La Lune, fille de Gaïa

La formation de la Lune (III)

Comment la Lune s’est-elle formée ? Jusqu'à la fin des années 1950, trois théories concurrentes furent proposées pour expliquer l'origine de la Lune :

1. La Lune est la "soeur" de la Terre : les deux astres se sont formés en même temps mais séparément à partir du disque d'accrétion protoplanétaire qui donna naissance aux différents corps constituants le système solaire

2. La Lune est la "fille" de la Terre : à l'origine la proto-Terre encore partiellement en fusion tournait si rapidement sur elle-même qu'en raison de la force centrifuge elle éjecta un petit "blob" de matière dans l'espace qui se mit en orbite et forma la Lune.

3. la Lune est "l'épouse" de la Terre : la Lune serait née ailleurs dans le système solaire puis devint un astre errant qui fut capturé par la gravité de la Terre et se mit en orbite autour d'elle.

Comment départager cese théories ? Sans même analyser la composition de la Lune et de la Terre, sur base des principes de la mécanique, on peut déjà exclure la troisième théorie. En effet, nous avons dit que le couple Terre-Lune était vraiment unique dans le système solaire. Proportionnellement aux autres planètes, le rapport entre les deux astres est atypique. Première observation, les plus grosses lunes de Jupiter sont approximativement 23 plus petites que la planète alors que la Lune est à peine 4 fois plus petite que la Terre. Avec la seule force de sa gravité, la Terre n’aurait jamais pu la capturer, même lors d’un passage rasant. Il aurait fallut que la Lune effleure la Terre à moins de 50000 km de sa surface, à une vitesse de quelques km/s seulement, pour que l’emprise de la Terre soit ferme et définitive. Mais même si cela s’est produit, son orbite quasi circulaire dément cette solution. Un astre arrivant sur une orbite si oblique ne peut que soit percuter la Terre et rebondir ou avoir une orbite très elliptique. L’explication est donc ailleurs.

Reste à départager les deux autres théories : la Lune est-elle la "soeur" ou la "fille" de la Terre ? Avant même le débarquement des hommes sur la Lune, entre 1964-1968 la NASA envoya plusieurs sondes spatiales Surveyor sur la Lune à la fois pour localiser des sites d'alunissage pour les futures missions Apollo et pour analyser des échantillons de sol, creusant notamment la surface jusqu'à 18 cm de profondeur. Grâce à ces sondages, les astrogéologues du JPL et du Caltech dont Eugene M. Shoemaker et Ronald F. Scott découvrirent que la densité de la Lune est assez voisine de celle de la Terre : 3.3 pour la Lune, 5.3 pour la Terre alors que les astéroïdes et les satellites présentent en général une densité comprise entre 2 et 2.7.

Fait plus étonnant, la composition de la Lune est similaire à celle de la Terre. En effet, à côté des métaux et des oxydes métalliques que l’on retrouve dans les mêmes proportions dans les manteaux lunaire et terrestre, la proportion des isotopes de l’oxygène ¹⁷O/¹⁸O  présents sur la Terre et dans les roches lunaires récoltées par les missions Apollo XII, XV et XVII est également similaire - ce qu'on ne retrouve pas dans les météorites - ce qui suggère que la matière ayant formé la Terre et la Lune fut fortement mélangée avant leur séparation[1]. Malgré certaines différences de composition entre le manteau terrestre et lunaire, les similitudes entre les deux astres sont frappantes.

Enfin, quand on analyse la surface de la Lune et sa teneur en minéraux, tout géologue peut conclure que la Lune posséda un "océan" de magma formé par la fonte partielle de son écorce sur une échelle globale, c'est la théorie de la co-accrétion. Mais pour que de la roche entre en fusion (cf. les volcans terrestres), il faut une chaleur importante variant entre 700-1200°C selon les roches, des valeurs qu'on ne trouve que dans le manteau ou suite à une collision extérieure avec un corps très grand et donc massif.

Conclusion, cette similitude isotopique entre les roches lunaires et terrestres permet d'exclure la première théorie. La seule hypothèse retenue est donc que la Lune est la "soeur" de la Terre. Il faut à présent trouver un scénario expliquant comment la Lune s'est retrouvée dans le ciel et dans l'état qu'on lui connait.

La théorie de la collision-éjection

L’explication la plus évidente et aussi la plus simple était la suivante : la Lune fut éjectée de la Terre. D’accord me direz-vous, mais par quel processus ? Deux cas de figure se présentent : soit la Lune fut éjectée de la Terre suite à mouvement centrifuge, soit un impact météoritique éjecta une partie du manteau terrestre en orbite. Nous verrons plus bas que cette dernière hypothèse doit être nuancée. Quelle solution choisir ?

La première explication fut proposée par George Darwin, le fils du célèbre naturaliste anglais. Il imagina que dans son lointain passé la Terre tournait beaucoup plus vite sur elle-même et suite à la force centrifuge ainsi engendrée, une partie de son manteau aurait été éjecté dans l’espace. Mais cette théorie fit long feu. En effet, des simulations effectuées sur ordinateur ont démontré qu’il aurait fallut que la Terre tourne sur elle-même en 2h30 pour qu’un tel phénomène se produise. Si cela n’est pas impossible en soit, sa théorie n’expliquait pas comment la Terre avait ralenti sa rotation d’un facteur dix depuis sa naissance, passant de 2h30 à 24 heures. Pour sauver sa théorie George Darwin invoqua des phénomènes de résonances qui auraient permis à la Terre d’éjecter cette matière sans nécessairement avoir une vitesse de rotation très élevée. Mais sa théorie ne convainquit personne.

La seule explication rationnelle retenue fut celle de l’impact. Sachant que la Lune comme la Terre ont subi un bombardement intense, en 1975 le géochimiste William Hartman du Planetary Science Institute et son collègue Donald Davis suggérèrent qu'à la fin de la période de formation des planètes, des astéroïdes de la taille d'une lune seraient entrés en collision avec la Terre, ce qui aurait éjecté dans l'espace des matériaux réfractaires peu volatils sous forme d'une "poussière" de magma qui se serait ensuite condensée pour former la Lune.

Cette théorie fut confrontée aux simulations et à la loi des probabilités que survienne une capture lunaire. Il s'est avéré qu'il y avait trop de paramètres libres et de suppositions ad hoc pour valider cette théorie. Toutefois l'hypothèse était plausible et fut supportée par plusieurs astronomes renommés dont Alistair G. Cameron déjà connu pour sa théorie de la contamination des météorites par l'explosion d'une supernova (cf. la chimie de choc des supernovae). On retrouva également des spécialistes comme Robin Canup ou Jay Melosh.

