La forme de la Lune est proche de celle d'unesphère. En seconde approximation c'est unellipsoïde légèrement aplati mais plus exactement un ellipsoïde triaxial. Son grand axe est déplacé de 30° par rapport à laTerre en raison d'anomalies gravitationnelles causées par sesbassins d'impact[4].
Sa forme est plus allongée que ce que les forces de marée actuelles peuvent expliquer. Ce « renflement fossile » suggère que la Lune s'est solidifiée lorsqu'elle orbitait à une distance moitié moindre de celle actuelle avec la Terre et qu'elle serait à présent trop froide pour que sa forme ne s'adapte à ce changement d'orbite[11]. Sonrayon équatorial est de 1 738,1 km et sonrayon polaire de 1 736,0 km, ce qui lui confère unaplatissement de 0,001, trois fois plus faible que celui de la Terre. Son rayon moyen est de 1 737,4 km, ce qui correspond à 27 % durayon terrestre environ[4].
Autour du noyau se trouve une couche limite derochespartiellement fondues jusqu'à environ 500 km du centre[19],[20]. Au-delà de cette couche se trouvent lemanteau et lacroûte, tous deux formés de roches solides mais de compositionschimiques etminéralogiques différentes. La croûte, épaisse d'environ 50 kilomètres en moyenne, affleure dans les « terres » ; elle est présente aussi dans les « mers », mais recouverte par d'épaisses couches delave[12],[15].
Image en couleurssaturées de la surface lunaire. Le brun rougeâtre et rouille provient de minerais de fer et le bleuâtre de minerais d'oxyde de titane.
L'origine de cette structure interne serait lacristallisation fractionnée d'unocéan magmatique lunaire peu après laformation de la Lune, évènement qui remonterait à4,5 milliards d'années environ[21]. Le refroidissement de cet océan magmatique aurait d'abord produit laprécipitation et lasédimentation de cristaux d'olivine, declinopyroxène et d'orthopyroxène formant un manteaumafique puis, après que les trois quarts environ de l'océan magmatique se sont cristallisés, la formation et la flottation de cristaux deplagioclase sont à l'origine de la croûte[d],[22]. Les derniers liquides à cristalliser, pris entre la croûte et le manteau, auraient été fortement enrichis enéléments incompatibles, parmi lesquels deséléments radioactifsKREEP producteurs de chaleur[6],[15]. Cependant, ce modèle n'explique pas complètement les caractéristiques observées de la composition de la surface, notamment des dissymétries de la répartition duthorium entre les faces visibles et cachées[23],[24].
La cartographiegéochimique de la surface lunaire, réalisée à partir desorbiteurs, est en accord avec cette perspective : la surface des hauts plateaux (« terres »), représentative de la croûte, est principalement constituée d'anorthosites, desroches ignées principalement composées deplagioclase[25] ; celle des « mers », comme celle des échantillons deroches lunaires recueillis sur place, sont des laves de compositionmafique, plus riches enfer que lesbasaltesterrestres[15].
Le champ magnétique lunaire est entièrement dû à la magnétisation des roches crustales, et aujourd'hui la Lune ne possède pas dechamp magnétique planétaire dipolaire[28].
Une partie de la magnétisation peut provenir de champs magnétiques transitoires générés lors d'impacts importants. Ces impacts créent l'expansion d'un nuage deplasma lors de l'impact, générant un champ magnétique ambiant. Ceci est confirmé par l'emplacement apparent des plus grandes magnétisations de la croûte près desantipodes des bassins d'impact géants[29]. Cependant, la majeure partie de la magnétisation est héritée d'une époque où la Lune possédait un champ magnétique global, à l'instar de la Terre et d'autres planètes.
La présence d'un champ magnétique global peu après la formation de la Lune est attestée par l'aimantation rémanente de ses roches les plus anciennes[6]. L'étude détaillée d'un échantillon detroctolite vieux de 4,25 Ga ramené lors des missionsApollo démontre l'existence d'unpaléo-champ d'une intensité de 20 à 40 µT — donc très comparable à celle duchamp magnétique terrestre actuel — qui aurait progressivement décliné et qui se serait terminé au moins après il y a 2,5 Ga[30]. Ce résultat confirme la présence d'uneffet dynamo à cette époque, mais ne permet pas d'en connaître précisément le mécanisme (convection thermique ou solutale, notamment)[6],[31].
La découverte d'escarpements de failles par leLunar Reconnaissance Orbiter suggère que la Lune s'est rétrécie d'environ 90 mètres au cours du dernier milliard d'années. Des caractéristiques de contraction similaires existent surMercure[44]. Une étude menée en 2019 sur plus de 12 000 images prises par l'orbiteur montre que laMare Frigoris, un vaste bassin près duPôle Nord lunaire et supposé géologiquement mort, se craquelle et se déplace. Comme la Lune ne possède pas deplaques tectoniques, son activité tectonique est lente et des fissures se développent au fur et à mesure qu'elle perd de lachaleur interne[45].
Le point de référence des coordonnées sélénographiques est le petit cratèreMösting A, défini comme ayant les coordonnées (−3,212,−5,211). D'une façon générale, lepremier méridien de la Lune correspond au centre du disque lunaire vu depuis la Terre, l'UAI recommandant comme axe la direction moyenne du centre de la Lune au centre de la Terre[46],[47].
Carte de la surface lunaire d'après les images de la missionClementine[48].
Les plaines lunaires sombres et relativement dénuées de caractéristiques, clairement visibles à l'œil nu depuis la Terre, sont appelées« mers », car on croyait autrefois qu'elles étaient remplies d'eau[49]. Elles sont maintenant connues comme de vastes bassins solidifiés de lavebasaltique ancienne. Bien que semblables aux basaltes terrestres, les basaltes lunaires contiennent plus defer et aucun minéral altéré par l'eau[50]. La majorité de ces laves a fait éruption ou s'est écoulée dans des dépressions associées à desbassins d'impact. Plusieursprovinces géologiques contenant desvolcans boucliers et desdômes lunaires volcaniques se trouvent à l'intérieur des« mers » de la face visible[51].
Presque toutes les mers se trouvent sur la face visible de la Lune et couvrent 31 % de la surface sur cette face, contre 2 % de la face cachée[52]. D'après les cartes géochimiques obtenues par le spectromètre gamma deLunar Prospector, il est estimé que cela est dû à une concentration d'éléments produisant de la chaleur — aussi appelésKREEP — sous la croûte de la face visible qui auraient causé le réchauffement, la fonte partielle, la remontée à la surface et l'éruption du manteau sous-jacent[22],[53],[54]. La plupart des basaltes desmers lunaires ont fait éruption pendant l'Imbrien supérieur, il y a 3,0 à3,5 milliards d'années, même si certains échantillons datés parradiométrie pourraient être aussi anciens que4,2 milliards d'années[55].
Images duLRO de dépôts rocheux géologiquement jeunes, preuves d'un volcanisme récent sur la Lune[56].
Datées par ledénombrement des cratères, les éruptions les plus récentes sur la Lune ont longtemps été évaluées comme s'étant déroulées il y a environ1,2 milliard d'années[57]. Cependant, en 2006, une étude ducratère Ina — une minuscule dépression deLacus Felicitatis — montre des caractéristiques déchiquetées et relativement exemptes de poussière qui, en raison de l'absence d'érosion par les retombées de débris, semblaient n'avoir que quelques millions d'années[58], même si cette datation ne fait pas consensus[59]. Lestremblements de lune et les rejets de gaz indiquent également une certaine activité lunaire continue[58],[60]. En 2014, la NASA annonce avoir découvert« de nombreuses preuves d'un volcanisme lunaire récent »[e] dans70 parcelles irrégulières de mers identifiées par leLunar Reconnaissance Orbiter, dont certaines datent de moins de50 millions d'années. Cela soulève la possibilité que le manteau lunaire soit beaucoup plus chaud qu'on ne le pensait auparavant, notamment en ce qui concerne la face visible où la croûte profonde est beaucoup plus chaude à cause de la plus grande concentration d'éléments radioactifs[61],[56],[62],[63]. Peu auparavant, des preuves de volcanisme basaltique vieux de 2 à10 millions d'années à l'intérieur ducratère Lowell — situé dans laMare Orientale, au niveau de la zone de transition entre les faces visible et cachée — sont rapportées[64]. Un manteau initialement plus chaud potentiellement associé à un enrichissement local d'éléments KREEP dans le manteau pourrait être responsable d'activités volcaniques prolongées également de l'autre côté du bassin oriental[65],[66].
