Editorial du printemps 2024: "L’INTERDEPENDANCE ENTRE LA LUNE ET LA TERRE" par Trinh Xuan Thuan

L’INTERDEPENDANCE ENTRE LA LUNE ET LA TERRE

Trinh Xuan Thuan
Professeur émérite d’Astronomie
Université de Virginie

La Lune, objet de toutes les attentions

Le 20 juillet 1969, lors de la mission de la NASA Apollo 11, Neil Armstrong est devenu le premier homme à marcher sur la Lune, marquant un moment historique avec sa phrase mémorable : "C'est un petit pas pour l'homme, mais un bond de géant pour l'humanité." Les missions Apollo se sont poursuivies jusqu’en 1972. Eugene Cernan, commandant de la dernière mission, Apollo 17, a quitté la surface lunaire le 14 décembre 1972. Il est le dernier humain à avoir foulé le sol lunaire jusqu’à ce jour. Après les missions Apollo, l'exploration humaine de la Lune a été mise en veilleuse aux États-Unis pendant plus de cinquante ans. Et cela pour plusieurs raisons : la pression budgétaire toujours croissante et la diminution, au fil du temps, de l’intérêt du public pour les missions lunaires. Les missions Apollo ont constitué une aventure humaine fantastique dont l’objectif était finalement plus politique que scientifique. En allant sur la Lune, ce que nous avons découvert, c’est en fin de compte la Terre avec les magnifiques images de lever de Terre sur la Lune. Elles ont mis en évidence aux yeux de tous non seulement l’unité de notre petite planète bleue, mais aussi sa fragilité dans l’immensité de l’espace. Dans l’ère post-Apollo (1972-2000), les États-Unis ont concentré leurs efforts sur la navette spatiale et, en collaboration avec d’autres nations, sur la construction de la Station spatiale internationale (ISS).

A l’aube du 21^e siècle, il y a un regain de l'intérêt pour l'exploration lunaire. Plusieurs pays ont annoncé leurs plans pour retourner sur la Lune. La NASA a travaillé sur le programme Artemis (la déesse de la Lune dans la mythologie grecque), ayant pour but d’établir une présence humaine durable sur notre satellite et de préparer le terrain pour de futures missions martiennes. La création d'une station spatiale lunaire, appelée Gateway, servira de plateforme de départ pour les missions lunaires et au-delà. Le retour des astronautes américains sur la Lune n’est pas prévu avant septembre 2026. La Chine n'est pas en reste. Elle a réalisé en 2019, lors de la mission Chang’e-4 le premier alunissage sur la face cachée de la Lune. Elle aussi affiche des objectifs ambitieux :  l’exploration du sol lunaire par des taikonautes chinois et l’établissement d’une base lunaire.

L'intérêt et la fascination pour la Lune sont profondément ancrés dans l’histoire de l’humanité. La Lune est l'objet le plus brillant dans le ciel, ce qui la rend facilement observable à l'œil nu. Sa beauté et son esthétisme font qu’elle est souvent représentée dans l'art, la littérature et la musique. Dans de nombreuses cultures, elle est associée à des divinités, à des symboles et à des mythes qui ont façonné les croyances et les traditions. Depuis des millénaires, l’homme a scruté les phases lunaires, les éclipses et d'autres phénomènes lunaires, se servant de notre satellite comme référence pour diviser le temps en mois et en années. De nombreux calendriers (dont le calendrier vietnamien) sont basés sur les phases lunaires, et les cycles lunaires ont été utilisés pour organiser le temps dans de nombreuses civilisations.

Je me concentrerai ici sur certains aspects scientifiques de la Lune qui démontrent son interdépendance avec notre planète et comment, sans notre satellite, la vie sur Terre n’aurait pas été possible.

