4b.   Librations de la lune

    Depuis la Terre, les observateurs peuvent voir un peu plus de la moitié de la surface de la Lune grâce à des processus connus sous le nom de librations. Ce terme vient du latin libra, la balance. C'est aussi le nom d'une constellation du Zodiaque, assez ressemblante à cet instrument. Ce que nous appelons " pound " s'appelle aussi " livre " et même en abréviation " lb "et a la même origine.

    Les balances à deux plateaux peuvent osciller comme un pendule, de part et d'autre de leur position d'équilibre: la libration de la lune ressemble à ces mouvements : le grand axe de la lune pointe vers la terre, et le "balancement" le fait temporairement glisser du nord, au sud, et de l'est à l'ouest. Par ce que la lune suit tout entière ce mouvement, les librations révèlent un peu plus de sa surface.

    Une moitié seulement de la surface de la lune est visible au même moment, mais les librations permettent de " dépasser les bords". Avec du temps, 59% de la surface peut-être observés, près des bords, avec une ligne de vision très oblique, donc sans grands détails visibles. De nos jours les satellites lunaires artificiels ont cartographié la lune avec moult détails, et l'étude des librations n'a plus tellement d'importance. Mais avant l' âge spatial, les astronomes ne pouvaient avoir qu'un aperçu partiel de la lune et tous les moyens pour augmenter leurs connaissances étaient appréciées.

    Le terme " libration " est appliqué à différents effets qui permettent de "tourner autour des bords" la plupart d'entre eux ne sont pas associés au mouvement pendulaire de l'axe mais représentent plutôt un glissement de la direction d'observation. Ainsi, trois "librations géométriques" existent - elles :

Librations géométriques

1.     De même que l'axe de rotation de la terre est incliné de (90° -23,5°) par rapport à la direction soleil terre (dessin ci-dessus). (Voir la section 3: les saisons de l'année), celui de la lune est incliné d'environ (90° -6,5°) de la ligne moyenne lune - terre. Comme déjà dit, cette ligne est aussi la direction de l'élongation de la lune par rapport à sa direction moyenne vers la terre.

       Dans l'exposé sur les saisons au cours de l'année, il a été montré que l'inclinaison de 23,5° permet au soleil d'illuminer circulairement les surfaces autour des pôles, en permanence, 24 heures sur 24. Le dessin montre qu'en Juin le soleil illumine le pôle Nord, et en décembre, (avec le change de l'ombre et de la lumière ) le pôle sud.

       De même, à chaque révolution de la lune, l'inclinaison de son axe permet aux observateurs terrestres d'apercevoir les régions polaires de la lune, aussi bien Nord que Sud ,1/2 mois plus tard. L'inclinaison étant très petite (seulement 6,5°) la surface ainsi révélée l'est également, mais augmente quand même la couverture visible.

2.     Supposons que la lune se déplace à une vitesse régulière dans une orbite parfaitement circulaire autour de la terre, et qu'elle tourne aussi à un taux constant autour de son axe. Cette situation idéale est montrée ci-dessous dans un dessin emprunté à la section 4 (la lune vue détaillée) il s'agit d'une vue depuis le nord, aussi le mouvement orbitaire de la lune démarre - il du bas et avance dans le sens contraire des aiguilles d'une montre; la lune tourne également elle-même dans ce sens.

       Si on néglige l'inclinaison de 6,5° discutée plus haut, l'axe de la lune se dirige toujours vers le même point de la terre, en exposant les mêmes longitudes de la surface de la lune

       Comme la figure le montre, pendant que la lune parcourt 60° de son orbite, son corps tourne également de 60° ; quand elle a couvert 120° elle a aussi tourné de 120° et ainsi de suite. C' est toujours le même axe de la lune qui est orienté vers la terre et, avec le temps, la ligne terre lune parcours 360°, dans le plan du dessin (plan orbital de la lune). La lune à alors elle-même tournée de 360 degrés.

       Imaginons maintenant que la Lune orbite à une vitesse constante mais que la rotation autour de son axe varie: quelquefois plus rapide , quelquefois moins rapide, bien qu'en moyenne elle soit synchrone avec la période orbitale. Dans ces conditions, quand la rotation est un peu en avance par rapport à la ligne terre lune, les observateurs peuvent voir une portion supplémentaire d'un bord de la lune. Et quand la rotation est en retard, les astronomes peuvent voir encore un fragment supplémentaire.

       Mais, non, cela n'existe pas! : la vitesse de rotation de la lune est tout à fait stable. Par contre, le mouvement de la lune sur son orbite n'est pas aussi stable et quelquefois il avance où est en retard par rapport à la moyenne .Il en résulte une situation assez semblable à l'exemple précédent, et voilà donc une seconde sorte de libration. La première permettait aux astronomes de surveiller les pôles, celle-ci ajoute de nouvelles longitudes visibles pour les télescopes basés sur la terre.