Les régions plus claires de la Lune sont appeléesterrae, ou plus communémenthautes terres parce qu'elles ont une altitude plus élevée que la plupart des mers[60]. Elles sont datées, par radiométrie, comme ayant été formées il y a4,4 milliards d'années et pourraient représenter descumulats deplagioclases de l'océan magmatique lunaire[55],[57]. Contrairement à la Terre, aucunemontagne lunaire majeure ne se serait formée à la suite d'événementstectoniques[67].
La concentration de mers sur la face visible reflète probablement une croûte beaucoup plus épaisse des hautes terres de la face cachée, qui pourrait s'être formée lors de l'impact à faible vitesse d'une seconde lune de la Terre quelques dizaines de millions d'années après laformation de la Lune[68],[69].
La surface lunaire présente également de nombreuxcratères d'impact[71]. L'absence d'atmosphère, d'écoulements liquides en surface, de conditions météorologiques et de processus géologiques récents pour créer de l'érosion font que beaucoup de ces cratères sont bien préservés[60]. Les cratères se forment lorsque desastéroïdes et descomètes entrent en collision avec le satellite. On en dénombre environ 300 000 d'une largeur d'au moins un kilomètre sur la face visible seule[71]. Les périodes de l'échelle des temps géologique lunaire sont nommées d'après les événements d'impact les plus importants s'y étant déroulés, comme leNectarien d'après laMare Nectaris ou l'Imbrium d'après laMare Imbrium. Comme laMare Orientale, ces structures sont caractérisées par demultiples anneaux de matériaux soulevés sur un diamètre de plusieurs centaines voire milliers de kilomètres et associés à un large tablier de dépôts d'éjectas qui forment unestratigraphie régionale[72]. D'autres cratères plus petits commeÉratosthène etCopernic sont caractéristiques de périodes ultérieures et ont ainsi donné leur nom à l'Ératosthénien et auCopernicien.
Bien que seuls quelques bassins aient été datés avec certitude, ils sont utiles pour attribuer des âges relatifs. Comme les cratères d'impact s'accumulent à un rythme presque constant, lecomptage du nombre de cratères par unité de surface est utilisé pour estimer l'âge de la surface. Par ailleurs, les âges radiométriques des roches fondues à l'impact recueillies lors des missionsApollo se situent entre 3,8 et4,1 milliards d'années : elles sont un des principaux arguments de l'existence d'ungrand bombardement tardif[6],[73].
La croûte lunaire est recouverte d'une couche en surface trèsfragmentée et labourée par les impacts, appeléerégolithe, formée par les processus d'impact[60]. Le régolithe le plus fin, constituant lesol lunaire en verre dedioxyde de silicium, possède une texture ressemblant à de laneige et un parfum ressemblant à de lapoudre noire[74]. Le régolithe des surfaces plus anciennes est en général plus épais que celui des surfaces plus jeunes : son épaisseur varie de 10 à 20 km dans les hautes terres et de 3 à 5 km dans les mers[75]. Sous la couche de régolithe finement hachée se trouve le mégarégolithe, une couche desubstrat rocheux très fracturé épaisse de plusieurs kilomètres[76].
La comparaison des imageshaute résolution obtenues par leLunar Reconnaissance Orbiter montre un taux d'apparition des cratères significativement plus élevé que précédemment estimé. Ainsi, il est supposé qu'un processus de cratérisation secondaire causé par des éjectas projetés à chaque impact remuent les deux premiers centimètres du régolithe cent fois plus rapidement que les modèles précédents le suggéraient, avec une échelle de temps de l'ordre de 81 000 ans[77],[78].
Les tourbillons lunaires sont des formations brillantes énigmatiques observées à la surface de la Lune. Ils possèdent unalbédo élevé, des caractéristiques optiques similaires à celles d'un régolithe relativement jeune et en majorité une forme sinueuse. Cette forme est souvent accentuée par des régions de faible albédo qui serpentent entre les tourbillons brillants[80],[81].
L'eau liquide ne peut pas persister à la surface de la Lune. Lorsqu'elle est exposée aurayonnement solaire, l'eau se dissocie rapidement parphotolyse puis est emportée dans l'espace. Cependant, depuis les années 1960, les scientifiques émettent l'hypothèse que de la glace d'eau pourrait être déposée par descomètes voire être produite par la réaction de roches lunaires riches enoxygène et d'hydrogène provenant duvent solaire, laissant des traces d'eau pouvant éventuellement persister dans lescratères d'obscurité éternelle au niveau des deux pôles lunaires[82],[83]. Des simulations numériques suggèrent que jusqu'à 14 000 km2 de la surface du satellite seraient constamment dans l'ombre[84]. La présence de quantités d'eau utilisables sur le satellite est un facteur important afin d'envisager unecolonisation de la Lune de façon rentable. En effet, l'alternative consistant à transporter de l'eau depuis la Terre serait d'un coût prohibitif[85].
En 1994, l'expérienceradar réalisée à bord de l'orbiteurClementine rapporte l'existence de petites poches d'eau gelée près de la surface. Cependant, des observations radar ultérieures depuis leradiotélescope d'Arecibo suggèrent que ces découvertes seraient plutôt des roches éjectées lors de la formation de jeunes cratères d'impact[87]. En 1998, le spectromètre à neutrons deLunar Prospector révèle la présence de fortes concentrations d'hydrogène dans le premier mètre de profondeur du régolithe près des régions polaires[88]. Des perles de lave volcaniques, ramenées sur Terre lors de la missionApollo 15, présentent après recherches de petites quantités d'eau en leur intérieur[89].
L'analyse des résultats duMoon Mineralogy Mapper (M3) apporte en pour la première fois la confirmation de la présence de glace d'eau à la surface de la Lune[99],[97],[98]. Les données révèlent les signatures réfléchissantes distinctes de la glace d'eau, par opposition à celles de la poussière et d'autres substances réfléchissantes[100]. Les dépôts de glace se trouvent. sur lespôles Nord etSud, bien qu'ils soient plus abondants au Sud, où les cratères d'obscurité éternelle sont plus répandus[97],[100].
Le volume d'eau présent sur la Lune est estimé en 2018 parPaul Spudis à une fourchette comprise entre 100 millions et un milliard de mètres cubes à chaque pôle[104].
L'inclinaison de l'axe de la Lune par rapport à la normale de l'écliptique n'est que de 1,54°, soit beaucoup moins que les 23,44° de l'axe de la Terre. Pour cette raison, l'éclairement solaire de la Lune varie beaucoup moins selon lessaisons, et les détails topographiques jouent un rôle crucial dans les effets saisonniers[105].
D'après les images prises parClementine en 1994, quatre régions montagneuses au bord ducratère Peary, près du pôle Nord de la Lune, pourraient rester illuminées pendant toute la journée lunaire, créant ainsi despics de lumière éternelle[106]. De telles régions n'existent pas au pôle Sud. De même, il y existe des endroits qui restent dans l'ombre permanente au fond de nombreux cratères polaires, impliquant que ces « cratères d'obscurité éternelle » sont extrêmement froids[84]. LeLunar Reconnaissance Orbiter mesure les températures estivales les plus basses dans les cratères du pôle Sud à35 K (−238 °C) et seulement26 K (−247 °C) vers le solstice d'hiver dans lecratère Hermite aupôle Nord[107]. C'est la température la plus basse du Système solaire jamais mesurée par un engin spatial, inférieure même à celle de la surface dePluton[105].
Les températures moyennes de la surface de la Lune diffèrent grandement en fonction du moment de la journée pour les régions considérées : jusqu'à environ400 K (127 °C) lorsqu'elles sont exposées aux rayons solaires à l'équateur et jusqu'à100 K (−173 °C) lorsqu'elles sont à l'ombre[4],[107],[108].
L'atmosphère de la Lune est si ténue que sa masse totale est inférieure à 10 tonnes, soit une densité correspondant presque à duvide[107] : la pression superficielle de cette petite masse est d'environ3 × 10−15atm (0,3nPa), celle-ci variant avec le jour lunaire. Ses sources sont notamment ledégazage et lapulvérisation cathodique, un produit du bombardement du sol par lesions duvent solaire[109]. On trouve parmi les éléments détectés lesodium et lepotassium, produits par pulvérisation cathodique et également présents dans les atmosphères deMercure et deIo ; l'hélium 4 et lenéon provenant du vent solaire[110] ; et l'argon 40, leradon 222 et lepolonium 210, dégazés après leur création pardésintégration radioactive dans la croûte et le manteau[111]. L'absence d'espèces neutres (atomes oumolécules) comme l'oxygène, l'azote, lecarbone, l'hydrogène et lemagnésium, qui sont pourtant présentes dans lerégolithe n'est pas expliquée[112]. De la vapeur d'eau est présente en quantités variables en fonction de la latitude, avec un maximum à environ 60-70°. Elle est probablement produite par lasublimation de la glace d'eau du régolithe. Ces gaz retournent vers la surface en raison de la gravité de la Lune ou sont perdus dans l'espace, soit par la pression du rayonnement solaire, soit — s'ils sont ionisés — en étant emportés par le champ magnétique du vent solaire[112].
