Le verrouillage gravitationnel conduit laLune à avoir un mouvement de rotation sur son axe en autant de temps que ce qu'elle met pour parcourir une orbite autour de laTerre. En dehors des effets delibration, cela mène la Lune à avoir toujours la même face orientée vers la Terre, comme montré sur l'animation de gauche (Lune montrée en vue polaire, dessin pas à l'échelle). Si la Lune ne tournait pas du tout sur elle-même, elle montrerait périodiquement sa face « avant » et sa face « arrière » lors d'une révolution, comme illustré sur l'animation de droite.La lune étant en rotation synchrone autour de la planète, les habitants du corps central ne verront jamais son côté vert.
Larotation synchrone est une caractéristique du mouvement d'unsatellite naturel orbitant autour de saplanète qui se manifeste lorsque lapériode de rotation du satellite est synchrone avec sapériode de révolution : le satellite présente alors toujours la même face vue de la planète[1],[2]. C’est le cas pour laLune en orbite autour de laTerre. On parle alors deverrouillage gravitationnel ouverrouillage par effet de marée.
La rotation synchrone ne concerne pas seulement les satellites naturels des planètes mais aussi tout objet en orbite autour d'un autre. Elle peut concerner l’un des deux objets (généralement le moins massif[3]) ou les deux (commeCharon etPluton).
En absence de perturbation externe, tout objet enorbite circulaire autour d’un autre aboutira en un temps fini à une rotation synchrone. Toutefois, ce ne sera pas nécessairement le cas si l'orbite est assez excentrique, comme le montre la stabilité de larésonance spin-orbite 3:2 de Mercure, dont l'excentricité orbitale est 0,2.
Cette caractéristique se distingue de larésonance orbitale qui ne fait pas appel à la période de rotation et concerne les mouvements relatifs de plusieurs satellites d'un même astre.
L'attractiongravitationnelle entre deux corps produit uneforce de marée sur chacun d'eux, les étirant dans la direction de l'axe planète-satellite. Si les corps en question sont suffisamment flexibles et que la force de marée est suffisamment forte, ces corps seront légèrement déformés. Comme la plupart des lunes et tous les corps astronomiques de grande taille sont sphériques sous l'action de leur propre gravité, l'action des forces de marée les rend légèrementprolates (cigaroïdes).
Dans le cas des systèmes lune-planète, cette forme allongée est instable[réf. souhaitée]. Supposons que le satellite tourne plus vite sur lui-même qu'autour de sa planète, et que sa planète tourne plus vite sur elle-même que le satellite ne tourne autour d'elle (le phénomène sera le même si le contraire est vrai, seuls les signes seront inversés). Entraînées par la rotation du satellite, les protubérances soulevées par la marée de la planète se retrouveront en avance ; la force gravitationnelle de la planète exercera alors uncouple sur chaque protubérance, qui aura pour effet de ralentir la rotation du satellite. Chacune des deux protubérances a tendance à revenir sur sa position stable, elles contribuent toutes les deux à freiner la rotation de la planète.L'effet dépend des forces de friction qui sont nécessaires pour déplacer ces protubérances, il peut être moindre si les protubérances sont plus fluides (marées océaniques ou atmosphériques).
Par le principe d'action et de réaction, le couple appliqué par la planète sur le satellite agit en réaction sur le mouvement orbital du couple planète-satellite (comme unastronaute qui serre un boulon se met à tourner autour du boulon). Lemoment angulaire orbital augmente précisément autant que le moment angulaire rotationnel du satellite diminue[réf. souhaitée].
Si la révolution du satellite est plus rapide que la rotation de la planète (ce qui est le cas dePhobos autour deMars, ainsi que de plusieurs des lunes intérieures d'Uranus), les forces de marée de la planète auronttendance à faire diminuer la vitesse de rotation du satellite sur lui-même etdécroître son rayon orbital, ce qui placera le satellite sur une orbite descendante où il orbitera plus vite (énergie cinétique acquise par l'énergie potentielle de la chute). Le gain de moment angulaire de rotation du satellite sur lui-même accroît encore cette tendance, car il est pris sur le moment angulaire de révolution. Ainsi,Phobos finira par s'écraser sur la surface de Mars.
De la même façon, les marées soulevées par le satellite sur sa planète vont avoir tendance à synchroniser la rotation de cette dernière avec la révolution de son satellite[réf. souhaitée] ; dans le cas d'une rotation de la planète sur elle-même plus rapide que la révolution du satellite autour de la planète, les protubérances de la planète vont exercer un couple net sur le satellite qui aura pour effet de le « pousser » dans le sens de son orbite, et donc de le forcer à s'éloigner, et dans le même temps, de ralentir la rotation de la planète sur elle-même. Par exemple, la rotation de la Terre est ralentie par la Lune, ce qui s'observe sur lesdurées de temps géologiques, telles que présentes dans lesfossiles[4].Dans le cas dusystème Terre-Lune, la distance les séparant augmente de 3,84 cm par an (étude par Lunar Laser Ranging).
Dans le cas des petites lunes, de forme irrégulière, ces forces auront tendance à aligner le plus grand axe de la lune avec le rayon orbital, et le pluspetit axe avec la normale à l'orbite.
Une grande partie des lunes dusystème solaire sont en rotation synchrone avec leur planète, car elles orbitent à de faibles distances de leur planète et la force de marée augmente rapidement avec la diminution de cette distance (le gradient gravitationnel est proportionnel à l'inverse du cube de la distance).
En outre, la période de rotation deMercure est exactement égale aux deux tiers de sa période de révolution autour duSoleil.
Plus subtilement,Vénus est (quasiment) en rotation synchrone avec la Terre, de sorte que toutes les fois où Vénus est enconjonction inférieure, Vénus présente (presque exactement) la même face à la Terre. Mais les forces de marée impliquées dans la synchronisation Vénus-Terre sont extrêmement faibles et il se peut que ce ne soit qu'une coïncidence, valable à notre « époque astronomique », d'autant plus que cette synchronisation n'est pas exacte (voir à l'article « L'hypothétique synchronisation Terre-Vénus »).
En général, tout objet qui orbite pendant de longues périodes à proximité d'un autre objet beaucoup plus massif est susceptible d'être en rotation synchrone avec celui-ci. On suppose que lesétoiles binaires proches sont mutuellement en rotation synchrone.De même, on pense que desplanètes extrasolaires qui ont été détectées à proximité de leur étoile sont en rotation synchrone avec celle-ci[12].
Sur les corps en rotation synchrone, lepremier méridien (longitude 0°) est habituellement pris comme étant leméridien passant par la position moyenne du point faisant face aucorps primaire.
Par suite, outre les hémisphères nord et sud définis classiquement, on définit aussi habituellement pour ces corps les hémisphères avant (leading hemisphere en anglais ; centré sur 90° Ouest) et arrière (trailing hemisphere ; centré sur 90° Est), ainsi que les hémisphères faisant face (X-facing hemisphere, ounear side,near hemisphere ; centré sur 0° de longitude) et opposé au corps central (far side,far hemisphere ; centré sur 180° de longitude).