Cameron alors à l'Université d'Harvard et William Ward de Caltech communiquèrent les résultats de leurs études dans un bref compte-rendu intitulé "The Origin of the Moon" publié en 1976 en pages 120-122 des proceedings de la conférence "Lunar Science VII" du Lunar Science Institute (une brique de 3777 pages en 3 volumes). Cameron publia l'une des dernières versions de cette étude en 1996 dans la revue "Icarus".

Dans la première version de leur scénario, Cameron et Ward proposèrent qu'un corps de la taille d'une planète au moins aussi grande que Mars entra en collision avec la Terre sous un angle oblique à une vitesse de 9.4 km/s (34000 km/h) comme on le voit sur leur schéma présenté à droite. Sous le choc, la Terre bascula sur son orbite et s'inclina d'environ 23.5° sur l'écliptique. Le choc fut si violent qu'au point d'impact la température atteignit 6000 à 7000°C, provoquant la fusion des deux astres. La collison libéra dans l'espace une masse astronomique de magma vaporisé sous pression et des débris pulvérisés. La matière éjectée fut estimée au double de la masse de la Lune dont une partie retomba sur Terre mais l'essentiel issu de l'impacteur resta en orbite et reforma un astre qui donna naissance à la Lune.

Pendant sa conférence à l'Université d'Hawaï, Cameron posa la question : "est-il est plausible qu'un corps extraplanétaire du volume - au moins - de Mars, ait pu vagabonder à l'intérieur du système solaire au moment précis de la collision que nous avançons ?" Sans attendre la réponse de l'auditoire, il répondit par l'affirmative. Restait à trouver la preuve de ce "grand choc" et de cette fusion totale de la Terre, ce qui n'était pas sans poser quelques problèmes.

Plus tard, en décembre 1988, au cours de la "Conférence sur l'origine de la Terre" qui s'est tenue à Berkeley en Californie, les chercheurs démontrèrent que cette preuve n'existe pas car la Terre avait connu des périodes de fusion et de solidification alors que les roches concernées devraient montrer des phases de cristallisation qui n'apparaissent pas dans les roches, sans même parler de la tectonique des plaques qui bouleversa l'aspect de la Terre à grande échelle et rares sont les roches primitives âgées de plus 4 milliards d'années à l'exception des météorites qui peuvent effectivement nous apporter des données essentielles.

En 1989, dans un article intitulé "Making the Moon, remaking Earth" publié dans la revue "Science", les géochimistes rassemblés autour de Richard Kerr sont arrivés à la conclusion qu'"un impact géant contre la Terre ayant entraîné sa fusion ne correspondait pas avec ce qu'ils savaient de la géochimie. En particulier, la composition du manteau supérieur (à quelques centaines de kilomètres sous la surface) suggère qu'il n'a jamais fondu en totalité", mettant en difficulté la théorie originale de Cameron et Ward.

A voir : Simulation de la Collision Terre-Theia (future Lune), NASA/SwRI/Robin Canup

Simulations et images de la formation de la Lune, Robin Canup/SwRI

Aujourd'hui cette théorie appelée de collision-éjection est toujours d'actualité mais a été modifiée pour corriger ses faiblesses. Le scénario actuel est le suivant. Comme on le voit ci-dessus (illustrations adaptées d'une simulation informatique réalisée par Robin Canup et son équipe du SwRI[2]), alors que la jeune Terre ou proto-Terre avait à peine fini d’accréter les planétésimaux du disque protoplanétaire et présentait seulement 20% de sa taille actuelle, il y a environ 4.56 milliards d’années, soit environ 40 millions d'années après la formation de la Terre et du système solaire, un astéroïde dénommé Théia - du nom de la mère de la Lune dans la mythologie grecque - la percuta violemment. Théia aurait été constitué de fer et de métaux analogues - c'est une sidérite - probablement de la taille de Mars (le diamètre de l'impacteur est estimé entre 1000 et 6000 km) et proviendrait du système solaire externe, c'est-à-dire au-delà de la ligne de glace. On y reviendra à propos de l'origine de l'eau sur Terre.

La modélisation de la collision entre la Terre et Théia montre que l'impact fut d'une violence inouïe et tangentiel. S'il avait été frontal, la Terre aurait explosée en milles morceaux. Le choc libéra une énergie estimée à plusieurs centaines de milliards de mégatonnes de TNT. Sous le choc, l'axe de la Terre s'inclina d'un bon 20°, phénomène grâce auquel nous pouvons aujourd'hui apprécier les saisons.

Suite à la libération de cette énergie, la pression et la température furent telles qu'au moins 1/80^e du manteau de la Terre se liquéfia et fut éjecté dans l'espace non sans créer un gigantesque cratère sur la Terre bientôt enseveli par les flots de laves et le bombardement météoritique qui devait se poursuivre. A son tour pulvérisée, la majeure partie de la sidérite se mêla au manteau terrestre dont une partie s'enfonça jusqu'au noyau, alégeant par la même occasion la densité des éléments éjectés dans l'espace.

Au point d'impact, la plume constituée de laves et de débris retomba finalement au sol dans un rayon de plusieurs milliers de kilomètres, réalimentant les lacs de laves qui s'étaient localement refroidis et déclenchant de nouveaux incendies sur les rares surfaces émergées et solidifiées.

A voir : Moon Formation Simulation - Evolution of Moon

Animation of a GIANT impact - The Birth of Our Moon

A gauche, modélisation de l'impact entre la Lune et la petite lune d'environ 1000 km de diamètre qui percuta sa face cachée. Au centre, modèles d'assemblages et stratigraphies des minéraux solidifiés à partir d'un océan de magma terrestre profond de 2000 km proposés par Elkins-Tanton (2008) comparés au modèle lunaire de Elkins-Tanton et al. (2011) (colonne de gauche) et celui de Snyder et al. (1992) (colonne de droite). Les légendes sont : Opx = Orthopyroxène; Cpx = Clinopyroxène; Porc = Pigeonite; Ox = Oxydes, y compris ilmentite; An = Feldspath anorthite (plagioclase). La fraction des phases bien mélangées est représentée par la largeur des boîtes minérales. Aucun des modèles ne prévoit une croûte continentale anorthositique primordiale. A droite, une coupe transversale schématique de la Lune. La face "visible", celle faisant face à la Terre, est composée principalement de basalte à croûte anorthositique mince (20-30 km) avec des remontées du manteau tandis que la face cachée présente une croûte continentale anorthositique plus épaisse (moyenne de 60 km), probablement liée à un rétrécissement horizontal. Documents M.Jutzi et E.Asphaug/UCLA (2019) et M.Santosh et al. (2017) adaptés par l'auteur.

