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« Distance lunaire » : différence entre les versions

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La distance lunaire moyenne est en augmentation, ce qui implique que la Lune était plus proche dans le passé. Il existe des preuves géologiques que la distance lunaire moyenne était d'environ 52 R⊕ (diamètre terrestre) pendant l'ère précambrienne, soit il y 2 500 millions d'années<ref name=":2" />.
La distance lunaire moyenne est en augmentation, ce qui implique que la Lune était plus proche dans le passé. Il existe des preuves géologiques que la distance lunaire moyenne était d'environ 52 R⊕ (diamètre terrestre) pendant l'ère précambrienne, soit il y 2 500 millions d'années<ref name=":2" />.


L'hypothèse de l'impact géant, une théorie largement acceptée, affirme que la Lune a été créée à la suite d'un impact catastrophique entre une autre planète et la Terre entraînant une accumulation de fragments à une distance initiale de 3,8 R⊕[25]. D’après les estimations, l'impact initial est supposé avoir eu lieu il y a 4,5 milliards d'années [26].
L'hypothèse de l'impact géant, une théorie largement acceptée, affirme que la Lune a été créée à la suite d'un impact catastrophique entre une autre planète et la Terre entraînant une accumulation de fragments à une distance initiale de 3,8 R⊕[25]. D’après les estimations, l'impact initial est supposé avoir eu lieu il y a 4,5 milliards d'années<ref>{{Lien web|titre=The Theia Hypothesis: New Evidence Emerges that Earth and Moon Were Once the Same|url=http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2007/07/the-theia-hypot.html|site=The Daily Galaxy --Great Discoveries Channel|consulté le=2016-09-14}}</ref>.


== Histoire de la mesure ==
== Histoire de la mesure ==
Les premiers astronomes à avoir mesuré la distance Terre – Lune sont probablement les astronomes de l’[[Grèce antique|antiquité grecque]]. [[Aristarque de Samos]] calcula l’éloignement de la Lune en observant le passage de l’ombre de la Terre sur le disque lunaire<ref>{{Lien web|titre=Mesure des distances|url=http://astronomia.fr/1ere_partie/distances.php|site=astronomia.fr|consulté le=2016-09-14}}</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Aristarque de|nom1=Samos|prénom2=Fortia|nom2=d'Urban|titre=Traité d'Aristarque de Samos sur les grandeurs et les distances du soleil et de la lune|éditeur=Firmin Didot père et fils|date=1823-01-01|lire en ligne=https://books.google.ch/books?id=2HzCQQsTWokC&dq=Aristarque&hl=de&source=gbs_navlinks_s|consulté le=2016-09-14}}</ref>.
Les premiers astronomes à avoir mesuré la distance Terre – Lune sont probablement les astronomes de l’[[Grèce antique|antiquité grecque]]. [[Aristarque de Samos]] calcula l’éloignement de la Lune en observant le passage de l’ombre de la Terre sur le disque lunaire<ref>{{Lien web|titre=Mesure des distances|url=http://astronomia.fr/1ere_partie/distances.php|site=astronomia.fr|consulté le=2016-09-14}}</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Aristarque de|nom1=Samos|prénom2=Fortia|nom2=d'Urban|titre=Traité d'Aristarque de Samos sur les grandeurs et les distances du soleil et de la lune|éditeur=Firmin Didot père et fils|date=1823-01-01|lire en ligne=https://books.google.ch/books?id=2HzCQQsTWokC&dq=Aristarque&hl=de&source=gbs_navlinks_s|consulté le=2016-09-14}}</ref>.


Jusqu'à la fin des années 1950, toutes les mesures de distance lunaire étaient basées sur des mesures angulaires optiques. L'ère spatiale a marqué un tournant qui a permis d’améliorer considérablement la précision et l'exactitude de cette mesure. Au cours des années 1950 et 1960, des expériences ont été menées à l’aide de radars, de lasers, de vaisseaux spatiaux et de modélisations informatiques[27].
Jusqu'à la fin des années 1950, toutes les mesures de distance lunaire étaient basées sur des mesures angulaires optiques. L'ère spatiale a marqué un tournant qui a permis d’améliorer considérablement la précision et l'exactitude de cette mesure. Au cours des années 1950 et 1960, des expériences ont été menées à l’aide de radars, de lasers, de vaisseaux spatiaux et de modélisations informatiques<ref>{{Article|prénom1=X. X.|nom1=Newhall|prénom2=E. M.|nom2=Standish|prénom3=J. G.|nom3=Williams|titre=DE 102 - A numerically integrated ephemeris of the moon and planets spanning forty-four centuries|périodique=Astronomy and Astrophysics|volume=125|date=1983-08-01|issn=0004-6361|lire en ligne=http://adsabs.harvard.edu/abs/1983A%26A...125..150N|consulté le=2016-09-14|pages=150–167}}</ref>.


