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La Lune , fille de Gaïa

Photo couleur de la pleine Lune. Son visage serein mais parcouru de cicatrices témoigne d'un passé violent.

Comment la Lune s’est-elle formée ? (III)

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.

La proportion des isotopes de l’oxygène 17O/18O dans les échantillons terrestres et lunaires, que l’on ne retrouve pas dans les météorites, suggère que la Lune s’est formée à partir des mêmes matériaux que la Terre. Malgré certaines différences de composition entre le manteau terrestre et lunaire, les similitudes entre les deux astres sont frappantes. Les météorites SNC proviendraient de Mars. Adapté de "Mission to the Moon", ESA SP-1150, 1992.

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 ?

Au XXe siècle, George Darwin proposa que la Lune est née de la Terre suite à une éjection centrifuge de matière. Si la Lune est bien la "fille" de la Terre, elle ne s'est pas formée de cette façon. Document T.Lombry rendant hommage à l'illustateur Davis Meltzer de la NGS.

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.

Schéma de la collision de la Terre avec l'impacteur à l'origine de la formation de la Lune selon Cameron et Ward, "Lunar Science VII" 1976, Fig.42.

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

Formation de la Lune, NASA

La formation de la Lune

La Lune se serait formée suite à l'impact d'un astéroïde dénommé Théia sur la Terre il y a 4.56 à 4.40 milliards d'années, propulsant dans l'espace une fraction notable du magma de faible densité. Une seconde petite lune d'environ 1000 km de diamètre s'est également formée mais percuta la face cachée de la Lune moins de 10 millions d'années après sa formation. Les grandes mers lunaires se sont formées il y a plus de 3.8 milliards d'années tandis que le cratère Tycho est apparu il y a seulement 108 millions d'années. Doc SwRI et Don Davis.

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 probablement frontal. 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 1/80e 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.

Une proto-Terre recouverte d'un océan de magma

De nouvelles 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, 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 (Agence japonaise pour les sciences et technologies marines et terrestres) a testé le scénario selon lequel au moment de l'impact, la Terre primitive d'il y a plus de 4.51 milliards d'annés 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 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. A droite, arrêt sur image de la modélisation numérique de la formation de la Lune suite à la collision avec un impacteur solide géant. La partie centrale de l'image est une proto-Terre; les points rouges indiquent les matériaux de l'océan de magma d'une proto-Terre; les points bleus indiquent les matériaux de l'impacteur. Documents T.Lomrby 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 ejecta 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 smithériens qui en résultèrent (auquel cas les compositions des deux astres devraient être pratiquement identiques). En fait ni l'un ni l'autre 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 les "Astrophysical Journal Letters" en 2019, Nicole X. Nie et Nicolas Dauphas de l'Université de Chicago ont étudié la composition isotopique des roches terrestre 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.

Illustration de la collision il y a plus de 4.51 milliards d'années entre la proto-Terre en formation et un astéroïde presque aussi massif qui pulvérisa les deux astres. Cette rencontre cataclysmique fut peut-être à l'origine du couple Terre-Lune. Dessin de Don Davis adapté par l'auteur.

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 les superplumes du 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).

Le manteau terrestre n'est pas complètement uniforme. Environ 8% de son volume sont différents du reste et forment deux grandes masses à la limite noyau-manteau (CMB), vers 2750 km de profondeur. Ces deux zones sont 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 massess 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).

Certains chercheurs pensent que les LLSVP ralentissent les ondes de cisaillement parce qu'elles ont une température plus élevée que le reste du manteau. D'autres, comme Yuan et ses collègues, pensent qu'elles sont plus denses et différentes non seulement par leur température mais également par leur composition. En effet, après l'impact Théia se serait enfoncé dans la manteau où il forma les LLSVP.

Yuan détermina que la taille des deux LLSVP faisaient 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.

Pour renforcer son idée, 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.

A voir : Theia LLSVPs_Qian Yuan, 2021

A gauche, cartographie des zones de cisaillement LLSVP à la limite noyau-manteau, vers 2750 km de profondeur basé 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, cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF. de 4 MB) montrant l'emplacement des LLSVP basée sur la tomographie sismique (la mesure des temps de parcours des ondes sismiques). Documents EGU Blogs et S.Cottaar et V.Lekic (2016).

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 modéliser 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.

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".

Quel est l'âge de la Lune ?

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 extraites des carottes de son écorce, ce qui fut réalisé notamment grâce aux missions Apollo.

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.

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), ont environ 4.44 milliards d'années.

A 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, ce qui lui permit de corriger et de préciser l'âge de la Lune. Les résultats de leur étude furent publiés dans la revue "Nature Geoscience" en 2019.

Thiemens et ses collègues 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, le tungstène et l'uranium pour comprendre quelle quantité de matière en fusion fut nécessaire pour former les grandes mers de basaltes.

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 chercheurs ont montré que la Lune commença à se solidifier 50 millions d'années seulement après la formation du système solaire.

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.

A consulter : The Lunar Sample Compendium, NASA/JSC

Ensuite, entre 4.1 et 3.8 milliards d'années, la Lune subit un bombardement météoritique massif 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. Ce bombardement s'est poursuivi jusqu'il y a 3 millions d'années mais de façon beaucoup plus calme. On y reviendra.

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.

Selon Graham Ryder, ce bombardement tardif aurait également eut 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 tardif 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 à 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.

Prochain chapitre

Une évolution bouleversée

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[1] A propos de la composition de la Lune et notamment en isotopes, lire "Mission to the Moon", ESA, 1992 - Edward Young et al., "Moon was produced by a head-on collision between Earth and a forming planet", UCLA, 2016.

[2] A propos de la modélisation de la collision entre la Terre primitive et l'astéroïde Théia, lire Matija Ćuk et Sara T. Stewart, "Making the Moon from a fast-spinning Earth: A giant impact followed by resonant despinning", Science, 2012 (ou l'article publié par l'Institut SETI) - Robin Canup, "New model reconciles the Moon's Earth-like composition with the giant impact theory of formation", SwRI, 2012.


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