La rotation synchrone est une caractéristique du mouvement d'un satellite naturel orbitant autour de sa planète. Ce satellite doit avoir sa période de rotation (le fait de tourner sur lui même) synchronisé avec sa période de révolution (le fait de tourner autour de sa planète) : le satellite présente alors toujours la même face vue de la planète. C’est le cas pour la Lune en orbite autour de la Terre. On parle alors de verrouillage gravitationnel ou verrouillage par effet de marée.

Les marées sont dues à la force d'attraction gravitationnelle des planètes et satellites naturels. Dans certains cas, la force de marée est suffisante pour disloquer le satellite d'un corps spatial.

On peut décrire cette rotation synchrone comme un petit garçon qui tient les mains dans les mains celles d’une petite fille, face à face, et fond la ronde, c’est-à-dire qu’ils tournent tous les deux ensemble autour du même axe central et ils tournent aussi sur leur propre axe de chacun. Chacun ne voit que le visage de l’autre, bien que chacun tourne lui-même. Chacun se déplace par rapport aux meubles de la pièce, mais par rapport à l’autre, il ne voit que le visage.

La rotation synchrone ne concerne pas seulement les satellites naturels des planètes mais aussi tout objet en orbite autour d'un autre. Elle peut concerner l’un des deux objets, généralement le moins massif, ou les deux comme, par exemple, Charon (satellite naturel) et Pluton (la planète naine).

Animation de droite :

     - partie gauche de l’animation

Le verrouillage gravitationnel conduit la Lune à avoir un mouvement de rotation sur son axe en autant de temps que ce qu'elle met pour parcourir une orbite autour de la Terre. En dehors des effets de libration, cela mène la Lune à avoir toujours la même face orientée vers la Terre, comme montré sur l'animation de gauche. L'échelle n’est ici, évidemment, pas respectée..

     - partie droite de l’animation

Si la Lune ne tournait pas du tout sur elle-même, elle montrerait périodiquement sa face "avant" et sa face "arrière" lors d'une révolution.

Prenons l’exemple de la Lune qui vaut pour tout le reste

La Lune effectue une rotation autour de la Terre en 29.5 jours (période synodique). La rotation de la Lune sur elle-même, qui est de 27,32 jours, est sensiblement la même que sa révolution autour de la Terre (révolution sidérale). De fait, elle présente toujours le même hémisphère (nommé donc " face visible de la Lune ").

Cette rotation synchrone résulte des frottements qu'ont entraînés les marées causées par la Terre à la Lune, et plus secondairement de la Lune à la Terre, qui ont progressivement amené la Lune à ralentir sa rotation sur elle-même, par un effet de frein, jusqu'à ce que la période de ce mouvement coïncide avec celle de la révolution de la Lune autour de la Terre.

Ce phénomène des marées à aussi pour effet d’éloigner la Lune de la Terre de quelques centimètres par an. Ainsi, un jour lointain, la Lune sera suffisamment éloignée et petite de la Terre pour que nous n’ayons plus d’éclipse totale de Soleil, le diamètre de la Lune étant devenu plus petit que celui du Soleil lors d’une éclipse.

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L'attraction gravitationnelle entre deux corps produit une force de marée sur chacun d'eux, les étirant dans la direction de l'axe planète-satellite. Si les corps en question sont suffisamment flexibles et que la force de marée est suffisamment forte, ces corps seront légèrement déformés. Comme la plupart des lunes et tous les corps astronomiques de grande taille sont sphériques sous l'action de leur propre gravité, l'action des forces de marée les rend légèrement prolates (cigaroïdes).

Dans le cas des systèmes lune-planète, cette forme allongée est instable. Supposons que le satellite tourne plus vite sur lui-même qu'autour de sa planète, et que sa planète tourne plus vite sur elle-même que le satellite ne tourne autour d'elle (le phénomène sera le même si le contraire est vrai, seuls les signes seront inversés). Entraînées par la rotation du satellite, les protubérances soulevées par la marée de la planète se retrouveront en avance ; la force gravitationnelle de la planète exercera alors un couple sur chaque protubérance, qui aura pour effet de ralentir la rotation du satellite. Chacune des deux protubérances a tendance à revenir sur sa position stable, elles contribuent toutes les deux à freiner la rotation de la planète. L'effet dépend des forces de friction qui sont nécessaires pour déplacer ces protubérances, il peut être moindre si les protubérances sont plus fluides (marées océaniques ou atmosphériques).

