Pourquoi la Lune nous montre-t-elle
toujours la même face ?
Où que l'on soit sur Terre, à n'importe quelle époque, les taches de la Lune sont les mêmes. L'humanité a vécu des centaines de milliers d'années sans jamais voir la face cachée de la Lune. Ce n'est pas un hasard. C'est le résultat d'un long freinage exercé par la Terre sur la rotation lunaire. Et aujourd'hui, c'est la Lune qui freine la Terre en retour.
La Lune a des taches en forme de lapin. Ces taches sont toujours orientées de la même façon. Ce soir, le mois prochain, dans dix ans, et déjà pour les observateurs d'il y a mille ans, c'était la même Lune.
C'est en réalité très étrange. Si la Lune tourne autour de la Terre, on devrait voir plusieurs de ses faces. Prenez une balle et faites-la tourner autour de vous. Si vous ne changez pas son orientation, toutes ses faces vous seront présentées au cours du tour.
Que la Lune montre toujours la même face signifie qu'elle tourne sur elle-même exactement au même rythme qu'elle tourne autour de la Terre. En un tour de révolution, elle fait pile un tour de rotation.
Une coïncidence aussi parfaite peut-elle être due au hasard ?
Le côté proche de la Terre et le côté éloigné ne subissent pas la même force d'attraction. Cette différence allonge légèrement la Lune, comme un ballon de rugby.
Quand la Lune tourne sur elle-même, ce renflement se décale par rapport à la direction de la Terre. La gravité terrestre tente alors de le ramener en place, ce qui freine la rotation.
Ce freinage continue tant que le renflement reste décalé. L'état où le décalage disparaît, c'est justement « toujours montrer la même face ». C'est là que la Lune s'est arrêtée.
Pourquoi la Lune s'allonge-t-elle ?
La gravité est plus forte à courte distance. Le côté de la Lune « proche de la Terre » et le côté « éloigné » ne subissent pas la même attraction.
Le côté proche est attiré plus fortement vers la Terre, tandis que le côté éloigné, moins attiré, reste à la traîne. Résultat : la Lune s'étire légèrement dans l'axe qui la relie à la Terre.
Cet allongement est infime, il ne risque pas de briser la Lune. Mais le fait qu'un renflement orienté apparaisse est décisif. Dès lors qu'il existe un renflement, s'il ne fait pas face à la Terre, une force de rappel apparaît forcément.
Le même phénomène se produit sur Terre : c'est ce que nous observons chaque jour sous forme de marées. L'eau des océans, attirée par la Lune, se soulève. Dans le cas de la Lune, c'est la roche elle-même qui se déforme un peu.
Tous les autres états ont été éliminés par le freinage.
« La face cachée de la Lune est sombre » : une idée fausse
On entend parfois parler du « côté obscur » de la Lune, mais c'est une erreur. La face cachée est une face « invisible », pas une face sombre.
La Lune connaît elle aussi le jour et la nuit. Vue depuis la Lune, le Soleil se lève et se couche. La face cachée reçoit donc bien la lumière du Soleil. D'ailleurs, lors de la nouvelle lune, cette face invisible depuis la Terre est en plein midi.
Le fait que la face cachée soit « invisible » ne dépend que de sa relation avec la Terre, pas de sa relation avec le Soleil. C'est la confusion entre ces deux relations qui est à l'origine de ce malentendu.
L'humanité a vu la face cachée pour la première fois en 1959, grâce à des photographies prises par une sonde soviétique. Jusque-là, personne ne l'avait jamais vue. Et les chercheurs qui ont découvert ces photos ont été surpris : la face cachée était complètement différente de la face visible. Les vastes « mers » sombres présentes sur la face visible étaient quasiment absentes de la face cachée.
« Toujours la même face » ne signifie pas exactement la moitié. Sur une longue période, environ 59 % de la surface lunaire peut être observée depuis la Terre.
La raison : l'orbite de la Lune n'est pas parfaitement circulaire. Quand elle est proche de la Terre, sa révolution s'accélère ; quand elle est loin, elle ralentit. Or, la vitesse de rotation reste constante. Un léger décalage apparaît alors entre rotation et révolution, donnant l'impression que la Lune « hoche la tête ». Ce phénomène s'appelle la libration.
