vignette|upright=1.6|Images du satellite Chandrayaan-1 en 2008, d'un cratère récent montrant des roches riches en eau et groupes hydroxyle (en bleu, image de droite).|alt=Images obtenues par Chandrayaan-1 indiquant la présence de roches riches en eau.

L'eau sur la Lune a toujours été absente de la majeure partie de la surface de cet astre en raison des conditions qui y règnent. L'absence d'atmosphère et les températures très élevées durant la journée ne permettent pas à celle-ci de se maintenir à sa surface à l'état liquide comme à l'état de vapeur. Les échantillons du sol (roches et régolite) ramenés dans les par les missions spatiales Apollo et Luna semblent confirmer qu'elle est également quasiment absente du sol lunaire. Des observations plus poussées, effectuées dans les décennies suivantes grâce aux progrès de l'instrumentation, démontrent néanmoins que les roches lunaires peuvent en contenir des quantités notables. À compter de 1995, après une pause de deux décennies dans l'étude de la Lune, les observations effectuées par différents engins spatiaux en orbite autour de la Lune (Clementine, Lunar Prospector, Chandrayaan-1, LCROSS, LRO), démontrent la présence de glace d'eau dans des proportions significatives mais mal quantifiées en 2021 au fond des cratères des régions polaires, dans des zones situées en permanence à l'ombre. Plusieurs missions sont programmées par la NASA pour affiner ces données : l'astromobile VIPER qui doit explorer in situ les gisements de glace d'eau du pôle sud, l'orbiteur Lunar Trailblazer ... . Ces découvertes sont à l'origine du choix du pôle sud comme cible des prochaines expéditions avec équipage du programme Artemis de la NASA.

Plusieurs hypothèses sont formulées pour expliquer la présence de glace d'eau dans les régions polaires. Elle pourrait être le résultat du bombardement régulier de comètes, astéroïdes ou météoroïdes, ou s'être formée au fil des années in situ par les ions d'hydrogène des vents solaires qui percutent les minéraux lunaires contenant de l'oxygène. Enfin, la Lune contient probablement de l'eau en raison de ses origines terrestres.

Du fait de son utilité pour de futurs séjours de longue durée à la surface de la Lune (programme Artemis), la présence d'eau sur le satellite naturel de la Terre fait l'objet de nombreuses recherches. L'analyse de l'eau lunaire pourrait également fournir des indices importants sur l'histoire de la Lune et l'abondance des comètes et des astéroïdes peu après la formation du Système solaire.

Historique vignette|Carte lunaire publiée par Michael Florent van Langren en 1645.

Découverte de la sécheresse de la Lune

De tout temps, les différences d'albédo de la surface lunaire ont suscité diverses hypothèses. Au , lors des premières observations astronomiques réalisées à l'aide de lunettes astronomiques, des savants ont cru que les parties plus sombres de celle-ci correspondaient des plans d'eau liquide. C'est d'ailleurs cette hypothèse qui, à l'époque, mène l'astronome Michael Florent van Langren à les nommer ( en latin). Bien que cette interprétation ait été démentie par les observations suivantes, ces formations portent toujours la désignation de mers lunaires de nos jours..

À partir du milieu du , les astronomes commencent à émettre l'hypothèse que la Lune est sèche et sans atmosphère. Au fur et à mesure que les observations et connaissances dans le domaine de la physique se précisent, les savants obtiennent la confirmation que les conditions régnant sur la Lune ne permettent pas la présence d'eau liquide à sa surface. Ainsi en 1892 William H. Pickering effectue une série de calculs basés sur l'occultation du Soleil par la Lune qui lui permettent de conclure que la pression atmosphérique à sa surface est inférieure à de celle de la Terre (soit moins de ) ce qui ne permet pas à l'eau de se maintenir à l'état liquide. Si cette hypothèse fait désormais pratiquement l'unanimité dans la communauté scientifique, il subsiste quelques dissidents. L'astronome et mathématicien Peter Andreas Hansen partant de l'hypothèse que le centre de masse de la Lune est décalé de du centre géométrique en déduit qu'il pourrait y avoir une atmosphère et des océans sur la face cachée de la Lune. Hans Hörbiger dans son livre Welteislehre (Monde de glace 1894) émet l'hypothèse que la plupart des planètes dans l'univers sont principalement composés de glace d'eau et défend la théorie que la Lune est une boule de glace.

