Lune

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Lune Lune : symbole astronomique
Image illustrative de l'article Lune
Face visible de la Lune.
Caractéristiques orbitales
Demi-grand axe 384 399 km
(0,00257  UA)
Apogée 405 696  km
(0,0027  UA)
Périgée 363 104  km
(0,0024  UA)
Circonférence orbitale 2 449 000  km
Excentricité 0,05490
Période de révolution 27,321582  j
(27 j 7 h 43.1 min)
Période synodique 29,530589  j
(29 j 12 h 44 min)
Vitesse orbitale moyenne 1,022  km/ s
Vitesse orbitale maximale 1,052  km/ s
Vitesse orbitale minimale 0,995  km/ s
Inclinaison sur l’ écliptique 5,145 °
Nœud ascendant ?
Argument du périhélie ?
Satellites connus 0
Satellite de la Terre
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial 1 737,4  km
(0,273 Terre)
Rayon polaire 1 735,97  km
(0,273 Terre)
Périmètre équatorial 10 921 km
Superficie 37 871 220,85  km2
Volume 2,1958×1010  km3
(0,020 Terre)
Masse 7,3477×1022  kg
(0,0123 Terre)
Masse volumique globale 3,3464×103  kg/m3
Gravité de surface 1,622  m/ s2
(0,1654 g)
Vitesse de libération 2,38  km/ s
Période de rotation
( jour sidéral)
27,321582  d
Vitesse de rotation
(à l’ équateur)
16,6572  km/ h
Inclinaison de l’axe 6,687°
Ascension droite du pôle nord 270,00°
Déclinaison du pôle nord 66,54°
Albédo géométrique visuel 0,136
Température de surface
• Maximum 396  K (123  °C)
• Moyenne 250  K (-23  °C)
• Minimum 40  K (-233  °C)
Caractéristiques de l’atmosphère
Pression atmosphérique 10 _10  Pa
photo de la lune

La Lune [note 1] est l'unique satellite naturel de la Terre [note 2], [1]. Suivant la désignation systématique des satellites, la Lune est appelée Terre I [2] ; cependant en pratique cette forme n'est pas utilisée. Elle est le cinquième plus grand satellite du Système solaire, avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de 384 467 km [3].

La Lune est le premier et le seul objet non terrestre visité par l' Homme. Le premier à y avoir marché est l'astronaute Neil Armstrong le . Après lui, onze autres hommes ont foulé le sol de la Lune, tous membres du programme Apollo.

Caractéristiques physiques

La Lune photographiée par la sonde Galileo le . La face visible (depuis la Terre) est à droite et la face cachée à gauche.

La longueur du demi grand axe entre la Lune et la Terre est de 384 399 km [4]. Le diamètre moyen de la Lune est de 3 474 km. La force qu’exerce la Terre sur la Lune [note 3] est d'environ 1,95×1020  newtons.

Influence gravitationnelle sur la Terre

Article connexe : Force de marée.
La Terre et son satellite, distance non respectée.

Parmi les influences les plus connues, des plus réelles aux plus romantiques, citons :