En observant la Lune avec attention, on remarque que les bords apparaissent et disparaissent légèrement d'un mois à l'autre. Un phénomène vérifiable chez soi avec un simple télescope.
Aujourd'hui, c'est la Lune qui freine la Terre
Voici la partie la plus intéressante. Une force agit toujours dans les deux sens. Si la Terre a stoppé la rotation de la Lune, la Lune doit faire de même avec la Terre.
C'est exactement ce qui se passe. La gravité lunaire soulève les océans, et ce renflement est entraîné légèrement en avant par la rotation terrestre. La Lune tente de le ramener en place, ce qui freine la rotation de la Terre.
Résultat : la durée du jour s'allonge peu à peu. Le rythme est estimé à environ 1,7 milliseconde par siècle. C'est infime, mais cela s'accumule et devient significatif.
- À l'époque des dinosaures, une journée durait environ 23 heures et demie, selon les estimations
- Des fossiles plus anciens encore portent la trace d'un nombre de jours par an supérieur à aujourd'hui. En comptant les lignes de croissance des coraux, on estime qu'une année comptait alors près de 400 jours
- Cet effet explique en partie pourquoi les secondes intercalaires sont nécessaires
Et l'élan de rotation perdu par la Terre n'a pas disparu : il est transféré à la Lune. Celle-ci s'éloigne donc peu à peu, à raison d'environ 3,8 centimètres par an, mesure confirmée par des observations directes. Cela a été obtenu en dirigeant un laser vers les réflecteurs déposés sur la Lune, notamment par les missions Apollo, et en mesurant en continu la distance.
- Les éclipses totales de Soleil finiront par disparaître. Le fait que le Soleil et la Lune paraissent aujourd'hui de taille quasi identique dans le ciel est une coïncidence. En s'éloignant, la Lune paraîtra plus petite et ne pourra plus masquer entièrement le Soleil. Nous vivons, par chance, à une époque privilégiée.
- La plupart des grands satellites du Système solaire sont dans le même cas. Les principaux satellites de Jupiter et de Saturne montrent eux aussi toujours la même face à leur planète. Le même mécanisme a agi partout.
- Pluton et son satellite se font face mutuellement. Leurs tailles proches ont permis un freinage complet des deux côtés, chacun ne montrant à l'autre qu'une seule face.
- Mercure a trouvé un équilibre un peu différent. Le rapport est de trois rotations pour deux révolutions autour du Soleil. Sur une orbite elliptique, ce type d'équilibre est également possible.
Une expérience à faire chez soi
- Prenez une balle, ou un gobelet en carton avec un visage dessiné dessus. C'est la Lune
- Tendez le bras et faites-la tourner autour de vous, en gardant toujours le visage tourné vers vous
- Regardez maintenant les murs de la pièce. Au cours du tour, la Lune a présenté toutes les directions du mur. Elle a donc effectué une rotation complète
- Recommencez, mais cette fois en gardant l'orientation de la Lune fixe par rapport à la pièce (sans la faire tourner sur elle-même). Cette fois, c'est vous qui verrez toutes les faces de la Lune
On comprend alors que « montrer toujours la même face » et « tourner sur soi-même » ne sont pas contradictoires, bien au contraire : c'est la même chose. On croit souvent, à tort, que la Lune ne tourne pas sur elle-même, alors qu'elle tourne bel et bien, exactement à la vitesse de sa révolution. Le geste permet de le comprendre mieux que n'importe quelle explication.
En résumé
Si la Lune montre toujours la même face, c'est parce que la gravité terrestre l'a légèrement allongée, et a sans cesse corrigé le décalage de ce renflement. Tous les autres modes de rotation ont été éliminés par le freinage ; seul l'état sans décalage a subsisté. Et aujourd'hui, le même phénomène est à l'œuvre du côté de la Terre.
L'aspect de la Lune est le résultat d'un bras de fer vieux de plusieurs milliards d'années.
Et ce bras de fer n'est pas terminé.