La langue de matière qui fut pulvérisée et s'éparpilla dans l'espace perdit rapidement tous ses composés volatils et ne contena finalement que des éléments réfractaires. En l'espace de quelques millions d’années toute cette matière éjectée en orbite se rassembla sous l'effet de la gravité mais demeura captive de l'attraction terrestre. Un astre de 3476 km de diamètre apparut dans le ciel entre 15000 et 25000 km de distance seulement. La Lune était née.

En parallèle, un deuxième petit satellite d'environ 1000 km de diamètre se forma simultanément sur une orbite un peu plus grande et se mit rapidement à décélérer. En moins de 10 millions d'années, cette seconde lune percuta la face cachée de la Lune, donnant naissance aux chaînes de montagnes de la face cachée dont les relief très accidentés contrastent avec les vastes plaines - les mers - que l'on voit sur sa face visible.

Cette théorie schématisée satisfait tous les spécialistes car, indices probants de ce cataclysme, les deux astres ont une densité fort proche, un manteau constitué des mêmes éléments tandis que la Lune présente un noyau pauvre en fer qui s'explique par le fait qu’il est resté dans les entrailles de la Terre. Mais dans ses détails, ce scénario n'est pas tout à fait satisfaisant. Aussi, un scénario légèrement différent et plus conforme fut proposé en 2019 par des chercheurs de la JAMEST. Depuis, des simulations encore plus détaillées ont été réalisées.

Une lune formée sans disque de débris

Dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2022, l'équipe de Kegerreis de l'Institut de Cosmologie Computationnelle (ICC) de l'Université de Durham comprenant des chercheurs du centre Ames de la NASA réalisa de nouvelles simulations en très haute résolution, les plus détaillées à ce jour, de la collision entre Théia et la Terre et découvrit une explication alternative à l'origine de la Lune. Selon les résultats de cette simulation présentée ci-dessous, la collision aurait immédiatement placé un corps semblable à la Lune en orbite autour de la Terre.

Les chercheurs ont simulé en très haute résolution des centaines d'impacts différents, en faisant varier l'angle et la vitesse de l'impacteur ainsi que les masses et les rotations des deux corps en interaction. Ces calculs furent réalisés à l'aide du code open source SWIFT exécuté sur les installations informatiques du DiRAC (Distributed Research using Advanced Computing) hébergées à l'Université de Durham.

Pour rappel, DiRAC est un système HPC (High Performance Computing) distribué comprenant le HPC de l'Université de Cambridge de 10000 coeurs de processeurs dont la vitesse de calcul atteint 1.6 PFLOPS connecté à un système partagé à l'échelle mondiale de mémoires et de coprocesseurs dont une partie est installée à l'Université d'Édimbourg (EPCC).

Cette puissance de calcul considérable révéla que les simulations à faible résolution peuvent passer à côté d'aspects cruciaux des collisions à grande échelle. En effet, les simulations en très haute résolution ont permis aux chercheurs de mettre en évidence des effets qui n'étaient pas accessibles dans les études précédentes. Seules les simulations en très haute résolution ont produit un satellite semblable à la Lune avec des détails supplémentaires révélant comment les couches externes de la Lune ont pu contenir plus de matériel (60%) provenant de la Terre.

Ces simulations montrent aussi que si une grande partie de la Lune s'est formée immédiatement après l'impact, cela pourrait également signifier que moins de roche fondit pendant sa formation par rapport aux théories traditionnelles où la Lune s'est développée dans un disque de débris satellisé autour de la Terre. Selon les détails de la solidification ultérieure de la Lune, ces théories devraient prédire différentes structures internes.

Selon Vincent Eke, coauteur de cette étude, "Cette voie de formation pourrait aider à expliquer la similitude de la composition isotopique entre les roches lunaires ramenées par les astronautes d'Apollo et le manteau terrestre. Il peut également y avoir des conséquences observables sur l'épaisseur de la croûte lunaire, ce qui nous permettrait de mieux cerner le type de collision qui s'est produite."

De plus, les chercheurs ont découvert que même lorsqu'un astre passe très près de la Terre et qu'on s'attendrait à ce qu'il soit déchiré par les forces de marée de la Terre, en réalité le satellite peut survivre. En fait, il peut également être repoussé sur une orbite plus large, à l'abri d'une destruction future.

Selon Kegerreis, "Cela ouvre une toute nouvelle gamme de points de départ possibles pour l'évolution de la Lune. Nous nous sommes lancés dans ce projet sans savoir exactement quels seraient les résultats de ces simulations à très haute résolution. Donc, en plus de la grande révélation que les résolutions standard peuvent donner de mauvaises réponses, il était très excitant que les nouveaux résultats puissent inclure un satellite en orbite ressemblant à la Lune."

A voir : Supercomputer Simulation of the Moon's Origin (Wide-Orbit), NASA/U.Durham, 2022

Supercomputer Simulation of the Moon's Origin (Strip-Orbit)

Supercomputer Simulation of the Moon's Origin (Wide-Orbit Cross Section)

Supercomputer Simulation of the Moon's Origin (Strip-Orbit Cross Section)

Extrait d'une simulation de l'Université de Durham et de la NASA proposant une théorie alternative de l'origine de la Lune. La Lune se serait formée en quelques heures après que les matériaux fondus provenant de la Terre et de Théia furent projetés en orbite après l'impact. En 2022, c'était la simulation la plus détaillée pour étudier les origines de la Lune ou d'autres impacts géants. Documents J.A. Kegerreis et al./ NASA-Ames (2022).

Ce nouveau scénario qui forme une lune immédiatement après la collision de Théia pourrait aider les planétologues à résoudre des mystères non résolus comme l'orbite inclinée de la Lune ou comment se forme une lune précoce qui n'est pas complètement fondue, ce qui selon certains scientifiques, pourrait mieux correspondre à sa croûte mince actuelle.

Les nombreuses missions lunaires à venir devraient révéler de nouveaux indices sur le type d'impact géant qui conduisit à la formation de la Lune, qui à son tour nous en dira plus sur l'histoire de la Terre elle-même.

Une proto-Terre recouverte d'un océan de magma

En 1970, l'équipe de John A. Wood de l'Observatoire d'Astrophysique du Smithsonian suggéra que l'impact géant au cours duquel un objet de la taille de Mars (plus tard appelé Théia) entra en collision avec la proto-Terre en croissance, aurait entraîné une fusion globale de la surface de la Lune (cf. J.A. Wood et al., 1970). C'est la théorie de l'océan de magma lunaire ou LMO (Lunar Magma Ocean) qui fut révisée par Paul H. Warren en 1985.