Croquis des poussières lunaires par les astronautes d’Apollo 17.
Un nuage depoussière lunaire asymétrique permanent existe autour de la Lune, créé par de petites particules decomètes[113]. Il est estimé que 5 tonnes de ces dernières frappent la surface toutes les 24 heures et éjectent cette poussière. Celle-ci reste en suspension pendant environ 10 minutes, prenant 5 minutes pour se lever et 5 minutes pour tomber[114]. En moyenne, 120 kilogrammes de poussière sont présents en permanence au-dessus de la Lune, s'élevant jusqu'à 100 kilomètres de la surface[114]. Les mesures de la poussière sont effectuées par l'expérience LDEX (Lunar Dust EXperiment) duLADEE, à 20 à 100 kilomètres de la surface pendant une période de six mois[115],[116]. Le LDEX détecte en moyenne une particule de poussière lunaire de 0,3 micromètre par minute. Le comptage des particules de poussière culmine pendant lespluies de météores desGéminides, desQuadrantides et desTaurides notamment, lorsque la Terre et la Lune traversent des débris decomètes. Les nuages sont asymétriques, plus denses près de la limite entre le côté jour et le côté nuit de la Lune[114],[117].
En octobre 2017, des scientifiques duCentre de vol spatial Marshall et duLunar and Planetary Institute deHouston annoncent avoir découvert à partir d'études d'échantillons demagma de la Lune, prélevés lors des missionsApollo, que la Lune aurait possédé une atmosphère relativement épaisse pendant une période de 70 millions d'années il y a trois ou quatre milliards d'années[118],[119]. Cette atmosphère, provenant de gaz éjectés lors d'éruptions volcaniques lunaires, était deux fois plus épaisse que celle trouvée actuellement sur la planèteMars. L'ancienne atmosphère lunaire aurait progressivement été dépouillée par le vent solaire puis dissipée dans l'espace[119],[120].
Vue d'artiste d'une collision similaire à l'impact géant.
La Lune commence à se former il y a4,51 milliards d'années, de 30 à60 millions d'années après laformation du Système solaire[6],[121]. Plusieurs mécanismes de formation sont proposés[122], parmi lesquels la séparation de la Lune à partir de la croûte terrestre par laforce centrifuge (ce qui exigerait une vitesse de rotation initiale de la Terre trop élevée)[123],[124], la capture gravitationnelle d'une Lune préformée (ce qui nécessiterait cependant uneatmosphère terrestre étendue irréaliste pourdissiper l'énergie de la Lune de passage)[125],[124] et la co-formation de la Terre et de la Lune dans ledisque d'accrétion primordial (ce qui ne peut pas expliquer la disparition des métaux dans la Lune)[6],[60],[124]. Ces hypothèses ne peuvent pas non plus expliquer lemoment cinétique élevé du système Terre-Lune[126].
Pour l'hypothèse dominante, lesystème Terre-Lune s'est formé après l'impact d'uneprotoplanète ayant une taille similaire à celle deMars (nomméeThéia, la mère deSéléné dans lamythologie grecque) avec laproto-Terre ; elle est appelée l'hypothèse de l'impact géant[6],[60],[127]. L'impacteur, la croûte et une partie du manteau terrestre se disloquent et projettent une grande quantité de débris en orbite autour de la Terre. La Lune se forme ensuite paraccrétion d'une partie de ce nuage de débris en un temps très court, de l'ordre d'un siècle[128],[129]. L'impact aurait libéré beaucoup d'énergie, faisant fondre la couche externe de la Terre, et a ainsi formé un océan demagma[130],[131]. De même, la Lune nouvellement formée aurait possédé unocéan magmatique lunaire d'une profondeur estimée à au moins plusieurs centaines de kilomètres[60],[130].
Bien que l'hypothèse de l'impact géant puisse expliquer de nombreux paramètres, certains éléments ne sont pas expliqués, notamment en ce qui concerne lescompositions isotopiques proches de la Lune et de la Terre, sonvolcanisme relativement récent, ou l'existence passée d'unchamp magnétique planétaire[6]. En effet, la mesure en 2001 dessignatures isotopiques desroches lunaires du programmeApollo révèle qu'elles présentent la même signature isotopique que les roches terrestres, les distinguant donc de presque tous les autres corps du Système solaire[6]. Cette observation est inattendue car on supposait alors que la plupart des matériaux qui ont formé la Lune provenaient de Théia ; or, il est ensuite annoncé en 2007 qu'il y a moins d'un pour cent de chances queThéia et la Terre aient des signatures isotopiques identiques par ce biais[132]. D'autres échantillons lunaires d’Apollo étudiés en 2012 comportent la même composition en isotopes detitane que la Terre, ce qui est enconflit avec ce qui est attendu si la Lune s'était formée loin de la Terre ou était issue de Théia[133],[134].
Ces écarts peuvent s'expliquer par des variations de l'hypothèse de l'impact géant[6]. Des modèles alternatifs ont notamment proposé une série d'impacts moins cataclysmiques[135] ou la formation d'unesynestia — un nuage torique de gaz et de fragments rocheux[136].
La Lune effectue uneorbite complète autour de la Terre par rapport auxétoiles fixes environ une fois tous les27,3 jours — sapériode de révolution oupériode sidérale[f]. Cependant, comme la Terre se déplace simultanément surson orbite autour duSoleil, il faut environ deux jours de plus avant que la Lune ne montre la mêmephase à la Terre, soit29,5 jours — sapériode synodique[g],[138],[4]. La période de révolution draconitique égale à 27,2 jours est liée au mouvement de précession de laligne des nœuds et la période de révolution anomalistique égale à 27,5 jours est liée au mouvement de laligne des absides. La trajectoire de la Lune est elliptique avec une excentricité variable. Au périgée sa vitesse atteint un maximum tandis qu'à l'apogée elle atteint un minimum selon laloi d'égalité des aires énoncée par Kepler.
Contrairement à la plupart dessatellites naturels des autres planètes, elle orbite plus près duplan de l'écliptique que duplan équatorial de la planète[4],[139]. En effet l'angle du plan orbital de la Lune avec l'écliptique n'est que de 5,15° en moyenne tandis que le plan équatorial de la Terre est incliné de 23,44° par rapport à l'écliptique. Son orbite est subtilementperturbée par le Soleil et la Terre en de nombreuses différentes façons. Par exemple, le plan de l'orbite de la Lune tourne graduellement tous les18,61 ans[140], ce qui affecte d'autres aspects du mouvement lunaire[141]. Ces effets consécutifs sontmathématiquement décrits par leslois de Cassini[142],[143].
Par ailleurs, la Lune est le seul satellite naturel permanent de la Terre. Certainsobjets géocroiseurs comme(3753) Cruithne coorbitent avec la Terre : leurs orbites les rapprochent de la planète à un intervalle régulier, mais s'altèrent sur le long terme[144],[145]. Ce sont desquasi-satellites et non des satellites naturels, car ils n'orbitent pas autour de la Terre mais autour du Soleil, l'existence d'autres lunes de la Terre n'étant pas confirmée[146]. Cependant, certains de ces astéroïdes peuvent devenir parfois pendant quelques mois — voire quelques années —des satellites temporaires de la Terre. Seul2006 RH120 est connu pour avoir été dans ce cas, entre 2006 et 2007[147],[148].
La trajectoire de la Lune dans unrepère lié au Soleil a la particularité d'être entièrement concave, sans boucles nipoints d'inflexion. C'est le seul cas parmi tous les satellites connus,naturels ouartificiels.
Vidéo d'une rotation complète de la Lune prise par leLRO en 2013[149].
La Lune est enrotation synchrone autour de la Terre : sapériode de rotation est égale à sa période de révolution[4]. Elle présente donc toujours le mêmehémisphère, nommé « face visible de la Lune », à un observateur terrestre, l'hémisphère opposé étant en conséquence appelé « face cachée de la Lune ». Cependant, en raison de l'effet de lalibration, environ 59 % de la surface de la Lune peut en pratique être vue depuis la Terre[150],[151]. La face cachée est parfois appelée à tort le « côté obscur », mais elle est totalement éclairée aussi souvent que le côté visible, soit une fois tous les29,5 jours terrestres, à lanouvelle lune[138],[152].
Cette rotation synchrone résulte des frottements créés par lesforces de marée de la Terre sur la Lune, l'énergie de rotation s'étant dissipée sous forme de chaleur. Auparavant, la Lune avait une vitesse de rotation plus rapide, mais celle-ci a ralenti progressivement jusqu’à ce que la période de ce mouvement coïncide avec celle de la révolution du satellite autour de la Terre, assez vite dans son histoire[150],[153],[154].