Les paragraphes ci-après décrivent certaines des méthodes historiquement importantes ou autrement intéressantes utilisées pour la détermination de la distance lunaire et ne visent pas à l’exhaustivité.
Les paragraphes ci-après décrivent certaines des méthodes historiquement importantes ou autrement intéressantes utilisées pour la détermination de la distance lunaire et ne visent pas à l’exhaustivité.
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Les premières tentatives de mesure de la distance entre la Terre et la Lune exploitèrent les observations d'éclipse lunaire en se basant sur la connaissance du rayon de la Terre et l’éloignement plus important du Soleil que celui de la Lune. En observant la géométrie d'une éclipse lunaire, la distance lunaire peut être calculée en utilisant la trigonométrie.
Les premières tentatives de mesure de la distance entre la Terre et la Lune exploitèrent les observations d'éclipse lunaire en se basant sur la connaissance du rayon de la Terre et l’éloignement plus important du Soleil que celui de la Lune. En observant la géométrie d'une éclipse lunaire, la distance lunaire peut être calculée en utilisant la trigonométrie.


Le premier compte rendu d'une tentative de mesure de la distance à la Lune en utilisant la trigonométrie a été réalisé par l'astronome et mathématicien grec du 4ème siècle avant Jésus Christ, Aristarque de Samos [28] puis, plus tard, par Hipparque dont les calculs produire un résultat de 59-67 R⊕ [29]. Cette dernière méthode a été reprise dans les travaux de Ptolémée [30], qui a calculé une distance de 64 1/6 R⊕ à son point le plus éloigné [31].
Le premier compte rendu d'une tentative de mesure de la distance à la Lune en utilisant la trigonométrie a été réalisé par l'astronome et mathématicien grec du 4ème siècle avant Jésus Christ, Aristarque de Samos<ref>{{Article|prénom1=Martin C.|nom1=Gutzwiller|titre=Moon-Earth-Sun: The oldest three-body problem|périodique=Reviews of Modern Physics|volume=70|date=1998-04-01|doi=10.1103/RevModPhys.70.589|lire en ligne=http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.70.589|consulté le=2016-09-14|pages=589–639}}</ref> puis, plus tard, par Hipparque dont les calculs produire un résultat de 59-67 R⊕<ref>{{Ouvrage|langue=en|prénom1=William|nom1=Sheehan|prénom2=John Edward|nom2=Westfall|titre=The Transits of Venus|éditeur=Prometheus Books|date=2004-01-01|isbn=9781591021759|lire en ligne=https://books.google.ch/books?id=qnLvAAAAMAAJ&q=1-59102-175-8&dq=1-59102-175-8&hl=de&sa=X&redir_esc=y|consulté le=2016-09-14}}</ref>. Cette dernière méthode a été reprise dans les travaux de Ptolémée<ref>{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Stephen|nom1=Webb|titre=Measuring the Universe: The Cosmological Distance Ladder|éditeur=Springer Science & Business Media|date=1999-03-18|isbn=9781852331061|lire en ligne=https://books.google.ch/books?id=ntZwxttZF-sC&dq=9781852331061&hl=de&source=gbs_navlinks_s|consulté le=2016-09-14}}</ref>, qui a calculé une distance de 64 1/6 R⊕ à son point le plus éloigné<ref>{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Albert Van|nom1=Helden|titre=Measuring the Universe: Cosmic Dimensions from Aristarchus to Halley|éditeur=University of Chicago Press|date=2010-12-15|isbn=9780226848907|lire en ligne=https://books.google.ch/books?id=L-yb7GX9mQIC&dq=Measuring+the+universe+:+cosmic+dimensions+from+Aristarchus+to+Halley&hl=de&source=gbs_navlinks_s|consulté le=2016-09-14}}</ref>.