La Lune, fille de la Terre

La Lune forme un couple symbiotique avec notre planète à plus d’un titre. D’abord, elle est littéralement née de la Terre. On pense en effet que c’est le choc retentissant d’un bolide fou contre notre planète qui l’en a arrachée. Selon cette théorie dite du « Grand Impacteur », la Terre a enfanté la Lune lors de l’époque de la formation des planètes du système solaire après la naissance du Soleil, il y a 4,55 milliards d’années. Pendant les centaines de millions d’années qui ont suivi, alors que les planètes sont en train de se constituer, de gros corps de pierre appelés astéroïdes parcourent le système solaire dans tous les sens, à des vitesses vertigineuses de dizaines de kilomètres par seconde. De temps à autre se produisent entre les planètes naissantes et les astéroïdes des collisions d’une violence inouïe. C’est l’une de ces collisions fracassantes qui a arraché la Lune à l’écorce terrestre. Un énorme astéroïde rocailleux de la taille de Mars (environ la moitié de la taille de la Terre et environ un dixième de sa masse) est venu percuter notre planète. Sous la violence du choc, des gerbes de matière brûlante et liquéfiée provenant à la fois de la Terre et du Grand Impacteur ont jailli dans l’espace. La matière éjectée s’est ensuite refroidie et agglomérée sous l’effet de la gravité pour former la Lune.  

Le hasard joue un rôle primordial dans la fabrication du réel. C’est lui qui a fait que la Terre soit la seule parmi les quatre planètes telluriques¹  à avoir subi une collision d’une telle violence avec un gros astéroïde. Si bien qu’elle est l’unique planète tellurique dans le système solaire à être dotée d’une grosse Lune. Faute de collision semblable, Mercure et Vénus ne possèdent pas de lune et Mars en a deux mais de très petite taille, des astéroïdes d’une vingtaine de kilomètres que la planète rouge a attirés grâce à sa gravité. Le hasard a bien fait les choses pour la Terre car si l’astéroïde avait été un peu plus massif, il aurait pu pulvériser notre chère planète en mille morceaux : notre havre cosmique n’aurait pas existé et nous encore moins. De concert avec les lois physiques, le hasard joue un rôle fondamental pour façonner le réel² . La nature joue du jazz. Comme le jazzman improvise et brode autour d’un thème général pour produire des sons nouveaux au gré de son inspiration et de la réaction du public, la nature se sert des lois physiques et de la contingence pour créer de la nouveauté.

Un événement aléatoire a donc été responsable de notre astre de la nuit. On peut aussi dire qu’il a été la cause même de notre existence car, sans la Lune, la vie n’aurait pas pu prospérer sur notre planète. En effet, c’est notre satellite qui, par son interaction gravitationnelle avec la Terre, confère la stabilité à l’axe de rotation de notre havre cosmique, permettant d’éviter des variations climatiques extrêmes, et favorisant ainsi l’éclosion et le développement de la vie. En l’absence de la Lune, l’axe de rotation de notre planète aurait un comportement totalement chaotique (« chaos » n’a pas ici son sens habituel de « désordre », mais plutôt son sens scientifique d’« absence de prédictibilité »), la Terre pouvant aller sans crier gare d’une position droite (une inclinaison de 0°) jusqu’à être complètement couchée sur le côté (une inclinaison de 90°), en passant par son inclinaison actuelle de 23,5°. Comment pouvons-nous étudier ces mouvements chaotiques ? Grâce aux ordinateurs qui nous permettent de calculer l’évolution de la Terre en supprimant la Lune. Les ordinateurs rendent un verdict sans appel. Ils nous disent que, sans la Lune, l’axe de la Terre aurait un comportement totalement chaotique, et cela sur des temps géologiquement très courts, de l’ordre de quelques millions d’années. Ce comportement chaotique entraînerait des changements climatiques catastrophiques pour la vie terrestre. Ainsi, dans les périodes au cours desquelles notre planète se tiendrait droite, la quantité de chaleur solaire reçue en chaque point du globe serait constante au cours du voyage annuel de la Terre autour de son astre. Les saisons disparaîtraient et les hommes ne connaitraient plus ni les couleurs ocres et mauves des feuilles d’automne ni les morsures glaciales de l’hiver. En revanche, pendant les périodes où notre planète serait couchée, les Terriens subiraient des variations climatiques extrêmes : pendant six mois de l’année, la moitié de la Terre serait plongée dans l’obscurité et le froid frigorifique d’un interminable hiver ; cette même moitié serait, les six mois suivants, baignée dans la lumière éblouissante du Soleil et soumise à sa chaleur torride. Avec de telles extrémités climatiques qui nous tomberaient dessus sans crier gare – la caractéristique d’un comportement chaotique étant qu’il ne peut être prévu – la vie aurait bien du mal à se développer sur Terre.

