Comme l'orbite lunaire n'est pas un cercle parfait, la distance Terre-Lune fluctue constamment entre 407 000 km et 356 000 km.

Avec quel ruban mesurer la distance Terre-Lune?

CHRONIQUE / «En lisant un livre d'astronomie, j'ai vu que la distance entre la Terre et la Lune était précisément de 384 633,2 kilomètres. Je suis surpris d'une telle précision au dixième de kilomètre près, sachant que la Terre et la Lune s'éloignent de quelques centimètres par année. Alors comment en arrive-t-on à une telle précision?» demande Richard Marcoux, de Québec.
Comme l'orbite lunaire n'est pas un cercle parfait, la distance Terre-Lune fluctue constamment entre 407 000 km et 356 000 km. Quand on parle de «la» distance de notre satellite naturel, on fait référence à une moyenne - qui est de 384 402 km (pas 384 633, j'ignore d'où vient cette valeur) entre le centre de la Terre et celui de la Lune. Et s'il est vrai qu'il y a quelque chose d'impressionnant dans le fait de mesurer une telle longueur à 100 mètres près, le fait est qu'on est capable de mieux. Beaucoup, beaucoup mieux...
Aristarque de Samos
Mais cela reste une question qui a commencé à tarauder les astronomes il y a très, très longtemps, et il est vrai que la précision dont parle notre lecteur nous a échappé jusqu'à tout récemment. La plus ancienne estimation connue de la distance à laquelle orbite la Lune remonte à Aristarque de Samos, un astronome grec qui vécut au IIIe siècle av. J.-C.
Partant du principe que la Terre tournait autour du Soleil et non l'inverse, ce qui était déjà pas mal pour l'époque, Aristarque s'était dit que la Lune devait faire un angle droit avec la Terre et la Soleil quand c'était la demi-lune - ce qui était vrai. Cela donnait donc un angle du triangle (l'angle Terre-Lune-Soleil) et il restait ensuite à mesurer l'angle Lune-Terre-Soleil pour connaître les distances relatives par rapport au «plancher des vaches». Il mesura 87°, ce qui le fit conclure que le Soleil était 19 fois plus loin de la Terre que la Lune. C'était faux - en réalité, l'angle Lune-Terre-Soleil est très proche de 90°, à 89°51', ce qui donne un Soleil 400 fois plus éloigné que la Lune -, mais ce n'était là que le premier d'une longue série de tentatives qui s'approcheraient, petit à petit, de la bonne valeur.
J'en passe plusieurs, ici, mais disons que la plupart se basaient sur le même principe général : on prend des mesures optiques, puis on fait un peu de géométrie. Par exemple, au début du XXe siècle, l'équipe de l'astronome Andrew Crommelin s'est livrée à une longue série de mesures qui se sont étirées sur plusieurs années et qui utilisaient le concept de «plan méridien». La Terre, comme on le sait, tourne sur elle-même, mais elle ne le fait pas bien «droite» sur son plan orbital : elle est inclinée de 23,4°. Si elle était «droite», alors les pôles nord et sud correspondraient à ce que les astronomes appellent les «pôles célestes».
Le plan orbital, c'est un cercle qui passe par les pôles nord et sud, ainsi que par les pôles célestes. Les astronomes s'en servent comme une sorte de «point de repère» sur lequel ils basent leurs mesures, et c'est ce que Crommelin a fait. À de nombreuses reprises entre 1905 et 1910, l'astronome et ses collègues William Christie et David Gill, ont noté l'instant exact où un point précis de la Lune (un cratère nommé Mosting A) traversait le plan méridien de la Terre. Comme les mesures étaient prises à Greenwich, en Angleterre, et à Cap Espérance, en Afrique du Sud, cela leur a permis de calculer une distance d'environ 384 415 km, ce qui était déjà fort proche de la «bonne réponse», bien que cette méthode venait avec une incertitude d'environ 30 km.
Signal radar
À la fin des années 50, la marine américaine a tenté une nouvelle approche : envoyer un puissant signal radar vers la Lune, puis mesurer le temps qu'il faut pour que l'écho nous revienne. Comme les radars utilisent des ondes électromagnétiques, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, la durée de l'aller-retour allait correspondre au double de la distance. Cela a donné des résultats de 384 400 et de 384 402 km (il y avait un petit «flottement» au sujet du rayon lunaire), avec une incertitude de ± 1,2 km.
C'était déjà pas mal. Mais voilà, les ondes radars «embrassent» de larges pans lunaires, et comme notre satellite naturel a un relief (des cratères, vallées, etc), cela limitait la précision.
Miroirs sur la Lune
Il ne fallut pas attendre longtemps, cependant, avant de gagner encore en précision : en 1969, la NASA s'est payé la «Cadillac», que dis-je, la Ferrari de tous les rubans à mesurer. Lors de la mission Appolo 11, les astronautes qui ont atterri sur la Lune ont laissé derrière eux une sorte de «miroir» - des réflecteurs en silicone montés sur un panneau d'aluminium carré de 46 cm de côté. La position de ce «miroir» - et des trois autres que des missions subséquentes ont emportés là-haut -, en pleine Mer de la Tranquillité, est connue avec suffisamment de précision pour que l'on envoie un laser dessus. Et de nouveau, en chronométrant l'aller-retour avec des instruments performants, la NASA a ramené l'incertitude de la distance Terre-Lune à seulement... 3 centimètres!
Sources :
• s.a. «Apollo Laser Ranging Experiments Yield Results», LPI Bulletin, NASA, 1994, goo.gl/xdTSGP
• B.S. Yaplee et al., «The mean distance to the Moon as determined by radar», Proceedings of the International Astronomical Union Symposium 21, 1965, goo.gl/oVzLmC
• Irene Fischer, «Parallax of the Moon in terms of a world geodetic system», The Astronomical Journal, 1962, goo.gl/KcQiZ9
• Martha Haynes, «Aristarchus (310 - 230 B.C.)», Astronomy 202 : History of the Universe, Cornell University, goo.gl/N6fTWN