Le modèle LMO explique la structure interne de la Lune, avec des matériaux mafiques denses formant le manteau (la source des basaltes des mers lunaires), de l'anorthosite ferroenne formant la croûte et un liquide résiduel contenant de fortes concentrations d'éléments incompatibles comme le potassium, les éléments de terres rares et le phosphore (KREEP) cristallisant entre les deux. La différence de densité entre certains matériaux de la croûte (cumulats contenant de l'ilménite) et les matériaux du manteau provoqué ce que l'on appelle un renversement du manteau, qui permit aux magmas de pénétrer dans la croûte anorthositique formant les roches plutoniques de la suite Mg (cf. C.K. Shearer et al., 2015).

Le moment de l'impact géant et de la cristallisation du LMO restent à déterminer à partir des éléments radiogéniques (Hf et W et Pb notamment), des zircons et des diverses modélisations (dynamique et thermiques). C'est un puzzle très long à assembler qui mettra probablement des décennies avant d'être complété et la question résolue (voir plus bas).

Des simulations suggèrent qu'on comprend le mieux la composition de la Lune et la viabilité des caractéristiques chimiques et mécaniques du système Terre-Lune si à l'époque de la collision avec Théia, la Terre primitive était recouverte d'un océan de magma plutôt que d'une croûte de lave solidifiée.

Le concept classique d'un impact en oblique explique le grand moment cinétique et l'absence d'un grand noyau riche en fer au coeur de la Lune, mais il est difficile d'expliquer la similitude des compositions isotopiques de la Terre et de la Lune sans modifier la contrainte du moment angulaire.

Dans une étude publiée dans la revue "Nature Geoscience" en 2019, l'équipe de Natsuki Hosono de l'agence JAMEST (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) a testé le scénario selon lequel au moment de l'impact, la Terre primitive d'il y a plus de 4.51 milliards d'années était recouverte d'un océan de magma chaud tandis que l'impacteur était solide et entra en collision de manière conventionnelle.

Shun-ichiro Karato, coauteur de cette étude, et ses collègues ont testé ce nouveau modèle grâce à des simulations de collision hydrodynamique de particules lissées, indépendantes de la densité, avec une équation d'état appropriée pour les silicates fondus. Ces calculs montrent qu'en raison de la grande différence de chaleur dégagée sous le choc entre le silicate fondu et les solides (roches), comme le montre la simulation présentée ci-dessous à droite, une fraction substantielle du matériau éjecté formant la Lune proviendrait de l'océan de magma (en rouge), même lors d’une collision très oblique.

A voir : The Making of Earth and Moon, NatGeo

A gauche, bombardement de la Terre primitive par des corps de toute taille il y a plus de 4.5 milliards d'années, à une époque où elle était encore recouverte d'un océan de magma chaud. A droite, arrêt sur image de la simulation numérique de la formation de la Lune suite à la collision avec un impacteur solide géant. La partie centrale de l'image représente une proto-Terre. La couche et les points rouges indiquent les matériaux de l'océan de magma tandis que les points bleus sont les matériaux de l'impacteur. Documents T.Lomby et N.Hosono et al. (2019).

Les modèles précédents ne tenaient pas compte de la différence de chauffage entre le silicate proto-terrestre et les roches de l'impacteur. Ce nouveau modèle montre qu'après la collision, le magma de la Terre fut porté à plus haute température que les roches de l'impacteur. Selon les chercheurs, le magma fut ensuite expulsé dans l'espace où il se mit en orbite pour former la Lune. Ceci explique pourquoi la composition de la Lune contient beaucoup de matériaux d'origine terrestre.

Dans ce modèle, 80% de la Lune sont composés de matériaux proto-terrestres. Selon Karato qui a mené des recherches approfondies sur les propriétés chimiques du magma proto-terrestre et du silicate fondu, "dans la plupart des modèles précédents, environ 80% de la Lune sont constitués de l'impacteur. C'est une grande différence."

Selon Karato, ce nouveau modèle confirme les théories antérieures sur la formation de la Lune sans qu'il soit nécessaire de proposer des conditions de collision non conventionnelles comme les théoriciens devaient le faire jusqu'à présent.

En résumé, selon les auteurs, "ce modèle réconcilie les similitudes et les différences de composition entre la Lune et la Terre tout en satisfaisant la contrainte du moment angulaire."

Mais cette théorie séduisante n'explique pas non plus certaines différences isotopiques entre les roches lunaires et terrestres. Il existe en fait une variante de l'hypothèse selon laquelle la Lune serait la fille de la Terre qui explique mieux ce qu'on appelle la "crise isotopique lunaire".

La crise isotopique lunaire

De nouvelles méthodes de tests ont révélé que les roches terrestres et lunaires présentent des rapports étonnamment similaires de certains isotopes mais des rapports très différents pour d'autres. Ce constat oppose les deux principaux scénarii pour la formation de la Lune : soit un impacteur géant s'écrasa sur la Terre et emporta une partie des éjecta avec lui qui devint la Lune (auquel cas la Lune devrait avoir une composition résolument différente, principalement celle du corps étranger) soit l'impacteur pulvérisa la Terre et les deux astres se sont formés à partir des débris qui en résultèrent (auquel cas les compositions des deux astres devraient être pratiquement identiques). En fait aucun des deux scénarii n'expliquent en détails la composition de la Lune. De toute évidence, il manque une donnée, ce qui fut à l'origine de la "crise isotopique lunaire".

Dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2019, Nicole X. Nie et Nicolas Dauphas de l'Université de Chicago ont étudié la composition isotopique des roches terrestres et lunaires, en particulier le rubidium présent dans les deux astres et sont parvenus à créer un nouveau modèle de disque visqueux qui apporte des indices sur la crise isotopique lunaire.

Pour tester leur hypothèse, les deux chercheurs ont analysé une série de roches lunaires. Nie trouva un moyen rigoureux de mesurer les isotopes du rubidium, un élément qui n'avait jamais été mesuré précisément dans les roches lunaires car il est très difficile de l'isoler du potassium qui est chimiquement très similaire.

Le rubidium fait partie d'une famille d'éléments présents dans des proportions isotopiques différentes dans la Lune et la Terre. Nie constata que les roches lunaires contenaient en fait moins d'isotopes légers du rubidium et plus d'isotopes lourds du rubidium que les roches terrestres. Le rapport ⁸⁷Rb/⁸⁵Rb est de +0.16 ±0.04‰ plus élevé dans les roches lunaires que dans les roches terrestres.

Jusqu'à présent, aucune théorie permettait d'expliquer comment cette différence s'était produite. Dauphas et Nie ont donc imaginé un nouveau scénario qu'ils ont simulé sur ordinateur sur base de l'hypothèse que la Terre et l'impacteur géant se sont tous deux vaporisés après la collision.

Dans ce scénario, une masse qui deviendra lentement la Terre se condensa tandis qu'un anneau de débris se forma autour d'elle. La matière vaporisée était encore si chaude (3300°C) que cet anneau était probablement constitué d'une couche externe de vapeur entourant un noyau de magma liquide.

