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La Lune, fille de Gaïa

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

Si nous pouvons répondre à cette question, nous pourrons savoir si la Lune est un astre vagabond qui a été capturé par le champ gravitationnel terrestre, si elle s’est formée de la même façon que la Terre mais séparément d’elle à partir du disque d’accrétion protoplanétaire ou si elle est née de la Terre suite à une éjection de matière.

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 été capable de 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.

Second fait étonnant, la densité des deux astres est assez voisine; 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.

Ensuite la constitution 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/18 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 voclans 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.

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. 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.

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.

La seule explication rationnelle qui fut retenue fut celle de l’impact. Sachant que la Lune comme la Terre ont subi un bombardement massif, 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 volatiles 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 divers 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 septième conférence sur la science lunaire alias "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".

Selon Cameron et Ward, 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 son 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'Hawaii, Cameron posa la question : "est-il est plausible qu'un corps extraplanétaire du volume - au moins - de Mars, ait pu vagabonder à l'ntérieur 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 preuves 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.

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

Formation de la Lune, NASA

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

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 quelque 4.55 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.

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 un difficulté la théorie originale de Cameron et Ward.

Aujourd'hui cette théorie appelée de collision-éjection est toujours d'actualité mais a été améliorée 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 avait à peine fini d’accréter les planétésimaux du disque protoplanétaire, il y a quelque 4.55 milliards d’années un astéroïde dénommé Théia (du nom de la mère de la Lune dans la mythologie grecque) constitué de fer (sidérite) probablement de la taille de Mars (le diamètre de l'impacteur est estimé entre 1000 et 6000 km) percuta violemment la 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 pa la même occasion la densité des éléments éjectés dans l'espace.

Au point d'impact, la plume constituée de laves et de débris retomba fnalement 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.

Modélisation de l'impact entre la Lune et la petite lune d'environ 1000 km de diamètre qui percuta sa face cachée. Document M.Jutzi et E.Asphaug/UCLA.

La langue de matière qui fut pulvérisée et s’éparpilla dans l’espace perdit rapidement tous ses composés volatils et ne contena bientôt 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 à environ 36000 km d'altitude, 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 le relief très accidenté contraste avec les vastes plaines - les mers - que l'on voit sur sa face visible.

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 poursuivit jusqu'il y a 3 millions d'années mais de façon beaucoup plus calme. On y reviendra.

Selon Grahma 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 en 2000, 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.

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.

Pour des raisons plus mystiques diront certains, d’autres aiment cette théorie 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

Structure géologique

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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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