Mars nous donne un exemple concret de ce qui peut arriver en l’absence d’une grosse lune pour stabiliser l’axe de rotation d’une planète. Ses deux petits satellites sont trop peu massifs pour jouer un rôle stabilisateur. L’inclinaison de la planète rouge est maintenant très semblable à celle la Terre (de 25,2 degrés), mais on pense que son axe de rotation aurait varié de quelque 10 degrés par le passé, ce qui aurait fait traverser au climat martien des phases extrêmes. C’est probablement la chaleur d’étés torrides, quand Mars était trop penchée vers le Soleil, qui a fait évaporer les océans et les fleuves qui coulaient à flots à sa surface il y a quelque 4 milliards d’années. Seuls restent des bassins sédimentaires et des lits desséchés de rivières pour nous rappeler son ancienne splendeur.

Le couple Terre-Lune : une synchronisation parfaite

Mais la Lune fait plus que stabiliser l’axe de rotation de notre planète et permettre l’éclosion de la vie. Elle interagit par la force de gravité avec la Terre, ce qui entraîne des conséquences subtiles sur le comportement du couple Terre-Lune. Ainsi, c’est cette interaction qui permet à la Lune de préserver sa part de mystère : de la Terre, l’homme ne peut jamais voir qu’une seule face de la Lune, l’autre face lui étant toujours cachée. Comment notre satellite réussit-il ce tour de passe-passe de ne nous montrer qu’une moitié d’elle-même, alors qu’elle n’est pas immobile ? En plus de son mouvement de révolution mensuelle autour de la Terre, notre satellite est aussi doté d’un mouvement de rotation sur lui-même. On pourrait penser qu’elle devrait nous dévoiler sa surface entière en se comportant ainsi. Et pourtant, ce n’est pas le cas. Pourquoi ? Parce la Lune a réussi à parfaitement synchroniser son mouvement de rotation sur elle-même avec son mouvement orbital autour de la Terre. En d’autres termes, elle met exactement le même temps (vingt-neuf jours et demi, la durée d’un mois) à accomplir les deux mouvements. Cette rotation synchrone fait qu’un seul et même côté de la Lune est visible depuis la Terre. Cette synchronisation parfaite des deux mouvements de la Lune n’est pas le fait du hasard. Elle est due aux forces gravitationnelles que la Terre exerce sur la Lune. Le côté caché de la Lune n’a été dévoilé que grâce aux sondes spatiales en orbite autour de notre satellite, la première étant la sonde russe Luna 3 en 1959.

Les marées font l’allongement des jours

L’interaction gravitationnelle entre la Terre et la Lune se manifeste d’autres façons. Nous sommes tous familiers avec le phénomène des marées, responsables des flux et reflux des océans. C’est de nouveau la Lune, apparemment si fragile dans le voile de la nuit, qui, grâce aux forces gravitationnelles qu’elle exerce sur la Terre, fait monter l’énorme masse d’eau des océans, inonder le bord de mer et renverser les châteaux de sable érigés par les enfants à marée basse. La Lune n’est pas la seule à soulever l’eau des océans. Le Soleil n’est pas en reste, mais sa contribution est inférieure, égale seulement à un peu moins de la moitié de celle de la Lune³ . En fonction des positions respectives du couple Soleil-Lune par rapport à la Terre, le Soleil peut renforcer ou bien contrecarrer l’action de la Lune. Or, ce sont précisément ces positions respectives qui déterminent les phases de la Lune. Si bien que l’amplitude des marées va de pair avec l’apparence lunaire. Ainsi, à la nouvelle Lune et à la pleine Lune, Soleil et Lune sont alignées avec la Terre ; leurs pouvoirs respectifs de soulever les océans sur Terre s’ajoutent, et la marée est d’une grande amplitude. Par contre, aux premier et dernier quartiers de Lune, Soleil et Lune sont à angle droit par rapport à la Terre, le Soleil neutralise de moitié le pouvoir lunaire de soulever les eaux et la marée est moins haute.