Nie et Dauphas partent ensuite du principe qu'au cours du temps les isotopes plus légers comme le rubidium se sont d'abord évaporés. Ils se sont condensés sur la Terre tandis que les isotopes plus lourds sont restés dans l'anneau et finirent par s'agglomérer et former la Lune. Ce scénario a l'avantage de nous donner des indices sur la nature de la Lune et de la Terre. En effet, du fait qu'on sait exactement combien d'isotopes plus légers que le rubidium se sont évaporés, les chercheurs ont remonté le temps pour savoir jusqu'à quel point la couche de vapeur aurait été saturée, la saturation indiquant une évaporation plus lente (comme il est plus difficile de faire sécher du linge par une journée très humide que dans l'air sec du désert). La composition isotopique correspond à une saturation de ~99% du milieu vaporeux.

Cette évaluation est utile parce que les caractéristiques exactes de cette première phase ont été difficiles à cerner. Les résultats correspondent parfaitement aux mesures antérieures d'autres isotopes métalliques découverts dans les roches lunaires, comme le potassium, le gallium, le cuivre et le zinc. Selon Nie, "notre nouveau scénario peut expliquer quantitativement l'épuisement lunaire non seulement du rubidium, mais aussi des éléments les plus volatils."

Selon Dauphas, "cette étude est une étape nécessaire depuis longtemps pour relier les mesures isotopiques et les modèles physiques des corps protoplanétaires. C'était un lien qui manquait, et nous espérons que cela aidera à limiter les scénarii de la formation de la Lune et de la Terre."

Des traces de Théia dans le manteau de la Terre ?

Le point faible de la théorie de la collision de Théia est qu'il n'existe aucune preuve de son existence sur la Lune, sur la Terre, pas plus que dans les météorites ou les astéroïdes comme le fit remarquer le planétologue Micha Zolotov de l'ASU. Lors d'une conférence virtuelle qui s'est tenue au LPI du 15 au 19 mars 2021, le géophysicien Qian Yuan de l'Université d'Arizona et ses collègues ont suggéré que les traces de cette collision seraient peut-être enfouies dans le manteau de la Terre (cf. Q.Yuan et al., 2021 et Q.Yuan et al., 2023).

Il s'agirait de deux grandes zones appelées les "Grandes Provinces à Faible Vitesse de Cisaillement" ou LLSVP (Large Low-Shear-Velocity Provinces), ainsi nommées parce que les ondes sismiques de cisaillement (ondes S) se déplacent environ 1 ou 2% plus lentement lorsqu'elles les traversent. Ces deux masses sont gigantesques. L'un se trouve sous le continent africain et l'autre sous l'océan Pacifique. On les surnomme communément les superplumes ou les superpanaches (cf. l'hypothèse des plumes dans le manteau de la Terre). Yuan détermina que la taille des deux LLSVP fait 80 à 90% de la taille du manteau de Mars. En ajoutant la Lune, il a obtenu pratiquement les 100%, confirmant que son hypothèse était plausible.

Dans une autre étude publiée dans la revue "Nature Geoscience" en 2021, Surya Pachhaie de l'Université Nationale Australienne et ses collègues ont étudié les "ULVZ" (UltraLow-Velocity Zones), des zones en forme de triangle d'environ 30 km de hauteur et d'une centaine de kilomètres de large dans lesquelles les ondes sismiques se propagent jusqu'à deux fois plus lentement qu'aux alentours. Découvertes dans les années 1990 à la limite entre le noyau externe et le manteau inférieur (CMB), on a détecté des ULVZ un peu partout dans le monde (cf. cette carte préparée par S.Yu et al., 2018). Jusqu'à présent on ignorait leur nature et leur origine. Selon les modèles, les ULVZ seraient probablement stratifiées et seraient, avec les LLSVP, les restes de Théia.

A voir : Theia LLSVPs_Qian Yuan, 2021

A gauche, cartographie des zones de cisaillement LLSVP à la limite noyau-manteau (CMB), vers 2750 km de profondeur basée sur le modèle de tomographie S40RTS (Ritsema et al., 2011). Les isovitesses varient entre -2 et 2% δVs avec des incréments de 0.5% δVs. A droite, localisation des LLSVP selon le modèle S40RTS et des ULVZ à la limite noyau-manteau. Documents EGU Blogs et S.Yu et al. (2018) adapté par l'auteur.

Pour renforcer l'idée d'un impact, en 2012 le géochimiste Sujoy Mukhopadhyay de l'Université de Californie à Davis publia une étude dans la revue "Nature" portant sur les isotopes de gaz rares provenant de basaltes volcaniques récoltés en Islande. Mukhopadhyay montra que le manteau terrestre est hétérogène, contenant au moins deux sources distinctes agées d'au moins 4.5 milliards d'années. Elles sont donc plus anciennes que la Lune. Selon Yuan, l'une des sources pourrait être le manteau de Théia, conservé dans le manteau terrestre après l'impact.

Yuan examina également les études sur la composition de Théia réalisées par l'astrophysicien Steven Desch de l'ASU. En 2019, Desch et  Katharine Robinson du LPI publièrent dans la revue "Geochemistry" de nouvelles estimations de la composition de Théia basées sur la composition des échantillons lunaires récoltés par les missions Apollo et d'une modélisation de Théia. Les deux chercheurs conclurent qu'il était beaucoup plus grand que prévu - environ de la taille d'une proto-Terre ou de 4 planètes comme Mars -, et que son manteau présentait une plus grande abondance en oxyde de fer que celui de la Terre. Yuan et Desch en ont déduit qu'il était donc plus dense et qu'au cours de la collision, le manteau de Théia coula "au fond" de la Terre. Or les LLSVP sont 2.0 à 3.5% plus denses que le manteau de la proto-Terre. Selon les résultats de leurs simulations, les débris de Théia représenteraient au moins 0.026 masse terrestre.

Yuan et Desch ont ensuite déterminé quelle devait la composition du manteau de Théia s'il ressemblait aux LLSVP d'aujourd’hui, après 4.5 milliards d'années de convection du manteau. Ils ont découvert que si Théia était plus dense que la première estimation de Desch, son manteau aurait trop coulé, formant une couche globale au lieu de deux masses. Au lieu de cela, leurs calculs ont révélé que les estimations de la taille et de la densité de Théia étaient correctes.

Selon Yuan, "Il faut à présent que d'autres chercheurs confirment notre hypothèse en collectant plus de preuves pour la prouver ou la réfuter." La prochaine étape des chercheurs consiste à comparer les compositions isotopiques des gaz rares dans les échantillons lunaires avec celles des LLSVP. Pour Yuan, "Il n'y a aucune raison pour laquelle ils auraient une relation chimique à moins qu'ils ne l'aient héritée de leur ancêtre commun, Théia." On reviendra sur les LLSVP et les ULVZ à propos de stucture interne de la Terre.

