En cinq minutes
Un astre est en verrouillage gravitationnel lorsqu'il effectue exactement un tour sur lui-même pour chaque tour autour du corps qu'il orbite. La Lune est l'exemple que chacun peut observer. Elle met environ 27,3 jours à tourner autour de la Terre et environ 27,3 jours à tourner une fois sur elle-même : la même face est donc toujours dirigée vers nous.
Ce n'est pas une bizarrerie de la Lune. La plupart des grandes lunes du Système solaire sont verrouillées sur leur planète, dont les quatre grandes lunes de Jupiter, présentées dans notre guide sur les lunes de Jupiter. On s'attend aussi à ce que de nombreuses planètes autour de petites étoiles rouges le soient.
En résumé :
- La gravité étire légèrement un astre et y soulève un renflement de marée.
- Si l'astre tourne sur lui-même à un rythme différent de celui de son orbite, le renflement est entraîné hors de l'alignement, et l'attraction agit comme un frein sur la rotation.
- Le freinage cesse quand rotation et orbite coïncident. Le renflement reste alors aligné, et l'astre est verrouillé.
- Plus l'orbite est proche, plus ce moment arrive tôt.
Que signifie le verrouillage gravitationnel ? Comment ça fonctionne
La gravité tire plus fort sur le côté d'un objet le plus proche de son partenaire que sur le côté opposé. Cette différence est la force de marée : elle étire un peu l'objet le long de la ligne qui le relie à son partenaire. Sur Terre, ce sont les océans qui le montrent le mieux, mais la roche solide s'étire aussi. La Lune est très légèrement allongée, son grand axe pointant à peu près vers la Terre.
Ajoutons maintenant la rotation. Imaginez une jeune Lune qui tourne plus vite qu'elle n'orbite. La roche ne se déforme pas instantanément, de sorte que le renflement est emporté un peu en avant de la ligne vers la Terre. La gravité terrestre tire sur ce renflement décalé, et cette attraction s'oppose à la rotation, un peu comme une main posée sur une roue qui tourne. Les frottements à l'intérieur de la Lune transforment l'énergie de rotation perdue en chaleur.
Le freinage s'arrête lorsque la période de rotation est égale à la période orbitale. Dès lors, le renflement se trouve sur la ligne entre les deux corps, rien ne le tire de côté, et la rotation reste figée.
Trois facteurs déterminent la durée du processus. Le premier est la distance : le temps croît à peu près comme la puissance six de la distance orbitale, si bien que doubler la distance rend le verrouillage environ soixante fois plus lent. Le deuxième est la masse du corps le plus gros, car un partenaire plus lourd soulève de plus grandes marées. Le troisième est la constitution du petit corps lui-même, c'est-à-dire sa rigidité et sa capacité à transformer ses déformations en chaleur. Les lunes proches se verrouillent tôt. Les lointaines peuvent ne jamais l'être pendant toute la durée de vie de l'Univers.
Un point prête souvent à confusion : verrouillé ne veut pas dire sans rotation. Une lune verrouillée tourne bel et bien sur elle-même, une fois par orbite. C'est précisément pour cela qu'un même côté reste tourné vers son partenaire.
La Lune, notre exemple le plus proche
Pendant presque toute l'histoire de l'humanité, personne n'avait vu l'autre côté de la Lune. Les premières photographies sont venues de la sonde soviétique Luna 3 en octobre 1959, et en janvier 2019, la sonde chinoise Chang'e 4 a été le premier engin à s'y poser. La face cachée diffère de la face visible : sa croûte est plus épaisse et elle compte bien moins de ces plaines de lave sombres appelées mers lunaires.
On parle souvent de face obscure, ce qui est inexact. Elle reçoit la lumière du Soleil comme n'importe quelle autre région de la Lune. À la nouvelle Lune, quand la face visible n'est pas éclairée, la face cachée est en plein jour.
Avec le temps, nous pouvons voir un peu plus de la moitié de la surface, environ 59 %, parce que l'orbite de la Lune n'est pas un cercle parfait et que son axe est incliné. La Lune semble hocher la tête et osciller légèrement : c'est ce qu'on appelle la libration.
L'histoire n'est pas terminée. Les marées lunaires ralentissent très légèrement la rotation de la Terre, ajoutant environ deux millisecondes à la durée du jour tous les cent ans, et la Lune s'éloigne de la Terre d'environ 3,8 centimètres par an. En principe, la Terre pourrait un jour se verrouiller elle aussi sur la Lune, mais cela prendrait bien plus de temps que la durée de vie du Soleil.
Ce que dit la science
Voici ce qui a été mesuré, puis ce que les chercheurs tentent encore de comprendre.
Établi : la plupart des grandes lunes sont verrouillées
Le verrouillage est l'issue normale pour les grandes lunes. Io, Europe, Ganymède et Callisto, autour de Jupiter, sont verrouillées, de même que les plus grandes lunes de Saturne, dont Titan. Pluton et sa grande lune Charon sont verrouillées l'une sur l'autre : chacune garde la même face tournée vers l'autre, et toutes deux tournent en 6,4 jours.
