Notre satellite naturel, la Lune

En 1609, après l’invention du télescope par Galileo Galilei, l’humanité a pu observer son satellite spatial en détail pour la première fois. Depuis lors, la Lune est le corps cosmique le plus étudié et le premier à avoir été visité par l’homme.

Qu’est-ce que la Lune ?

La première question à se poser est de savoir ce qu’est notre satellite. La réponse est inattendue : bien que la Lune soit considérée comme un satellite, elle est techniquement une planète à part entière, comme la Terre. Elle a une grande taille — 3 476 kilomètres de diamètre à l’équateur — et une masse de 7,347×10,22 kilogrammes ; la Lune est à peine plus petite que Mercure, la plus petite planète du système solaire. La Lune est à peine plus petite que Mercure, la plus petite planète du système solaire. Elle participe donc pleinement au système gravitationnel Lune-Terre.

Schéma de la connexion entre la Terre et la Lune

Un autre tandem de ce type est également connu dans le système solaire : Pluton et Charon. Bien que la masse totale de notre satellite représente un peu plus d’un centième de la masse de la Terre, la Lune n’est pas en orbite autour de la Terre elle-même — ils partagent un centre de masse commun. La proximité du satellite avec la Terre donne lieu à un autre effet intéressant : le piégeage par les marées. Ainsi, la Lune est toujours tournée vers la Terre du même côté.

De plus, de l’intérieur, la Lune est organisée comme une planète à part entière : elle possède une croûte, un manteau et même un noyau, et dans un passé lointain, des volcans s’y trouvaient. En effet, au cours des quatre milliards et demi d’années d’histoire de la Lune, des millions de tonnes de météorites et d’astéroïdes se sont abattus sur elle, la malmenant et laissant des cratères. Certains impacts ont été si violents qu’ils ont déchiré la croûte jusqu’au manteau. Les piqûres de ces impacts ont formé les mers lunaires, des taches sombres sur la Lune qui sont facilement visibles depuis la Terre. De plus, elles sont présentes exclusivement sur la face visible. Pourquoi ? Nous y reviendrons.

Parmi les corps cosmiques, c’est la Lune qui affecte le plus la Terre, à l’exception du Soleil. Les marées lunaires, qui font régulièrement monter le niveau de l’eau dans les océans du monde entier, sont l’impact le plus évident, mais pas le plus fort, du satellite. Ainsi, en s’éloignant progressivement de la Terre, la Lune ralentit la rotation de la planète — le jour solaire est passé de 5 heures à l’origine à 24 heures aujourd’hui. Le satellite sert également de barrière naturelle contre des centaines de météorites et d’astéroïdes, les interceptant à leur approche de la Terre.

Le flux et le reflux des marées

La Lune est sans aucun doute un objet délicat pour les astronomes, qu’ils soient amateurs ou professionnels. Bien que la distance de la Lune ait été mesurée au mètre près grâce à la technologie laser et que des échantillons de sol aient été ramenés sur Terre à de nombreuses reprises, il reste encore des découvertes à faire. Par exemple, les scientifiques sont à la recherche d’anomalies lunaires, c’est-à-dire de mystérieux éclairs et lueurs à la surface de la Lune, qui n’ont pas tous d’explication. Il s’avère que notre satellite cache bien plus de choses que ce qui est visible à la surface. Comprenons ensemble les mystères de la Lune !

Carte topographique de la Lune

Caractéristiques de la Lune

L’étude scientifique de la Lune remonte à plus de 2200 ans. Les mouvements du satellite dans le ciel terrestre, ses phases et sa distance par rapport à la Terre ont été décrits en détail depuis la Grèce antique, et la structure interne et l’histoire de la Lune sont encore explorées aujourd’hui par des engins spatiaux. Néanmoins, des siècles de travail des philosophes, puis des physiciens et des mathématiciens, ont produit des données très précises sur l’aspect et les mouvements de notre Lune, ainsi que sur les raisons de son état. Toutes les informations sur le satellite peuvent être divisées en plusieurs catégories qui découlent les unes des autres.

