Observez la Lune pendant plusieurs nuits : ses marques familières semblent rester à la même place. Les vastes taches sombres des mers lunaires sont toujours tournées vers la Terre, ce qui peut donner l’impression que la Lune ne tourne pas. Pourtant, elle tourne bien sur elle-même : elle effectue une rotation pour chaque orbite autour de la Terre. Cette synchronisation, appelée verrouillage gravitationnel, explique pourquoi nous voyons presque toujours le même hémisphère, plutôt que toutes ses faces à tour de rôle.
L’hémisphère opposé est souvent appelé la face cachée. Il n’est pas plongé en permanence dans l’obscurité. La lumière du Soleil atteint la majeure partie de la surface lunaire à différents moments du cycle lunaire, même si certains cratères profonds situés près des pôles restent dans l’ombre permanente. La géométrie de l’orbite de la Lune, sa rotation et un léger mouvement apparent de balancement contribuent à expliquer ce que nous pouvons observer.
Une rotation pour une orbite
La Lune met 27,32166 jours à effectuer une rotation par rapport aux étoiles lointaines, et 27,32166 jours à accomplir une orbite autour de la Terre. Comme ces périodes sont identiques, la même face générale reste tournée vers notre planète. Si la Lune ne tournait pas du tout sur elle-même, son déplacement le long de son orbite ferait apparaître différentes longitudes. Au lieu de cela, elle tourne régulièrement tout en avançant, au même rythme que son orbite.
On peut comparer ce mouvement au fait de tourner autour d’une personne en gardant le visage dans sa direction. Il faut effectuer un tour sur soi-même au cours du trajet, même si la personne en face voit toujours le même côté de votre tête. La rotation de la Lune est moins évidente, car aucun repère terrestre ne permet de la remarquer facilement d’une nuit à l’autre.
La période de rotation de 27,32166 jours ne correspond pas à l’intervalle entre deux pleines lunes. Ce cycle des phases dure 29,53059 jours, car, tandis que la Lune orbite autour de la Terre, le système Terre-Lune se déplace aussi autour du Soleil. Après avoir accompli une orbite, la Lune doit parcourir un peu plus de chemin pour retrouver le même alignement avec le Soleil et la Terre. Le guide des phases de la Lune explique comment les variations des angles entre le Soleil, la Terre et la Lune produisent les phases que nous observons.
Comment les forces de marée ont synchronisé la Lune
Le verrouillage gravitationnel résulte de l’action de la gravité sur un corps en rotation au fil du temps. La gravité terrestre attire plus fortement la face de la Lune qui nous est la plus proche que sa face opposée. Cette différence étire légèrement la Lune et provoque une déformation de marée. Lorsque la rotation de la Lune et son orbite n’étaient pas synchronisées, cette déformation n’était pas parfaitement alignée avec la direction Terre-Lune. Le couple gravitationnel qui en résultait modifiait la rotation de la Lune, tandis que les frottements internes dissipaient de l’énergie de rotation.
Au fil du temps, ces effets ont ralenti la rotation de la Lune, jusqu’à ce qu’elle mette autant de temps à tourner sur elle-même qu’à effectuer une orbite. Dans cet état synchronisé, la déformation de marée reste presque alignée avec la Terre, et le couple récurrent qui modifiait la rotation devient beaucoup plus faible. Le verrouillage gravitationnel n’est pas une force particulière qui maintient une face immobile : c’est un état stable qui résulte de la rotation, de la gravité et de la dissipation d’énergie.
Les effets de marée continuent de jouer un rôle dans le système Terre-Lune. La Lune s’éloigne de la Terre d’environ 3,8 cm par an, conséquence des interactions de marée qui transfèrent le moment cinétique au sein du système. Ce mouvement n’est pas visible à partir d’une seule observation, mais il illustre les échanges continus entre l’orbite et la rotation de la Lune, toutes deux liées par le verrouillage.