=== Passage du Méridien ===
=== Passage du Méridien ===
Une expédition menée par l'astronome français A.C.D Crommelin a permis d’observer le transit méridional de la Lune la même nuit à partir de deux endroits différents (le moment où la Lune traverse un cercle imaginaire passant directement au-dessus et à travers les pôles). D’autres mesures précises de 1905 à 1910 ont mesuré l'angle d'élévation au moment où un cratère lunaire spécifique (Mösting A) franchissait le méridien à partir des stations de Greenwich et au cap de Bonne-Espérance qui sont situés à peu près à la même longitude [32]. La distance a ensuite été calculée avec une incertitude de ± 30 km et est restée la valeur de distance lunaire de référence pour le demi-siècle suivant.
Une expédition menée par l'astronome français A.C.D Crommelin a permis d’observer le transit méridional de la Lune la même nuit à partir de deux endroits différents (le moment où la Lune traverse un cercle imaginaire passant directement au-dessus et à travers les pôles). D’autres mesures précises de 1905 à 1910 ont mesuré l'angle d'élévation au moment où un cratère lunaire spécifique (Mösting A) franchissait le méridien à partir des stations de Greenwich et au cap de Bonne-Espérance qui sont situés à peu près à la même longitude<ref name=":3">{{Article|langue=English|prénom1=Irène|nom1=Fischer|titre=The distance of the moon|périodique=Bulletin Géodésique (1946-1975)|volume=71|date=1964-03-01|doi=10.1007/BF02526081|lire en ligne=http://dx.doi.org/10.1007/BF02526081|consulté le=2016-09-14|pages=37–63}}</ref>. La distance a ensuite été calculée avec une incertitude de ± 30 km et est restée la valeur de distance lunaire de référence pour le demi-siècle suivant.


=== Occultations ===
=== Occultations ===
En enregistrant, à partir de plusieurs emplacements de distance de séparation connue, l'instant où la Lune occulte une étoile en arrière-plan ou encore en mesurant l’angle entre la lune et une étoile d'arrière-plan à un moment prédéterminé, la distance lunaire peut être calculée.
En enregistrant, à partir de plusieurs emplacements de distance de séparation connue, l'instant où la Lune occulte une étoile en arrière-plan ou encore en mesurant l’angle entre la lune et une étoile d'arrière-plan à un moment prédéterminé, la distance lunaire peut être calculée.


Les astronomes O'Keefe et Anderson ont calculé la distance lunaire en observant 4 occultations de 9 sites en 1952 [33]. Ils ont calculé une distance moyenne de 384.407,6 ± 4,7 km puis la valeur a été affinée par en 1962 par Irene Fischer, qui a incorporé des données géodésiques plus précises (données géométriques de la terre) pour produire une valeur de ± 2 km 384403.7 [7].
Les astronomes O'Keefe et Anderson ont calculé la distance lunaire en observant 4 occultations de 9 sites en 1952<ref>{{Article|prénom1=John A.|nom1=O'Keefe|prénom2=J. Pamelia|nom2=Anderson|titre=The earth's equatorial radius and the distance of the moon|périodique=The Astronomical Journal|volume=57|date=1952-08-01|issn=0004-6256|doi=10.1086/106720|lire en ligne=http://adsabs.harvard.edu/abs/1952AJ.....57..108O|consulté le=2016-09-14|pages=108}}</ref>. Ils ont calculé une distance moyenne de 384.407,6 ± 4,7 km puis la valeur a été affinée par en 1962 par Irene Fischer, qui a incorporée des données [[Géodésique|géodésiques]] plus précises (données géométriques de la terre) pour produire une valeur de 384403,7 ± 2 km<ref name=":3" />.


=== Mesure radar ===
=== Mesure radar ===
Une expérience menée en 1957  par le laboratoire de recherche naval américain (en anglais  Naval Research Laboratory) a utilisé l'écho de signaux radar pour déterminer la distance Terre-Lune. Des impulsions radars d’une durée de 2 ms ont été diffusées à partir d'une antenne radio de plus de 15 mètres de diamètre. L’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. A partir de cette mesure, la distance a pu être calculée. En pratique, cependant, il est difficile d’obtenir un signal suffisamment clair (sans ondes parasites) pour qu'une mesure précise puisse être produite de façon fiable [34].
Une expérience menée en 1957  par le laboratoire de recherche naval américain (en anglais [[Naval Research Laboratory|''<span dir="ltr" lang="en">Naval Research Laboratory</span>'']]) a utilisé l'écho de signaux radar pour déterminer la distance Terre-Lune. Des impulsions radars d’une durée de 2 ms ont été diffusées à partir d'une antenne radio de plus de 15 mètres de diamètre. L’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. A partir de cette mesure, la distance a pu être calculée. En pratique, cependant, il est difficile d’obtenir un signal suffisamment clair (sans ondes parasites) pour qu'une mesure précise puisse être produite de façon fiable<ref>{{Article|langue=anglais|auteur1=B.S. Yaplee|titre=A Lunar Radar Study at 10-cm Wavelength|périodique=International Astronomical Union|date=1958|issn=|lire en ligne=http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?db_key=AST&bibcode=1959IAUS....9...19Y&letter=.&classic=YES&defaultprint=YES&whole_paper=YES&page=19&epage=19&send=Send+PDF&filetype=.pdf|pages=}}</ref>.