  • la marée : le mouvement de révolution de la Lune autour de la Terre induit un effet gravitationnel différentiel (par rapport à l’effet gravitationnel Lune-Terre, vu du centre de la Terre) sur les eaux qui constituent les océans et les mers, provoquant une hausse locale du niveau d’eau à la surface de la Terre, approximativement dans la direction Terre-Lune, et dans la direction opposée. Cet effet différentiel est supérieur à celui dû au Soleil, même si sur Terre le champ de gravitation du Soleil est supérieur à celui de la Lune. L’onde de marée est en retard par rapport au mouvement de la Lune du fait de la déformabilité de l'eau ; il s’ensuit un lent ralentissement du mouvement de rotation de la Terre, et un très lent éloignement de la Lune.
  • l’ activité sismique : le magma du manteau, présent sous la croûte terrestre solide, subit lui aussi du fait de son état visqueux des mouvements, correspondant au passage du satellite. Pour certains [Qui ?], la fragmentation de la croûte en plaques serait une conséquence de la présence de la Lune. [réf. nécessaire] Il est important de réaliser que cela n’est plausible que parce que la Lune était beaucoup plus près de la Terre à ses origines. Pour le volcanologue Jacques-Marie Bardintzeff, « la Lune a un effet de marée bien connu sur la Terre. Mais son influence est trop faible pour déclencher une éruption. Cependant pour un volcan en activité, la Lune peut modifier légèrement son comportement. Bien différent est le cas de Io, lune (satellite) de Jupiter. L'énorme Jupiter provoque des éruptions fantastiques sur Io. » [5]
  • la croissance des animaux : le nautile possède une coquille en spirale formée d’anneaux. Chaque jour, il forme un anneau supplémentaire. Au bout d’un mois se forme une nouvelle cloison intérieure. Si l’on observe des coquilles fossiles, la fréquence des cloisons intérieures augmente proportionnellement à leur ancienneté. C’est une confirmation indirecte et indépendante de l’allongement du mois dû à l’augmentation progressive de la distance Terre-Lune [6]. Cependant cette hypothèse est de plus en plus contestée [7], [8].
  • l’ obliquité terrestre : l’obliquité de la Terre varie entre 21 et 24° environ par rapport à l’ équateur céleste. Celle de Mars qui n’a pas de satellite naturel comparable varie entre 20 et 60°. Les scientifiques [Qui ?] pensent donc que la Lune stabilise la Terre dans son mouvement comme si elle était un contrepoids — simplement parce que le moment d’inertie du système Terre-Lune est bien plus grand que celui de la Terre seule.
  • depuis longtemps, les calendriers indiquent les phases de la Lune, notamment pour les activités rurales (visibilité de nuit) ou de pêche (marées).

Orbite

Article détaillé : Orbite de la Lune.

Dans la représentation la plus simple, on peut dire que la Lune a une orbite elliptique autour du centre de la Terre (conformément aux lois de Kepler), qui lui-même tourne autour du Soleil. Pour être plus précis, on peut résoudre le problème à deux corps, ce qui permet de montrer que la Terre et la Lune orbitent en fait autour du barycentre du système double, qui lui-même tourne autour du Soleil, l’influence gravitationnelle perturbatrice du Soleil étant faible par rapport à leur interaction mutuelle [9]. Comme ce barycentre se trouve à l’intérieur de la Terre, à environ 4 700 kilomètres de son centre, le mouvement de la Terre est généralement décrit comme une «  oscillation », et le système Terre-Lune est donc le plus souvent considéré comme un système planète-satellite plutôt qu'une planète double, bien que ce dernier statut tende à devenir plus courant ces dernières années [10] et a même été considéré ainsi (au moins pendant un temps) par l' Agence spatiale européenne.

La période de rotation de la Lune est la même que sa période orbitale et elle présente donc toujours le même hémisphère (nommé «  face visible de la Lune ») à un observateur terrestre (l'autre hémisphère est donc appelé «  face cachée de la Lune »). Cette rotation synchrone résulte des frottements qu’ont entraînés les marées causées par la Terre à la Lune, et qui ont progressivement amené la Lune à ralentir sa rotation sur elle-même, jusqu’à ce que la période de ce mouvement coïncide avec celle de la révolution de la Lune autour de la Terre. Actuellement les effets de marée de la Lune sur la Terre ralentissent la rotation de cette dernière et provoquent un léger éloignement des deux astres d'environ 3,78 cm par année [11], [12]. Du fait de cet éloignement et du ralentissement qui fait que la durée du jour terrestre augmente de 15  μs par an, la Lune à sa naissance orbitait à une distance 2 fois moindre qu'aujourd'hui et la Terre tournait alors sur elle-même en 6 heures [13], [14].

Moon nearside LRO 5000 (2).png   Moon farside LRO 5000.jpg
Face visible de la Lune   Face cachée de la Lune

Les points où l’orbite de la Lune croise l’ écliptique (plan orbital de la Terre) s’appellent les « nœuds » lunaires : le nœud ascendant est celui où la Lune passe vers le nord de l’écliptique et le nœud descendant est celui où elle passe vers le sud.