Les marées ne font pas que renverser les châteaux de sable des enfants. Depuis sa naissance, il y a quelque 4,5 milliards d’années, la planète bleue n’a cessé de tourner plus lentement sur elle-même, et les jours de s’allonger. Le va-et-vient des marées opère un frottement entre la masse d’eau des océans et l’écorce terrestre. Or tout frottement dégage de la chaleur et fait perdre de l’énergie. Pour vous en rendre compte, vous n’avez qu’à toucher le frein brûlant de votre bicyclette après vous être arrêté en catastrophe pour éviter une voiture. La chaleur résulte du frottement du frein sur la roue. De même le frottement des océans sur l’écorce terrestre fait que la Terre perd de son énergie de rotation et tourne graduellement moins vite sur elle-même. Et puisque le jour est défini comme le temps mis par notre planète pour faire un tour sur elle-même, cela veut dire que les jours s’allongent. Que les hyperactifs qui se plaignent de n’avoir pas assez d’heures dans la journée pour accomplir toutes leurs tâches ne se réjouissent pas trop vite ! Le jour s’allonge certes, mais à une allure de tortue. Une personne qui vivra cent ans ne verra qu’une durée supplémentaire de 0,002 seconde entre la durée du jour de sa naissance et celle du jour de sa mort. Mais, sur des temps géologiques, qui ne se mesurent pas en centaines mais en milliards d’années, l’effet cumulé du freinage de la Terre par les marées est appréciable. Si la Terre va tourner moins vite sur elle-même dans le futur, a contrario, elle a tourné plus vite dans son passé. Si nous remontons le temps de 350 millions d’années, la journée ne durait que vingt-deux heures. Il y a quelque 4 milliards d’années, la Terre tournait quatre fois plus vite que maintenant, c’est-à-dire que le jour ne durait que six heures. Autrement dit, le Soleil se hâtait dans sa course journalière dans le ciel : du lever au coucher, il ne s’écoulait que trois heures !

Les mois s’allongent aussi

Si la Lune soulève l’eau des océans sur Terre par les forces de marée qu’elle exerce sur notre planète, cette dernière n’est pas en reste. La Terre exerce elle aussi des forces de marée sur la surface rocheuse de notre satellite, et ce faisant, freine le mouvement de révolution de la Lune autour de la Terre. En d’autres termes, non seulement les jours s’allongent inexorablement au fil du temps, mais les mois le font aussi...
Le freinage du mouvement orbital de la Lune a une autre conséquence : il fait que la Lune s’éloigne progressivement de la Terre. Les faisceaux laser émis depuis la Terre et réfléchis par les panneaux réflecteurs laissés par les astronautes des missions Apollo sur la surface lunaire nous le confirment. En effet, ces faisceaux laser nous permettent de mesurer la distance Terre-Lune avec une très grande précision⁴ . Ces mesures nous disent que notre satellite s’éloigne en spirale de la Terre d’environ 3,8 centimètres par an, soit à peu près le taux de croissance de nos ongles. Ce qui signifie que la Lune devait être beaucoup plus proche de la Terre quand elle s’est formée, il y a 4,5 milliards d’années. Extrapolant vers le futur, nos descendants verront leurs journées et leurs mois continuer inexorablement à s’allonger. Le jour, en s’allongeant relativement plus vite que le mois, aura une durée égale à ce dernier dans environ 10 milliards d’années, soit environ 5 milliards d’années après que le Soleil ait épuisé son carburant d’hydrogène et d’hélium et soit devenu une naine blanche. Jour et mois auront alors une durée de quarante-sept de nos jours actuels ! La Lune s’arrêtera alors de s’éloigner de la Terre. Notre planète mettra alors exactement le même temps pour tourner sur elle-même que la Lune pour tourner autour de la Terre. Cette situation sera exactement semblable à la situation actuelle de la Lune qui met précisément le même temps à tourner sur elle-même et à faire un tour autour de la Terre. De même que la Lune montre aujourd’hui aux Terriens toujours la même face, la Terre présentera alors toujours la même moitié de sa surface aux cratères lunaires...

La nuit en plein jour

Outre la belle séquence des phases lunaires, la Lune est aussi responsable d’un des plus impressionnants et mémorables spectacles de la Création qui soient : une éclipse totale du Soleil. De temps à autre, mais toujours à la nouvelle Lune, notre satellite s’aligne exactement avec le Soleil et la Terre, bloquant ainsi la lumière du disque solaire et transformant le jour en nuit le temps de quelques minutes. Dans une zone d’environ 250 kilomètres de largeur correspondant à l’ombre mouvante de la Lune sur la Terre, les habitants voient le disque solaire se réduire de plus en plus jusqu’à disparaître complètement. La nuit tombe en plein jour, les étoiles apparaissent dans le ciel, et la température chute. Les oiseaux s’arrêtent de chanter pour laisser place à un silence envoûtant. C’est comme si la nature entière retenait son souffle. Pour les peuples qui vivaient dans un univers mythique, et qui pensaient que le Soleil a été dévoré par un animal (tel un dragon en Chine ou une grenouille au Vietnam) ou un démon, une éclipse solaire devait être un spectacle des plus angoissants, car ils n’avaient aucune assurance que le Soleil allait réapparaître.