L'expérience a été répétée en 1958 au Royal Radar Establishment en Angleterre. Des impulsions radar d'une durée de 5 ms ont été transmises avec une puissance de crête de 2 mégawatts à un taux de 260 impulsions par seconde. Comme pour l’expérience précédente, l’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. Plusieurs mesures ont été additionnées pour pouvoir obtenir un signal plus fiable en superposant notamment les traces de l'oscilloscope sur un film photographique. A partir de ces mesures, la distance a pu être calculée avec une incertitude de seulement 1,25 km [35].
L'expérience a été répétée en 1958 au Royal Radar Establishment en Angleterre. Des impulsions radar d'une durée de 5 ms ont été transmises avec une puissance de crête de 2 mégawatts à un taux de 260 impulsions par seconde. Comme pour l’expérience précédente, l’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. Plusieurs mesures ont été additionnées pour pouvoir obtenir un signal plus fiable en superposant notamment les traces de l'oscilloscope sur un film photographique. A partir de ces mesures, la distance a pu être calculée avec une incertitude de seulement 1,25 km<ref>{{Article|langue=anglais|auteur1=J.S. Hey|titre=Radar Observations Of The Moon At 10-cm Wavelength|périodique=Internaiton Astronomical Union|date=1958|issn=|lire en ligne=http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?db_key=AST&bibcode=1959IAUS....9...13H&letter=0&classic=YES&defaultprint=YES&whole_paper=YES&page=13&epage=13&send=Send+PDF&filetype=.pdf|pages=}}</ref>.


Ces premières expériences ont été conçues comme des expériences de validation de concept et n'a duré un jour. Suivi des expériences a duré un mois a produit une valeur moyenne de 384402 ± 1,2 km, [36] qui était la mesure la plus précise de la distance lunaire à l'époque.
Ces premières expériences ont été conçues comme des expériences de validation de concept et n'a duré un jour. Suivi des expériences a duré un mois a produit une valeur moyenne de 384402 ± 1,2 km<ref>{{Article|prénom1=B. S.|nom1=Yaplee|prénom2=S. H.|nom2=Knowles|prénom3=A.|nom3=Shapiro|prénom4=K. J.|nom4=Craig|titre=The mean distance to the Moon as determined by radar|périodique=Symposium - International Astronomical Union|volume=21|date=1965-01-01|issn=0074-1809|doi=10.1017/S0074180900104826|lire en ligne=https://www.cambridge.org/core/journals/symposium-international-astronomical-union/article/the-mean-distance-to-the-moon-as-determined-by-radar/00EE7BEC39A76065094C3983E3BFC398|consulté le=2016-09-14|pages=81–93}}</ref>, qui était la mesure la plus précise de la distance lunaire à l'époque.


=== Mesure laser ===
=== Mesure laser ===
La mesure du temps nécessaire à un faisceau laser pour effectuer l'aller-retour après s’être reflechi directement sur la surface de la Lune a été réalisée pour la première fois en 1962 par une équipe du Massachusetts Institute of Technology et une équipe soviétique de l'Observatoire d'Astrophysique de Crimée [37].
La mesure du temps nécessaire à un faisceau laser pour effectuer l'aller-retour après s’être reflechi directement sur la surface de la Lune a été réalisée pour la première fois en 1962 par une équipe du [[Massachusetts Institute of Technology|''Massachusetts Institute of Technology'']] et une équipe soviétique de l'[[Observatoire d'astrophysique de Crimée|Observatoire d'Astrophysique de Crimée]]<ref>{{Article|langue=en|prénom1=P. L.|nom1=Bender|prénom2=D. G.|nom2=Currie|prénom3=S. K.|nom3=Poultney|prénom4=C. O.|nom4=Alley|titre=The Lunar Laser Ranging Experiment|périodique=Science|volume=182|date=1973-10-19|issn=0036-8075|issn2=1095-9203|pmid=17749298|doi=10.1126/science.182.4109.229|lire en ligne=http://science.sciencemag.org/content/182/4109/229|consulté le=2016-09-14|pages=229–238}}</ref>.
[[Fichier:Apollo 11 Lunar Laser Ranging Experiment.jpg|alt=Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.|vignette|Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.]]
[[Fichier:Apollo 11 Lunar Laser Ranging Experiment.jpg|alt=Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.|vignette|Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.]]
Au cours des missions [[Programme Apollo|Apollo]] en 1969, les astronautes ont placé des rétro-réflecteurs sur la surface de la Lune dans le but d'affiner la précision de cette technique de mesure. Les mesures actuelles utilisent toujours cet équipement et impliquent de multiples installations laser autour du monde. La précision instantanée des expériences du Ranging Lunar Laser permet d’atteindre une résolution inférieure au millimètre et est à ce jour la méthode la plus fiable pour déterminer la distance lunaire.
Au cours des missions [[Programme Apollo|Apollo]] en 1969, les astronautes ont placé des rétro-réflecteurs sur la surface de la Lune dans le but d'affiner la précision de cette technique de mesure. Les mesures actuelles utilisent toujours cet équipement et impliquent de multiples installations laser autour du monde. La précision instantanée des expériences du Ranging Lunar Laser permet d’atteindre une résolution inférieure au millimètre et, est à ce jour, la méthode la plus fiable pour déterminer la distance lunaire.