Un passé aqueux ?

En ce qui concerne le passé de la Lune, le prix Nobel de chimie 1934 Harold Urey, dont les travaux ont notamment porté sur la genèse de la vie sur Terre et qui a joué un rôle décisif dans la décision de la NASA de mener des missions d'exploration scientifique de la Lune, émet l'hypothèse que la Lune s'est formée en même temps que la TerreCette théorie sera abandonnée par la suite : la Lune est née de la collision de la Terre primitive et d'une autre planète de la taille de Mars. et qu'elle constitue une pierre de Rosette de la formation du système solaire ayant conservé les caractéristiques des planètes primitives. Lorsque les sondes spatiales américaines du programme Ranger commencent au milieu des années 1960 à fournir des images détaillées de la surface de la Lune, il émet l'hypothèse que certaines formations (chenaux/rilles) du cratère Alphonsus pourraient résulter de l'évaporation par le passé de grandes quantités d'eau (l'autre hypothèse serait qu'il s'agit de formations liées à l'activité volcanique passées : tube de lave ...). Mais ce point de vue est largement minoritaire au sein de la communauté scientifique.

Exploration de la Lune dans les années 1960-1970 : programme Apollo et sondes Luna vignette|Spectre par d'échantillons du régolite de la Lune..

Les expéditions du programme Apollo (1969-1972) à la surface de la Lune permettent aux astronautes américains de ramener de roches lunaires et de régolite. Ces échantillons sont analysés en laboratoire. Des indices très variés confirment que les roches ne contiennent aucune humidité et ne présentent aucune trace d'altération par un processus aqueux. En comparaison avec les roches terrestres les roches lunaires s'avèrent particulièrement sèches. On mesure la quantité d'eau à quelques parties par milliard. Toutefois certains échantillons contiennent jusqu'à . Mais ces résultats sont considérés comme douteux car le ratio des isotopes deutérium et hydrogène est identiques à celui de l'eau présente sur Terre alors qu'on attend un ratio plus proche de celui de l'hydrogène transporté par le vent solaire. Un gaz inconnu s'est dissous dans la lave qui a recouvert les mers lunaires et a formé des vésicules. Si ces vésicules avaient été pleines de vapeur d'eau elles auraient dû créer des amphiboles or ceux-ci sont totalement absents. Les roches lunaires sont par ailleurs très pauvres (1% des basaltes terrestres) en éléments chimiques ayant un point de fusion peu élevé (plomb, thallium, bismuth et indium) ce qui permet d'en déduire une proportion d'eau très faible (quelques parties par million) lorsque ces éléments se sont refroidis. En , une première détection de vapeur d'eau près de la Lune est obtenue par le un des instruments de l'ALSEP installé à la surface de la Lune par l'équipage d'Apollo 14. Mais les quantités d'eau sont infimes. Environ 1% de l'atmosphère très ténue de la Lune soit . Par ailleurs l'équipage de la mission Apollo 15, qui s'est posé près du rille Hadley effectue des observations qui démontrent qu'il ne résulte pas de l'écoulement d'eau mais de lave. Urey abandonne progressivement l'hypothèse d'une présence d'eau par le passé à la surface de la Lune. Ces analyses confirment à ce stade la théorie d'une Lune dont la surface n'a toujours contenu que des traces infimes d'eau.