En 2016, en utilisant des données collectées lors de la missionLunar Prospector, des planétologues détectent deux zones riches enhydrogène (probablement une ancienneglace d'eau) à deux points opposés de la Lune. Il est supposé que ces zones étaient il y a des milliards d'années les pôles lunaires avant qu'elle ne soit verrouillée avec la Terre[6],[155].
La Lune est un satellite naturel exceptionnellement grand par rapport à la Terre : elle fait plus du quart du diamètre et 1/81e de la masse de la planète[4],[6]. Il s'agit d'ailleurs de la plus grande lune du Système solaire par rapport à la taille de sa planète, bien queCharon soit plus grande par rapport à la planète nainePluton, faisant 50 % de son diamètre et 1/9e de sa masse[156]. La superficie de la Lune est légèrement inférieure à celle de l'Asie[157].
Mécanisme des marées : A.Syzygie ; B.Quadrature 1. Soleil ; 2. Terre ; 3. Lune 4. Direction de l'attraction par le Soleil 5. Direction de l'attraction par la Lune.
L'attraction gravitationnelle entre les corps célestes diminue inversement au carré de la distance de ces masses les unes par rapport aux autres. En conséquence, l'attraction exercée par la Lune est légèrement plus grande pour le côté de la Terre le plus proche d'elle que pour le côté opposé. Cela entraîne uneforce de marée qui affecte à la fois lesocéans et lacroûte terrestre[160]. L'effet le plus évident des forces de marée est de provoquer deux renflements dans les océans de la Terre, l'un du côté faisant face à la Lune et l'autre du côté opposé. Il en résulte des variations du niveau des mers, appelésmarées océaniques[161]. Lorsque la Terre tourne sur son axe, l'un des renflements de l'océan (marée haute) est localement maintenu en place « sous » la Lune, tandis qu'une autre marée de ce type est opposée. En conséquence, il y a environ deux marées hautes et deux marées basses en une journée[161]. Puisque la Lune est en orbite autour de la Terre dans le même sens que la rotation de la Terre sur elle-même, les marées hautes se produisent environ toutes les 12 heures et 25 minutes, les 25 minutes étant dues au temps que met la Lune pour orbiter autour de la Terre[160],[162].
Le Soleil produit également des marées mais d'amplitude plus faible, 40 % de celle due à la Lune. Lors de lasyzygie, quand la Lune et le Soleil sont alignés avec la Terre, la somme des interactions Lune-Terre et Soleil-Terre est responsable des grandes marées au moment deséquinoxes deprintemps et d'automne[161].
Si la Terre ne possédait pas de continents, la marée produite serait d'une amplitude d'un mètre seulement et serait très prévisible. En réalité, les marées océaniques sont grandement affectées par d'autres facteurs : la friction de l'eau au niveau desfonds océaniques, l'inertie du mouvement de l'eau ou encore le ballottement de l'eau entre les différents bassins océaniques[163].
Alors que la gravitation provoque l'accélération et le mouvement des océans fluides de la Terre, le couplage gravitationnel entre la Lune et le corps solide de la Terre est principalement élastique et plastique. Le résultat est un autre effet de marée de la Lune sur la Terre qui provoque un renflement de la partie solide de la Terre la plus proche de la Lune qui agit comme unmoment en opposition à la rotation de la Terre : unemarée solide, ou terrestre[164]. Cela « draine » lemoment cinétique etl'énergie cinétique de la rotation de la Terre, la ralentissant progressivement[6],[165],[161]. Cet élan angulaire, perdu par la Terre, est transféré à la Lune dans un processus connu sous le nom d'accélération par effet de marée, qui élève la Lune sur une orbite plus élevée. Ainsi, la distance entre la Terre et la Lune augmente — la Lune était environ dix fois plus proche de la Terre lors de sa formation qu'à l'époque contemporaine — et la rotation de la Terre ralentit en réaction[6],[166]. Les mesures desréflecteurs lunaires laissés pendant les missionsApollo révèlent que ladistance Terre-Lune augmente d'en moyenne 3,8 cm par an[167],[168] (3,805 ± 0,004 cm/an[169]). Leshorloges atomiques montrent également l'effet inverse, à savoir que le jour sur Terre s'allonge d'environ 15 microsecondes chaque année, forçant letemps universel coordonné à être ajusté avec dessecondes intercalaires[170].
La Terre et la Lune photographiées en 2007 depuisMars par la sondeMars Reconnaissance Orbiter. Depuis l'espace, la Terre présente des phases similaires à celles de la Lune. Au moment où l'image a été prise, la Terre se trouvait à 142 millions de kilomètres de Mars.
Dût-elle suivre son cours, cette traînée de marée continuerait jusqu'à ce que la rotation de la Terre et la période orbitale de la Lune correspondent, créant un verrouillage mutuel par les forces de marées entre les deux astres[171]. En conséquence, la Lune serait suspendue dans le ciel au-dessus d'un méridien, comme c'est par exemple le cas entrePluton et sa luneCharon. Cependant, le Soleil deviendra unegéante rouge et engloutira le système Terre-Lune bien avant cette phase[171],[172],[173].
De la même manière, la surface lunaire subit des marées d'une amplitude d'environ 10 cm tous les27 jours, avec deux composantes : une fixe due à la Terre parce qu'enrotation synchrone, et une variable due au Soleil[165]. La composante induite par la Terre provient de lalibration, résultat de l'excentricité orbitale de la Lune — si l'orbite de la Lune était parfaitement circulaire, il n'y aurait que des marées solaires. Les effets cumulés de ces contraintes de marée produisent desséismes lunaires[174],[175]. Ces phénomènes restent beaucoup moins courants et moins intenses que lestremblements de terre, bien qu'ils puissent se dérouler pendant jusqu'à une heure du fait de l'absence d'eau pour amortir les vibrations sismiques. L'existence de ces séismes est une découverte inattendue dessismographes placés sur la Lune lors des missionsApollo de 1969 à 1972[174].
Par ailleurs, ces forces de marées ont un impact décelable sur leclimat dans le cadre demarées atmosphériques[176],[177]. Lors des différentes phases de la Lune, la force de marée attire plus ou moins l’atmosphère et participe ainsi, à hauteur de quelques pourcents, aux phénomènes de surpression et dedépression[178].
Finalement, la présence de la Lune a une influence sur la stabilisation de l'inclinaison de l'axe terrestre. En effet, l’obliquité de la Terre varie entre 21 et 24° environ par rapport au plan de l’écliptique tandis queMars, qui n'a pas de satellite naturel aussi massif, voit son obliquité varier de 20 à 60° sur des millions d'années. De même, avant la formation de la Lune, l'axe de rotation terrestre oscillait de façonchaotique, ce qui aurait rendu impossible l'apparition de lavie à sa surface du fait des dérèglements climatiques causés ; ceci a disparu une fois le verrouillage gravitationnel par effet de marée entre la Terre et son satellite naturel mis en place[179],[180],[165].
L'influence lunaire est la croyance ou des hypothèses d'une corrélation entre des étapes spécifiques du cycle lunaire et des changementsphysiologiques chez les êtres vivants sur Terre, y compris les humains[181],[182].
La Lune a longtemps été particulièrement associée à lafolie et à l'irrationalité, des mots commelunatique étant dérivés du nomlatin de la Lune,Luna[183]. Les philosophesAristote etPline l'Ancien font valoir que lapleine lune cause lafolie chez les individus sensibles, estimant que le cerveau, qui est principalement composé d'eau, doit être affecté par la Lune et son pouvoir sur les marées[182]. En réalité, le pouvoir de la gravité lunaire est trop faible pour que cela soit le cas. De façon contemporaine, l'existence d'une influence lunaire affirmant que les admissions dans leshôpitaux psychiatriques, lesaccidents de la route, leshomicides ou encore lessuicides augmenteraient lors despleines lunes est parfois défendue, même si de nombreuses études infirment cela[182],[184],[185],[186]. De même, si une influence de la Lune sur l'agriculture ou lesforêts est parfois supposée, aucun effet exploitable n'a jamais été démontré[181],[187],[188],[189].
En revanche, un sélénotropisme — c'est-à-dire l'orientation d'un organisme vis-à-vis de la Lune — est démontré chez certaines espèces devers palolo tels que l’Eunice fuscata duPacifique tropical[190],[191] ou chez deszooplancton enArctique pendant lanuit polaire[192]. Par ailleurs, la croissance de certains animaux comme lenautile serait influencée par la Lune et l'observation de leurscoquilles permet, avec des spécimens anciensfossiles, de confirmer de façon indépendante l'allongement dumois lunaire à l'échelle géologique en raison de l'augmentation de la distance Terre-Lune[193]. Cependant, cette hypothèse reste contestée[194],[195],[196].
