, n'a les mêmes proportions par rapport à sa planète. On peut considérer que le système Terre Lune constitue une véritable planète double.

La Lune décrit autour de la Terre une orbite elliptique. La distance moyenne séparant le centre de la Terre de celui de la Lune est de 384 400 km, soit à peu près 60 rayons terrestres (moins de 1 % de la distance de la Terre à Vénus ou à Mars, même au moment de leur plus grande proximité). La première évaluation correcte de cette distance remonte à l'Antiquité (période alexandrine), mais il fallut attendre le xviii^e s. (La Caille et Lalande) pour obtenir une valeur réellement précise par la méthode trigonométrique, ou triangulation. La méthode des échos radar, depuis 1947, puis celle des échos laser réfléchis sur la Lune ont supplanté aujourd'hui la méthode trigonométrique du fait de leur précision largement supérieure. L'orbite de la Lune autour de la Terre est assez fortement elliptique (excentricité 1/18), aussi la distance de la Lune à la Terre varie-t-elle dans des limites notables : au cours de chaque mois, de 356 375 km au périgée à 406 711 km à l'apogée. Le globe lunaire apparaît dans le ciel comme un disque d'un peu plus de 0,5° de diamètre apparent.

Le plan de l'orbite lunaire est incliné d'un angle variant de 18,2° à 28,6° sur le plan de l'équateur terrestre, et d'un angle de 5° 8' sur le plan de l'écliptique (plan orbital de la Terre) ; la droite d'intersection du plan de l'orbite lunaire avec le plan de l'écliptique est appelée ligne des nœuds du fait qu'elle coupe la sphère céleste en deux points appelés nœud ascendant et nœud descendant. Les nœuds ont un mouvement rétrograde dont la période est 18,6 ans environ.

La durée de la révolution sidérale de la Lune, c'est-à-dire le temps qu'il faut à la Lune pour accomplir une révolution complète autour de la Terre et se retrouver ainsi, vue de la Terre, dans la même position par rapport aux étoiles, est de 27 jours 7 heures 43 minutes 11,5 s (= un mois sidéral). Mais, durant ce laps de temps, la Terre s'est elle-même déplacée sur son orbite autour du Soleil, la Lune ne se retrouve, pour l'observateur terrestre, dans la même direction par rapport au Soleil qu'après un peu plus de deux jours supplémentaires : la durée de la révolution synodique, ou lunaison, au cours de laquelle s'effectue un cycle complet des phases de notre satellite (c'est-à-dire la durée qui sépare deux pleines lunes successives est ainsi de 29 j 12 h 44 min 2,8 s en moyenne, (= un mois synodique).

Cette observation astronomique est très ancienne : ainsi, l'« observatoire préhistorique » de Stonehenge, en Angleterre, comporte deux cercles concentriques, l'un de trente trous et l'autre de vingt-neuf ; en transportant chaque jour une pierre d'un trou au suivant, on se retrouve au point de départ en 59 jours, soit deux mois synodiques à très peu de chose près !

Le déplacement de la Lune dans le ciel est moins facile à repérer que ses changements de forme à cause du mouvement apparent des étoiles, dû à la rotation de la Terre. En une nuit, la Lune semble se diriger vers l'ouest, à peu près comme les étoiles. Mais en l'observant à 24 heures d'intervalle, on constate que, par rapport aux étoiles voisines, elle s'est déplacée (de 26 diamètres environ) vers l'est, et non vers l'ouest. Sa vitesse moyenne sur son orbite est en effet de 1,023 km/s, ce qui correspond à une vitesse moyenne angulaire dans le ciel d'environ 33 minutes d'arc par heure, soit un peu plus que son diamètre apparent.

Ajoutons que des mesures effectuées par réflexion d'un rayon laser ont permis de déterminer que la Lune s'éloigne progressivement de la Terre d'environ 4 cm par an. D'après les lois de Kepler, cet éloignement induit une perte d'énergie du système Terre-Lune d'environ 3 . 10¹² watts par an, essentiellement dans l'océan.

Les phases de la Lune

La Lune est un astre qui n'émet aucune lumière. Elle n'est visible pour nous que parce qu'elle est éclairée par le Soleil. Comme toute sphère éclairée par une source lumineuse lointaine, la Lune présente toujours une moitié brillante – celle tournée vers le Soleil – et une moitié sombre. C'est la partie éclairée de la Lune, visible pour nous à un moment donné, que nous voyons briller dans le ciel. La Lune suit ainsi quatre phases principales, appelées phases lunaires, en environ 4 semaines.

