La fusée, nommée SLS, s'est élevée dans la nuit telle une boule de feu géante à 01H47 heure locale (06H47 GMT), depuis le centre spatial Kennedy.
La troisième tentative de lancement aura donc été la bonne, après deux essais annulés à la dernière minute cet été à cause de problèmes techniques, puis deux ouragans ayant encore repoussé le décollage de plusieurs semaines.
La mission Artémis 1 doit durer 25 jours au total, et beaucoup d'étapes pourraient encore poser problème, mais le premier décollage de cette géante de 98 mètres de haut, en développement depuis plus d'une décennie, représente d'ores et déjà un réel succès pour la Nasa.
Cinquante ans après la dernière mission Apollo, ce vol test, qui fera le tour de la Lune sans y atterrir et sans astronaute à bord, doit permettre de confirmer que le véhicule est sûr pour un futur équipage.
Il marque le grand début du programme Artémis, qui ambitionne d'envoyer la première femme et la première personne de couleur sur la Lune. Le but est d'y établir une présence humaine durable, pour préparer un voyage vers Mars.
"Beaucoup de sueur et de larmes sont allées dans cette fusée", a déclaré mardi le patron de la Nasa, Bill Nelson. "Elle nous permettra de faire des allers-retours jusqu'à la Lune et au-delà pour les décennies à venir."
Malgré un lancement nocturne mercredi, quelque 100.000 personnes étaient attendues pour admirer le spectacle, notamment depuis les plages environnantes.
Mission de 25 jours
Comme lors de deux précédentes tentatives de décollage ratées cet été, les opérations de remplissage de la fusée avec son carburant cryogénique -- plus de 2,7 millions de litres d'hydrogène et de d'oxygène liquides -- ont donné du fil à retordre à la Nasa.
Une fuite d'hydrogène, ultra-inflammable, a été détectée dans la soirée au pied de la fusée, et a nécessité l'envoi d'une équipe de techniciens sur le pas de tir pour la réparer, stoppant les préparatifs durant environ une heure et causant un léger retard sur l'horaire initial de décollage.
Cet été, la première tentative de décollage avait été annulée au dernier moment à cause d'un capteur défectueux, et la deuxième à cause d'une fuite d'hydrogène.
Après ces soucis techniques, deux ouragans -- Ian puis Nicole -- ont successivement menacé la fusée, repoussant le décollage de plusieurs semaines.
Juste après le décollage, les équipes du centre de contrôle à Houston, au Texas, ont repris la main.
Au bout de deux minutes, les deux propulseurs d'appoint blancs sont retombés dans l'Atlantique. Après huit minutes, l'étage principal s'est détaché à son tour. Puis, environ 1h30 après le décollage, une dernière poussée de l'étage supérieur mettra la capsule Orion sur le chemin de la Lune, qu'elle rejoindra en quelques jours.
Là, elle sera placée sur une orbite distante durant environ une semaine, et s'aventurera jusqu'à 64.000 km derrière la Lune -- un record pour une capsule habitable.
Enfin, Orion entamera son retour vers la Terre, mettant à l'épreuve son bouclier thermique, le plus grand jamais construit. Il devra supporter une température moitié aussi chaude que la surface du Soleil en traversant l'atmosphère.
L'amerrissage dans l'océan Pacifique est prévu le 11 décembre.
Nouvelle ère
Après la fusée Saturn V des missions Apollo, puis les navettes spatiales, SLS doit faire entrer la Nasa dans une nouvelle ère d'exploration humaine -- cette fois de l'espace lointain.
En 2024, Artémis 2 doit emmener des astronautes jusqu'à la Lune, toujours sans y atterrir. Un honneur réservé à l'équipage d'Artémis 3, en 2025 au plus tôt.
La Nasa envisage ensuite une mission par an, pour construire une station spatiale en orbite autour de la Lune, et une base sur son pôle sud.
Le but est d'y tester de nouveaux équipements: combinaisons, véhicule, mini-centrale électrique, utilisation de l'eau glacée sur place... Le tout afin d'y établir une présence humaine durable.
Cette expérience doit préparer un vol habité vers Mars, peut-être à la fin des années 2030. Ce voyage, d'une tout autre ampleur, prendrait au minimum deux ans aller-retour.