Par le principe d'action et de réaction, le couple appliqué par la planète sur le satellite agit en réaction sur le mouvement orbital du couple planète-satellite (comme un astronaute qui serre un boulon se met à tourner autour du boulon). Le moment angulaire orbital augmente précisément autant que le moment angulaire rotationnel du satellite diminue.

Si la révolution du satellite est plus rapide que la rotation de la planète (ce qui est le cas de Phobos autour de Mars, ainsi que de plusieurs des lunes intérieures d'Uranus), les forces de marée de la planète auront tendance à faire diminuer la vitesse de rotation du satellite sur lui-même et décroître son rayon orbital, ce qui placera le satellite sur une orbite descendante où il orbitera plus vite (énergie cinétique acquise par l'énergie potentielle de la chute). Le gain de moment angulaire de rotation du satellite sur lui-même accroît encore cette tendance, car il est pris sur le moment angulaire de révolution. Ainsi, Phobos finira par s'écraser sur la surface de Mars.

Dans certains cas, la force de marée est suffisante pour disloquer le satellite d'un corps spatial.

De la même façon, les marées soulevées par le satellite sur sa planète vont avoir tendance à synchroniser la rotation de cette dernière avec la révolution de son satellite ; dans le cas d'une rotation de la planète sur elle-même plus rapide que la rotation du satellite autour de la planète, les protubérances de la planète vont exercer un couple net sur le satellite qui aura pour effet de le « pousser » dans le sens de son orbite, et donc de le forcer à s'éloigner, et dans le même temps, de ralentir la rotation de la planète sur elle-même. Par exemple, la rotation de la Terre est ralentie par la Lune, ce qui s'observe sur les durées de temps géologiques, telle que présentes dans les fossiles.

Dans le cas du système Terre-Lune, la distance les séparant augmente de 3,84 cm par an (étude par Lunar Laser Ranging).

Les effets sont inverses si la période de rotation de la planète sur elle-même est inférieure à la période orbitale du satellite : la rotation de la planète s'accélère et le satellite se rapproche.

Dans le cas des petites lunes, de forme irrégulière, ces forces auront tendance à aligner le plus grand axe de la lune avec le rayon orbital, et le plus petit axe avec la normale à l'orbite.

Une grande partie des lunes du système solaire sont en rotation synchrone avec leur planète, car elles orbitent à de faibles distances de leur planète et la force de marée augmente rapidement avec la diminution de cette distance (le gradient gravitationnel est proportionnel à l'inverse du cube de la distance).

En outre, la période de rotation de Mercure est exactement égale aux deux tiers de sa période de révolution autour du Soleil.

Plus subtilement, Vénus est (quasiment) en rotation synchrone avec la Terre, de sorte que toutes les fois où Vénus est en conjonction inférieure, Vénus présente (presque exactement) la même face à la Terre. Mais les forces de marée impliquées dans la synchronisation Vénus-Terre sont extrêmement faibles et il se peut que ce ne soit qu'une coïncidence, valable à notre "époque astronomique", d'autant plus que cette synchronisation n'est pas exacte.

Charon, satellite de Pluton, est en rotation synchrone avec ce dernier : comme la Lune avec la Terre, il lui présente toujours la même face. Mais, contrairement à cette dernière, Charon évolue sur l'orbite géostationnaire de Pluton. Ainsi, outre le fait de présenter toujours la même face, Charon paraît donc immobile dans le ciel de Pluton.

En général, tout objet qui orbite pendant de longues périodes à proximité d'un autre objet beaucoup plus massif est susceptible d'être en rotation synchrone avec celui-ci.

On suppose que les étoiles binaires proches soient mutuellement en rotation synchrone. De même, on pense que des planètes extrasolaires qui ont été détectées à proximité de leur étoile sont en rotation synchrone avec celle-ci.

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C'est un PDF de 66 pages, assez costaud à lire, t'es prévenue ma cousine.

De plus, il demande quand même certaines connaissances de physique

que tout le monde ne possède pas….