La Lune est pleine de détails complexes

Les caractéristiques orbitales de la Lune

Comment la Lune se déplace-t-elle autour de la Terre ? Si notre planète était immobile, le satellite tournerait dans un cercle presque parfait, se rapprochant et s’éloignant légèrement de la planète de temps en temps. Mais la Terre elle-même se déplace autour du Soleil et la Lune doit constamment «rattraper» la planète. De plus, la Terre n’est pas le seul corps avec lequel notre satellite interagit. Le Soleil, qui est 390 fois plus éloigné de la Lune, est 333 000 fois plus massif que la Terre. Et même en tenant compte de la loi des carrés inverses, selon laquelle l’intensité de toute source d’énergie diminue fortement avec la distance, le Soleil attire la Lune 2,2 fois plus fortement que la Terre !

Vibrations lunaires au cours du mois d’avril 2007. Animé.

La trajectoire finale de notre satellite ressemble donc à une spirale, et elle est encore plus compliquée. L’axe de l’orbite lunaire oscille, la Lune elle-même se rapproche et recule périodiquement, et à l’échelle mondiale, elle s’éloigne de la Terre. Ces mêmes fluctuations font que la face visible de la Lune n’est pas le même hémisphère du satellite, mais différentes parties de celui-ci, qui se tournent alternativement vers la Terre en raison de l'»oscillation» du satellite en orbite. Ces mouvements de la Lune en longitude et en latitude s’appellent la libration et permettent d’apercevoir l’arrière de notre satellite bien avant que les premiers engins spatiaux ne se mettent en orbite autour de lui. La Lune tourne de 7,5 degrés d’est en ouest et de 6,5 degrés du nord au sud. Il est donc facile de voir les deux pôles de la Lune depuis la Terre.

Les caractéristiques orbitales spécifiques de la Lune ne sont pas seulement utiles aux astronomes et aux astronautes. Par exemple, les photographes apprécient particulièrement la super lune : la phase de la Lune au cours de laquelle elle atteint sa taille maximale. Il s’agit d’une pleine lune, au cours de laquelle la Lune est au périgée. Voici les principaux paramètres de notre satellite :

• L’orbite de la Lune est elliptique, son excentricité, c’est-à-dire l’écart par rapport à un cercle parfait, est d’environ 0,049. En tenant compte des oscillations orbitales, la distance minimale du satellite par rapport à la Terre (périgée) est de 362 000 kilomètres, et la distance maximale (apogée) est de 405 000 kilomètres.
• Le centre de masse commun à la Terre et à la Lune se trouve à 4,5 milliers de kilomètres du centre de la Terre.
• Le mois sidéral — le passage complet de la Lune sur son orbite — dure 27,3 jours. Cependant, pour une révolution complète autour de la Terre et le changement des phases lunaires, il faut 2,2 jours de plus, car pendant que la Lune parcourt son orbite, la Terre effectue la treizième partie de sa propre orbite autour du Soleil !
• La Lune est sous l’emprise des marées terrestres — elle tourne sur son axe à la même vitesse qu’autour de la Terre. De ce fait, la Lune est constamment tournée vers la Terre du même côté. Cette situation est caractéristique des satellites qui sont très proches de la planète.

La Lune depuis les couches supérieures de l’atmosphère terrestre. L’image de la Lune est optiquement agrandie.

• La nuit et le jour sur la Lune sont très longs — un demi-mois sur Terre.
• Les changements d’éclairement de la Lune visibles depuis la Terre sont appelés ses phases. Pendant la nouvelle lune, le satellite n’est pas visible dans le ciel ; pendant la phase de la jeune lune, sa fine faucille, qui ressemble à la boucle de la lettre «P», apparaît ; pendant le premier quartier, la lune est exactement à moitié éclairée ; et pendant la pleine lune, elle est la plus visible. Les phases suivantes, le deuxième quartier et la vieille lune, se produisent dans l’ordre inverse.