Cette « force d'étirement » est aussi celle qui, chaque jour, produit les marées dans les océans terrestres. Pourquoi la marée haute survient-elle deux fois par jour ? C'est expliqué dans cet article. Pour savoir à quelle distance se trouve l'adversaire de ce bras de fer, consultez À quelle distance se trouve vraiment la Lune ?.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique-chimie / sciences de la Terre du lycée (niveau seconde/première)
- Lycée+Physique de terminale, ou contenu approfondi / encart du manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (mécanique céleste)
- RechercheNon enseigné même à l'université comme fait établi : sujet encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots autour de la Lune
- Rotation et révolution : la rotation, c'est tourner sur soi-même ; la révolution, c'est tourner autour d'un autre corps. Pour la Lune, les deux durent environ 27,3 jours, et c'est cette coïncidence qui est le sujet de cet article.
- Verrouillage gravitationnel (ou rotation synchrone) : état où la période de rotation coïncide avec la période de révolution. En anglais, tidal locking.
- Force de marée : force d'étirement née de la différence d'intensité de la gravité selon l'endroit d'un astre. C'est aussi la cause des marées.
- Libration : phénomène par lequel la Lune semble légèrement « hocher la tête ». Grâce à cela, environ 59 % de sa surface est observable.
- Mois synodique (lunaison) : période des phases lunaires, environ 29,5 jours. Cette valeur diffère de la période de révolution (environ 27,3 jours) car, entre-temps, la Terre avance elle aussi autour du Soleil.
LycéeVérification par le calcul : le Soleil est plus lourd que la Lune, mais perd la bataille des marées
Ce sont surtout la Lune qui provoque les marées. Pas le Soleil. Et pourtant, le Soleil est infiniment plus massif. Ce renversement s'explique par deux simples divisions.
Force d'attraction : F ∝ M ÷ r²
Force de marée : F ∝ M ÷ r³
| M masse de l'astre | plus elle est lourde, plus la force est forte |
| r distance | plus elle est grande, plus la force est faible |
| Différence entre carré et cube | c'est là que tout se joue |
Pourquoi la marée dépend-elle du cube ? Parce que ce n'est pas la force d'attraction elle-même qui provoque la marée, mais la différence d'attraction entre le côté proche et le côté éloigné de la Terre. En prenant cette différence, l'effet de la distance devient un cran plus sévère.
Plus un astre est loin, plus cette différence entre les deux côtés de la Terre est faible. « Attirer fortement dans l'ensemble » et « créer une différence d'attraction » sont deux choses distinctes.
| Le Soleil est combien de fois plus lourd que la Lune | environ 27 000 000 fois |
| Le Soleil est combien de fois plus loin que la Lune | environ 390 fois |
| Carré de la distance | 390 × 390 = 152 100 |
| Rapport des forces d'attraction | 27 000 000 ÷ 152 100 ≈ 178 fois |
La force du Soleil sur la Terre est environ 180 fois celle de la Lune. Un écart écrasant. Logique, puisque c'est la Terre qui tourne autour du Soleil.
| Cube de la distance | 390 × 390 × 390 = 59 319 000 |
| Rapport des forces de marée | 27 000 000 ÷ 59 319 000 ≈ 0,46 fois |
Le rapport s'inverse. La force de marée du Soleil représente moins de la moitié de celle de la Lune.
Le Soleil l'emporte 178 fois sur la force d'attraction, mais perd avec seulement 0,46 fois sur la marée. La seule chose qui a changé, c'est le passage du carré au cube. Une simple division supplémentaire par 390 a transformé 178 en 0,46.
« Qui est le plus fort » dépend de la force dont on parle. C'est, à mon avis, le point le plus intéressant de cet article.
Le Soleil n'est pas négligeable pour autant : il représente à peu près la moitié de l'effet de la Lune. C'est pourquoi l'amplitude des marées varie selon que Lune et Soleil sont alignés ou non.
| Lune et Soleil alignés (nouvelle lune, pleine lune) | 1 + 0,46 = 1,46 (vives-eaux) |
| Lune et Soleil à angle droit (quartiers) | 1 − 0,46 = 0,54 (mortes-eaux) |
| Rapport vives-eaux / mortes-eaux | 1,46 ÷ 0,54 ≈ 2,7 fois |
L'amplitude des marées varie donc presque du simple au triple entre vives-eaux et mortes-eaux. Les tables de marée confirment un écart bien réel.