=== Astronomes amateur ===
=== Astronomes amateur ===
En raison de l'accessibilité contemporaine aisée à des dispositifs précis de synchronisation, des caméras numériques haute résolution, des récepteurs GPS, des ordinateurs puissants et de dispositifs de communication quasi instantanés, il est devenu possible pour les astronomes amateurs de réaliser des mesures de haute précision de la distance lunaire.
En raison de l'accessibilité contemporaine aisée à des dispositifs précis de synchronisation, des caméras numériques haute résolution, des récepteurs GPS, des ordinateurs puissants et de dispositifs de communication quasi instantanés, il est devenu possible pour les astronomes amateurs de réaliser des mesures de haute précision de la distance lunaire.


Par exemple, le 23 mai 2007, des photographies numériques de la Lune pendant la quasi-occultation de Regulus ont été prises à partir de deux localisations situées en Grèce et en Angleterre. En mesurant la parallaxe entre la lune et une étoile d'arrière-plan, la distance lunaire pouvait être calculée [38].
Par exemple, le 23 mai 2007, des photographies numériques de la Lune pendant la quasi-occultation de Regulus ont été prises à partir de deux localisations situées en Grèce et en Angleterre. En mesurant la parallaxe entre la lune et une étoile d'arrière-plan, la distance lunaire pouvait être calculée<ref>{{Lien web|titre=Lunar Parallax|url=http://www.etwright.org/astro/moonpar.html|site=www.etwright.org|consulté le=2016-09-14}}</ref>.


Un projet plus ambitieux appelé la « Campagne Aristarque », en référence à l’astronome antique grec, a été réalisée au cours de l'éclipse lunaire du 15 avril 2014[39].
Un projet plus ambitieux appelé la « Campagne Aristarque », en référence à l’astronome antique grec, a été réalisée au cours de l'éclipse lunaire du 15 avril 2014<ref>{{Article|prénom1=Jorge I.|nom1=Zuluaga|prénom2=Juan C.|nom2=Figueroa|prénom3=Ignacio|nom3=Ferrin|titre=The simplest method to measure the geocentric lunar distance: a case of citizen science|périodique=arXiv:1405.4580 [astro-ph, physics:physics]|date=2014-05-18|lire en ligne=http://arxiv.org/abs/1405.4580|consulté le=2016-09-14}}</ref>.


== Voir aussi ==
== Voir aussi ==

Version du 14 septembre 2016 à 11:23

Comparaison de la taille de la Lune entre son périgée et son apogée

En astronomie, la distance lunaire est la distance moyenne entre la Terre et la Lune, qui vaut 384 400 km[1]. La distance réelle varie en fonction de la position de la Lune sur son orbite, entre 356 700 km au périgée et 406 300 km à l'apogée.

Des mesures de haute précision de la distance lunaire sont faites en mesurant le temps de parcours de la lumière entre des stations LIDAR sur Terre et des rétroréflecteurs placés sur la Lune.

La Lune s'éloigne de la Terre à une vitesse moyenne de 3,8 cm par an, d'après le Lunar Laser Ranging Experiment[2],[3],[4]. La vitesse d'éloignement actuelle est considérée comme anormalement élevée[5]. Par coïncidence, le diamètre des catadioptres des rétro-réflecteurs disposés sur la Lune est également de 3,8 cm[6],[7].

Le taux de dissipation par effet de marée a varié au cours de l'histoire géologique de la Terre[8].

