Mesurer la distance Terre-Lune avec un laser

Sur le plateau de Calern, aux environs de Grasse sur la Côte d'Azur, on trouve une station de télémétrie Terre-Lune de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Cette station est équipée pour envoyer un faisceau laser sur la Lune et détecter son retour (photo ci-contre). En mesurant le temps mis par la lumière pour faire l'aller-retour, et sachant que la vitesse de la lumière est exactement de 299 792,458 km/s, on peut en déduire la distance.

Sur Terre, le faisceau laser est agrandi par un télescope, pour atteindre un rayon de 50 cm. Les simulations des pages précédentes nous indiquent qu'il devrait avoir un rayon de 130 m en arrivant sur la Lune. Mais c'est sans compter avec l'atmosphère terrestre, qui déforme le faisceau. Son rayon en arrivant sur la Lune est en fait de 3,5 km, et à son retour sur Terre, il fait 10 km.

Il ne reste donc plus beaucoup de lumière à détecter, et ce serait mission impossible s'il fallait compter sur la réflexion naturelle très faible de la Lune. Heureusement, plusieurs missions spatiales ont déposé des miroirs sur la Lune, qui permettent de réfléchir efficacement le faisceau laser.

Des coins de cube pour renvoyer la lumière

Il ne s'agit pas de miroirs conventionnels, qui ne renvoient pas la lumière vers nous si l'on n'est pas bien en face d'eux. Ce sont ce qu'on appelle des coins de cube, trois miroirs disposés à 90° l'un de l'autre. Un tel dispositif a la propriété de renvoyer les faisceaux lumineux dans une direction parallèle à celle dont ils proviennent (illustration à gauche). Plusieurs coins de cube sont en général assemblés pour former un rétroréflecteur, qu'on appelle aussi un catadioptre. C'est ce qu'on trouve à l'arrière des voitures ou des vélos.

Des coins de cube ont été déposés sur la Lune lors de plusieurs missions spatiales. Les deux photos ci-dessous montrent le rétroréflecteur déposé par Neil Armstrong et Buzz Aldrin, les premiers hommes à avoir marché sur la Lune, lors de la mission Apollo 11. Sur la photo de gauche, on l'aperçoit à mi-chemin entre Buzz Aldrin et le module lunaire. La photo de droite montre un gros plan du rétroréflecteur.

Pourquoi mesurer la distance Terre-Lune ?

La télémétrie laser permet d'atteindre des précisions de mesure de quelques millimètres. Depuis les premières mesures dans les années 1970, elles ont permis d'affiner notre connaissance de l'orbite de la Lune. On sait par exemple grâce à ces mesures que la Lune s'éloigne de la Terre de 2,8 cm par an.

Ces mesures ont également permis de faire des tests de physique fondamentale, par exemple sur la relativité ou la gravitation.

Mais elles nous permettent aussi d'en apprendre beaucoup sur notre satellite. On sait maintenant qu'il a un coeur liquide de 381 km (± 12 km).

• Pour en savoir plus : Nouvelle estimation de la taille du noyau de la Lune grâce aux mesures Laser-Lune.