Les différentes périodes de la Lune
Nom Valeur (jours) Définition
Période sidérale 27,321 661 Par rapport aux étoiles lointaines
Période synodique 29,530 588 Par rapport au Soleil (phases de la Lune ou lunaison)
Période tropique 27,321 582 Par rapport au point vernal (précession en ~ 26 000 a)
Période anomalistique 27,554 550 Par rapport au périgée (précession en 3 232,6 jours = 8,8504 a)
Période draconitique 27,212 220 Par rapport au nœud ascendant (précession en 6 793,5 jours = 18,5996 a)
La Lune orbitant autour de la Terre, avec tailles et distances à l'échelle. Chaque pixel du fichier d'origine représente 500 km.
Image de la Terre et la Lune, avec leurs tailles et distances à l'échelle. La barre jaune représente une impulsion de lumière voyageant de la Terre à la Lune (approximativement 400 000 km) en 1,26 secondes.

Le plan de l’orbite lunaire est incliné en moyenne de 5,145396º par rapport à l’ écliptique. Cette inclinaison varie entre 5° et 5,28° selon un cycle de 173 jours (la moitié d'une année draconitique).

Le plan de rotation de la Lune subit une précession d’une période de 6 793,5 jours (18,5996 années). Cette précession est provoquée par la gravitation du Soleil et, dans une moindre mesure, par le bourrelet équatorial de la Terre.

Comme la Terre est elle-même inclinée de 23,45º par rapport à l’écliptique, l’inclinaison du plan orbital lunaire par rapport à l’équateur terrestre varie entre 28,72º et 18,16º.

Enfin, l’inclinaison de la Terre varie de 0,00256º de part et d’autre de sa valeur moyenne, ce qu’on appelle la nutation, mise en évidence pour la première fois par James Bradley en 1748 (voir aussi Librations en latitude).

Formation et évolution

Impact géant (impression d'artiste).

L’origine de la Lune est au cœur d’un débat scientifique. Plusieurs modèles de formation ont été historiquement évoqués [15]:

  • la coaccrétion de la matière originelle du Système solaire (théorie de la « Lune sœur de la Terre » d' Édouard Roche en 1873),
  • la fission d’une partie de la Terre par l’ énergie centrifuge (théorie de la « Lune, fille de la Terre », hypothèse de fission progressive proposée par Pierre-Simon de Laplace en 1796, modèle de fission brusque et précoce élaboré entre 1879 et 1882 par George Darwin [16]),
  • la capture d’un astéroïde (théorie de la « Lune cousine de la Terre » de Thomas Jefferson Jackson See en 1909). Étant donné l’inclinaison de l’orbite lunaire, il est peu probable que la Lune se soit formée en même temps que la Terre, ou que celle-ci ait capturé la Lune, de même la théorie de la fission a été réfutée par Harold Jeffreys en 1930.

Mais aucune de ces théories ne parvient à expliquer simultanément un certain nombre d'observations qui se sont accumulées durant le XXe siècle [17] :

  • Le constat qu'il n'existe aucune lune massive autour des autres planètes rocheuses du système solaire mène à penser que la formation de la Lune résulte d'un processus inhabituel.
  • L' inclinaison de 5° de l'orbite de la Lune par rapport à celle de la Terre est notable : un scénario de création doit expliquer cette caractéristique.
  • La densité de la Lune est notablement inférieure à celle de la Terre. Cela implique que la Lune ne possède pas de noyau ferreux.
  • La Lune s'éloigne progressivement de la Terre. À l'origine, la Lune devait être très proche de la Terre.
  • Les roches lunaires les plus anciennes atteignent environ 4,5 milliards d'années, un ordre de grandeur similaire à l'âge de la Terre. Les composants de la Terre et la Lune se sont donc formées approximativement en même temps.
  • La proportion des isotopes de l'oxygène est très similaire dans les roches lunaires et terrestres. Cela suggère que les deux corps se sont formés dans la même région, à l'échelle astronomique. Les autres objets du système solaire ont des proportions différentes.
  • Les roches lunaires sont presque dépourvues d'éléments volatiles et sidérophiles, et sont riches en matériaux réfractaires. Cela suggère un processus de formation à très haute température.