La première personne à mesurer la distance de la Lune fut l'astronome et géographe du IIe siècle av. J.-C. Hipparque, par simple trigonométrie. Il se trompa d'environ 26 000 km, soit une erreur de 6,8 %.

Le catalogue des objets géocroiseurs de la NASA donne en distance lunaire et en ua la distance de rapprochement par rapport à la Terre des astéroïdes et des comètes[9].

Distance entre la Terre et la Lune - Tailles et distance à l'échelle.

Variation

La distance de la Terre à la Lune varie contentement. En raison de l’orbite non circulaire de la Lune, cette distance peut varier jusqu’à 75 m/s[10], ou encore de plus de 1000 kilomètres en seulement 6 heures[11]]. D'autres facteurs influencent également la distance Terre-Lune.

Perturbations et excentricité

Distance Terre - Lune et phases lunaires en 2014. Phases de lune: 0 (1) – nouvelle Lune, 0,25 - premier quartier, 0,5 - pleine lune, 0.75 - dernier quartier.
Distance Terre - Lune et phases lunaires en 2014. Phases de lune: 0 (1) – nouvelle Lune, 0,25 - premier quartier, 0,5 - pleine lune, 0.75 - dernier quartier.
Variation de la distance entre les centres de la Lune et la Terre pendant 700 jours.
Variation de la distance entre les centres de la Lune et la Terre pendant 700 jours.

En raison de son orbite elliptique avec une excentricité variable, la distance instantanée varie avec une périodicité mensuelle. En outre, la distance est perturbée par les effets gravitationnels de divers corps célestes - la plus significative étant celle du Soleil et dans une moindre mesure celle de Jupiter. Les autres planètes du système solaire sont responsables de perturbations infimes de même que les astéroïdes, les forces de marée et les effets relativistes[12]. L'effet de la pression résultante de la radiation solaire contribue à produire des variations de ± 3,6 mm de la distance lunaire[13].

La distance lunaire mesurée peut changer de plus de 21 000 km par rapport à la valeur moyenne tout au long d'un mois. Ces perturbations sont bien comprises[14] et la distance lunaire peut être modélisée avec précision sur des milliers d'années[12].

Dissipation par les forces de marée

Grâce à l'action des forces de marée, le moment angulaire est lentement transféré de la rotation de la Terre à l'orbite de la Lune. La conséquence est que le taux de rotation de la Terre diminue imperceptiblement (à un taux de 2,3 millisecondes/siècle)[15] et l'orbite lunaire est progressivement en expansion. Le taux actuel de récession est de 3.805 ± 0,004 cm par an[14]. Il semble que ce taux ait augmenté récemment. En effet, une vitesse d’éloignement de 3,8 cm/an impliquerait que la Lune soit âgée de seulement 1,5 milliards d'années alors que les scientifiques s’accordent autour d’un âge d’environ 4 milliards d'années[16]. Il semble, de plus, que ce taux anormalement élevé d’éloignement continuer à accélérer[17].

Les scientifiques envisagent que la distance lunaire continue à augmenter jusqu'à ce que la Terre et la Lune soient verrouillées gravitationnellement et aient une rotation synchrone. Cela se produit lorsque la durée de la période orbitale lunaire est égale à la période de rotation de la Terre. Les deux corps sont alors dans un équilibre et aucune autre énergie de rotation n’ait échangé. Les modèles prédisent que 50 milliards d'années seraient nécessaires pour atteindre cette configuration[18].

Histoire orbitale

La distance lunaire moyenne est en augmentation, ce qui implique que la Lune était plus proche dans le passé. Il existe des preuves géologiques que la distance lunaire moyenne était d'environ 52 R⊕ (diamètre terrestre) pendant l'ère précambrienne, soit il y 2 500 millions d'années[16].

L'hypothèse de l'impact géant, une théorie largement acceptée, affirme que la Lune a été créée à la suite d'un impact catastrophique entre une autre planète et la Terre entraînant une accumulation de fragments à une distance initiale de 3,8 R⊕[25]. D’après les estimations, l'impact initial est supposé avoir eu lieu il y a 4,5 milliards d'années[19].

Histoire de la mesure

Les premiers astronomes à avoir mesuré la distance Terre – Lune sont probablement les astronomes de l’antiquité grecque. Aristarque de Samos calcula l’éloignement de la Lune en observant le passage de l’ombre de la Terre sur le disque lunaire[20],[21].

