La Lune, seul satellite de la Terre

Clair de Terre sur la Lune © photo NASA

La Lune, seul satellite de la Terre, est le seul monde extra-terrestre sur lequel l’homme ait marché. Elle n’a pas d’atmosphère.
Distance à la Terre : 384 000 km environ puisque son orbite est elliptique.

Cette distance est égales à 1,3 seconde-lumière = 20 fois la distance France-Nouvelle Calédonie.

(1 seconde-lumière: distance que la lumière parcourt en une seconde à 300 000 km/seconde)

La plus ancienne mesure de la distance Terre-Lune  a été faite par les grecs en 250 avant J.C.Lors du passage de la Lune  dans le cône d’ombre du Soleil (éclipse de Lune), on peut compter le nombre de rayons lunaires qu’il y a dans un rayon terrestre. Comme on connait le diamètre apparent de la Lune et du Soleil et le diamètre de la Terre, on en déduit la dimension de la Lune et sa distance à la Terre.

Comparée à la Terre, elle est : 3 fois plus petite et 80 fois moins lourde

Rotation sur elle-même : 27 jours

Révolution autour de la Terre : 27 jours.

L’homme sur la Lune

Mission Apollo 17 – photo NASA

La Lune, Kepler en rêvait déjà en 1600: « Un jour, des vaisseaux célestes, avec des voiles adaptées aux vents des cieux, partiront, habités par des explorateurs qui n’auront pas peur de l’immensité ».

Son rêve s’est concrétisé en 1969.

Symbole de la réussite scientifique du XXe siècle, l’aventure Terre-Lune a aussi été un épisode essentiel de la Guerre froide. Lors de la Guerre froide, la conquête de l’espace devient un enjeu majeur de la rivalité entre les deux superpuissances. Une compétition acharnée s’engage. Chaque succès technologique prend figure de victoire d’un système sur l’autre. Initialement, les Soviétiques mènent la course en tête. Premier homme dans l’espace en 1961, Gagarine devient un héros planétaire. Les Américains prennent leur revanche avec le succès de la mission Apollo. Le monde entier regarde le 20 juillet 1969 les premiers pas sur la Lune de Neil Amstrong. La détente des années 70 conduit Américains et Soviétiques à mener conjointement des missions spatiales. Dans les années 80, confrontée à ses paradoxes économiques et sociaux, l’URSS ne suit que difficilement le challenge spatial.

Peut-être ne perçoit-on pas encore les conséquences sur la civilisation de ces images de la Terre vue de la Lune, la Terre vue depuis un autre astre du système solaire, puis vue de Voyager sortant du système solaire. Elles nous font ressentir concrètement notre situation d’astre banal dans l’Univers.

Peser la Lune

La mer orientale, le plus grand cratère lunaire

La Lune, de masse non négligeable par rapport à la Terre, a été ralentie par les effets de marée jusqu’à ce que sa période de rotation soit égale à sa période de révolution: elle présente donc toujours la même face à la Terre.

On ne peut bien évidemment pas peser les astres sur une balance mais la gravitation universelle est un moyen de les « peser ».

L’attraction entre deux corps est proportionnelle à la quantité de matière dans chaque corps c’est à dire à sa masse. Plus leur masses sont élevées, plus grande est l’attraction.

L’attraction entre deux corps est inversement proportionnelle au carré de leur distance: si la distance entre les deux corps double, l’attraction sera 4 fois plus faible.

La force gravitationnelle avec laquelle s’attirent deux corps de masse M et m s’exprime par: F=g m M/r2, g étant une constante.

Attention de ne pas confondre le poids d’un corps qui est en fait la force gravitationnelle exercée sur lui par un autre corps et sa masse qui représente la quantité de matière dans ce corps: Un cosmonaute a une masse donnée mais son poids varie selon qu’il est sur la surface de la Terre ou sur celle de la Lune. Les cosmonautes sur la Lune ont vérifié humainement la loi de la gravitation universelle: leur poids sur la Lune est 80 plus faible que sur Terre.

La dynamique et la stabilité des corps est un compromis entre la gravitation (centripète), les forces nucléaires (centrifuges) et la rotation (centrifuge)

La Lune « tombe sur la Terre »…Le fait qu’elle tourne autour de la Terre est un compromis entre tomber sur la Terre et continuer tout droit. Même remarque pour  la Terre qui tourne autour du Soleil.

Tout corps s’approchant trop près d’un corps géant est soumis à une attraction très différente en chaque point: les points de la face la plus proche du corps géant étant bien plus attirés que ceux de la face la plus éloignée. Ces forces d’attraction différentes font subir au corps de telles tensions qu’il se brise et finit par former des anneaux : autour de Saturne, aucun gros satellite ne peut résister à moins de 140 000 km et si la Lune était à moins de 18 000 km de la Terre, elle serait en morceaux!

En mesurant la distance à laquelle un corps tourne autour d’un autre et la vitesse de rotation du corps sur son orbite, on en déduit la masse du corps central (si la masse de l’astre qui orbite est petite devant celle du corps central).

Le noir de la nuit

sur la Lune, le ciel est noir car la lune n’a pas d’atmosphère.

Mais pourquoi, étant donné le nombre d’étoiles dans le ciel, ne fait-il pas jour en pleine nuit?

Si l’univers est infini et uniformément peuplé d’ étoiles. Comme le nombre d’étoiles  augmente comme le cube du rayon et la perte de photons diminue comme le carré du rayon, lorsqu’on regarde 2 fois plus loin, on reçoit 4 fois moins de lumière mais il y a 8 fois plus d’étoiles dans le volume observé. Il devrait faire jour. Le ciel nocturne devrait être aussi brillant que le Soleil.

