Les phases de la Lune expliquées : pourquoi elle change de forme

Un soir, un mince croissant au-dessus des toits ; une semaine plus tard, une demi-Lune bien nette ; encore une semaine, et c’est un disque entier qui se lève à l’est au moment où le Soleil se couche. La Lune ne change évidemment pas de forme : c’est notre point de vue sur sa moitié éclairée qui change. Une fois ce mécanisme compris, vous saurez dire, d’un coup d’œil, si elle croît ou décroît, à quelle heure elle se lève et pourquoi on ne voit jamais sa face cachée.

Une boule toujours à moitié éclairée

Tout part d’un fait simple : la Lune ne produit aucune lumière. Elle renvoie celle du Soleil, qui en éclaire en permanence une moitié, exactement comme il éclaire une moitié de la Terre, celle où il fait jour. Ce que nous appelons « phase » n’est que la portion de cette moitié éclairée tournée vers nous. Comme le résume la NASA dans sa page consacrée aux phases lunaires, le Soleil illumine toujours une moitié de la Lune, et c’est la part de cette moitié que nous pouvons voir qui varie au fil de son orbite.

Vous pouvez le vérifier chez vous en deux minutes : une lampe dans un coin de la pièce, une balle tenue à bout de bras, et vous qui tournez lentement sur vous-même. La balle passe du noir au croissant, au quartier, puis au disque plein, alors que la lampe l’éclaire toujours de la même façon. Les roches grises de la surface lunaire, faites pour l’essentiel d’oxygène, de silicium, de calcium, d’aluminium et de fer liés entre eux, renvoient assez mal la lumière ; si l’on relie ces éléments aux cases du tableau périodique des éléments, on comprend que la Lune n’a rien d’un miroir : elle est plutôt aussi sombre qu’un vieil asphalte, et ne brille que parce que le Soleil est très puissant.

Le cycle, phase par phase

L’IMCCE, l’institut de mécanique céleste de l’Observatoire de Paris, fait commencer conventionnellement le cycle à la nouvelle Lune, quand la Lune passe entre le Soleil et la Terre. Sa face éclairée regarde alors à l’opposé de nous : elle est invisible, noyée dans la lumière du jour. Ensuite, jour après jour :

le premier croissant apparaît le soir, bas à l’ouest, juste après le coucher du Soleil ;
le premier quartier, une demi-Lune éclairée à droite (vue de France), culmine vers le coucher du Soleil ;
la Lune gibbeuse croissante, plus qu’à moitié pleine, se voit une bonne partie de la nuit ;
la pleine Lune se lève quand le Soleil se couche et reste visible toute la nuit : la Terre se trouve alors entre les deux astres ;
la gibbeuse décroissante, puis le dernier quartier, éclairé à gauche, se lèvent de plus en plus tard et s’observent surtout au petit matin ;
le dernier croissant se montre à l’aube, bas à l’est, avant de disparaître à la nouvelle Lune suivante.

Le retour à la même phase, appelé lunaison, prend environ 29 jours et demi selon l’IMCCE. C’est un peu plus que le temps que met la Lune à boucler un tour complet par rapport aux étoiles, un peu plus de 27 jours : pendant ce tour, la Terre a elle-même avancé sur son orbite autour du Soleil, et la Lune doit rattraper ce décalage pour retrouver le même alignement.

Pour savoir si elle croît ou décroît, les astronomes amateurs se transmettent une formule : « la Lune est menteuse ». Quand son croissant dessine un C, elle ne « croît » pas, elle décroît ; quand il dessine un D (en y ajoutant mentalement la barre verticale), elle ne « décroît » pas, elle croît. La règle vaut pour l’hémisphère Nord ; dans l’hémisphère Sud, où l’on voit la Lune « à l’envers », elle s’inverse.

Pourquoi voit-on toujours la même face ?

Autre fait qui intrigue : les taches sombres de la Lune, ces grandes plaines de lave que l’on appelle les mers, dessinent toujours le même visage. La Lune tourne pourtant sur elle-même. Mais elle le fait en exactement le même temps qu’elle met à tourner autour de nous : la NASA parle d’une rotation synchrone, verrouillée par les effets de marée qu’exerce la Terre depuis des milliards d’années. Résultat : une face nous regarde toujours, l’autre nous échappe.

Attention au contresens : la « face cachée » n’est pas une « face sombre ». Elle reçoit autant de Soleil que l’autre. À la nouvelle Lune, c’est même elle qui est entièrement éclairée, pendant que la face tournée vers nous est dans la nuit.

Et même dans cette nuit, elle n’est pas tout à fait noire. Quelques jours avant ou après la nouvelle Lune, regardez le fin croissant du soir : le reste du disque se devine, d’un gris très doux. C’est la lumière cendrée, un reflet de reflet. La lumière du Soleil frappe la Terre, rebondit sur nos océans et nos nuages, et va éclairer faiblement la partie nocturne de la Lune. Vue depuis la Lune à ce moment-là, la Terre est presque « pleine », et c’est elle qui fait office de lanterne.

Éclipses : quand les alignements deviennent parfaits

Si la Lune passe entre le Soleil et la Terre à chaque nouvelle Lune, pourquoi n’y a-t-il pas une éclipse de Soleil chaque mois ? Parce que l’orbite lunaire est inclinée d’environ cinq degrés sur celle de la Terre. La plupart du temps, la Lune passe un peu au-dessus ou un peu au-dessous de l’alignement parfait. Ce n’est que lorsque la nouvelle Lune ou la pleine Lune tombe près de l’endroit où les deux orbites se croisent que l’ombre touche son but.

La NASA rappelle que les éclipses de Lune se produisent toujours à la pleine Lune : la Terre s’interpose alors entre le Soleil et la Lune, et son ombre assombrit le disque lunaire, qui prend souvent une teinte cuivrée pendant quelques heures. Ce rouge a une explication élégante : la seule lumière qui atteint encore la Lune a traversé en rasant l’atmosphère terrestre, qui a filtré le bleu au passage. C’est exactement le même mécanisme qui explique pourquoi le ciel est bleu le jour et rouge au couchant : pendant une éclipse totale, c’est la lueur de tous les levers et couchers de Soleil de la planète qui se projette sur la Lune.

Ces éclipses ont aussi une place de choix dans l’histoire des sciences. Les astronomes grecs avaient remarqué que le bord de l’ombre terrestre, sur la Lune, est toujours un arc de cercle, quelle que soit la position des astres. Seule une sphère projette une ombre ronde dans toutes les directions : c’est l’un des arguments qui ont permis de savoir, plus de deux mille ans avant les photos prises depuis l’espace, que la Terre est ronde.

Observer les phases : par où commencer

Le meilleur moment pour regarder la Lune n’est pas la pleine Lune. Éclairée de face, elle y paraît plate et éblouissante. Visez plutôt les jours qui entourent le premier quartier : le long de la limite entre le jour et la nuit lunaires, le terminateur, le Soleil rase le sol et allonge les ombres des cratères et des montagnes. Même une simple paire de jumelles, calée contre un mur ou un piquet, révèle alors un relief saisissant.

Notez aussi, pendant un cycle complet, l’heure et la direction où vous la voyez. Au bout de quatre semaines, vous n’aurez plus besoin d’éphéméride pour savoir si la Lune de ce soir sera haute ou basse, visible au dîner ou seulement à l’aube. Et si un soir le croissant vous semble pencher, couché comme une barque sur l’horizon, ce n’est pas une illusion : c’est la géométrie de l’écliptique au printemps, un autre chapitre du ciel à découvrir au prochain croissant.