Trois hypothèses généralement acceptées forment aujourd'hui le cadre conceptuel de l'origine et de l'évolution de la Lune [18] :

Formation : Hypothèse de l’impact géant

Article détaillé : Hypothèse de l'impact géant.
Animation (échelles non respectées) de Théia entrant en collision avec la Terre et provoquant la formation de la Lune.

Une collision entre la Terre en formation (proto-Terre) et un objet de la taille de Mars dénommé Théia, aurait éjecté de la matière autour de la Terre, qui aurait fini par former la Lune que nous connaissons aujourd’hui. Cet impact est estimé à 42 millions d’années après la naissance du Système solaire, soit il y a 4,526 milliards d’années, pendant la période d'intense bombardement initial ayant donné lieu à la formation des planètes telluriques. Il s'agit donc d'une sorte d'hybride entre la théorie de la fission et la théorie de l'accrétion [17], l'impact ayant éjecté de la matière de la Terre, et cette matière s'étant peu à peu agrégée pour former la Lune.

Des simulations publiées en août 2001 soutiennent cette hypothèse [19]. Elle est aussi corroborée par la comparaison entre la composition de la Lune et celle de la Terre : on y retrouve les mêmes minéraux, mais dans des proportions différentes. Ce sont les substances les plus légères qui auraient été éjectées le plus facilement de la Terre lors de l’impact et que l’on retrouve en plus grande quantité sur la Lune. Le principal élément qui confirme cela est le 54Fe ; en effet, cet isotope du fer est présent sur Mars dans les mêmes proportions que le 57Fe, mais sur la Terre et la Lune, il existe en quantité très faible. Seulement, pour qu’il puisse s’évaporer, il faut qu’il soit chauffé à plus de 2 000  °C pendant un temps important. La principale thèse pour expliquer cet échauffement est la collision Terre / Théia.

Ce modèle est rendu aussi vraisemblable par la découverte relativement récente de gigantesques bassins d'impact sur la Lune, comme le Bassin Pôle Sud-Aitken, créé par un impact géant. Ces astroblèmes géants montrent l'existence et la possibilité de tels impacts [17].

En 2012 néanmoins, en analysant des échantillons provenant des missions du programme Apollo, des chercheurs ont montré que la Lune avait la même composition en isotopes de titane que la Terre, ce qui s'oppose à cette théorie [20].

Évolution, 1re étape : Hypothèse de l'océan magmatique lunaire

Article détaillé : Océan magmatique lunaire.

Cette hypothèse a été formulée peu après les premières analyses des roches retournées par Apollo 11. Elle permet d'expliquer notamment la présence abondante de plagioclases en surface, et la présence de KREEP (voir #Composition et structure interne).

À la suite de l'impact géant, une telle quantité d'énergie a été produite qu'il est probable que la surface de la Lune consistait alors en un vaste océan de magma, sur une profondeur de plusieurs centaines de kilomètres. La cristallisation et la différenciation de ce magma lors de son refroidissement ont formé la croûte et ses roches anorthosiques typiques, ainsi que le manteau lunaire tels que nous les connaissons aujourd'hui.

Toutefois, ce modèle n'explique pas toutes les caractéristiques observées de la composition de la surface. Un peu comme la physique newtonienne n'est pas fausse en première approximation, mais peut être complétée et détaillée par la théorie de la relativité, ce modèle doit être amélioré pour expliquer certains détails [18]. Notamment, on observe une forte dissymétrie entre la face cachée de la Lune, plus épaisse [21], où le thorium est rare et le relief plus exacerbé (ce qui a été démontré par le relevé topographique effectué par SELENE), et la face visible de la Lune où il existe de fortes concentrations en thorium et en KREEP, et où le relief est peu marqué avec de vastes plaines lisses (dites « mers lunaires »). Même dans le cas de l'hypothèse de l'océan magmatique lunaire, des bassins profondément creusés comme le bassin Pôle Sud-Aitken auraient dû révéler des concentrations semblables sur les deux faces [18], et le relief aurait du être plus homogène sur les deux faces de la lunes.
Pour expliquer cette dichotomie des géomorphologique et physicochimique, des planétologues ont proposé diverses explications :