Orbite détaillée de la Lune par rapport à la Terre

Fait intéressant : comme un mois lunaire est plus court qu’un mois civil, il peut arriver qu’il y ait deux pleines lunes au cours d’un même mois — la seconde est appelée «lune bleue». Elle est aussi brillante qu’une pleine lune normale — elle éclaire la Terre à 0,25 lux (par exemple, l’éclairage normal à l’intérieur d’une maison est de 50 lux). La Terre elle-même éclaire la Lune 64 fois plus fortement, soit 16 lux. Bien entendu, toute cette lumière n’est pas la sienne, mais la lumière solaire réfléchie.

• L’orbite de la Lune est inclinée par rapport au plan de l’orbite terrestre et la traverse régulièrement. L’inclinaison du satellite change constamment, variant entre 4,5° et 5,3°. Il faut plus de 18 ans pour que l’inclinaison de la Lune change.
• La Lune se déplace autour de la Terre à une vitesse de 1,02 kilomètre par seconde. C’est beaucoup moins que la vitesse de la Terre autour du Soleil, qui est de 29,7 km/s. La vitesse maximale atteinte par la sonde solaire Helios-B a été de 66 kilomètres par seconde.

Paramètres physiques de la Lune et sa composition

De l’intérieur, la Lune n’est pas moins complexe que la Terre

Il a fallu beaucoup de temps pour que l’on se rende compte de la taille de la Lune et de ce qui la compose. Ce n’est qu’en 1753 que le scientifique R. Boskovich a réussi à prouver que la Lune n’avait pas d’atmosphère substantielle, ni de mers liquides — lorsqu’elles sont recouvertes par la Lune, les étoiles disparaissent instantanément, alors que la présence d’une coquille de gaz aurait permis d’observer leur «évanouissement» progressif. Il a fallu attendre 200 ans pour que la station soviétique «Luna-13», en 1966, mesure les propriétés mécaniques de la surface de la Lune. Et l’on ne savait rien de la face cachée de la Lune jusqu’en 1959, lorsque la sonde Luna-3 a réussi à en prendre les premières photos.

L’équipe du vaisseau spatial Apollo 11 a livré les premiers échantillons à la surface en 1969. Ils ont également été les premiers humains à se rendre sur la Lune : six engins spatiaux s’y sont posés avant 1972, et 12 astronautes y ont atterri. La crédibilité de ces missions a souvent été mise en doute, mais la plupart des critiques provenaient de leur méconnaissance de l’espace. Le drapeau américain, dont les théoriciens de la conspiration nous assurent qu’il «n’aurait pas pu flotter dans l’espace sans air de la Lune», est en fait solide et statique — il a été spécialement renforcé par des cordes solides. Cela a été fait à dessein afin de réaliser de belles images — une toile qui s’affaisse n’est pas si spectaculaire.

La plupart des distorsions de couleurs et de reliefs dans les reflets sur les casques des combinaisons spatiales que l’on cherchait à contrefaire étaient dues à la dorure du verre qui protège des rayons ultraviolets. Les cosmonautes soviétiques qui ont suivi en temps réel la retransmission de l’atterrissage des astronautes ont également confirmé l’authenticité de ce qui se passait. Et qui peut tromper un expert dans son domaine ?

Des cartes géologiques et topographiques complètes de notre satellite sont encore réalisées aujourd’hui. En 2009, la station spatiale LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) a non seulement livré les images les plus détaillées de la Lune de l’histoire, mais a également prouvé la présence de grandes quantités d’eau gelée sur celle-ci. Elle a également mis un terme au débat sur la présence d’êtres humains sur la Lune en capturant des preuves des activités de l’équipe Apollo depuis l’orbite basse de la Lune. Le vaisseau spatial contenait des équipements provenant de plusieurs pays du monde, dont la Russie.

Site d’atterrissage d’Apollo 12, capturé par LRO. Voir la taille réelle.