Jusqu'à la fin des années 1950, toutes les mesures de distance lunaire étaient basées sur des mesures angulaires optiques. L'ère spatiale a marqué un tournant qui a permis d’améliorer considérablement la précision et l'exactitude de cette mesure. Au cours des années 1950 et 1960, des expériences ont été menées à l’aide de radars, de lasers, de vaisseaux spatiaux et de modélisations informatiques[22].

Les paragraphes ci-après décrivent certaines des méthodes historiquement importantes ou autrement intéressantes utilisées pour la détermination de la distance lunaire et ne visent pas à l’exhaustivité.

Parallaxe lunaire

La méthode la plus ancienne de la détermination de la distance lunaire consiste à mesurer l'angle simultanément entre la Lune et un point de référence choisi parmi plusieurs emplacements. La synchronisation peut être coordonnée en effectuant des mesures à un moment prédéterminé ou lors d'un événement observable à toutes les parties. Avant l’apparition de chronomètres mécaniques précis, l'événement de synchronisation était généralement une éclipse lunaire ou le moment où la lune traversait le méridien (si les observateurs ont partagé la même longitude). Cette technique de mesure est connue sous le nom de parallaxe lunaire.

Pour une précision accrue, certaines erreurs systématiques doivent être prises en compte telles que la correction de l'angle mesuré pour tenir compte de la réfraction et de distorsion de la lumière à travers l'atmosphère.

Éclipse lunaire

Les premières tentatives de mesure de la distance entre la Terre et la Lune exploitèrent les observations d'éclipse lunaire en se basant sur la connaissance du rayon de la Terre et l’éloignement plus important du Soleil que celui de la Lune. En observant la géométrie d'une éclipse lunaire, la distance lunaire peut être calculée en utilisant la trigonométrie.

Le premier compte rendu d'une tentative de mesure de la distance à la Lune en utilisant la trigonométrie a été réalisé par l'astronome et mathématicien grec du 4ème siècle avant Jésus Christ, Aristarque de Samos[23] puis, plus tard, par Hipparque dont les calculs produire un résultat de 59-67 R⊕[24]. Cette dernière méthode a été reprise dans les travaux de Ptolémée[25], qui a calculé une distance de 64 1/6 R⊕ à son point le plus éloigné[26].

Passage du Méridien

Une expédition menée par l'astronome français A.C.D Crommelin a permis d’observer le transit méridional de la Lune la même nuit à partir de deux endroits différents (le moment où la Lune traverse un cercle imaginaire passant directement au-dessus et à travers les pôles). D’autres mesures précises de 1905 à 1910 ont mesuré l'angle d'élévation au moment où un cratère lunaire spécifique (Mösting A) franchissait le méridien à partir des stations de Greenwich et au cap de Bonne-Espérance qui sont situés à peu près à la même longitude[27]. La distance a ensuite été calculée avec une incertitude de ± 30 km et est restée la valeur de distance lunaire de référence pour le demi-siècle suivant.

Occultations

En enregistrant, à partir de plusieurs emplacements de distance de séparation connue, l'instant où la Lune occulte une étoile en arrière-plan ou encore en mesurant l’angle entre la lune et une étoile d'arrière-plan à un moment prédéterminé, la distance lunaire peut être calculée.

Les astronomes O'Keefe et Anderson ont calculé la distance lunaire en observant 4 occultations de 9 sites en 1952[28]. Ils ont calculé une distance moyenne de 384.407,6 ± 4,7 km puis la valeur a été affinée par en 1962 par Irene Fischer, qui a incorporée des données géodésiques plus précises (données géométriques de la terre) pour produire une valeur de 384403,7 ± 2 km[27].

Mesure radar

Une expérience menée en 1957  par le laboratoire de recherche naval américain (en anglais Naval Research Laboratory) a utilisé l'écho de signaux radar pour déterminer la distance Terre-Lune. Des impulsions radars d’une durée de 2 ms ont été diffusées à partir d'une antenne radio de plus de 15 mètres de diamètre. L’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. A partir de cette mesure, la distance a pu être calculée. En pratique, cependant, il est difficile d’obtenir un signal suffisamment clair (sans ondes parasites) pour qu'une mesure précise puisse être produite de façon fiable[29].

L'expérience a été répétée en 1958 au Royal Radar Establishment en Angleterre. Des impulsions radar d'une durée de 5 ms ont été transmises avec une puissance de crête de 2 mégawatts à un taux de 260 impulsions par seconde. Comme pour l’expérience précédente, l’écho des ondes radio sur la surface de la Lune a été enregistré et le temps de parcours de l’onde mesuré. Plusieurs mesures ont été additionnées pour pouvoir obtenir un signal plus fiable en superposant notamment les traces de l'oscilloscope sur un film photographique. A partir de ces mesures, la distance a pu être calculée avec une incertitude de seulement 1,25 km[30].