  1. les hauts plateaux et chaînes de montagnes qui culminent à plus de 3 000 mètres sur la face cachée (dont la croûte est nettement plus épaisse de 20 km environ [22]) pourraient résulter des retombées de débris projetés lors de la formation du bassin d'Aitken (grand bassin d'impact situé au pôle Sud lunaire) ;
  2. les forces de marée engendrées par proximité de la Terre auraient pu induire un chauffage interne et des convections au sein du manteau peu après sa formation.
  3. pour le suisse Martin Jutzi ( Université de Berne et l'américain Eric Asphaug ( Université de Californie) une collision majeure entre la lune encore imparfaitement accrétée et refroidie et un compagnon plus petit formé en même temps qu'elle et ayant "survécu" quelques dizaines de millions d'années car formé à l'un des « points de Lagrange » du Système Terre-Lune (points d’équilibre gravitationnel) pourrait expliquer la présence et la répartition des montagnes de la face cachée. Cette hypothèse est confortée par des simulations informatiques à condition que la seconde lune ait été environ 3 fois plus petite que notre lune actuelle, et que sa vitesse relative ait été de 2,4 kilomètres par seconde environ (car au-delà un choc supersonique aurait brisé la seconde lune en éjectant ses débris plus loin). La petite lune s'est a priori solidifiée plus tôt que la grande, ce qui expliquerait des teneurs différentes en certains minéraux sur la face cachée (qui alors devrait aussi présenter des roches plus anciennes). La collision - si elle a eu lieu - a du également modifier la répartition interne du magma sous la face visible. Les deux lunes étant sur une orbite voisine autour de la terre aurait pu entrer en collision à une vitesse bien inférieure à celle des météorites qui créent eux des cratères. Cette lenteur relative aurait permis une accrétion des deux lunes [23].

Évolution, 2e étape : L'hypothèse du grand bombardement tardif

Article détaillé : Grand bombardement tardif.

Cette hypothèse suppose que la surface de la Lune a été abondamment et violemment bombardée, il y a à peu près 4 milliards d'années, pendant à peu près 200 millions d'années, par un grand nombre de météorites ou comètes. Les plus grands cratères ou bassins lunaires proviendraient de cet événement cataclysmique.

À l’exception de Mercure et Vénus, toutes les planètes du Système solaire possèdent des satellites naturels qualifiés de lunes. Jupiter et Saturne, de leur côté, en possèdent respectivement 67 et 62, de tailles et formes très variées. Dans les années 1970, on connaissait 32 lunes dans le Système solaire, on en distingue aujourd’hui plus de 140.

Composition et structure interne

Formation de la croûte et du manteau lunaire.

On considère aujourd’hui que la Lune est un corps différencié : sa structure en profondeur n’est pas homogène mais résulte d’un processus de refroidissement, de cristallisation du magma originel, et de migration du magma évolué. Cette différenciation a résulté en une croûte (en surface) et un noyau (en profondeur), entre lesquels se trouve le manteau. Cette structure ressemble fortement à ce que l'on trouve pour l'intérieur de la Terre, aux dimensions absolues et relatives près, et surtout à la différence essentielle que la Lune est désormais très « froide » et n’est plus active comme l’est encore la Terre ( convection, tectonique, etc.).

Après sa formation, il y a environ 4,5 milliards d’années, la surface de la Lune était un océan de magma liquide. Les scientifiques pensent qu’un des types de roches lunaires présent en surface, la norite riche en KREEP, (KREEP pour K-potassium, Rare Earth Elements [terres rares], P-phosphore) représente l’ultime évolution de cet océan de magma. Cette « norite KREEP » est en effet très enrichie en ces éléments chimiques que l’on désigne par le terme « d’éléments incompatibles » : ce sont des éléments chimiques peu enclins à intégrer une structure cristalline et qui restent préférentiellement au sein d’un magma. Pour les chercheurs, les « norite KREEP » sont des marqueurs commodes, utiles pour mieux connaître l’histoire de la croûte lunaire, que ce soit son activité magmatique ou ses multiples collisions avec des comètes et d’autres corps célestes.