L'âge de la Lune

Datation des roches lunaires

L'âge d'une planète ou d'une lune se définit comme l'époque à partir de laquelle elle présente sa taille définitive et où sa surface commence à se solidifier. La question est donc quand la Lune s'est-elle solidifiée ?

Avant l'exploration spatiale, c'était une question majeure à laquelle il était difficile de répondre avec certitude. Il fallait absolument analyser des échantillons de surface et extraire des carottes de son écorce, ce qui fut réalisé notamment grâce aux missions Apollo en 1972.

Jusqu'à présent les sélénologues pensaient que la Lune s'était formée quelque part entre 30 et 200 millions d'années après la formation du système solaire, certains proposant sur base de mesures isotopiques qu'elle s'était formée il y a 4.6 milliards d'années, mais d'autres il y a seulement ~4 milliards d'années.

Les roches lunaires les plus anciennes qui ont été datées notamment par Randy L. Korotev, professeur émérite de planétologie et géochimiste lunaire à l'Université Washington à Saint Louis (WUSTL), remontent au début de l'histoire du système solaire et ont environ 4.44 milliards d'années.

Par la suite, la modélisation dynamique de l'évolution des astéroïdes et des impacts de météorites sur la Lune montra que la formation de la Lune pourrait remonter à 4.47 milliards d'années (cf. W.F. Bottke et al., 2015). Mais cette étude reste théorique car elle n'est pas fondée sur des échantillons de roche lunaire.

Ensuite, à partir de 2018 de "nouveaux" échantillons de roches lunaires récoltés par les missions Apollo et scellés pendant 45 ans ont pu être analysés. L'équipe de Maxwell Thiemens de l'Université de Cologne eut la chance d'en obtenir. Ils ont calculé l'âge des roches lunaires par radiochronologie (cf. la datation des météorites) et utilisé la relation entre les éléments rares comme l'hafnium (Hf), le tungstène (W) et l'uranium (U) pour comprendre quelle quantité de matière en fusion fut nécessaire pour former les grandes mers de basalte, ce qui lui permit de préciser l'âge de la solidification de la Lune à partir du rapport ¹⁸²Hf/¹⁸²W des silicates lunaires.

A consulter : Lunar Sample Atlas, LPI/USRA

The Lunar Sample Compendium, NASA/JSC

A gauche, des échantillons de roches lunaires (dont le 15016 ramené par Apollo 15, le 60015 ramené par Apollo 16 et le 70017 ramené par Apollo 17) examinés en 2019 par la géologue Carolyn Crow de l'Université du Colorado au centre JSC de la NASA à Houston. A droite, des échantillons de roches lunaires (réf. 12054) récoltés par l'équipage d'Apollo 12 et analysés par l'équipe de Maxwell Thiemens. C'est du basalte ilménite (à base d'oxyde de Fe, Ti) recouvert de verre déposé par la projection de matériau projeté par un autre impacteur. Ces échantillons permettent de reconstruire l’histoire de la Lune.

Pour obtenir une date précise, les chercheurs ont utilisé une horloge radioactive naturelle sachant que l'isotope de l'hafnium-182 dont la période ou demi-vie est de 8.9 millions d'années se désintègre en tungstène-182.

En combinant les informations de l'hafnium et du tungstène mesurées dans les échantillons lunaires avec des informations provenant d'expériences en laboratoire, les auteurs ont montré que la Lune commença à se solidifier 50 millions d'années seulement après la formation du système solaire mais ils n'avancent aucune date pour la formation de la Lune. Ils confirment aussi que l'excès de tungstène-182 lunaire n'est pas lié à une accrétion tardive (cf. M.Thiemens et al., 2019).

Korotev précité confirme que d'autres études ont prouvé que la Lune s'est formée dans les 30 millions d'années suivant les inclusions réfractaires, c'est-à-dire il y a environ 4.53 milliards d'années. C'est donc beaucoup plus tôt que prévu. Cela signifie qu'à peine 30 millions d'années après l'apparition des premiers solides, le processus d'agrégation qui commença avec de minuscules particules avait produit des lunes et les planètes internes rocheuses. Cette donnée est importante car elle va permettre de préciser le timing de l'évolution de la Lune tout en donnant un âge minimum à la Terre.

Selon Carsten Münker, coauteur de l'étude allemande, "cette information signifie que tout impact géant devait survenir avant cette date, ce qui répond à une question très controversée au sein de la communauté scientifique concernant le moment précis de la formation de la Lune." Ce grand âge pourrait donc être un indice en faveur de la théorie de Nie et Dauphas décrite plus haut.

Datation des zircons lunaires

Les zircons (SiO₄) sont de minuscules fragments de silice cristallée ou fondue piégés dans la matrice des roches. Ils peuvent contenir des impuretés, l'empreinte du champ magnétique, des nanodiamants et même du sel extraterrestre.

Etant très durs et pouvant donc résister aux conditions extérieures durant des milliards d'années, la datation par les zircons est une technique très fiable qu'on utilise notamment pour dater les roches terrestres et les météorites et qui a été utilisée par plusieurs équipes de chercheurs pour dater les roches lunaires. La seule difficulté est de les trouver (les plus grands zircons qu'on trouve dans les granites mesurent 0.3 mm mais ils peuvent atteindre plusieurs centimètres dans les roches magmatiques comme la pegmatite et la carbonatite).

Pourquoi dater les zircons ? Les roches lunaires contiennent de minuscules cristaux de zircon formés il y a des milliards d'années. Sous l'énergie de l'impact de Théia, les roches furent portées à une température très élevée, provoquant leur fonte. Lorsque la roche est ainsi fondue, les cristaux de zircon ne peuvent pas se former et disparaissent. Donc si on trouve des zircons sur la surface de la Lune, cela signifie qu'ils se sont formés après l'impact et le refroidissement de l'océan de magma lunaire. Puisque ces cristaux se sont formés après l'impact, leur âge révèle l'âge minimum de la Lune.

En 2017, l'équipe de Mélanie Barboni de l'UCLA détermina l'âge de la croûte lunaire à partir des modèles de l'hafnium (Hf) des zircons lunaires ramenés par Apollo 14. Leur résultats indiquent "une différenciation de la croûte lunaire il y a 4.51 milliards d'années, ce qui implique que la formation de la Lune s'est produite dans les 60 millions d'années suivant la naissance du système solaire." (M.Barboni et al., 2017).

A leur tour, dans une étude publiée dans les "Geochemical Perspectives Letters" en 2023, Jennika Greer de l'Université de Chicago et ses collègues utilisèrent les zircons pour calculer l'âge minimum de la Lune.