Alors que de nouvelles nations spatiales comme la Chine et des entreprises privées se lancent dans l’exploration de la Lune, de nouvelles données nous parviennent chaque jour. Nous avons compilé les paramètres de base de notre satellite :

• La surface de la Lune couvre 37,9 x 10 6 kilomètres carrés, soit environ 0,07 % de la surface totale de la Terre. Aussi incroyable que cela puisse paraître, cette superficie n’est que de 20 % supérieure à celle de tous les terrains peuplés par l’homme sur notre planète !
• La densité moyenne de la Lune est de 3,4 g/cm 3 . Elle est 40 % moins dense que celle de la Terre, principalement parce que le satellite est dépourvu d’un grand nombre d’éléments lourds, comme le fer, dont notre planète est riche. En outre, 2 % de la masse de la Lune est constituée de régolithe, une fine couche de roche créée par l’érosion cosmique et les impacts de météorites, dont la densité est inférieure à celle d’une roche ordinaire. Son épaisseur atteint par endroits des dizaines de mètres !
• Tout le monde sait que la Lune est beaucoup plus petite que la Terre, ce qui influe sur sa gravité. L’accélération de la chute libre y est de 1,63 m/s 2, soit seulement 16,5 % de la force gravitationnelle totale de la Terre. Les sauts des astronautes sur la Lune étaient très élevés, même si leur combinaison spatiale pesait 35,4 kilogrammes — presque une armure de chevalier ! En même temps, ils se retenaient : tomber dans le vide était très dangereux. Vous trouverez ci-dessous une vidéo des sauts des astronautes lors de la retransmission en direct.

• Les mers lunaires couvrent environ 17 % de la Lune, principalement sa face visible, qui en est recouverte à près d’un tiers. Elles sont les traces d’impacts météoritiques particulièrement violents qui ont littéralement arraché la croûte du satellite. À ces endroits, seule une fine couche d’un demi-kilomètre de lave solidifiée — le basalte — sépare la surface du manteau lunaire. Comme la concentration de solides augmente à mesure que l’on se rapproche du centre d’un grand corps cosmique, les mers lunaires contiennent plus de métal que n’importe quel autre endroit de la Lune.
• Les principaux reliefs de la Lune sont des cratères et d’autres dérivés d’impacts de météorites et d’ondes de choc, les cotorasteroids. Les montagnes et les cirques lunaires ont été construits par de gigantesques sie qui ont changé la structure de la surface de la Lune au point de la rendre méconnaissable. Leur rôle a été particulièrement important au début de l’histoire de la Lune, lorsqu’elle était encore liquide — les chutes ont soulevé des vagues entières de roches en fusion. C’est également la raison pour laquelle les mers lunaires se sont formées : la face orientée vers la Terre était plus chaude en raison de la concentration de substances lourdes, et les astéroïdes l’ont donc affectée davantage que la face arrière, plus froide. Cette répartition inégale de la matière s’explique par la gravité de la Terre, qui était particulièrement forte au début de l’histoire de la Lune, lorsqu’elle était plus proche.

Les deux hémisphères de la Lune.

• Outre les cratères, les montagnes et les mers, la Lune présente des grottes et des fissures, témoins de l’époque où l’intérieur de la Lune était aussi chaud que la Terre et où les volcans étaient actifs. Ces grottes contiennent souvent de la glace d’eau, tout comme les cratères des pôles, et c’est pourquoi elles sont souvent considérées comme des sites pour de futures bases lunaires.
• La véritable couleur de la surface de la Lune est très sombre, proche du noir. La Lune présente une grande variété de couleurs, allant du bleu turquoise à l’orange. La teinte gris clair de la Lune vue de la Terre et sur les images est due à la forte illumination de la Lune par le Soleil. En raison de sa couleur foncée, la surface du satellite ne réfléchit que 12 % de tous les rayons provenant de notre luminaire. Si la Lune était plus claire, elle serait aussi lumineuse que la lumière du jour lors des pleines lunes.

Comment la Lune s’est-elle formée ?

L’étude des minéraux de la Lune et de son histoire est l’une des disciplines les plus difficiles à maîtriser pour les scientifiques. La surface de la Lune est exposée aux rayons cosmiques et rien n’y retient la chaleur. Le satellite se réchauffe donc à 105° C pendant la journée et se refroidit à-150° C pendant la nuit. Les durées bihebdomadaires du jour et de la nuit exacerbent les effets sur la surface et, par conséquent, les minéraux de la Lune ne sont plus reconnaissables au fil du temps. Cependant, il a été possible de faire quelques découvertes.