La croûte lunaire est composée d’une grande variété d’éléments : oxygène, silicium, magnésium, fer, titane, calcium, aluminium, potassium, uranium, thorium et hydrogène. Sous l’effet du bombardement par les rayons cosmiques, chaque élément émet vers l’espace un rayonnement, sous forme de photons gamma, rayonnement dont le spectre (distribution de l’intensité relative en fonction de la longueur d’onde) est propre à l’élément chimique. Quelques éléments sont radioactifs (uranium, thorium et potassium) et émettent leur propre rayonnement gamma. Cependant, quelles que soient les origines de ces rayonnements gamma, chaque élément émet un rayonnement unique, que l’on appelle une «  signature spectrale », discernable par spectromètre. Depuis les missions américaines Clementine et Lunar Prospector, les scientifiques ont construit de nouvelles cartes d'abondances (dites géochimiques) des éléments à la surface de la Lune.

Structure interne de la Lune

La croûte lunaire est recouverte d’une couche poussiéreuse appelée régolithe. La croûte et le régolithe sont inégalement répartis sur la Lune. L’épaisseur de régolithe varie de 3 à 5 mètres dans les mers, jusqu’à 10 à 20 mètres sur les hauts plateaux. L’épaisseur de la croûte varie de 0 à 100 kilomètres selon les endroits. Au premier ordre on peut considérer que la croûte de la face visible est deux fois plus fine que celle de la face cachée. Les géophysiciens estiment aujourd’hui que l’épaisseur moyenne serait autour de 35-45 kilomètres sur la face visible alors que jusqu’aux années 2000 ils pensaient unanimement que celle-ci faisait 60 kilomètres d’épaisseur. La croûte de la face cachée atteint, elle, environ 100 kilomètres d’épaisseur maximum. Les scientifiques pensent qu’une telle asymétrie de l’épaisseur de la croûte lunaire pourrait expliquer pourquoi le centre de masse de la Lune est excentré. De même cela pourrait expliquer certaines hétérogénéités du terrain lunaire, comme la prédominance des surfaces volcaniques lisses ( Maria) sur la face visible.

Par ailleurs, les innombrables impacts météoritiques qui ont ponctué l’histoire de la Lune ont fortement modifié sa surface, en creusant de profonds cratères dans la croûte. La croûte pourrait ainsi avoir totalement été excavée au centre des bassins d’impact les plus profonds. Cependant, même si certains modèles théoriques montrent que la croûte a entièrement disparu par endroit, les analyses géochimiques n’ont pour le moment pas confirmé la présence d’affleurements de roches caractéristiques du manteau. Parmi les grands bassins d’impact, le bassin Pôle Sud-Aitken, avec ses 2 500 km de diamètre, est le plus grand cratère d’impact connu à ce jour dans le Système solaire.

Selon les données disponibles à ce jour, le manteau est vraisemblablement homogène sur toute la Lune. Cependant, certaines hypothèses proposent que la face cachée comporterait un manteau légèrement différent de celui de la face visible, ce qui pourrait être à l’origine de la différence de croûte entre les deux hémisphères.

De la même manière, peu d’informations sont aujourd’hui disponibles pour contraindre la présence d’un noyau. Les données de télémétrie laser ( Lunar Laser Ranging experiment) accumulées depuis les missions Luna et Apollo permettent toutefois aux scientifiques de penser qu’un petit noyau de 300400 km de rayon est bien présent. Celui-ci est beaucoup moins dense que celui de la Terre (ne contient pas ou très peu de fer) et pourrait être partiellement fluide.

Comparé à celui de la Terre, la Lune a un champ magnétique très faible. Bien que l’on pense qu’une partie du magnétisme de la Lune est intrinsèque (comme pour une bande de la croûte lunaire appelé Rimae Sirsalis), la collision avec d’autres corps célestes pourrait avoir donné certaines des propriétés magnétiques de la Lune. En effet, une vieille question en science planétaire est de savoir si un corps du Système solaire privé d’atmosphère, tel que la Lune, peut obtenir du magnétisme à la suite d'impacts de comètes et d’ astéroïdes. Des mesures magnétiques peuvent également fournir des informations sur la taille et la conductivité électrique du noyau lunaire, données qui aident les scientifiques à mieux comprendre les origines de la Lune. Par exemple, si le noyau contient plus d’éléments magnétiques (tels que le fer) que ceux qui existent sur la Terre, l’hypothèse de l’impact perd de la crédibilité.