Et le fait que les grandes marées surviennent à la nouvelle et à la pleine lune découle exactement de ce calcul. En regardant la forme de la Lune, on peut deviner le type de marée du jour. Le lien entre le calendrier et les marées n'a rien d'un hasard.
Les marées ralentissent légèrement la rotation de la Terre, et repoussent d'autant la Lune vers l'extérieur. Les observations donnent environ 3,8 cm par an.
| Sur 1 milliard d'années | 3,8 × 1 000 000 000 = 3 800 000 000 cm |
| Converti en km | 3 800 000 000 ÷ 100 000 = 38 000 km |
| Distance actuelle | environ 380 000 km |
| Quelle proportion de la distance actuelle | 38 000 ÷ 380 000 = 0,1 (10 %) |
Ces 3,8 cm par an, à peine mesurables, représentent 10 % de la distance actuelle sur 1 milliard d'années. En remontant le temps, la Lune était donc plus proche, les marées plus fortes, et les journées plus courtes.
※ La vitesse d'éloignement n'est pas constante ; plus on remonte dans le passé, plus elle s'écarte d'un simple calcul de proportionnalité. Ce calcul ne vise qu'à donner un ordre de grandeur.
LycéePourquoi la « différence » compte-t-elle ?
La force de gravitation est inversement proportionnelle au carré de la distance : F = G M m / r². Entre le côté proche et le côté éloigné de la Lune, r diffère, donc la force subie diffère aussi.
Ce qui compte, ce n'est pas la force elle-même, mais la différence de force. La Lune entière est accélérée et « tombe » de la même façon, donc la composante commune n'est pas ressentie. Il ne reste que la variation d'un point à l'autre, et c'est elle qui étire la Lune.
| Distance à la Lune | environ 380 000 km |
| Périodes de rotation et de révolution de la Lune | toutes deux environ 27,3 jours |
| Proportion de la surface lunaire visible depuis la Terre | environ 59 % |
| Vitesse d'éloignement de la Lune | environ 3,8 cm par an (mesure par télémétrie laser) |
| Allongement du jour | environ 1,7 milliseconde par siècle |
※ Ces valeurs sont des ordres de grandeur usuels. La variation de la durée du jour intègre aussi l'effet de l'intérieur de la Terre et des calottes glaciaires.
Lycée+La force de marée varie comme l'inverse du cube de la distance
En calculant la différence d'attraction entre le côté proche et le côté éloigné, on montre que la force de marée est inversement proportionnelle au cube de la distance : F_marée ∝ G M R / r³ (R étant le rayon de la Lune, r la distance).
Comparée à la gravité ordinaire (inverse du carré), l'effet de la distance est bien plus abrupt. C'est pourquoi la force de marée d'un astre lointain reste négligeable malgré sa masse. Le Soleil, bien plus massif que la Lune, n'exerce sur les marées terrestres qu'environ la moitié de l'effet lunaire, précisément à cause de ce cube.
Par ailleurs, un astre trop proche finit par se briser. La distance à laquelle la force de marée dépasse la propre gravité d'un corps s'appelle la limite de Roche ; les anneaux de Saturne se situent à l'intérieur de cette limite.
Le freinage est en réalité un couple (force de rotation). Quand le renflement est décalé par rapport à la direction de la Terre, l'attraction terrestre exerce sur la Lune un couple qui s'oppose à sa rotation. Quand le décalage s'annule, le couple s'annule aussi : c'est le point d'équilibre.
UniversitéOù va l'élan perdu ? Le moment cinétique
Quand la rotation de la Terre ralentit, l'élan de rotation perdu (le moment cinétique) ne disparaît pas. Il se conserve pour l'ensemble du système Terre-Lune.
Le moment cinétique retiré à la rotation terrestre est transféré à la révolution de la Lune. Quand le moment cinétique orbital augmente, l'orbite s'agrandit, et la Lune s'éloigne. C'est l'origine de ce recul de 3,8 cm par an.