Durant toute la période de cette première vague des missions d'exploration de la Lune par les missions spatiales la présence d'eau à la surface de la Lune est un sujet scientifique de premier plan et plusieurs articles scientifiques s'appuyant sur les analyses d'échantillon de sol ramenés par les missions lunaires américaines sont publiés. Le consensus scientifique d'une Lune particulièrement sèche n'en est pas modifié malgré quelques nuances apportées par certaines observations et analyses : En , des scientifiques soviétiques, qui analysent des carottes de sol lunaire prélevés par la sonde spatiale soviétique Luna 24 dans la mer des Crises à des profondeurs de 118, 143 et , confirment la présence d'eau dans ces échantillons. Les échantillons ramenés sur Terre ont une concentration massique d'eau de 0,1. Cette concentration concorde avec les résultats des observations provenant de la spectroscopie d'absorption infrarouge (à une longueur d'onde d'environ ) à un niveau de détection qui est approximativement 10 fois au-dessus de son seuil. Les mesures spectrales montrent ainsi des minimums aux alentours de 3, 5, et , des valeurs distinctes du spectre infrarouge des vibrations de valence de l'eau, avec des intensités de deux à trois fois plus grandes que le niveau de bruit. Ces informations sont d'abord publiées dans la revue Geokhimilia, puis traduites en anglais et publiées l'année suivante dans Geochemistry International.

vignette|Image composite de la région polaire sud de la Lune, prise par la sonde . Les zones constamment sombres pourraient contenir de la glace d'eau.

Les découvertes de Clementine (1994)

Dès 1961 la possibilité théorique de présence de glace au fond de certains cratères polaires de la Lune est suggérée par des chercheurs de Caltech. Dans ces régions où la lumière du Soleil est en permanence rasante, les cratères les plus profonds sont en permanence à l'ombre. L'étendue des zones concernées est accentuée par la faible inclinaison de l'axe de la Lune par rapport au plan de l'écliptique (1,5° contre 23,5° pour la Terre) c'est-à-dire le plan dans lequel se situe le Soleil. Les zones à l'ombre pourraient être des pièges à froid qui conserverait l'eau transportée par les laves issues d'éruptions volcaniques ou des météorites venus s'écraser sur la surface..

En 1994 l'orbiteur américain confirme la présence de cratères situés en permanence à l'ombre dans les régions polaires et dans lesquels la température serait tout le temps inférieure à et pourrait descendre à . L'orbiteur détecte de la glace d'eau sur la Lune par l'utilisation d'un radar bistatique. Cependant, les résultats sont jugés non-concluants.

Renouveau des missions destinées à la recherche d'eau à compter de la fin des années 1990

En , la NASA lance la mission . Celle-ci contient plusieurs spectromètres chargés de collecter des données concernant la composition de la surface de la Lune. Elle utilise ainsi un spectromètre à neutrons pour mesurer la quantité d'hydrogène présente à l'intérieur du régolithe lunaire près des régions polaires. L'instrument permet ainsi d'établir des valeurs allant jusqu'à environ . Les scientifiques de la mission interprètent ces résultats comme un signe de la présence de glace dans les cratères constamment ombragés de ces régions. Cependant, ces données peuvent aussi être causées par la présence du radical hydroxyle chimiquement lié aux minéraux.À la fin de la mission en , la sonde est intentionnellement projetée au centre du cratère Shoemaker, se trouvant près du pôle sud, en espérant qu'une quantité suffisante d'eau serait libérée afin de l'observer. Toutefois, l'analyse spectrale des observations spectrométriques provenant de la Terre sont non-concluantes.

En se basant sur les données des missions et , des scientifiques de la NASA estiment que si de la glace d'eau est présente, sa quantité totale serait de l'ordre de ...

Des données de la mission Cassini-Huygens, qui passe près de la Lune en 1999, laissent à nouveau croire à la détection d'eau sur la Lune, mais là encore, les résultats sont non-concluants.

Décennie 2000