La nouvelle lune

Quand la Lune se trouve entre la Terre et le Soleil (c'est-à-dire à peu près dans la direction du Soleil pour un observateur terrestre : on dit que la Lune se trouve alors en conjonction avec le Soleil), elle tourne vers la Terre sa moitié sombre (non éclairée), et elle est alors invisible pour l'observateur terrestre : on appelle cette phase la nouvelle lune.

Le premier quartier de Lune

Au cours des jours suivants, la forme de la partie éclairée se rapproche progressivement d'un cercle complet et la Lune se lève et se couche avec un retard progressif. Suivant les mois, 6,5 jours ou 7,5 jours après la conjonction, le disque de la Lune se montre sous la forme d'un demi cercle, en partie visible pendant le jour ; c'est le premier quartier.

La pleine lune

Quinze jours environ après la nouvelle lune, la Terre se trouve à peu près entre le Soleil et la Lune ; c'est à minuit qu'elle passe au méridien, c'est-à-dire qu'elle atteint le point le plus élevé de sa course sur la sphère céleste, et elle présente alors entièrement sa moitié éclairée à l'observateur terrestre : c’est la pleine lune.

Le dernier quartier de Lune

Puis la forme circulaire de la partie éclairée du disque décroît progressivement pour se présenter, comme au début de son cycle, sous la forme d'un croissant de même dimension que le premier, mais orienté, pour l'observateur terrestre, en sens inverse. C'est le dernier quartier ; après quoi la Lune, continuant de progresser sur son orbite, entre de nouveau en conjonction avec le Soleil. La lunaison est terminée, et un nouveau cycle commence.

Le bord éclairé de la Lune est toujours situé vers le Soleil, c'est-à-dire vers l'ouest, tant que la Lune grossit, et vers l'est quand elle diminue (ainsi, vue de l'hémisphère Nord, lorsqu'elle « croît » elle affecte la forme d'un D, et celle d'un C lorsqu'elle « décroît », d'où le surnom de « menteuse » qu'on lui donne parfois). Lorsque le croissant de Lune est très fin (avant le premier quartier et après le dernier quartier), la partie obscure de la planète nous apparaît faiblement visible, la nuit. Cette faible lumière d'appoint, ou lumière cendrée, provient de la Terre : c'est de la lumière solaire réfléchie vers la Lune par notre atmosphère et ses nuages. La lumière cendrée est donc le « clair de Terre » sur la Lune.

Le relief lunaire

Les formations les plus caractéristiques du relief lunaire sont des dépressions circulaires ou polygonales, de dimensions variables : les cratères (ou cirques pour les plus vastes, bordés de remparts montagneux). Les plus grands dépassent 200 km de diamètre, mais les plus petits discernables de la Terre n'excèdent pas 1 km, et l'exploration spatiale en a révélé une multitude d'autres de dimensions moindres. Outre des cratères, on observe à la surface des « mers » lunaires (ou bassins) – dont certains comme Mare Imbrium (mer des Pluies) ou Mare Orientale (mer Orientale), ont plus de 1 000 km de diamètre –, des crevasses (ou rainures), des vallées, des falaises et des pitons rocheux isolés.

L'origine de ces structures résulte directement ou indirectement d'impacts de météorites. En effet, la surface de la Lune n'est pas protégée par une atmosphère, et les objets célestes, qui possèdent une énergie cinétique très importante, la percutent à une vitesse d'environ 2,4 km/s. Lors de l'impact, cette énergie est libérée sous forme d'énergie mécanique et thermique. Les petits et moyens cratères se sont ainsi formés, les roches sous-jacentes étant rejetées vers la périphérie ; dans le cas des plus grands, comme les bassins (dont 29, de plus de 300 km de diamètre, ont été dénombrés), la quantité de chaleur libérée par l'impact fut si importante que les roches constituant le fond du cratère ont fondu et se sont répandues comme des laves avant de recristalliser. Les mers circulaires sont les plus grandes structures morphologiques d'impact rencontrées sur la Lune ; le bassin creusé primitivement a été envahi des centaines de millions d'années plus tard par de la lave venue de l'intérieur du globe lunaire. Des cratères d'origine volcanique ont également été reconnus, mais ils sont peu nombreux.