La Lune et la Terre ; leurs tailles et les distances sont à l'échelle. Des distances remarquables de l'histoire du vol spatial sont indiquées pour référence.
La Lune possède unalbédo géométrique exceptionnellement bas de 0,12, ce qui lui confère uneréflectance légèrement supérieure à celle de l'asphalte[4],[198]. Cependant, avec unemagnitude apparente de -12,6 pendant lapleine lune, la Lune est l'astre le plus visible dans le ciel terrestre, après leSoleil et devantVénus, grâce à sa grande proximité avec laTerre[199]. Elle est ainsi facilement observable à l’œil nu la nuit, voire en plein jour[138]. Des jumelles permettent de distinguer les mers et les plus groscratères d'impact[200],[201].
Par ailleurs, le satellite bénéficie d'une amélioration de la luminosité grâce à l'effet d'opposition : la pleine lune est douze fois plus lumineuse qu'un quartier de Lune, même si la surface angulaire éclairée est seulement deux fois plus élevée[202]. De plus, laconstance des couleurs dusystème visuel humain recalibre les relations entre les couleurs d'un objet et son environnement, ce qui explique que la lune éclairée par le soleil ressorte lorsque le ciel environnant est relativement sombre[203]. Les bords de la pleine lune semblent aussi brillants que le centre, sansassombrissement centre-bord, en raison despropriétés réfléchissantes dusol lunaire, quirétroréfléchit davantage la lumière vers le Soleil que dans d'autres directions[202],[203].
L'orientation de la lune dans le ciel varie en fonction de lalatitude de l'observateur terrestre[204],[205]. En effet, puisque la Lune orbite près de l'écliptique, quelqu'un la regardant depuis une latitude positive (au nord de l'équateur terrestre) verra par exemple le proéminent cratèreTycho plus proche de l'horizon tandis qu'un observateur depuis une latitude négative (au sud de l'équateur), la verra« à l'envers »[138],[205]. Sur les deux photographies ci-contre, on observe le cratère en bas de l'image pour une pleine lune vue enBelgique tandis qu'il se trouve en haut de l'image pour une pleine lune vue enAustralie[206].
L'altitude atteinte par la lune dans le ciel lors de saculmination varie en fonction de saphase et de la période de l'année. La pleine lune est la plus élevée au solstice d'hiver pour chaque hémisphère[207]. Elle est la plus basse au solstice d'été. Le premier quartier est le plus élevé à l'équinoxe de printemps tandis qu'il est le moins élevé à l'équinoxe d'automne. Pour le dernier quartier c'est l'inverse. En fait la déclinaison de la Lune par rapport à l'équateur céleste varie d'un jour à l'autre comme le Soleil mais beaucoup plus rapidement sur une période de 27,2 jours (au lieu d'une année pour le Soleil) correspondant au mois draconitique. Autrement dit les déclinaisons les plus hautes et les plus basses s'alternent tous les 13,6 jours. Les déclinaisons ne sont pas exactement celles du Soleil sur la ligne du zodiaque et varient légèrement d'une année sur l'autre de plus 5° à moins 5° environ correspondant à l'inclinaison du plan orbital de la Lune[208].
Lataille apparente de la pleine lune est en moyenne d'environ 0,52° d'arc dans le ciel (soit 31'2 d'arc), ce qui est à peu près la même taille apparente que le soleil[4],[209]. Cependant, elle semble plus grande lorsqu'elle est proche de l'horizon en raison d'un effet purement psychologique, connu sous le nom d'illusion lunaire, décrit pour la première fois auVIIe siècle av. J.-C.[138],[210]. Plusieurs explications sont proposées, comme le fait que le cerveau humain perçoive le ciel comme légèrement aplati — ce qui implique qu'un objet à l'horizon est considéré comme plus grand — ou encore que la taille relative des objets vus à l'horizon fasse apparaître la lune plus grande, comme pour l'illusion d'Ebbinghaus[211],[212],[213].
L'apparence de la Lune, comme celle du Soleil, peut être affectée par l'atmosphère terrestre. Les effets optiques courants sont par exemple unanneau de halo de 22°, formé lorsque la lumière de la Lune est réfractée à travers lescristaux de glace desnuages de hautcirrostratus, ou descouronnes plus petites lorsque la Lune est vue à travers de minces nuages[215].
Du fait de sarotation synchrone, la Lune présente toujours la même partie de sa surface à la Terre : la face dite « visible ». Cependant, la moitié de la sphère éclairée par les rayons solaires — et donc à la fois orientée à la fois vers la Terre et vers le Soleil — varie au cours des 29,53 jours de sapériode synodique. Ce phénomène donne naissance à ce que l’on appelle lesphases lunaires, qui se succèdent au cours d’un cycle appelé « lunaison »[216]. Au fil du cycle lunaire, ladéclinaison de la Lune varie : elle augmente pendant une moitié du cycle et elle décroît pendant l’autre moitié[217].
La Lune présentant toujours la même face envers la Terre et son orbite étant peu inclinée, les phases lunaires présentent à peu près toujours les mêmes parties de la Lune d'un cycle à l'autre. On distingue principalement quatre points caractéristiques de l'apparence lunaire : lanouvelle lune quand la Lune et le Soleil sont enconjonction par rapport à la Terre, le premier quartier quand la Lune est enquadratureest, lapleine lune lorsque la Lune et le Soleil sont enopposition par rapport à la Terre et le dernier quartier quand la Lune est en quadratureouest. Entre chacun de ces points caractéristiques, on parlera successivement de premier croissant, delune gibbeuse croissante, de lune gibbeuse décroissante et enfin de dernier croissant[218],[217],[219].
Quartier de lune croissante enAustralie et enSuède, respectivement.
La partie éclairée de la Lune étant symétrique par rapport auplan formé par le Soleil, la Lune et l'observateur, la Lune présente à chaque instant la même phase à tout observateur terrestre quelle que soit sa latitude[138],[220]. Cependant, l'orientation de l'horizon de l'observateur terrestre varie par rapport à ce plan. Ainsi, pour de faibles latitudes — près de l'équateur et sous lestropiques —, l'horizon est perpendiculaire au plan et un croissant de Lune apparaîtra horizontal, comme un« sourire ». Pour des latitudes plus élevées, ce quartier apparaîtra plus vertical, comme un« C »[220],[221],[222]. La Lune est visible pendant deux semaines tous les 27,3 jours aux pôlesNord etSud[223],[224].
Une super lune est une pleine lune qui coïncide avec une distance minimale du satellite à laTerre[225],[226]. Il ne s'agit pas d'un terme d'astronomie mais plutôt d'une expression usuelle employée pour désigner certains phénomènes astronomiques[227].
Les éclipses ne se produisent que lorsque le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés, phénomène appelé une « syzygie »[232].
Depuis la Terre, la Lune et le Soleil apparaissent à la même taille, comme visible lors de l'éclipse solaire de 1999 (gauche), tandis que pour la sondeSTEREO-B, située dans une orbite terrestre suivant la planète, la Lune apparait bien plus petite que le Soleil (droite)[233].
Leséclipses solaires se produisent à lanouvelle lune, lorsque la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre. En revanche, leséclipses lunaires se produisent à lapleine lune, lorsque la Terre est entre le Soleil et la Lune[209],[234]. L'existence des premières est une conséquence du fait que lataille apparente de la Lune soit à peu près la même que celle du Soleil, les deux formant un angle d'environ 0,5° dans le ciel terrestre[4]. En effet, si le Soleil a un diamètre400 fois plus grand que celui de la Lune, il est également400 fois plus loin de la Terre que ne l'est la Lune[209].
Les variations de taille apparentes, dues aux orbites non circulaires, sont également presque identiques, bien que se produisant dans des cycles différents. Cela permet ainsi d'avoir parfois des éclipses solairestotales — avec la Lune apparaissant plus grande que le Soleil — etannulaires — la Lune apparaissant plus petite que le Soleil[234]. Lors d'une éclipse totale, la Lune recouvre complètement le disque du Soleil et lacouronne solaire devient visible à l'œil nu[235].
Comme la distance entre la Lune et la Terre augmente très lentement avec le temps, le diamètre angulaire de la Lune diminue dans le ciel terrestre[161],[236]. De plus, au fur et à mesure qu'il évolue sur saséquence principale pour devenir unegéante rouge, la taille du Soleil et son diamètre apparent dans le ciel augmentent également. La combinaison de ces deux facteurs signifie qu'il y a des centaines de millions d'années, la Lune couvrait toujours complètement le Soleil lors des éclipses solaires, et qu'aucune éclipse annulaire n'était alors possible. De même, d'ici600 millions d'années, la Lune ne pourra plus couvrir complètement le Soleil et les éclipses solaires totales deviendront impossibles[236],[237].