La Lune a une atmosphère très ténue. Une des sources de cette atmosphère est le dégazage, c’est-à-dire le dégagement de gaz, par exemple le radon, en provenance des profondeurs de la Lune. Une autre source importante est le gaz amené par le vent solaire, qui est brièvement capturé par la gravité lunaire.

Géographie

Article détaillé : Sélénographie.

La surface de la Lune n’est pas uniforme. Très rapidement, du fait de la relative facilité d’observation, les hommes purent distinguer de grandes taches sombres qu’ils prirent pour l’équivalent de leurs océans terrestres et auxquelles ils donnèrent le nom latin de maria (mers). En réalité, ces étendues de régolithe ont une concentration supérieure de basalte, d’origine volcanique, et sont très inégalement réparties sur la surface lunaire, leur grande majorité se situant sur la face visible, la face cachée n’en ayant que quelques-unes, et de taille beaucoup plus réduite. Le reste de la surface lunaire est constitué par de grands plateaux recouverts de régolithe moins dense en basalte et donc beaucoup plus réfléchissant. Autre relief ponctuant la géographie lunaire, les multiples cirques et cratères, créés par les impacts de météorites de tailles diverses.

Eau

Article détaillé : Eau sur la Lune.

A priori, la quasi absence d’atmosphère et une température supérieure à 100 °C au soleil devrait rendre impossible la présence d’ eau sur la Lune. Pourtant, les données recueillies par les sondes Clementine et Lunar Prospector à la fin des années 1990 montrent la présence de grandes zones riches en hydrogène, aux pôles sud et nord. Or l’hydrogène est un des constituants de l’eau avec l’ oxygène. À la fin de sa mission, la sonde Lunar Prospector a même été précipitée dans le fond d’un cratère censé contenir de la glace d’eau. On pensait que l’écrasement dégagerait de la vapeur d’eau, détectable par les télescopes terrestres, apportant ainsi une preuve supplémentaire de la présence d’eau sur la Lune. Mais aucune molécule d’eau n’a été détectée pendant l’impact. Cependant, la probabilité d’en voir était très faible : la sonde étant petite, l’énergie dégagée lors de l’impact n’était pas forcément suffisante pour vaporiser de l’eau.

L’hypothèse actuellement la plus populaire au sujet de la provenance de cette eau propose une origine cométaire à l’eau lunaire et non une origine de l'impacteur Théia [24]. Les comètes, de grosses boules de neige sale, en percutant la Lune il y a plusieurs milliards d’années, se seraient vaporisées, créant ainsi une atmosphère provisoire. La vapeur d’eau contenue dans cette atmosphère se serait condensée puis aurait givré sur le sol. La glace située au fond des cratères du pôle sud aurait pu se conserver pendant deux milliards d’années, le fond de ces cratères n’étant jamais exposé aux rayons du Soleil en raison de l’inclinaison très légère de l’axe de la Lune par rapport à l’écliptique (1,5424 °). De même au pôle nord, où l’eau glacée serait protégée par une couche de régolithe de 40 cm d’épaisseur.

Les scientifiques estiment le volume d’eau présent sur la Lune à un milliard de mètres cubes, une quantité suffisante pour rendre son exploitation intéressante par d’éventuels explorateurs. De l’hydrogène et de l’oxygène pourraient en être extraits par des stations alimentées par panneaux solaires ou par énergie nucléaire. Cela rendrait possible une colonisation permanente de la Lune. L' oxygène est en effet indispensable pour que de futurs explorateurs puissent respirer durant de longues périodes de présence, et l’hydrogène est un carburant pour les fusées. Or le transport régulier de l’hydrogène et de l’oxygène depuis la Terre est très coûteux.

En 2006, les relevés réalisés par le radiotélescope d’Arecibo braqués sur les cratères polaires constamment dans l’ombre montrent que la présence de glace d’eau est encore plus rare qu’escomptée.