Le sol lunaire

Le sol de la Lune apparaît jonché de pierres plus ou moins enfoncées dans une couche de poussière, constituée de fins débris rocheux réduits en poudre et épaisse, selon les endroits, de quelques millimètres à une quinzaine de centimètres. Sous le tapis de poussière s'étend une couche de roches brisées, le régolithe (ou régolite), dont l'épaisseur varie entre 2 et 20 m suivant les régions.

Les six missions Apollo qui comportèrent un atterrissage sur la Lune ont permis de récolter quelque 2 200 échantillons de roches lunaires, représentant une masse totale voisine de 400 kg. Il faut y ajouter quelques échantillons prélevés par carottage et rapportés sur la Terre par des engins automatiques soviétiques Luna.

Comme sur la Terre, l'oxygène est l'élément le plus abondant à la surface de la Lune. L'étude des roches lunaires a permis d'y découvrir 75 variétés de minéraux (silicates principalement), représentant seulement 33 espèces distinctes, contre environ 80 dans les météorites et plus de 2 000 sur la Terre.

La structure interne de la Lune

Les indications fournies par les sismomètres des vaisseaux Apollo ont permis d'établir le modèle suivant :
– une écorce multicouche épaisse de 60 km environ, pour l'hémisphère visible de la Terre, à 100 km pour l'hémisphère caché ;
– un manteau, épais d'environ 1 000 km ;
– un noyau, de quelque 700 km de rayon, contenant une assez grande quantité de fer. Ce noyau serait plus ou moins pâteux, la température au centre étant estimée voisine de 1 500 °C.

La température à la surface de la Lune

La quasi-absence d'atmosphère entraîne une amplitude thermique pouvant atteindre 100 °C en un point donné de la surface entre le jour et la nuit. Les températures extrêmes relevées atteignent + 117 °C au maximum le jour et − 171 °C au minimum la nuit.

L'origine et l'évolution de la Lune

La Lune s'est formée il y a 4,55 milliards d'années. Peu après, elle se liquéfia sur au moins 200 km de profondeur, et ses divers matériaux constitutifs se répartirent du centre vers la surface par ordre de densité croissante. À peine solidifiée, sa croûte superficielle se trouva bombardée par d'énormes météorites, abondantes à l'époque dans l'espace interplanétaire, qui y creusèrent de grands bassins et provoquèrent une fusion des roches. Cette ère cataclysmique s'acheva il y a 3,9 milliards d'années. La Lune connut ensuite, pendant 800 millions d'années, une grande activité interne. Celle-ci provoqua une seconde fusion en profondeur et la formation de laves basaltiques, qui remontèrent et s'épanchèrent à la surface, remplissant les bassins pour constituer le fond des mers tel qu'on l'observe aujourd'hui.

Depuis quelque 3 milliards d'années, l'activité interne s'est assoupie, les impacts de météorites à la surface sont devenus plus rares, et la Lune s'est lentement refroidie, devenant rigide jusqu'à une profondeur d'au moins 1 000 km.

La Lune est-elle un morceau de la Terre qui s'est détaché de notre planète, alors que celle-ci était encore fluide ? Constituait-elle initialement une planète indépendante qui fut capturée par la Terre, près de laquelle l'amenait son orbite ? Ou bien s'est-elle formée, par accrétion, à proximité de la Terre, les deux astres ayant, dès l'origine, constitué une planète double. Les résultats de l'analyse des roches lunaires rapportées lors des missions Apollo ont montré qu'aucune de ces trois hypothèses traditionnelles n'était satisfaisante. On admet à présent que la Lune s'est formée à la suite d'une collision tangentielle survenue entre la Terre et un autre corps du Système solaire, d'une masse au moins égale à celle de Mars, à la fin de l'époque de la formation des planètes, alors que la Terre présentait déjà une structure différenciée, avec un noyau ferreux entouré d'un manteau rocheux. Sous l'effet de la collision, des lambeaux du manteau terrestre auraient été projetés dans l'espace ; mais ils auraient perdu la plupart de leurs éléments volatils en raison du dégagement de chaleur. Ces fragments de matière se seraient ensuite dispersés en anneau autour de la Terre avant de se réagglomérer très rapidement pour donner naissance à la Lune.