La face cachée n’est pas une face sombre
La face cachée est simplement l’hémisphère tourné à l’opposé de la Terre. Elle reçoit la lumière du Soleil, tout comme la face visible, tandis que la Lune orbite autour de notre planète. À la pleine lune, la face visible est éclairée et la face cachée est en grande partie tournée à l’opposé du Soleil ; à la nouvelle lune, la face cachée est éclairée tandis que la face visible est en grande partie dans l’obscurité. Le cycle s’inverse au fil des phases lunaires.
Il faut toutefois apporter une précision importante : tous les endroits de la Lune n’alternent pas entre lumière et obscurité. Près des pôles, le Soleil reste bas au-dessus de l’horizon. Certains fonds de cratères profonds sont si bien abrités par leurs remparts que la lumière du Soleil ne les atteint jamais, créant des régions plongées dans l’ombre permanente. Ces lieux particuliers s’expliquent par le relief local et la faible hauteur du Soleil, et non par leur présence sur la face cachée.
L’expression « face sombre de la Lune » peut donc prêter à confusion. Elle peut être employée de manière informelle pour désigner la face cachée, mais elle ne décrit pas un hémisphère qui ne reçoit jamais la lumière du Soleil. Pour connaître les dates et heures des phases tout au long du cycle, consultez le calendrier mensuel des phases de la Lune.
Un léger balancement révèle davantage la surface
Au fil du temps, la Terre ne voit pas exactement la moitié de la Lune. L’orbite lunaire est légèrement elliptique, et sa vitesse orbitale varie donc : la Lune se déplace plus vite lorsqu’elle est au plus près de la Terre et plus lentement lorsqu’elle en est éloignée. Sa vitesse de rotation reste presque constante ; les variations de sa vitesse orbitale lui donnent ainsi un léger mouvement apparent de balancement d’un côté à l’autre. Ce mouvement apparent est appelé libration en longitude.
La libration en latitude a une autre origine. L’axe de rotation de la Lune est incliné de 1,54 degré par rapport à l’écliptique, et son orbite est inclinée de 5,14 degrés par rapport à l’écliptique. Ensemble, ces angles permettent aux observateurs de voir un peu plus loin au-delà du pôle nord ou du pôle sud lunaire à différents moments de l’orbite. La distance de la Lune et la position de l’observateur sur Terre influent aussi légèrement sur la perspective.
La libration ne dévoile pas toute la face cachée d’un seul coup. Elle permet aux observateurs d’en apercevoir progressivement une partie au-delà du bord apparent. Au total, environ 59 % de la surface lunaire peut être observée depuis la Terre à un moment ou à un autre, même si la moitié environ, tout au plus, est visible à un instant donné. Cette révélation progressive explique pourquoi les cartes détaillées de la surface lunaire s’étendent au-delà de la face qui semble centrée dans une observation ordinaire.
Ce qu’il faut observer depuis la Terre
Pour observer cet effet, vous pouvez comparer, à différentes dates, l’aspect d’un élément reconnaissable près du bord de la Lune. La libration déplace le limbe apparent : un cratère ou une mer sombre proche du bord peut donc sembler davantage exposé à une date qu’à une autre. Sans télescope ni jumelles, le changement est subtil, et les variations d’orientation de la Lune dans le ciel peuvent aussi compliquer les comparaisons. Repérez un élément et comparez des vues prises à des phases similaires.
La vue dépend aussi bien de votre emplacement sur Terre que du moment où vous observez. Un tableau de bord lunaire pour une ville fournit les phases et l’éclairement locaux, les heures de lever et de coucher de la Lune, sa hauteur et son azimut, sa distance, ainsi qu’une vue du ciel tenant compte de la météo locale. Pour planifier vos observations, le guide du meilleur moment pour voir la Lune explique comment la phase et les conditions locales influent sur le moment où elle se trouve au-dessus de l’horizon. La rotation synchronisée de la Lune explique pourquoi sa face familière reste tournée vers nous ; la libration offre aux observateurs patients un aperçu changeant de ce qui se trouve juste au-delà.