Greer et ses collègues ont daté les zircons en deux étapes : ils ont d'abord identifié les élément atomiques contenus dans l'échantillon puis ont déterminé les processus qui les ont formés ou dégradés (par exemple la radioactivité) afin de pouvoir dater l'échantillon.

Pour commencer les auteurs ont utilisée une technique appelée la tomographie par sonde atomique (Atom Probe Tomography ou APT) qui travaille à l'échelle subnanométrique et permet de reconstruire une image en 3D, atome par atome.

Greer nous explique le fonctionnement de l'APT : "Nous commençons par aiguiser un morceau de l'échantillon lunaire en une pointe très pointue, à l'aide d'un microscope à faisceau d'ions focalisé, presque comme un taille-crayon très sophistiqué. Ensuite, nous utilisons des lasers UV pour évaporer les atomes de la surface de cette pointe. Les atomes traversent ensuite un spectromètre de masse et la vitesse à laquelle ils se déplacent nous donne leur masse atomique, ce qui nous indique leur composition".

Cette analyse méticuleuse réalisée à l'Université Northwestern a montré de quelle manière les atomes contenus dans les cristaux de zircon avaient subi une désintégration radioactive. Ce processus de désintégration convertit les éléments instables, comme l'uranium, en éléments plus stables, comme le plomb. En étudiant les proportions de ces isotopes dans les échantillons, les scientifiques peuvent déterminer leur âge.

Les proportions d'isotopes du plomb indiquent que l'échantillon lunaire a environ 4.46 milliards d'années avec une précision de 1%.

Selon Greer, "C'est incroyable de pouvoir avoir la preuve que la roche que vous tenez est le morceau de Lune le plus ancien que nous ayons trouvé jusqu'à présent. C'est un point d'ancrage pour tant de questions sur la Terre. Lorsque vous savez quel âge a quelque chose, vous pouvez mieux comprendre ce qui lui est arrivé au cours de son histoire."

Toutefois à ce jour, toutes les dates sont différentes avec des incertitudes très variables et une marge entre les extrêmes qui atteint 113 millions d'années soit environ 2%. Ainsi la date obtenue par l'équipe de Greer est 50 millions d'années plus récente que celle calculée en 2017 par l'équipe de Barboni. Mais ce n'est pas la plus petite. A partir de la datation du rapport ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb d'un grain de zircon de la brèche de fusion par impact 72215 ramenée par Apollo 17, le géologue Alexander Nemchin et ses collègues ont obtenu un âge encore inférieur de 4.417 ±0.006 milliards d'années (cf. A.Nemchin et al., 2009). Mais c'est la datation la plus précise (à 0.1% près). Il s'agit donc de l'âge minimum de la Lune, son âge maximum étant de 4.53 milliards d'années.

En revanche, concernant la date de cristallisation de la LMO, des études basées sur les âges des modèles lunaires de l'isotope du plomb (cf. J.N. Connelly et M.Bizzarro, 2016) et la modélisation thermique (cf. M.Maurice et al., 2020) indiquent un âge compris entre 4.43 et 4.42 milliards d'années. Dans tous les cas, la cristallisation de la LMO est confirmée vers 4.3 milliards d'années par la concordance de la datation de différents matériaux (basaltes des mers, anorthosites, roches de la suite Mg et autres zircons, cf. L.E. Borg et al., 2015).

Nous verrons qu'en étudiant les roches lunaires, en particulier la troctolite 76535 ramenée par Apollo 17 en 1972, des chercheurs ont découvert que cette roche ne s'est pas refroidie en plus de 100 millions d'années comme on le supposait jusqu'alors mais en ~20 millions d'années, mettant au défi notre compréhension de l'évolution interne de la Lune.

Ensuite, la Lune subit un bombardement météoritique intense qu'on a appelé le "bombardement intensif tardif" ou LHB (Late Heavy Bombardment), qui fut à l'origine des innombrables mers et grands cratères qui parsèment aujourd'hui sa surface. Mais selon les dernières études, cet évènement cataclysmique serait survenu bien plus tôt, au cours des premiers 100 millions d'années d'existence de la Terre. Ce bombardement s'est poursuivi jusqu'il y a 3 millions d'années mais de façon beaucoup plus calme. On y reviendra.

Selon Graham Ryder, ce bombardement intensif aurait également eu des conséquences sur Terre et peut-être même des implications dans le développement de la vie. Dans un article publié dans le livre "Origin of the Earth and Moon" (2000) par Canup et Righter, Ryder et 68 collaborateurs estiment que ce bombardement météoritique aurait créé sur Terre 22000 cratères d'impacts mesurant plus de 20 km de diamètre, 40 bassins d'impacts d'environ 1000 km de diamètre et quelques bassins d'impacts d'environ 5000 km de diamètre. Toutefois, les géologues pensent qu'à cette époque (3.8 milliards d'années) la surface de la Terre était encore molle et que ces éventuelles traces d'impacts ont probablement disparu. Reste peut-être des traces de zircons remontant à cette époque qu'on pourrait découvrir dans le Gneiss d'Acasta au nord-ouest du Canada dont les roches remontent à environ 4.031 milliards d'années.

Au fil du temps, le couple Terre-Lune trouva son équilibre gravitationnel, stabilisant du même coup les mouvements chaotiques des deux astres. Ce phénomène provoqua un ralentissement de la période de rotation de la Terre et une augmentation progressive de la vitesse orbitale de la Lune et de sa distance à la Terre.

Aujourd'hui, la Lune continue de s'éloigner de la Terre à raison de 3.8 cm par an. Dans plusieurs milliards d'années la Lune se libérera de l'attraction terrestre. Elle subira l'attraction de Jupiter et du Soleil. A cette époque là, si le Soleil n'as pas grillé la Terre, la vie sur Terre deviendra impossible; son axe de rotation basculera, il pourrait même devenir chaotique, et les saisons telles que nous les connaissons n'existeront plus avec tous les effets climatiques dévastateurs que de tels changements engendreront.

Pour des raisons plus mystiques diront certains, d'autres aiment la théorie de la "Lune fille de la Terre" car elle renforce l’idée que l’humanité n'est pas apparue entièrement par hasard sur la Terre. En effet, pour les adeptes du principe anthropique - qui rappelons-le n'est pas une théorie - c'est parce que la Terre est inclinée sur son axe et dispose d'une Lune pour stabiliser ses mouvements que la vie a pu apparaître et se développer dans un environnement propice et voir l'émergence de l'homme. Nous reviendrons sur ces idées peu scientifiques dans les dossiers consacrés à la bioastronomie ainsi qu'en cosmologie.