Pourquoi ne fait-il pas jour? Ce paradoxe (paradoxe d’Olbers) se résout ainsi:

L’univers est en expansion et il est fini temporellement, les galaxies distantes fuient à des vitesses proches de celle de la lumière: les photons qui nous en parviennent sont décalés vers le rouge, c’est à dire vers les grandes longueurs d’ondes moins énergétiques. Si on étend la relation de Hubble aux très grandes distances, on arrive, vers 15 milliards d’années-lumière à des vitesses de récession qui vont dépasser la vitesse de la lumière (horizon relativiste), ce qui est impossible et même si ça l’était, leur lumière ne nous parviendrait donc jamais puisqu’elle vont plus vite que la lumière qu’elles nous envoient.

Mouvements de la Lune

Le mouvement apparent de la Lune dans le ciel nous apparait très capricieux et pourtant le mouvement de la Lune par rapport à la Terre est simple: elle tourne autour de la Terre en 27,32 jours et la Terre tourne autour du Soleil.

La pleine Lune revient tous les 29,53 jours car, pendant les 27,32 jours que dure la révolution de la Lune autour de la Terre, la Terre a tourné de 27° autour du Soleil; la Lune doit donc parcourir ces 27 ° supplémentaires pour que l’on se retrouve dans la même configuration.

Phases de la Lune

Les phases de la Lune

Le schéma montre le Soleil éclairant la Terre et la Lune qui tourne autour de la Terre. Le Soleil éclaire la Lune même si la Terre est entre les deux, car à part les cas de parfait alignement de l’axe Soleil-Terre-Lune qui se produit lors des éclipses de Lune, les trois astres ne sont pas exactement sur le même axe donc les rayons du Soleil parviennent à la surface de la Lune. La partie jaune est celle qui est éclairée et que nous voyons briller dans le ciel, la partie marron est dans l’ombre nous ne la voyons pas.

On voit donc comment la Lune est éclairée selon sa position sur la trajectoire autour le la Terre puis les flèches indiquent comment on voit réellement la Lune pour chacune de ces positions.  A noter qu’on ne prête pas attention au croissant de Lune tourné vers la droite car dans cette configuration la Lune est visible pendant la journée, donc on la remarque peu!

Éclipses et occultations

Une éclipse a lieu lorsqu’un corps passe dans l’ombre d’un autre, les trois corps sont alignés. L’éclipse est un phénomène absolu, observé quelle que soit la position de l’observateur(ex: un nuage sur une vallée crée un éclipse de Soleil sur la vallée).Une occultation a lieu lorsqu’un corps passe devant un autre et que le troisième corps est l’observateur: ce phénomène dépend donc de la position de l’observateur. Les éclipses de Soleil par la Lune sont en fait des occultations.

L’ éclipse de Soleil, phénomène céleste le plus frappant et le plus populaire, a toujours été interprétée comme l’indice de calamités inévitables. Lorsqu’on ne connait pas la cause du phénomène, comment ne pas avoir peur d’une prolongation indéfinie de cette nuit extraordinaire?

Elles ont servi ou desservi les hommes de pouvoir d’Alexandre à Christophe Colomb. Chez les peuples primitifs l’éclipse était due à un dragon qui dévorait le Soleil ou à un chaudron qui se renverse, bouchant les trous qui laissent passer la lumière;  on organisait alors un « chahut ». Ces croyances ont persisté alors qu’Aristote sait déja qu’une éclipse de Lune est due à l’ombre de la Terre.

Eclipse vient d’écliptique. J.P. de Mesme, pensant qu’il est inepte de désigner par le même terme deux choses différentes, donne aux éclipses les noms de défaillances de la Lune et de passions du Soleil; aucun de ces termes n’a été retenu. Pour que tout le monde puisse comprendre les phénomènes, il avait écrit en 1551, le premier livre d’astronomie en Français en non en Latin, en cherchant à éviter les termes que seuls les latinistes et les hellénistes pouvaient comprendre.

Occultation

Lorsqu’un corps passe devant un autre, c’est une occultation. Le phénomène est relatif au troisième corps. Les éclipses de Lune* ou de Soleil* sont des occultations mais on les appelle éclipses. On devrait avoir une éclipse* de Lune et une éclipse de Soleil tous les mois (à chaque nouvelle lune, une éclipse de Soleil, à chaque pleine lune une éclipse de Lune) on ne l’a pas parce que l’orbite de la Lune est inclinée de 5 degrés sur l’ écliptique*. Sur la Lune la Terre a des phases mais elle ne se lève ni ne se couche, en 17 ans elle descend un peu et remonte, c’est tout: c’est par cette oscillation qu’on voit un peu de la face cachée.

Le phénomène d’occultation d’étoiles par la Lune ou par une planète ou par les anneaux d’une planète permettent d’étudier finement la structure des astres.

– C’est ainsi qu’on mesure la température de l’atmosphère externe des planètes. On profite du moment où une planète passe devant une étoile, la lumière est réfractée, on mesure l’indice de réfraction par la courbe de disparition de la lumière qui dépend de la Température  et de la composition chimique. Connaissant la composition chimique  par spectroscopie, on en déduit la température. Des mesures uniques ont été faites sur Titan*, à Paris, le centre de l’ombre de Titan était à 20 km de Paris.

C’est également ainsi qu’on a découvert les anneaux d’Uranus(1977) et de Neptune(1984): avant que l’étoile ne disparaisse derrière la planète, on a observé une interruption secondaire ce qui indiquait la présence d’anneaux.