Établi : le chauffage de marée
Le verrouillage ne met pas fin aux effets de marée. L'orbite d'Io est légèrement ovale, car Europe et Ganymède l'attirent selon un schéma qui se répète : Io fait quatre tours pendant qu'Europe en fait deux et Ganymède un. Quand Io se rapproche de Jupiter puis s'en éloigne, son renflement de marée monte et descend, et la roche se déforme. Cette déformation réchauffe l'intérieur d'Io, ce qui en fait le corps le plus actif sur le plan volcanique du Système solaire, avec des centaines de volcans. On pense qu'une chaleur du même type aide à empêcher l'océan d'Europe, sous sa glace, de geler. Pour en savoir plus, consultez notre page sur Io.
Établi : Mercure n'est pas verrouillée
Mercure tourne trois fois sur elle-même pour deux tours autour du Soleil, ce qu'on appelle une résonance spin-orbite 3:2. Sa rotation dure environ 58,6 jours et son année environ 88 jours : d'un lever de Soleil au suivant, il s'écoule donc environ 176 jours. Pendant des décennies, les astronomes ont cru que Mercure montrait toujours la même face au Soleil ; des mesures radar réalisées en 1965 ont montré le contraire. Vénus est elle aussi très lente, avec environ 243 jours pour un tour, dans le sens rétrograde, mais elle n'est pas verrouillée non plus.
Encore à l'étude : les planètes autour des naines rouges
Les naines rouges sont de petites étoiles peu lumineuses, et environ trois étoiles sur quatre dans notre galaxie sont de ce type. Pour être assez tempérée pour abriter de l'eau liquide, une planète doit orbiter très près d'une telle étoile, et à cette distance le verrouillage est probable. Proxima b, une planète autour de l'étoile la plus proche après le Soleil, boucle son orbite en environ 11 jours. TRAPPIST-1 compte sept planètes dont les orbites durent entre environ 1,5 et 19 jours. Ces planètes sont probablement verrouillées ou prises dans une résonance comme celle de Mercure, mais la rotation de la plupart n'a pas été mesurée directement.
L'effet exact sur une planète fait encore débat. L'image la plus simple est celle d'un monde « œil » : une face jour brûlante, une face nuit gelée et un anneau de crépuscule tempéré, le terminateur. Les modèles climatiques suggèrent qu'une atmosphère ou un océan assez épais pourrait répartir la chaleur et atténuer le contraste. Mais les naines rouges émettent aussi de violentes éruptions, qui pourraient arracher une atmosphère mince. Les premières mesures du télescope spatial James Webb sur les deux planètes les plus proches de TRAPPIST-1 laissent penser qu'elles n'ont que peu ou pas d'atmosphère épaisse. Pour les planètes extérieures, plus froides, la réponse reste à trouver. On pense aussi que beaucoup de Jupiters chauds, de géantes qui tournent très près de leur étoile, sont verrouillés, avec des faces jour torrides.
Dans la fiction
Le verrouillage gravitationnel marque la science-fiction depuis un siècle, en partie parce que la science d'autrefois se trompait. Jusqu'aux années 1960, de nombreux astronomes croyaient que Vénus et Mercure gardaient une face tournée vers le Soleil. Stanley G. Weinbaum a exploité la version vénusienne dans « The Lotus Eaters » (1935), où la vie s'accroche à une étroite bande crépusculaire entre une face jour brûlée et une face nuit gelée. Le radar a ensuite montré que Vénus tourne lentement à rebours et que Mercure fait trois tours pour deux orbites ; la Vénus au crépuscule éternel est devenue une pièce d'époque.
Dans 2312 (2012), Kim Stanley Robinson reprend l'autre moitié de l'idée. Mercure n'est pas verrouillée, mais ses levers de Soleil sont si lents qu'une ville nommée Terminateur roule sur des rails autour de la planète pour rester juste devant l'aube.
Les auteurs actuels s'appuient sur la science des exoplanètes. Les mondes « œil » avec un anneau habitable de crépuscule apparaissent dans de nombreux récits récents, et ce décor offre à l'auteur une carte toute faite : vers le Soleil la chaleur, de l'autre côté la glace, et le terminateur pour tout le reste. Quand une histoire vous présente un monde au crépuscule permanent, posez-vous trois questions. Est-il verrouillé, ou en résonance ? Y a-t-il assez d'atmosphère pour déplacer la chaleur ? L'auteur s'en soucie-t-il ? Les réponses montrent le sérieux avec lequel la science est traitée.
Idées reçues
- La Lune a une face obscure. Elle a une face cachée. Toutes les régions de la Lune reçoivent la lumière du Soleil au cours du mois.
- Verrouillé signifie ne pas tourner. Un monde verrouillé tourne une fois par orbite. C'est l'égalité des deux périodes qui garde une face tournée vers l'intérieur.
- Mercure est en verrouillage gravitationnel. Non. Elle tourne trois fois pour deux orbites.
- Une planète verrouillée est moitié feu, moitié glace. C'est le cas extrême. L'atmosphère, les océans et la vitesse de chauffage de la planète changent le tableau, et les modèles divergent sur la douceur possible de la face nuit.
- Seules les lunes se verrouillent. Des planètes, des planètes naines et même des étoiles dans des couples serrés peuvent se verrouiller, et Pluton et Charon sont verrouillées l'une sur l'autre.
- La Terre sera bientôt verrouillée sur la Lune. Le changement est réel mais minuscule, et un verrouillage complet prendrait bien plus de temps que la durée de vie du Soleil.
À lire ensuite
Envie de voir le verrouillage à l'œuvre à la plus grande échelle ? Les lunes de Jupiter présente quatre mondes verrouillés, tous très différents. Lisez ensuite l'article sur Io, où la déformation de marée alimente les volcans les plus violents du Système solaire.