    Maintenant, voici des details que vous pouvez omettre s'ils sont trop compliqués pour vous. En réalité l'orbite de la lune autour de la terre n' est pas cercle mais une ellipse, une sorte d'ovale (et dans le cas présent, très peu différente d'un cercle). Selon la première loi de Kepler sur les mouvements planétaires, la distance terre - lune augmente puis diminue légèrement. Et de par la seconde loi de Kepler (section 12), la lune est plus rapide si elle est plus proche de la terre et ralentie quand elles en est loin.

    Quand elle accélère, la rotation de la ligne terre - lune (mesurée en degrés par heure) est plus rapide. La rotation de la lune autour de son axe reste stable, comme il à été déjà indiqué et devient donc à la traîne de cette rotation. (Dans le dessin la forme elliptique de la lune et très exagérée pour faire comprendre cet argument)

    Si (comme dans le précédent dessin) la lune tournait autour de la terre à la même vitesse que sa propre rotation, la ligne Terre - lune et le grand axe de la lune seraient synchrones, comme en la position A. du schéma. Finalement si la lune avance plus rapidement dans la partie d'orbite la plus rapprochée de la terre on obtient la position B, alors que normalement on devrait être en A.

    Dans ce cas, le grand axe de la lune fait un petit angle avec celui de la direction de la lune, permettant aux astronomes d'apercevoir le bord ouest de la face visible (l'est et l'ouest sont définies par rapport à la terre, et le bord ouest est celui qui est le plus près de l'horizon ouest de l'observateur)

    De même, avec le temps, lorsque le mouvement de la lune devient particulièrement lent, la lune qui devrait être en position A. ne fait en fait qu'arriver en position C. Un débord dans l'est devient visible. En plus de la visibilité des pôles du au premier effet, l'augmentation de visibilité dans l'est et dans l'ouest atteint environ 7.7° (sur 360).

3.     Une troisième libration intervient parce que la taille de la terre n'est pas négligeable : pendant la période de visibilité journalière de la lune - douze heures environ -, la rotation de la terre déplace un observateur d'un diamètre entier de terre (pour les observateurs à l'équateur), provoquant le glissement de la ligne d'observation et augmentant ainsi la surface observable. De même les observateurs situés dans l' hémisphère nord et dans l' hémisphère sud ont des vues légèrement différentes, ce qui permet encore aux astronomes de "tourner autour des bords", cela compte aussi comme une sorte de libration . la distance lunaire de 60 rayons terrestres, un déplacement d'un rayon terrestre augmente l'angle d'environ un degré.

    En supplément des mécanismes précédents, il y a aussi des "librations physiques", qui relèvent de mouvements d'oscillation et de pendule autour de la position d'équilibre de la lune, comme un de ces personnages de magasins de souvenirs dont la tête est rattachée à un ressort .

    Le mécanisme principal est l'oscillation de "pôle a pôle", qui compte pour 1,5 degrés. Dans l'autre sens, les oscillations longitudinales de "bord à bord" n'ont qu'une amplitude d'un quart de minute d'arc., beaucoup trop petite pour être mesurée par les méthodes d'un télescope habituel.

    Cela peut cependant être aisément vérifié par signaux laser à partir du matériel réfléchissant laissé par Apollo 11, 14 et 15, ALSEP, ou par le robot soviétique Luna 21. Il en résulte la vérification de la théorie, complétée d'ailleurs par l'étude de mouvements non étudiés jusqu'ici car non détectables.

Autre cas de rotations "fixées"

    Les lunes dont la rotation est fixée sont dites synchrones, et présentent toujours la même face aux corps central. Elles sont très répandues dans le système solaire, spécialement pour les lunes proches des planètes. Les quatre satellites galiléens de Jupiter sont synchrones : Io, Europe, Ganymede, Callisto, tous découverts par Galilée. Les cinq lunes intérieures de Saturne le sont également De même que Iapet, plus distant. Et aussi la mystérieuse lune à moitié éclairée et à moitié obscure qui, dans le livre d'Arthur Clark, "l'Odyssée de l'Espace", en 2001, permettait le passage d'un monde à l'autre.

    La rotation de la planète Mercure est bloquée par le soleil d'une étrange façon : 3 rotations en deux orbites. Et l'étrange rotation de Vénus, de l'Est vers l'ouest, inverse à celle de la terre, la fait sembler fixée par rapport à la terre. C'est une fixation qui semble imparfaite et est peut-être accidentelle mais le fait est qu'à chaque fois que Vénus est au plus proche de la terre, elle présente exactement la même face. Vénus est couverte par des nuages denses et la mission Magellan utilisant un radar l'a cartographiée en très grande partie ,avec de grands détails. Auparavant, les outils principaux d'étude de sa surface étaient les radiotélescopes, et les signaux radars se reflétant sur la planète. Seules des images imparfaites avait été avaient été obtenues et les astronomes été frustrés de trouver qu'à chaque approche maximale de la terre, c'était la même face qui se présentait.