Par ailleurs, l'orbite de la Lune autour de la Terre étant inclinée d'environ 5,145° par rapport au plan de l'écliptique, les éclipses ne se produisent pas à chaque pleine et nouvelle lune. Pour qu'une éclipse se produise, la Lune doit se trouver près de l'intersection des deux plans orbitaux[139],[238]. La périodicité et la récurrence des éclipses du Soleil par la Lune et de la Lune par la Terre sont décrites par lesaros, dont la période est d'environ18,6 ans[239]. La saison des éclipses se produit tous les 173 jours soit une demi-année draconitique[240].
Parce que la Lune bloque continuellement la vue d'une zone circulaire du ciel d'un demi-degré de large, un phénomène appelé l'occultation se produit lorsqu'une étoile ou une planète passe derrière la Lune et est alors cachée[241],[242]. Ainsi, une éclipse solaire est un cas particulier d'occultation duSoleil[243]. Parce que la Lune est relativement proche de la Terre, les occultations des étoiles individuelles ne sont pas visibles partout sur la planète, ni en même temps[242]. En raison de laprécession de l'orbite lunaire, différentes étoiles sont occultées chaque année[244].
Animation montrant un ensemble de vues simulées de la Lune depuis l'hémisphère nord sur une période d'un mois. Le mouvement vertical de l'animation met en évidence le phénomène delibration lunaire.
La Lune présentant toujours le même hémisphère à laTerre, on appelle« librations » les phénomènes d'oscillation permettant à un observateur à la surface de la Terre de voir plus de 50 % de la surface de la Lune[245],[246]. Ces phénomènes peuvent prendre quatre formes : les librations en longitude, les librations en latitude, les librationsparallactiques et les librations physiques[247].
L’ensemble de ces phénomènes de libration au cours delunaisons successives permet d’observer environ 59 % de la surface lunaire depuis la surface terrestre[247]. Toutefois, les zones supplémentaires ainsi offertes à l’observation sont très déformées par l’effet de perspective et il est difficile de pouvoir distinguer les éléments de surface de ces régions depuis le sol[248].
L'une des premières représentations possibles de la Lune est une sculpture sur roche nomméeOrthostat 47, datée du troisième millénaire avant notre ère et découverte àKnowth, enIrlande[254],[255]. La première trace écrite de l'observation d'uneéclipse solaire date de 1223 av. J.-C, retrouvée sur unetablette d'argile dans l'ancienne cité d'Ougarit[256],[257]. Une inscription sur unos datant de 2136 av. J.-C. est aussi suspectée d'être une trace de l'observation d'une éclipse[257].
Bien que les Chinois de ladynastie Han associaient la Lune à une énergie assimilée auch'i, leur théorie de« l'influence rayonnante » reconnaît également que la lumière de la Lune est simplement le reflet du Soleil, etJing Fang note la sphéricité de la Lune auIer siècle av. J.-C.[263].
Cependant,Aristote théorise à l'inverse dansDu ciel que la Lune marque la frontière entre les sphères des éléments mutables (terre, eau, air et feu) et les étoiles impérissables de l'éther. Le monde supralunaire est parfait, et donc la Lune est une sphère lisse et inaltérable[264]. Le disciple d'Aristote,Cléarque de Soles, explique les taches lunaires par le fait que la Lune est unmiroir poli qui réfléchit le paysage terrestre[265]. Cette théorie est néanmoins invalidée par l'observation que la surface de la Lune reste inchangée alors qu'elle se déplace devant la Terre, poussant d'autres savants à imaginer que les taches soient des vapeurs condensées d'un nuage ou émanent de la Terre. Cette conceptionaristotélicienne d'une Lune lisse subsiste en partie jusqu'à la fin duMoyen Âge, voire laisse des traces jusque dans laPerse duXIXe siècle et dans lefolklore européen duXXe siècle[266],[267],[268].
Également auIIe siècle,Plutarque écrit dans sesŒuvres morales que« la Lune est une terre céleste » et que les zones sombres sont des dépressions remplies d’eau. Elles sont ainsi appeléesmaria (motlatin signifiant« mers » au pluriel), tandis que les hauts plateaux de couleur claire sont baptisésterrae (« terres »)[272]. Ces noms, bien qu'incorrects, demeurent dans la nomenclature actuelle[273],[274].
Une grande carte de la Lune en quatre feuilles nomméeMappa Selenographica, établie parGuillaume Beer etJohann Heinrich von Mädler entre 1834 et 1836 puis publiée dansDer Mond en 1837, fournit la première étudetrigonométriquement précise des caractéristiques lunaires[283],[288]. Elle comprend l'indication de l'altitude de plus d'un millier de montagnes avec des précisions similaires à celles des premières tentatives de géographie terrestre. Par ailleurs, les auteurs arrivent à la conclusion que la Lune ne possède ni d'étendue d'eau, ni d'atmosphère significative[283].
Les cratères lunaires, indiqués pour la première fois par Galilée, sont considérés comme d'originevolcanique jusqu'à la proposition pendant les années 1870 deRichard A. Proctor selon laquelle ils seraient en réalité descratères d'impact créés par des collisions d'astéroïdes ou decomètes. Ce point de vue gagne le soutien en 1892 du géologueGrove Karl Gilbert qui retrouve ces résultats par l'expérimentation. Des études comparatives de ces cratères de 1920 aux années 1940 conduisent au développement de l'échelle des temps géologiques lunaires, qui devient dans les années 1950 une branche nouvelle et croissante de lagéologie planétaire[291]. Cependant, l'observation depuis la Terre reste limitée à la face visible et c'est notamment par l'exploration spatiale que les connaissances sur le satellite naturel augmentent, la première image de la face cachée de la Lune étant par exemple obtenue en 1959 grâce à lasonde spatialesoviétiqueLuna 3[292].
Johannes Hevelius, premier astronome à tenir compte deslibrations (oscillations) de la Lune (1647) suggérées par leschérubins entourant sa carte de la Lune.
Les différents sites d'alunissage des missions soviétiques et américaines.
Entre le début du programmesoviétiqueLuna en 1959 et jusqu'aux années 1970 avec les dernières missions habitées du programmeApolloaméricain et la dernière missionLuna en 1976, lacourse spatiale inspirée par laguerre froide entre l'Union soviétique et les États-Unis conduit à une accélération de l'intérêt pour l'exploration de la Lune. Dès que leurslanceurs parviennent à placer des engins en orbite, les deux pays commencent à envoyer des sondes vers le satellite naturel[292],[293].
L'Union soviétique commence son programme spatial lunaire par une série de trois échecs de missions sans nom en 1958[292].
Cependant, la quatrième est un succès et le premiersurvol de la Lune est réalisé par la sondesoviétiqueLuna 1 le, qui est en outre le premier engin de l'histoire placé enorbite héliocentrique[294]. Il est rapidement suivi par le premier objet fabriqué par l’homme àatteindre la Lune — et de façon générale à toucher un autre corps céleste que la Terre —, la sondeLuna 2 qui s’y écrase en[295]. Les premières photos de la face cachée de la Lune sont ensuite envoyées le par la sondeLuna 3[296],[292].
Les ingénieurs russes progressent ensuite au cours de la décennie 1960 depuis des engins seulement capables de survoler ou de s'écraser sur la Lune jusqu'à desatterrisseurs[292].Luna 9 est ainsi la première sonde à parvenir à se poser sur la Lune plutôt que de s’y écraser le, retournant des photographies de la surface lunaire[298]. La première sonde mise en orbite autour de la Lune estLuna 10, le[299],[292].
Le programmeApollo est développé en parallèle, stimulé par un potentielprogramme lunaire habité soviétique. Après une série de tests sans équipage et avec équipage en orbite terrestre, la première mission humaine en orbite lunaire est réalisée en décembre 1968 parApollo 8. Les membres de son équipage (Frank Borman,James Lovell, etWilliam Anders) sont ainsi les premiers humains à apercevoir directement la face cachée de la Lune[312].
L'atterrissage d’Apollo 11 le est considéré comme le point culminant de la course spatiale engagée entre lesÉtats-Unis et l'URSS pendant laguerre froide[313],[314]. À 02h56 UTC, le premierhumain à poser le pied la Lune estNeil Armstrong, commandant de la mission, suivi deBuzz Aldrin[315],[316]. Environ 500 millions de personnes suivent l'événement enmondovision, la plus grande audience télévisée pour une émission en direct à l'époque[317],[318].
Desréflecteurs lunaires sont aussi déposés lors de ces missions afin de mesurer ladistanceTerre-Lune avec une précision de quelques centimètres grâce à un faisceaulaser. Instruments passifs, ils sont quant à eux toujours utilisés[323]. Les sondes soviétiques duprogrammeLunokhod en déposent également[324].