Ce freinage existe parce que la Terre n'est pas un solide parfaitement élastique. L'eau des océans a une viscosité, et le relief joue aussi un rôle ; le renflement des marées ne se place donc pas exactement sous la Lune, mais est entraîné légèrement en avant par la rotation terrestre. Ce décalage angulaire crée le couple. Sans frottement (dissipation), il n'y aurait pas de verrouillage gravitationnel.
D'ailleurs, la dissipation des marées actuelle sur Terre est en grande partie due au frottement dans les mers peu profondes et sur les plateaux continentaux. Si la disposition des continents change, la vitesse d'éloignement de la Lune change aussi.
RechercheCe qui reste à comprendre
- On ignore pourquoi la face visible et la face cachée de la Lune sont si différentes. La face visible présente de vastes « mers » (plaines sombres formées de lave), presque absentes sur la face cachée. L'épaisseur de la croûte diffère aussi. Plusieurs hypothèses ont été proposées : la fusion d'une deuxième petite lune entrée en collision à faible vitesse, ou un amincissement de la croûte côté visible dû au rayonnement thermique de la Terre. Mais aucune n'est tranchée. C'est considéré comme l'une des plus grandes énigmes lunaires.
- La formation exacte de la Lune reste elle aussi incertaine. L'hypothèse d'une collision avec un corps de la taille de Mars fait consensus, mais un problème majeur subsiste : la composition isotopique des roches lunaires et terrestres est étrangement trop similaire. On devrait retrouver davantage de traces du corps impacteur, mais elles restent introuvables. Le débat se poursuit sur l'ampleur et les conditions de cette collision.
- Remonter dans le temps la vitesse d'éloignement de la Lune pose un problème de calcul. En extrapolant la vitesse actuelle vers le passé, la Lune aurait dû percuter la Terre il y a environ 1,5 milliard d'années. Or la Lune est bien plus ancienne : son recul devait donc être plus lent autrefois. On l'attribue à des variations de la dissipation des marées liées à la disposition des continents, mais la reconstitution précise reste en cours.
- Des zones d'ombre subsistent aussi sur l'intérieur de la Lune. On pense qu'elle possède un petit noyau, mais son état et sa taille restent difficiles à estimer précisément, faute d'un nombre suffisant de sismomètres déployés. Les futures missions d'exploration devraient apporter des réponses.
C'est l'astre le plus proche de nous, que nous observons chaque soir. Et pourtant, des questions sans réponse subsistent.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・phases de la Lune／rotation et révolution／gravité | Mécanisme de la face fixe, observation avec une balle |
| Lycée | Physique・gravitation universelle／sciences de la Terre・Système solaire | La différence de force qui étire, tableau de valeurs |
| Lycée+ | Physique・forces et moments sur un solide | Force de marée en cube de la distance, couple et point d'équilibre |
| Université | Mécanique céleste・géophysique | Transfert de moment cinétique, dissipation des marées, limite de Roche |
| Recherche | Science planétaire (non résolu) | Différence entre faces visible et cachée, origine de la Lune, historique de la vitesse de recul |
- Murray, C. D. & Dermott, S. F., Solar System Dynamics (ouvrage de référence sur le verrouillage gravitationnel et la mécanique céleste).
- Dickey, J. O. et al., Lunar laser ranging: a continuing legacy of the Apollo program, Science 265, 482–490, 1994 (mesure de la vitesse de recul de la Lune).
- Jutzi, M. & Asphaug, E., Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon, Nature 476, 69–72, 2011 (une hypothèse sur la différence entre faces visible et cachée).
- Canup, R. M., Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact, Science 338, 1052–1055, 2012 (origine de la Lune et problème des isotopes).
- Explications de l'Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台) sur la Lune et le calendrier.
※ Les valeurs de distance et de période peuvent varier légèrement selon la méthode de mesure et la définition retenue. Cet article présente les valeurs généralement admises.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères destinés à faciliter la compréhension du mécanisme ; elles peuvent varier selon les conditions et les définitions. Pour observer le Soleil, utilisez toujours un équipement adapté et ne le regardez jamais directement.