Libration lunaire

La rotation de la Lune sur son axe est synchrone avec sa révolution autour de la Terre : elle tourne sur elle-même et effectue une révolution complète en 27,322 jours.

Si l'orbite de la Lune était parfaitement circulaire et si son axe de rotation était rigoureusement perpendiculaire au plan de son orbite, une personne située sur Terre observerait toujours les mêmes 50 % de la surface lunaire si elle effectuait toujours ses observations à la même heure. Au lieu de cela, les phénomènes de libration lunaire lui permettent d'observer des parties légèrement différentes de sa surface à des moments différents. Des observations fines montrent qu'un total de 59 % de la surface de la Lune peut être observé depuis la Terre. En fait, nous avons 41 % qui restent visibles en permanence, 18 % qui sont successivement dévoilés par la libration au cours des lunaisons, et enfin 41 % qui ne sont jamais visibles depuis la Terre[1] (et à un instant donné on ne peut voir que 49,8 % de la surface lunaire).

Ces phénomènes peuvent prendre quatre formes distinctes : les librations en longitude, les librations en latitude, les librations parallactiques et les librations physiques.

Illustration de la libration en longitude.

Si la Lune tournait autour de la Terre en un cercle parfait (ellipse d’excentricité nulle), sa vitesse de translation serait uniforme (2^e loi de Kepler) et donc toujours strictement opposée, en termes de vitesse angulaire observée depuis la Terre, à sa vitesse de rotation. Il n’y aurait donc pas de libration en longitude.

Toutefois, les perturbations gravitationnelles dues aux autres corps du système solaire, ainsi qu’aux hétérogénéités de répartition de masse au sein des corps terrestre et lunaire entraînent des irrégularités dans le mouvement de révolution géocentrique lunaire, qui se traduit par une orbite dont l’excentricité varie autour d’une valeur moyenne de 0,0549.

La Lune parcourt donc son orbite avec une vitesse variable (2^e loi de Kepler). Ainsi, quand elle s'éloigne de son périgée (quart de cercle de la flèche noire sur l'illustration), elle met moins de temps pour parcourir un quart de son orbite que pour pivoter de 90° sur son axe : la Lune laisse alors voir une mince bande supplémentaire de son bord Est (vu de la Terre).

La pleine lune aux librations opposées

À l’inverse, lorsqu’elle s'éloigne de son apogée (à l'opposé de la flèche noire sur l'illustration), sa vitesse de translation, minimale, devient inférieure à sa vitesse de rotation, et la Lune laisse voir plus largement son bord Ouest (vu de la Terre). De façon imagée, la Lune semble dire « non » de la tête.

La valeur de la libration en longitude se situe autour de 7° 54′ (donc un total de deux fuseaux d'un peu moins de 8° chacun au cours d'une lunaison).

NB : Sur l'illustration, la moitié grisée de la Lune n'est pas bien placée. En effet, la moitié gauche de l'orbite est parcourue plus lentement, donc en davantage de temps, donc la moitié grisée pivote de davantage qu'un demi-tour. Et inversement dans la moitié droite de l'orbite : moins d'un demi-tour. Le texte est plus exact que l'illustration.

La partie visible excède le pôle.

La libration en latitude[2] signifie que l’observateur peut voir au delà des pôles Nord ou Sud du globe lunaire, selon la position sur l'orbite. Ceci est dû au fait que l’axe de rotation de la Lune n’est pas perpendiculaire au plan de son orbite : la Lune conserve cet angle de 6,68° tout au long de sa course orbitale.

De façon imagée, la Lune semble faire « oui » de la tête.

Illustration de la libration parallactique.

Il s’agit d’un phénomène purement optique, dû aux positions respectives de la Lune et de l’observateur à la surface du sol.
En début de nuit, alors que la Lune se lève pour un observateur situé à l'équateur, celui-ci est plus favorablement positionné pour observer le bord oriental de la Lune. À l’inverse, en fin de nuit, il peut observer plus favorablement le bord Ouest de la Lune.
Cette parallaxe, d'une valeur d'environ 1°, est très difficile à exploiter en pratique : en effet, c’est lorsque leur effet géométrique est maximal (lever et coucher de Lune) que l’observation est rendue plus difficile, en raison de la lumière de l’aube et du crépuscule, et de l’épaisseur plus importante de l’atmosphère terrestre à travers laquelle se fait l’observation.

Il s’agit cette fois de véritables vibrations physiques de la sphère lunaire autour de sa position moyenne. Ces infimes vibrations (pas plus de quelques minutes d’arc) sont causées par l’attraction variable de la Terre sur la Lune, et ne sont pas perceptibles à l’œil nu. L’étude de ces oscillations est de la plus haute importance pour la détermination de la forme et de la structure interne de la Lune.

L’ensemble de ces phénomènes de libration au cours de lunaisons successives permet d’observer environ 59 % de la surface lunaire depuis la surface terrestre. Les zones supplémentaires ainsi offertes à l’observation sont très déformées par l’effet de perspective, et rendent difficile l’observation de ces régions depuis la Terre. Seules les sondes spatiales, par un survol régulier, en permettent l’étude topologique précise.