Distance lunaire

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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[modifier | modifier le code]

La distance de la Terre à la Lune varie constamment. 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[modifier | modifier le code]

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].

Augmentation de la distance moyenne[modifier | modifier le code]

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[15]. Il semble, de plus, que ce taux anormalement élevé d’éloignement continuer à accélérer[16].

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’est échangée. Les modèles prédisent que 50 milliards d'années seraient nécessaires pour atteindre cette configuration[17].

Histoire orbitale[modifier | modifier le code]

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[15].

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[18].

Dissipation par les forces de marée[modifier | modifier le code]

La traction exercée par la lune sur la Terre ralentit également la rotation de la Terre, un effet connu sous le nom de freinage par effet de marée. Autrement exprimé, le moment angulaire est lentement transféré de la rotation de la Terre à l'orbite de la Lune. Ce ralentissement de la rotation se traduit par l’augmentation de la durée des jours (24 heures) de 2,3 millisecondes par siècle. L'énergie perdue par la Terre est transférée à la lune qui augmente alors sa distance de la Terre à une vitesse de 3,8 centimètres par année[19]. La raison de ce transfert est que la rotation de la Terre provoque un entraînement de l'eau des océans déplacée par les marées ce qui déplace le centre de masse de la Terre, créant une accélération tangentielle sur la Lune, augmentant graduellement sa vitesse dans son orbite. Par conséquent, la vitesse de rotation de la Terre diminue imperceptiblement et la lune accélérant sur son orbite, la rayon de celui-ci est progressivement en augmentation.

Histoire de la mesure[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Éclipse lunaire.
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 IVe siècle av. J.-C., Aristarque de Samos[23] puis, plus tard, par Hipparque dont les calculs produisirent 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[modifier | modifier le code]

Une expédition menée par l'astronome d'origine française 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[modifier | modifier le code]

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 quatre occultations de neuf sites en 1952[28]. Ils ont calculé une distance moyenne de 384 407,6 ± 4,7 km puis la valeur a été affinée en 1962 par Irene Fischer, qui a incorporée des données géodésiques plus précises (données géométriques de la terre) pour produire une valeur de 384 403,7 ± 2 km[27].

Mesure radar[modifier | modifier le code]

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. À partir de cette mesure, la distance a pu être calculée. En pratique, cependant, il était 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. À 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'ont duré un jour. Leur suivi a duré un mois pour produire une valeur moyenne de 384402 ± 1,2 km[31], mesure la plus précise de la distance lunaire à l'époque.

Mesure laser[modifier | modifier le code]

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 amateurs[modifier | modifier le code]

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[11].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. « "Solar System Exploration - Earth's Moon: Facts & Figures », NASA, (consulté le 6 novembre 2011)
  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
  7. http://www.physics.ucsd.edu/~tmurphy/apollo/lrrr.html
  8. http://isotope.colorado.edu/~geol5700/Bills_1999.pdf - Lunar orbital evolution
  9. NEO Earth Close Approaches
  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)
  11. a et b 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)
  12. a et b R. D. Reasenberg, J. F. Chandler, N. R. Colmenares et N. H. Johnson, « Modeling and Analysis of the APOLLO Lunar Laser Ranging Data », arXiv:1608.04758 [astro-ph, physics:gr-qc],‎ (lire en ligne)
  13. (en) A. Vitagliano, « Numerical intergration for the real time production of dunfamental ephenerides over a wide time span », Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy,‎ (lire en ligne)
  14. a et b (en) W. M. Folkner and al., « The Planetary and Lunar Ephemerides DE430 and DE431 », IPN Progress Report,‎ (lire en ligne)
  15. a et b (en) James C. G. Walker et Kevin J. Zahnle, « Lunar nodal tide and distance to the Moon during the Precambrian », Nature, vol. 320,‎ , p. 600–602 (DOI 10.1038/320600a0, lire en ligne)
  16. (en) Bruce G. Bills et Richard D. Ray, « Lunar orbital evolution: A synthesis of recent results », Geophysical Research Letters, vol. 26,‎ , p. 3045–3048 (ISSN 1944-8007, DOI 10.1029/1999GL008348, lire en ligne)
  17. (en) « When Will Earth Lock to the Moon? - Universe Today », (consulté le 14 septembre 2016)
  18. « The Theia Hypothesis: New Evidence Emerges that Earth and Moon Were Once the Same », sur The Daily Galaxy --Great Discoveries Channel (consulté le 14 septembre 2016)
  19. « Moon Facts: Fun Information About the Earth’s Moon » (consulté le 14 septembre 2016)
  20. « Mesure des distances », sur astronomia.fr (consulté le 14 septembre 2016)
  21. Aristarque de Samos et Fortia d'Urban, Traité d'Aristarque de Samos sur les grandeurs et les distances du soleil et de la lune, Firmin Didot père et fils, (lire en ligne)
  22. X. X. Newhall, E. M. Standish et J. G. Williams, « DE 102 - A numerically integrated ephemeris of the moon and planets spanning forty-four centuries », Astronomy and Astrophysics, vol. 125,‎ , p. 150–167 (ISSN 0004-6361, lire en ligne)
  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)
  24. (en) William Sheehan et John Edward Westfall, The Transits of Venus, Prometheus Books, (ISBN 9781591021759, lire en ligne)
  25. (en) Stephen Webb, Measuring the Universe: The Cosmological Distance Ladder, Springer Science & Business Media, (ISBN 9781852331061, lire en ligne)
  26. (en) Albert Van Helden, Measuring the Universe: Cosmic Dimensions from Aristarchus to Halley, University of Chicago Press, (ISBN 9780226848907, lire en ligne)
  27. a et b (en) Irène Fischer, « The distance of the moon », Bulletin Géodésique (1946-1975), vol. 71,‎ , p. 37–63 (DOI 10.1007/BF02526081, lire en ligne)
  28. John A. O'Keefe et J. Pamelia Anderson, « The earth's equatorial radius and the distance of the moon », The Astronomical Journal, vol. 57,‎ , p. 108 (ISSN 0004-6256, DOI 10.1086/106720, lire en ligne)
  29. (en) B.S. Yaplee, « A Lunar Radar Study at 10-cm Wavelength », International Astronomical Union,‎ (lire en ligne)
  30. (en) J.S. Hey, « Radar Observations Of The Moon At 10-cm Wavelength », Internaiton Astronomical Union,‎ (lire en ligne)
  31. B. S. Yaplee, S. H. Knowles, A. Shapiro et K. J. Craig, « The mean distance to the Moon as determined by radar », Symposium - International Astronomical Union, vol. 21,‎ , p. 81–93 (ISSN 0074-1809, DOI 10.1017/S0074180900104826, lire en ligne)
  32. (en) P. L. Bender, D. G. Currie, S. K. Poultney et C. O. Alley, « The Lunar Laser Ranging Experiment », Science, vol. 182,‎ , p. 229–238 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 17749298, DOI 10.1126/science.182.4109.229, lire en ligne)
  33. « Lunar Parallax », sur www.etwright.org (consulté le 14 septembre 2016)