Structure interne de la Lune

Aussi étonnant que cela soit, aujourd'hui on ne connaît toujours pas la structure interne précise de la Lune. Jusqu'en 2023 par exemple, les astrophysiciens n'étaient pas certains que la Lune possédait un noyau solide. Cette énigme est aujourd'hui résolue.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2023, Arthur Briaud du CNRS et ses collègues ont levé une partie du voile concernant la structure interne de la Lune. Vers l'an 2000, en étudiant notamment la rotation de la Lune, des chercheurs avaient identifié un noyau fluide externe mais aucun noyau solide n'avait été détecté en raison de sa petite taille. Cette fois grâce à de nouvelles données provenant de différentes missions spatiales et de télémétrie laser sur la Lune, Briaud et ses collègues ont mis en évidence un noyau solide d'environ 500 km de diamètre, soit ~14% de la taille de la Lune (3476 km de diamètre). Il est composé d'un métal dont la densité est proche de celle du fer.

Cette découverte s'accompagne de la mise en évidence de données permettant d'expliquer la présence de matériaux riches en fer dans la croûte lunaire. Certaines données mises en évidence par les scientifiques semblent accréditer l'hypothèse de déplacements de matériau dans le manteau, la couche intermédiaire entre le noyau et la croûte de la Lune, au cours de son évolution. C'est ce que l'on appelle le "retournement du manteau lunaire" et cela permet d'expliquer la présence d'éléments riches en fer à la surface de la Lune. Comment ce phénomène s'est-il produit ? On pense que des matériaux magmatiques sont remontés près de la surface et déposèrent des roches volcaniques dans la croûte lunaire. Puis, les éléments trop denses par rapport au matériel environnant de la croûte se sont enfoncés jusqu'à l'interface entre le manteau et le noyau.

Cette étude fournit des données indispensables, notamment pour comprendre l'histoire du système solaire et certains évènements, comme la disparition du champ magnétique lunaire : à l'origine cent fois plus puissant que celui de la Terre actuelle, il est aujourd'hui presque inexistant. On y reviendra (cf. page 5).

Une masse de granite enfouie sous la face cachée de la Lune

Jusqu'à présent, seuls de petits grains de matériau granitique furent ramenés par les missions Apollo et ont fait l'objet d'études durant des années. Alors quand l'équipe de Matthew Siegler du Planetary Science Institute de Tucson déclara dans la revue "Nature" en 2023 qu'une masse de 50 km de granite fut découverte sous la face cachée de la Lune, ce fut une révélation.

La découverte d'une grande quantité de granite sur la Lune est un fait majeur et d'autant plus inattendu que cet élément est presque absent du système solaire en dehors de la Terre. En effet, les auteurs rappellent que "géologiquement parlant, il est assez difficile de fabriquer du granite sans eau et sans tectonique des plaques qui aident à la refonte, raison pour laquelle ce matériau a rarement été découvert sur d'autres planètes ou lunes."

Pour découvrir cette masse granitique, les auteurs expliquent qu'ils ont "développé une méthode pour utiliser les micro-ondes pour mesurer à distance les gradients de chaleur géothermique sur la Lune. Ces mesures proviennent des instruments micro-ondes des orbiteurs lunaires chinois Chang'e 1 et 2 et des données de l'orbiteur LRO de la NASA."

Ces instruments ont détecté un dégagement inhabituel de chaleur du sol à un endroit de la Lune situé près du pôle Nord de la face cachée, dans la région des hautes terres entre les cratères Compton et Belkovich "où le pic de dégagement de chaleur atteint 180 mW/m² ou 10°C de plus que la température de l'environnement, ce qui est environ 20 fois plus élevé que la température moyenne des hautes terres."

A gauche, la flèche indique la localisation de la région de Compton-Belkovich sur la face cachée de la Lune. Au centre et à droite, la signature thermique de la masse de granite enfouie sous la région volcanique de Compton-Belkovich. Document M.Siegler al. (2023) adapté par l'auteur

La région de Compton-Belkovich est connue pour être une région géologiquement active et riche en thorium. Le thorium est un élément radioactif qui génère de la chaleur lorsqu’il se désintègre. Cependant, la quantité de chaleur émise par cette région est bien supérieure à la seule désintégration du thorium. Et de fait, les cartes thermiques obtenues par radiométrie hyperfréquence passive ente 3 et 37 GHz indiquent que la zone de chaleur s'étend sur 50 km de diamètre et plus de 30 km de profondeur avec une chaleur maximale dans les premiers 5 km sous la surface comme illustré ci-dessous.

Selon les auteurs, "la magnitude et l'étendue géographique surprenantes de cette caractéristique impliquent un système granitique évolué semblable à la Terre plus grand que ce que l'on croyait possible sur la Lune, en particulier en dehors de la région de Procellarum."

Selon Siegler, "Pour dire la vérité, nous étions un peu perplexes lorsque nous l'avons trouvé : heureusement, ma femme, le Dr Rita Economos, est la géochimiste de la famille, donc avec ses conseils, nous avons pu reconstituer la cause géologique probable de l'anomalie thermique." Rita Economos précise que "cette masse granitique est un batholite de 50 km de large ; un batholite est un type de roche volcanique qui se forme lorsque la lave monte dans la croûte terrestre mais n'éclate pas à la surface. El Capitan et Half Dome, à Yosemite en Californie, sont des exemples de granite similaire, de roches qui sont remontées en surface."

Cartes thermiques révélant le gradient de chaleur engendré par une masse de granite de 50 km de diamètre enfouie sous la région volcanique de Compton-Belkovich. Document M.Siegler al. (2023).

La production de chaleur par le granite résulte d'une réaction de désintégration radioactive en raison de sa teneur en uranium et en thorium. Sa concentration en cet endroit s'explique vraisemblablement par la formation d'un corps de magma qui s'est refroidi sous un ancien volcan dont la dernière éruption remonte à plus de 3.5 milliards d'années.

Cette découverte ouvre la perspective de découvrir des formations similaires ailleurs sur la Lune mais pose aussi de nouvelles questions. Selon Siegler, "voici donc un système sans eau et sans tectonique des plaques, mais avec du granite. Y avait-il de l'eau sur la Lune, au moins à cet endroit ? Ou était-il simplement particulièrement chaud ?"

Cette découverte remet également en question notre perception des qualités terrestres de la Lune. Autrement dit, malgré la simplicité de la géologie lunaire, sa ressemblance avec la Terre pourrait représenter un nouveau paradigme pour les sélénologues.

Si cette découverte est confirmée, elle sera extrêmement utile pour comprendre le fonctionnement interne des autres corps rocheux du système solaire. De plus, cette découverte démontre la capacité de la télédétection à détecter des caractéristiques cachées, ce qui est prometteur pour l'exploration d'autres corps célestes du système solaire.

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