La Lune commence à partir de 1974 à être délaissée par les puissances spatiales au profit des autres corps célestes duSystème solaire, notamment vers le Système solaire externe pour la NASA avec les programmesPioneer etVoyager, et de la construction destations spatiales[328].
Dans lesannées 1990, la Lune devient la destination principale des sondes des nouvelles nations spatiales qui développent des programmes d'exploration du Système solaire, principalement leJapon, laChine et l'Inde[329],[330]. Ainsi, le Japon est en 1990 le troisième pays à placer unorbiteur en orbite lunaire,Hagoromo largué par la sondeHiten[331].
L'intérêt pour la Lune renaît à la suite de deux petites missions de la NASA,Clementine etLunar Prospector, respectivement lancées en 1994 et 1998, qui permettent la réalisation de la première carte topographique quasi globale de l'astre ainsi que la découverte d'un excès d'hydrogène à ses pôles, probablement dû à la présence deglace d'eau dans lescratères d'obscurité éternelle[332],[333].
Vue duspectromètreMoon Mineralogy Mapper deChandrayaan-1. La présence d'eau est détectée pour la première fois sur un cratère[334].
Dans les années 2000, de nombreuses missions vers la Lune sont réalisées par différentes agences spatiales[330]. L'Agence spatiale européenne lanceSMART-1 en afin de réaliser une étude des éléments chimiques de la surface lunaire jusqu'à son impact en[335]. L'Agence japonaise d'exploration aérospatiale lance l'orbiteurSELENE (ouKAGUYA) en, qui obtient des données de géophysique lunaire et prend le premier film haute définition au-delà de l'orbite terrestre avec une fin de mission en[336],[337]. L'Organisation indienne pour la recherche spatiale met sa première sonde en orbite lunaire,Chandrayaan-1, de jusqu'à sa perte de contact en, celle-ci confirmant la présence d'eau sur la Lune[338],[339].Chandrayaan-2 est lancée en mais son atterrisseurVikram échoue à se poser[340]. Une copie,Chandrayaan-3, se pose avec succès en, l'Inde devient ainsi le quatrième pays à attendre la surface[341], suivit quelques mois plus tard par le Japon avec l'atterrisseurSLIM en[342].
Le satelliteDSCOVR capture la Lune passant devant la Terre[343].
Dans les années 2010, la NASA met de nouveau en œuvre des missions vers la Lune. LeLunar Reconnaissance Orbiter est notamment lancé en avec l'impacteurLCROSS. Si ce dernier achève sa mission avec un impact planifié dans le cratèreCabeus en, le LRO est toujours en activité en fournissant régulièrement unealtimétrie lunaire précise — permettant de dresser unecarte topographique — et des images haute résolution[349]. Deux autres orbiteurs sont lancés par la NASA en puis en :GRAIL afin d'étudier lastructure interne de la Lune etLADEE pour étudier l'exosphère lunaire, avec respectivement des fins de mission en décembre 2012 et avril 2014[350],[351].
D'autres satellites, comme leDeep Space Climate Observatory situé au point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil, fournissent périodiquement des images de la Lune[343].
Lacolonisation de la Lune est le projet consistant à installer une voire plusieurs bases permanentes habitées sur la Lune, bien que cela ne soit pas encore envisageable de manière rationnelle[354],[355]. Une présence humaine au moins temporaire sur un corps planétaire autre que laTerre est déjà un thème récurrent descience-fiction, mais aurait ici un intérêt pratique car la Lune constituerait alors une préparation en vue de voyages plus lointains[354],[356].
La NASA commence à planifier la reprise des missions humaines à la suite de l'appel du président américainGeorge W. Bush en avec le programme de politique spatialeVision for Space Exploration[357]. Une mission humaine sur la Lune avant 2020 est alors prévue[358]. LeprogrammeConstellation est donc financé et des tests débutent sur unvéhicule spatial avec équipage appeléOrion ainsi que pour une base lunaire[359]. Le programme est finalement annulé en 2010 par le présidentBarack Obama pour cause de budget[360],[361].
Vue d'artiste d'astronautes durant leprogrammeArtemis, réalisée en 2020.
Cependant, à l'instigation duprésident américainDonald Trump, le retour de l'Homme sur la Lune est remis en avant en, à travers leprogrammeArtemis.Programme spatial habité de laNASA, celui-ci prévoit de poser un équipage d'ici 2024[358],[356]. Il doit déboucher sur une exploration durable du satellite par l'organisation de missions régulières dont l’aboutissement serait l'installation d'un poste permanent sur la Lune[356].
Le programme permettrait également de mettre au point les équipements et procédures nécessaires à d'hypothétiquesmissions habitées vers Mars[362]. Lelanceur lourdSpace Launch System (SLS) et le véhicule spatialOrion, dont le développement ont déjà débuté, seront notamment employés. Par ailleurs, une futurestation spatiale, laLunar Gateway, placée en orbite autour de la Lune, doit servir de relais entre la Terre et la surface de la Lune[363]. Les sites d'atterrissage retenus pour les différentes missions se situent aupôle Sud de la Lune, car les réserves de glace d'eau présentes dans lescratères d'obscurité éternelle présentent un intérêt stratégique dans la perspective de missions de longue durée[364],[365].
Bien que les atterrisseurs duprogrammeLuna aient dispersé des fanions aux couleurs de l'URSS sur la Lune et quedrapeaux américains etchinois aient symboliquement été plantés sur les sites d'atterrissage de leurs sondes, aucune nation ne revendique la propriété d'une partie de la surface de la Lune[367],[368]. LaRussie, laChine, l'Inde et lesÉtats-Unis sont signataires dutraité de l'espace — entré en vigueur le — qui définit la Lune et tout l'espace extra-atmosphérique comme appartenant à l'ensemble de l'humanité. Ce traité limite également l'utilisation de la Lune à des fins pacifiques, interdisant explicitement les installations militaires et lesarmes de destruction massive, notamment lesarmes nucléaires[367].
En 1979, letraité sur la Lune est créé afin de restreindre l'exploitation desressources naturelles de la Lune par une seule nation[369]. Il est cependant considéré comme un échec car aucune nation disposant de programmes ou de projets devols spatiaux habités ne le signe[370]. Bien que plusieurspersonnes physiques aient revendiqué la Lune en tout ou en partie, aucune de ces revendications n'est considérée comme crédible[370],[371].
En, le gouvernement américain autorise la start-up américaine Moon Express à atterrir sur la Lune[372]. C'est la première fois qu'une entreprise privée reçoit ce droit de le faire. La décision est considérée comme un précédent aidant à définir des normes réglementaires pour les activités commerciales dans l'espace lointain à l'avenir, car jusqu'à présent, les activités des entreprises étaient limitées à la Terre ou à ses alentours[372].
En 2020, le président américainDonald Trump signe un décret intitulé « Encouragement au soutien international pour la récupération et l'utilisation des ressources spatiales » (enanglais :Encouraging International Support for the Recovery and Use of Space Resources). L'ordonnance souligne que les États-Unis ne considèrent pas l'espace comme un bien commun et réitère les critiques faites au traité sur la Lune[373],[374].
Un responsable duprogramme spatial chinois ayant notamment déclaré en 2013 que la Lune contient suffisamment d'hélium 3 pour subvenir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant 10 000 ans grâce à lafusion nucléaire, l'extraction de ressources naturelles sur la Lune pourrait soulever des problèmes géopolitiques[375],[376],[377].
Ces propriétés sont déjà mises à profit en, lors de la missionApollo 16, où diverses photos et spectres astronomiques sont réalisés depuis la surface lunaire[386].
Au total, l'exploration spatiale a laissé près de 180 tonnes de matière d'origine terrestre sur la Lune. Les objets les plus lourds sont notamment les troisièmes étages de plusieurs fuséesSaturnV utilisées lors des missions habitées. Mis à part le rover chinoisYutu-2, les seuls objets toujours utilisés pour des expériences scientifiques sont lesréflecteurs lunaires permettant de mesurer précisément ladistance Terre-Lune[389],[391].
En, la NASA annonce que neuf sociétés commerciales seraient en concurrence pour remporter un contrat pour l'envoi de petites charges utiles sur la Lune dans le cadre desCommercial Lunar Payload Services, de nouveaux instruments scientifiques destinés au sol lunaire[392].
Le 2019, la sonde israélienneBeresheet, qui s'est écrasée sur la surface lunaire[393], transportait dans une capsule un millier detardigrades encryptobiose[393]. Si la capsule a résisté au crash, ces tardigrades sont les premiers résidents vivants permanents de la Lune[393].
