En octobre 2017, Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) célèbre cent jours de collecte de données scientifiques sur la Lune. Cent jours de Lune. C’est 100 occasions d’observer les changements de la nuit au jour, de photographier la surface sous différents angles de soleil, de mesurer la hausse et la baisse des températures et d’étudier la réaction de certains produits chimiques au cycle quotidien de la lumière et de la température, entre autres. Mais vous vous demandez peut-être…
Qu’est-ce qu’un jour lunaire ?
Que voulons-nous dire quand nous disons que LRO est sur la Lune depuis 100 jours lunaires? La réponse courte est la suivante: Un jour est la durée entre deux noons ou couchers de soleil. C’est 24 heures sur Terre, 708,7 heures (29,53 jours terrestres) sur la Lune. Nous pouvons voir un jour passer sur la Lune en observant son cycle de phases d’un mois, et au 16 octobre 2017, LRO a regardé ce cycle 100 fois depuis le début de sa mission d’exploration et de science le 15 septembre 2009.
Mais comme cela arrive souvent en astronomie, la situation est en fait un peu plus compliquée. Le problème commence par simplement clouer une définition du mot jour.
À un endroit donné de la Terre, un jour solaire local est le temps qu’il faut au Soleil pour revenir au même point du ciel. Pour être plus précis, nous définissons une ligne dans le ciel, le méridien, qui va du nord au sud et passe par le zénith (le point droit). Le midi local est le moment où le Soleil est centré sur le méridien, et un jour solaire local est le temps entre deux noons locaux successifs.
La durée de ce type de journée varie tout au long de l’année. Actuellement, cela peut être jusqu’à 21 secondes de moins ou 29 secondes de plus de 24 heures. Cette variation est due à l’excentricité de l’orbite terrestre (l’orbite est une ellipse, pas un cercle) et à l’obliquité de l’écliptique (l’axe de la Terre est incliné par rapport à son orbite).
Pour que nous n’ayons pas à réinitialiser nos horloges tout le temps, il est pratique de définir un jour solaire moyen, la moyenne du jour solaire local sur une année complète. Un jour solaire moyen dure exactement 24 heures. En fait, nous définissons une heure comme 1/24 d’un jour solaire moyen.
Le jour solaire moyen ne peut pas être la moyenne sur une année arbitraire. L’excentricité et l’obliquité varient au fil du temps, et en raison de la précession des équinoxes, l’effet de l’obliquité glisse à travers le calendrier, renforçant et annulant alternativement l’effet de l’excentricité sur des dizaines de milliers d’années. La Terre ralentit également, principalement en raison des interactions des marées avec la Lune.
Le jour solaire moyen est le jour solaire local moyen théorique, calculé en fixant l’excentricité, l’obliquité, la précession et le taux de rotation aux valeurs de midi à Greenwich, en Angleterre, le 31 décembre 1899, en utilisant la théorie du mouvement apparent du Soleil développée par Simon Newcomb dans les années 1890.
Nous avons maintenant des horloges atomiques extrêmement précises. Nous définissons la longueur d’une seconde comme un certain nombre d’ondes dans le rayonnement d’un atome de césium, et nous disons qu’un jour solaire moyen est de 86400 de ces secondes. Pour la continuité historique, le nombre d’ondes a été choisi de sorte que cette seconde soit 1/86400 du jour solaire moyen défini par la théorie de Newcomb.
Le concept de jour solaire peut être étendu à d’autres corps du système solaire, y compris notre Lune. Un jour solaire moyen sur la Lune, un jour lunaire pour faire court, est de 29,5306 jours terrestres. Les jours lunaires locaux peuvent varier encore plus que les jours solaires sur Terre, plus de 6 heures de moins ou 7 heures de plus que la moyenne. Les 100 jours lunaires célébrés par LRO en octobre 2017 sont des jours lunaires moyens.
Parce que la Lune est verrouillée à la Terre, elle montre toujours la même face à la Terre. Cela signifie également qu’il tourne au même rythme qu’il orbite. Un jour lunaire prend exactement autant de temps qu’une orbite complète par rapport au Soleil. Un jour lunaire correspond également à un cycle complet des phases visibles depuis la Terre, donc un jour lunaire est le même qu’un mois synodique.
À ce stade, cela ne devrait pas vous surprendre qu’il existe d’autres types de jours (sidéraux, par exemple) et de mois (anomalistes et draconiques, pour n’en nommer que deux). Mais c’est une histoire pour une autre fois.