Dans un très lointain avenir, les éclipses solaires totales n’existeront plus. Les forces de marée exercées par la Terre sur la Lune vont, nous l’avons vu, progressivement éloigner la Lune de notre planète. En s’éloignant, elle nous apparaîtra de plus en plus petite, sa taille angulaire variant en proportion inverse de sa distance à la Terre. Aujourd’hui les tailles angulaires de la Lune et du Soleil sont, par une curieuse coïncidence, égales (à environ un demi-degré), ce qui permet à la Lune de bloquer entièrement le disque solaire et de nous offrir le spectacle magique des éclipses solaires totales. Le Soleil ayant un diamètre environ 400 fois plus grand que la Lune mais étant aussi 400 fois plus éloigné de la Terre que la Lune, les deux astres possèdent la même taille angulaire. Mais dans le futur, nos descendants ne pourront plus vibrer au spectacle d’une nuit totale qui descend en plein jour, car en continuant à s’éloigner de la Terre, la Lune deviendra trop petite pour bloquer entièrement le disque du Soleil.   

L’interdépendance du couple Terre-Lune

La Lune forme un couple symbiotique avec la Terre. Leur relation interdépendante a des effets directs sur le climat, les saisons, les écosystèmes marins et terrestres, ainsi que sur la géologie de la Terre. La Terre a accouché de la Lune. Celle-ci est née lors d’une fantastique collision de notre planète avec un astéroïde fou, de la taille de Mars, il y a quelque 4,5 milliards d’années, alors que le système solaire se formait. Notre satellite est à l’origine de notre présence ici sur Terre, car c’est lui qui stabilise l'axe de rotation de notre planète. Sans cette stabilité, les conditions climatiques seraient extrêmes et chaotiques, et la vie sur Terre ne serait pas possible. Les forces gravitationnelles entre la Terre et la Lune créent des marées qui sculptent les côtes des océans. Elles jouent un rôle crucial pour la circulation des nutriments et des organismes, contribuant à maintenir la biodiversité marine. L'influence gravitationnelle de la Lune sur la Terre provoque des mouvements internes dans la croûte terrestre, déclenchant des activités géologiques telles que les séismes et les volcans. Ces processus géologiques sont essentiels pour la régénération des sols et la redistribution des minéraux, contribuant ainsi à la fertilité des écosystèmes terrestres. L’interdépendance entre la Terre et la Lune est fondamentale : elle a permis l’émergence et le maintien de la vie sur notre planète.

¹ Les planètes telluriques sont les planètes à surface solide. Dans le système solaire, en plus de la Terre, elles sont Mercure, Vénus et Mars.

² Pour une discussion plus complète de l’interaction des lois physiques avec le hasard pour fabriquer le réel, voir mon ouvrage : Le Chaos et l’Harmonie, Fayard, 1998 ; édition de poche, Folio-Gallimard, 2000.

³ La force de marée exercée par un objet céleste est proportionnelle à sa masse et inversement proportionnelle au cube de sa distance. Bien que le Soleil soit beaucoup plus massif que la Lune, il est aussi beaucoup plus éloigné, si bien qu’en fin de compte, la force de marée exercée par le Soleil n’est que d’environ la moitié de la force de marée exercée par la Lune.

⁴ Pour obtenir la distance Terre-Lune, il suffit de multiplier la durée du trajet aller-retour du faisceau laser par la vitesse de la lumière et de diviser par deux.La force de marée exercée par un objet céleste est proportionnelle à sa masse et inversement proportionnelle au cube de sa distance. Bien que le Soleil soit beaucoup plus massif que la Lune, il est aussi beaucoup plus éloigné, si bien qu’en fin de compte, la force de marée exercée par le Soleil n’est que d’environ la moitié de la force de marée exercée par la Lune.

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