Dans lamythologie gréco-romaine, le Soleil et la Lune sont représentés respectivement par unhomme et unefemme (Hélios etSéléné pour les Grecs puisSol etLuna pour les Romains)[399]. Il s'agit d'un développement unique à laMéditerranée orientale et les traces d'un dieu lunaire masculin antérieur dans la tradition grecque sont conservées dans la figure deMénélas[réf. nécessaire].
Lesphases régulières de la Lune en font un élément très pratique pour mesurer le temps ; les périodes de son ascension et de son déclin sont en conséquence à la base de nombreux calendriers parmi les plus anciens[405]. Des archéologues estiment que lesbâtons de comptage, des os dentelés datant d'il y a 20 à 30 000 ans, marqueraient les phases de la Lune[409],[410].
En effet, l'étude des phases de la lune est facile et un cycle desaisons — correspondant à une année — se réalise en environ douzelunaisons (354 jours)[405]. Historiquement, les calendriers lunaires sont donc utilisés par les premières civilisations, comme enMésopotamie et enÉgypte antique. Cependant, s'ils sont adaptés à des peuplesnomades, ils sont problématiques pour des peuples pratiquant l'agriculture en raison du décalage graduel qu'ils présentent avec les saisons, forçant des ajustements réguliers[411]. Par ailleurs, la définition moderne dumois d'environ 30 jours suit cette tradition et est une approximation ducycle lunaire[405].
Le calendrier purement lunaire le plus célèbre est lecalendrier hégirien, datant duVIIe siècle[405]. Les mois sont alors traditionnellement déterminés par l'observation visuelle duhilal, le premier croissant de lune au-dessus de l'horizon[413],[414].
Le nomanglaismonth (« mois ») et ses apparentés dans d'autreslangues germaniques proviennent du proto-germanique*mǣnṓth-, indiquant l'utilisation d'uncalendrier lunaire chez lesGermains avant l'adoption d'uncalendrier solaire[415],[416]. Cela dérive de la racine verbale enindo-européen commun *meh1 - « mesurer », permettant de remonter à une conception fonctionnelle de la Lune comme marqueur du mois et donc dutemps[417]. Cela fait écho à l'importance de la Lune dans de nombreuses cultures anciennes pour la mesure du temps comme lelatinmensis etgrec ancienμείς (meis) ouμήν (mēn) signifiant« mois »)[418],[419]. Enfrançais, cette racine se trouve notamment dans les mots mois etmenstruation (terme dérivé du latinmenstrues qui signifie « mensuel »)[420]. Enchinois et enjaponais, le caractère utilisé pour noter le mois dans une date est celui de la Lune (月), celui du jour étant celui du Soleil (日)[421],[422].
Enastrologie, le Soleil et la Lune ont des attributions (symboliques) antithétiques parfaitement symétriques[423] (jour / nuit, volonté / vie végétative, etc.).
Le théologien Yves Haumont affirme que l'univers de l'astrologie semble identique à celui de l'homme archaïque décrit par l'historien des religionsMircea Eliade[423] :
« Tous ces symboles lunaires constituent un tout dans la conscience de l'homme archaïque : ils sont reliés par des correspondances, des analogies, des participations, tout comme un réseau cosmique, un immense tissu dans lequel tout se tient et rien n'est isolé[424]. »
Toujours selon Eliade,« les vertus de la Lune ne se laissent pas découvrir au moyen d'une série d'efforts d'analyse mais par intuition »[424] alors que le symbolisme solaire est souvent le résultat d'une déduction rationnelle[423] :« C'est un fait que le régime diurne de l'esprit est dominé par le symbolisme solaire, c'est-à-dire par un symbolisme qui… est souvent le résultat d'une déduction rationnelle »[424].
La plus grande des caractéristiques des vocables "Lune" et "Soleil" est qu'ils mettent en rapport, solidarisent des items« prodigieusement hétérogènes »[423].
Un autre terme,*louksnā (« la lumineuse »), est une formation dérivée de*loukís, lūx (lumière) en latin (apparenté aussi au grecleukos« blanc ») décrit la Lune comme un astre lumineux pour la clarté nocturne qu'elle apporte[429],[430]. Des auteurs telsVarron[431] etCicéron[432], faisaient déjà dériverluna du verbeintransitiflucere, signifiant« luire, briller, éclairer »[433],[434].
Les noms des déesses associées au satellite, Luna, Séléné etCynthia (nom poétique d'Artémis, son lieu mythique de naissance étant lemont Cynthe) se retrouvent par ailleurs dans des termes astronomiques liés à la Lune tels qu’apolune,péricynthion et orbitesélénocentrique[435].
Finalement, la représentation de la lune dans le ciel terrestre est commune enpeinture, surtout chez lesromantiques, car sa disparition peut évoquer le passage de lavie à lamort ou undestin malheureux[402],[449],[450].
↑Dans un contexte astronomique, le nom du satellite naturel de la Terre s'écrit avec une majuscule, le nom commun « lune » désignant plus généralement unsatellite naturel ou le disque lumineux visible dans le ciel terrestre[1],[2].
↑Suivant ladésignation systématique des satellites, la Lune est appeléeTerreI[3]. En pratique cette forme n'est guère utilisée, la Lune étant l'unique satellite naturel de la Terre.
↑L'olivine et lespyroxènes sont plus denses que le liquide magmatique dont ils précipitent, alors que leplagioclase est moins dense : les premiers coulent mais le dernier flotte.
↑enanglais :widespread evidence of young lunar volcanism.
↑Plus précisément, la période sidérale moyenne de la Lune (d'étoile fixe à étoile fixe) est de 27,321 661 jours(27 j 07 h 43 min 11,5 s), et sa période orbitale tropicale moyenne (d'équinoxe à équinoxe) est de 27,321 582 jours(27 j 07 h 43 min 04,7 s)[137].
↑Plus précisément, la période synodique moyenne de la Lune (entre les conjonctions solaires moyennes) est de 29,530 589 jours(29 j 12 h 44 min 02,9 s)[137].
↑(en)Paul Spudis, A. Cook, M. Robinson et B. Bussey, « Topography of the South Polar Region from Clementine Stereo Imaging »,Workshop on New Views of the Moon: Integrated Remotely Sensed, Geophysical, and Sample Datasets,,p. 69(Bibcode1998nvmi.conf...69S).
↑Il s'agit du mouvement de précession rétrograde de la ligne des nœuds, la ligne des nœuds étant l'intersection entre le plan orbital de la Lune et l'écliptique.
↑2025 est une année de lunistice majeur avec des déclinaisons fortes de plus 28,5° à moins 28,5° environ. Le mouvement de précession de la ligne des nœuds est de 18,6 ans soit le temps que met la ligne des nœuds de la Lune pour faire le tour de la Terre. 9,3 ans plus tard c'est l'année de lunistice mineur avec des déclinaisons faibles de plus 18,3° à moins 18,3° environ. Il existe aussi une petite oscillation de plus ou moins 0,15° avec une période de 173 jours. C'est aux environs des équinoxes que les valeurs maximales sont mesurées jusqu'à 28,7° environ.
↑ab etc« Eclipses de Lune, éclipses de Soleil : quelle est la différence ? »,Le Monde.fr,(lire en ligne, consulté le).
↑La demi-année draconitique est le temps de révolution de la Terre autour du Soleil de manière à ce que ce dernier revienne dans la même direction par rapport à la ligne des nœuds de la Lune. Si pendant cette saison des éclipses qui dure donc environ un mois tous les 173 jours la Lune se trouve plus ou moins parfaitement sur l'alignement soit entre la Terre et le Soleil soit derrière la Terre il se produit une éclipse totale ou partielle de Soleil ou de Lune.
↑abc etdYves Haumont,L'astrologie,Cerf/Fides,(ISBN978-2204-04456-1), 1992, qui est une nouvelle édition, plus adaptée à un lectorat chrétien, deLa langue astrologique, Éditions du CEDRA (Centre d'Études, de Documentation et de Recherches sur l'Astrologie), coll. Zénith,(ISBN2-907244-00-0), 1988.
↑ab etcMircea Eliade,Traité d’histoire des religions, cité par Yves Haumont dans les deux ouvrages mentionnés ci-dessus.
Scott L.Montgomery, Célinede Quéral, ElisabethLuc et DelphineNègre-Bouvet,Lune du rêve à la conquête, Sélection duReader's Digest,, 256 p.(ISBN978-2-7098-2039-4)
« On va s'installer sur la Lune »,La Science, CQFD, série de quatre émissions sur l'installation humaine sur le sol lunaire. 15, 16, 17, 18 avril 2024.
La version du 18 janvier 2021 de cet article a été reconnue comme « article de qualité », c'est-à-dire qu'elle répond à des critères de qualité concernant le style, la clarté, la pertinence, la citation des sources et l'illustration.
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