L’équipe d’Alberto Saal de l’université Brown (États-Unis) a analysé, au spectromètre de masse, des échantillons de sphérules vitreuses de basalte lunaire ramenés par les missions Apollo 11, 15 et 17 entre 1969 et 1972. Elle y a trouvé la présence d’eau et a conclu que le magma lunaire contenait 745  ppm d’eau avant sa remontée, soit une proportion semblable à celle de la Terre il y a 4,5 milliards d’années [25].

Le 17 juin 2009, la NASA a lancé deux sondes spatiales [26] dont l'une des missions principales est de confirmer la présence d'eau dans les régions proches des pôles de la Lune, au fond des cratères plongés en permanence dans l'obscurité. Si cette présence était confirmée, l’eau pourrait être exploitée par les missions habitées.

  • La sonde Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) effectue encore ses observations depuis une orbite basse durant plusieurs mois en scrutant avec ses instruments la surface de notre satellite. Elle est munie, entre autres, d'un spectromètre ultraviolet chargé plus particulièrement de détecter la présence d'eau.
  • La sonde Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) a analysé les matériaux soulevés par la collision du dernier étage de sa fusée porteuse (environ 2 tonnes) avec le sol lunaire. La fusée a été volontairement dirigée vers un des cratères susceptibles d'abriter de la glace d'eau. La sonde, qui a suivi la même trajectoire que sa fusée, s'est écrasée 4 minutes plus tard après avoir traversé le nuage de débris. Les matériaux éjectés ont aussi été analysés par d'autres sondes lunaires et des télescopes situés au sol ou en orbite autour de la Terre.

La mission LCROSS a pour objectif de confirmer ou infirmer les informations faisant état de présence d’ hydrogène et de glace dans ces lieux difficiles à explorer et encore largement méconnus. Jusqu'à présent, aucune trace d' eau n’a été trouvée dans les régions équatoriales explorées par les sondes automatiques ou les équipages des six missions Apollo.

Le 24 septembre 2009, la NASA a annoncé la présence d' eau proche de la surface de la Lune. Cette présence a été mise en évidence grâce aux données recueillies par la sonde spatiale Deep Impact (dont la mission étendue a été rebaptisée EPOXI), passée en juin 2009 à 6 millions de kilomètres de la Lune [27]. Cette présence d'eau, et son cycle journalier (évaporation le jour, puis adsorption la nuit, l'eau évaporée étant repoussée vers la surface par le vent solaire résiduel), ont été corroborées par les données de l'instrument M3 de la sonde spatiale indienne Chandrayaan-1 et l'instrument VIMS de la sonde Cassini-Huygens. Les quantités d'eau ainsi mises en évidence sont très faibles : un demi-litre d'eau par élément de surface de la taille d'un terrain de football, selon les termes d'un des scientifiques auteurs de la découverte.

Le 13 novembre 2009, la NASA annonce qu'elle a découvert « des quantités significatives » d'eau à la surface de la Lune, à la suite de l'analyse des projections provenant de l'impact volontaire de la sonde LCROSS avec la Lune [28].

Une quantité équivalente à 75 litres d'eau à l'état liquide a été trouvée dans le cratère [29]. Toutefois, cette quantité rapportée à la masse de matière éjectée pourrait correspondre à une proportion d'eau très faible (peut-être 1 000 fois plus faible que dans une roche terrestre).

Une nouvelle analyse du panache de poussières (provoqué par l'impact de la sonde LCROSS) tendait à démontrer, en juin 2010, la présence de molécules d'eau qui n'avaient pas été exposées à la lumière du soleil depuis des milliards d'années, ce qui suggérait alors l'existence d'une quantité d'eau bien plus importante que ne le laissaient présager toutes les précédentes estimations [30].

Toutefois, dès août 2010, une autre étude portant sur la contenance en chlore d'échantillons de sol lunaire (ramenés par la mission Apollo) relance l'hypothèse émise 40 ans plus tôt selon laquelle la Lune serait très sèche.

Et ce malgré les informations issues de l'impact de la sonde LCROSS [31].

Nuage de poussières

Des observations réalisées par LADEE montrent la présence d'un nuage de poussières permanent en orbite autour de la Lune [32], [33].

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