Les vraies couleurs de la Lune (saturation augmentée)

On pense aujourd’hui que la Lune est le produit d’une collision entre un grand embryon planétaire, Theia, et la Terre, qui s’est produite il y a des milliards d’années, alors que notre planète était complètement en fusion. Une partie de la planète qui est entrée en collision avec nous (elle avait la taille de Mars) a été absorbée, mais son noyau, ainsi qu’une partie de la matière superficielle de la Terre, ont été projetés par inertie en orbite, où ils sont restés sous la forme de la Lune.

C’est ce que prouve le manque de fer et d’autres métaux sur la Lune, déjà mentionné plus haut. Lorsque Teia a arraché un morceau de matière terrestre, la plupart des éléments lourds de notre planète ont été attirés par la gravité vers l’intérieur, vers le noyau. Cette collision a affecté le développement de la Terre : elle a commencé à tourner plus vite et son axe de rotation s’est incliné, ce qui a rendu possible le changement des saisons.

La Lune s’est ensuite développée comme une planète normale : elle a formé un noyau de fer, un manteau, une croûte, des plaques lithosphériques et même sa propre atmosphère. Cependant, en raison de sa faible masse et de la composition médiocre des éléments lourds, l’intérieur de notre satellite s’est rapidement refroidi et l’atmosphère s’est vaporisée en raison de la température élevée et de l’absence de champ magnétique. Cependant, certains processus se déroulent encore à l’intérieur — en raison des mouvements de la lithosphère de la Lune, des chocs lunaires se produisent parfois. Ils constituent l’un des principaux dangers pour les futurs colonisateurs de la Lune : leur magnitude atteint 5 points et demi sur l’échelle de Richter, et ils durent beaucoup plus longtemps que ceux de la Terre — il n’y a pas d’océan capable d’absorber l’impulsion du mouvement de l’intérieur de la Terre.

Les principaux éléments chimiques présents sur la Lune sont le silicium, l’aluminium, le calcium et le magnésium. Les minéraux qui forment ces éléments sont similaires à ceux de la Terre et se trouvent même sur notre planète. Cependant, la principale différence entre les minéraux de la Lune est l’absence d’exposition à l’eau et à l’oxygène produits par les êtres vivants, une forte proportion d’impuretés météoritiques et des traces d’exposition au rayonnement cosmique. La couche d’ozone de la Terre s’est formée il y a très longtemps et l’atmosphère brûle la majeure partie de la masse des météorites qui tombent, ce qui permet à l’eau et aux gaz de modifier lentement mais sûrement l’apparence de notre planète.

L’avenir de la Lune

La Lune est le premier corps spatial après Mars qui prétend être la première priorité pour la colonisation humaine. D’une certaine manière, la Lune a déjà été exploitée : l’URSS et les États-Unis ont laissé des costumes d’État sur le satellite et des radiotélescopes en orbite se cachent derrière le dos de la Lune depuis la Terre, qui génère de nombreuses interférences sur les ondes. Mais quel est l’avenir de notre satellite ?

Le processus principal, qui a été mentionné à plusieurs reprises dans l’article, est le recul de la Lune dû à l’accélération des marées. Il se produit assez lentement — le satellite ne s’éloigne pas de plus de 0,5 centimètre par an. Cependant, l’important ici est tout autre. En s’éloignant de la Terre, la Lune ralentit sa rotation. Tôt ou tard, il se peut qu’un jour sur Terre dure autant qu’un mois lunaire, soit 29 à 30 jours.