L’exploration de la Lune

Les Soviétiques ont inauguré l'exploration de la Lune avec, entre autres, la série des sondes Luna. Ainsi, Luna 2, lancée le 12 septembre 1959, fut le premier engin à atteindre la Lune ; Luna 3 transmit les premières photos de la face cachée, également en 1959. En 1970, Luna 16 préleva et achemina vers la Terre des échantillons du sol lunaire.

Mais les premiers à marcher sur la Lune furent les Américains. Six missions Apollo, d'Apollo 11 à Apollo 17, s'y succédèrent, sur les sept initialement prévues. La plus célèbre de ces missions reste la première, qui vit le débarquement sur le sol lunaire de Neil Armstrong, le 21 juillet 1969 suivi par son compagnon Edwin Aldrin.

Au cours des six missions effectuées, les astronautes se livrèrent à un certain nombre d'expériences scientifiques dites ALSEP (Apollo lunar surface experiments [« expériences Apollo sur le sol lunaire »]).

Les missions Apollo ont permis de ramener 388 kg de roches lunaires et d'installer des capteurs sismiques analysant les ondes produites par les impacts météoritiques, des capteurs mesurant les fluctuations des champs magnétiques, des détecteurs de particules alpha et de rayonnement gamma et ont élaboré une cartographie à haute résolution de la Lune.

Trois sondes Ranger ont transmis 17 267 images du sol lunaire ; les sondes Surveyor en ont fourni plus de 86 000, et des milliers de données radar et de mesures de température.

Lancée depuis la fusée Athena II, le 11 janvier 1998, la sonde américaine Lunar Prospector, après avoir été mise en orbite autour de la Lune, a détecté, en mars 1998, la présence d'eau sous forme de glace aux deux pôles de la Lune. Cette sonde avait également pour mission de dresser le premier atlas géochimique de notre satellite. Grâce à un spectromètre gamma, elle a pu ainsi localiser les gisements de métaux et minerais enfouis à plusieurs mètres de profondeur, tandis qu'un spectromètre alpha lui permettait de détecter les différents gaz présents. L'analyse de ces relevés devrait ainsi permettre de confirmer une éventuelle activité tectonique de la Lune. Dans une deuxième phase de sa mission, entamée en février 1999, Lunar Prospector, dont l'orbite avait été abaissée à une dizaine de kilomètres du sol lunaire, après avoir scruté le cratère Aitken, à l'intérieur duquel la présence d'eau sous forme de plaques de glace avait été précédemment détectée, a été chargée d'établir une cartographie des astéroïdes enfoncés dans le sol lunaire. L'étude de ces « mascons » (concentrations de masse se traduisant localement par une augmentation du champ gravitationnel de la Lune) devrait permettre d'affiner la modélisation de l'intérieur de notre satellite.

De nouvelles données concernant la surface lunaire (minéralogie, composition chimique, etc.) ont été fournies par la sonde européenne Smart 1, après sa mise en orbite autour de la Lune en 2005, ainsi que par la sonde japonaise Selene (Kaguya), qui décrit depuis octobre 2007 une orbite survolant les pôles lunaires, et la sonde chinoise Chang'e, placée en orbite autour de la Lune en novembre 2007. On attend beaucoup aussi de la sonde indienne Chandrayaan 1, lancée le 22 octobre 2008, qui doit étudier la Lune en orbite pendant deux ans, à 100 km d'altitude seulement, et larguer un impacteur sur le sol lunaire. Par ailleurs, en janvier 2004, le président des États-Unis George W. Bush a annoncé la reprise des missions humaines américaines sur la Lune à partir de 2015.

Fin 2013, le module contenant le premier véhicule d'exploration lunaire téléguidé chinois, baptisé « Lapin de jade » (Chang'e 3), s'est posé sur la Lune. C'est la troisième nation à réussir un alunissage en douceur après les États-Unis et l'URSS. Cette mission, qui fait partie d'un ambitieux programme spatial, est chargée d'effectuer des analyses scientifiques, notamment géologiques. Elle est suivie, au tout début de l'année 2019, d'une première mondiale : l'atterrissage d'un engin spatial sur la face cachée de la Lune. Le rover chinois de la mission Chang'e 4, déposé sur cette zone peu explorée, est téléguidé et transmet ses données via un satellite placé en orbite de l'astre lunaire.