Ces premières expériences ont été conçues comme des expériences de validation de concept et n'a duré un jour. Suivi des expériences a duré un mois a produit une valeur moyenne de 384402 ± 1,2 km[31], qui était la mesure la plus précise de la distance lunaire à l'époque.

Mesure laser

La mesure du temps nécessaire à un faisceau laser pour effectuer l'aller-retour après s’être reflechi directement sur la surface de la Lune a été réalisée pour la première fois en 1962 par une équipe du Massachusetts Institute of Technology et une équipe soviétique de l'Observatoire d'Astrophysique de Crimée[32].

Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.
Réflecteur sur la surface de la Lune en 1969.

Au cours des missions Apollo en 1969, les astronautes ont placé des rétro-réflecteurs sur la surface de la Lune dans le but d'affiner la précision de cette technique de mesure. Les mesures actuelles utilisent toujours cet équipement et impliquent de multiples installations laser autour du monde. La précision instantanée des expériences du Ranging Lunar Laser permet d’atteindre une résolution inférieure au millimètre et, est à ce jour, la méthode la plus fiable pour déterminer la distance lunaire.

Astronomes amateur

En raison de l'accessibilité contemporaine aisée à des dispositifs précis de synchronisation, des caméras numériques haute résolution, des récepteurs GPS, des ordinateurs puissants et de dispositifs de communication quasi instantanés, il est devenu possible pour les astronomes amateurs de réaliser des mesures de haute précision de la distance lunaire.

Par exemple, le 23 mai 2007, des photographies numériques de la Lune pendant la quasi-occultation de Regulus ont été prises à partir de deux localisations situées en Grèce et en Angleterre. En mesurant la parallaxe entre la lune et une étoile d'arrière-plan, la distance lunaire pouvait être calculée[33].

Un projet plus ambitieux appelé la « Campagne Aristarque », en référence à l’astronome antique grec, a été réalisée au cours de l'éclipse lunaire du 15 avril 2014[34].

Voir aussi

Références

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  2. ↑ http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=124 Is the Moon moving away from the Earth?
  3. ↑ C.D. Murray et S.F. Dermott, Solar System Dynamics, Cambridge University Press, , p. 184
  4. ↑ Terence Dickinson, From the Big Bang to Planet X, Camden East, Ontario, Camden House, (ISBN 0-921820-71-2), p. 79–81
  5. ↑ B.G. Bills et R.D. Ray, « Lunar Orbital Evolution: A Synthesis of Recent Results », Geophysical Research Letters, vol. 26, no 19,‎ , p. 3045-3048 (DOI 10.1029/1999GL008348, lire en ligne)
  6. ↑ http://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhelp/ApolloLaser.html
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  10. ↑ T. W. Murphy Jr, « Lunar laser ranging: the millimeter challenge », Reports on Progress in Physics, vol. 76,‎ , p. 076901 (ISSN 0034-4885 et 1361-6633, DOI 10.1088/0034-4885/76/7/076901, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ Jorge I. Zuluaga, Juan C. Figueroa et Ignacio Ferrin, « The simplest method to measure the geocentric lunar distance: a case of citizen science », arXiv:1405.4580 [astro-ph, physics:physics],‎ (lire en ligne, consulté le )
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  20. ↑ « Mesure des distances », sur astronomia.fr (consulté le )
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  23. ↑ Martin C. Gutzwiller, « Moon-Earth-Sun: The oldest three-body problem », Reviews of Modern Physics, vol. 70,‎ , p. 589–639 (DOI 10.1103/RevModPhys.70.589, lire en ligne, consulté le )
  24. ↑ (en) William Sheehan et John Edward Westfall, The Transits of Venus, Prometheus Books, (ISBN 9781591021759, lire en ligne)
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  26. ↑ (en) Albert Van Helden, Measuring the Universe: Cosmic Dimensions from Aristarchus to Halley, University of Chicago Press, (ISBN 9780226848907, lire en ligne)
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  29. ↑ (en) B.S. Yaplee, « A Lunar Radar Study at 10-cm Wavelength », International Astronomical Union,‎ (lire en ligne)
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  34. ↑ Jorge I. Zuluaga, Juan C. Figueroa et Ignacio Ferrin, « The simplest method to measure the geocentric lunar distance: a case of citizen science », arXiv:1405.4580 [astro-ph, physics:physics],‎ (lire en ligne, consulté le )
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