La collision de la Lune et de la Terre vue par un artiste

Cependant, l’éloignement de la Lune aura sa propre limite. Une fois celle-ci atteinte, la Lune commencera à se rapprocher de la Terre en tournant — et beaucoup plus vite qu’elle ne s’en éloignait. La percuter complètement ne réussira cependant pas. À 12-20 000 kilomètres de la Terre commence sa cavité Rosh — la limite gravitationnelle à laquelle un satellite de n’importe quelle planète peut conserver une forme solide. Par conséquent, la Lune en approche sera déchirée en millions de petits fragments. Une partie d’entre eux tombera sur la Terre, organisant un bombardement des milliers de fois plus puissant qu’un bombardement nucléaire, et le reste formera un anneau autour de la planète, comme l’anneau de Saturne. Cependant, il ne sera pas aussi brillant — les anneaux des géantes gazeuses sont constitués de glace, qui est plusieurs fois plus brillante que les roches sombres de la Lune — et ils ne seront pas toujours visibles dans le ciel. L’anneau terrestre posera un problème aux astronomes du futur — si, bien sûr, il reste quelqu’un sur la planète d’ici là.

Colonisation de la Lune

Mais tout cela se passera dans des milliards d’années. D’ici là, l’humanité considère la Lune comme le premier site potentiel de colonisation de l’espace. Mais qu’entend-on exactement par «exploration lunaire» ? Nous allons maintenant examiner ensemble les perspectives immédiates.

Pour beaucoup, la colonisation de l’espace s’apparente à la colonisation New Age de la Terre : trouver des ressources précieuses, les extraire et les ramener chez soi. Cependant, cela ne s’applique pas à l’espace — dans les deux cents prochaines années, expédier un kilogramme d’or, même depuis l’astéroïde le plus proche, sera plus coûteux que de l’extraire des mines les plus difficiles et les plus dangereuses. De même, il est peu probable que la Lune joue le rôle de «secteur de datcha de la Terre» dans un avenir proche : bien qu’il y ait d’importants gisements de ressources précieuses, il sera difficile d’y cultiver de la nourriture.

Base lunaire vue par l’artiste

Mais notre satellite pourrait bien devenir une base pour la poursuite de l’exploration spatiale dans des directions prometteuses — par exemple, la même Mars. Le principal problème de l’exploration spatiale aujourd’hui est la limitation du poids des engins spatiaux. Pour les lancer, nous devons construire des structures monstrueuses qui nécessitent des tonnes de carburant — après tout, nous devons surmonter non seulement la gravité de la Terre, mais aussi l’atmosphère ! Et s’il s’agit d’un vaisseau spatial interplanétaire, il faut aussi le ravitailler. Cela embarrasse sérieusement les concepteurs, qui sont obligés de préférer l’économie à la fonctionnalité.

La Lune est une bien meilleure rampe de lancement pour les vaisseaux spatiaux. L’absence d’atmosphère et la faible vitesse à laquelle il faut vaincre la gravité lunaire — 2,38 km/s contre 11,2 km/s sur Terre — facilitent grandement les lancements. De plus, les gisements minéraux du satellite permettent d’économiser le poids du carburant — une pierre au cou de l’astronautique, qui représente une part importante de la masse de n’importe quel véhicule. Si la production de carburant pour fusées est déployée sur la Lune, il sera possible de lancer des engins spatiaux complexes et de grande taille, assemblés à partir de pièces livrées depuis la Terre. L’assemblage sur la Lune serait beaucoup plus facile qu’en orbite terrestre et beaucoup plus fiable.

Conception d’un module habitable sur la Lune. Voir la taille réelle.

La technologie disponible aujourd’hui permet de réaliser ce projet, si ce n’est en totalité, du moins en partie. Cependant, toute démarche en ce sens comporte des risques. L’investissement de sommes colossales nécessitera la recherche des fossiles nécessaires, ainsi que le développement, la livraison et le test des modules des futures bases lunaires. Et le coût estimé du lancement des premiers éléments pourrait à lui seul mettre en faillite une superpuissance entière !

La colonisation de la Lune n’est donc pas tant l’affaire des scientifiques et des ingénieurs que celle des peuples du monde entier, qui doivent réaliser cette précieuse unité. Car c’est dans l’unité de l’humanité que réside la véritable force de la Terre.

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023