L'origine violente de la Lune

Les astronautes d'Apollo ont renvoyé 842 livres (374 KG) de roches lunaires sur Terre. Ces précieux échantillons ont beaucoup révélé le passé de la Lune.

Par Robin M. Canup  | Publication: vendredi 1 novembre 2019

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L'hypothèse de l'impact géant pose la Lune formée après une collision entre la Terre primitive et un impacteur de la taille d'une planète, comme le montre le concept de cet artiste. 

NASA / JPL-Caltech

L a lune a toujours fait signe. Bien avant que nos ancêtres ne réalisent que les «étoiles errantes» étaient en fait des planètes partageant le système solaire avec la Terre, ils ont reconnu que la Lune était une sorte de frère de notre planète. Et sûrement l'une des premières grandes questions à se poser était: comment la Lune est-elle devenue?

Il y a cinquante ans, les humains ont accompli l'un de nos plus grands exploits d'exploration lorsque nous avons posé le pied sur la Lune. Le programme Apollo a été reconnu comme un triomphe politique et technologique, mais moins apprécié est la manne scientifique apportée par les précieux échantillons lunaires que les astronautes d'Apollo sont retournés sur Terre. Ces reliques se sont finalement révélées essentielles pour répondre à la question séculaire de la formation de la Lune.

Harrison Schmitt recueille des échantillons lunaires de la surface de la Lune lors d'Apollo 17 à l'aide d'un scoop spécialisé. Notez à quel point le costume de Schmitt est sale, grâce à la nature cohérente du régolithe lunaire.

NASA

Les roches d'Apollo révèlent le passé de la Lune

Notre planète a largement effacé le record de son passé ancien, grâce à une refonte continue de sa surface grâce à l'activité géologique. Mais la Lune est essentiellement dormante, donc sa surface fortement cratérisée conserve un record d'événements du système solaire remontant à des milliards d'années. Ainsi, la Lune ouvre également une fenêtre sur l'histoire primordiale de notre planète.

L'un des principaux objectifs du programme Apollo était de distinguer les théories de l'époque de la formation de la Lune: capture, co-formation et fission. La théorie de la capture postulait que la Lune se serait formée indépendamment de la Terre, pour ensuite être capturée plus tard par notre planète lors d'un survol fortuit. La théorie de la co-formation, cependant, envisageait la croissance de la Lune aux côtés de la Terre, la paire accumulant de la masse à partir de la même source de matière. Le troisième modèle, la fission, proposait que la Terre antique tournait si rapidement qu'elle devenait instable, développant une section médiane gonflée et perdant du matériel de son équateur qui deviendrait finalement la Lune.

Le cache d'Apollo d'échantillons et de données lunaires a permis aux chercheurs de découvrir de nouveaux indices et contraintes pour ces trois modèles. Par exemple, la mesure de l'âge des plus anciens échantillons d'Apollo a montré que la Lune devait s'être formée il y a environ 4,5 milliards d'années, seulement 60 millions d'années après la condensation des premiers grains de notre système solaire. Cela signifie que la Lune est apparue au cours de la même époque ancienne qui a vu la naissance des planètes.

Selon l'hypothèse d'impact géant, un grand impacteur de taille Mars appelé Theia a percuté la Terre, créant un disque de débris en orbite qui a finalement coagulé dans la Lune, comme le montre ce graphique simplifié.

Astronomie : Roen Kelly, d'après Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine

À partir de mesures à distance de la masse et du rayon de la Lune, les chercheurs savent également que sa densité est anormalement basse, ce qui indique qu'il manque de fer. Alors qu'environ 30 pour cent de la masse de la Terre est piégée dans son noyau riche en fer, le noyau de la Lune ne représente que quelques pour cent de sa masse totale. Malgré cette différence substantielle de fer, des échantillons d'Apollo ont révélé plus tard que les roches du manteau de la Lune et de la Terre avaient des concentrations d'oxygène remarquablement similaires.

Et parce que ces roches lunaires et terrestres diffèrent considérablement des météorites provenant de Mars ou de la ceinture d'astéroïdes, cela montre que la lune et le manteau terrestre partagent une connexion passée. De plus, par rapport à la Terre, les roches lunaires sont plus appauvries en éléments dits volatils - ceux qui se vaporisent facilement lors du chauffage - ce qui laisse penser que la Lune s'est formée à des températures élevées.

Enfin, les chercheurs savent que les interactions des marées ont forcé la Lune à tourner en spirale vers l'extérieur au fil du temps, ce qui à son tour a fait tourner la Terre plus lentement. Cela implique que la Lune s'est formée beaucoup plus près de la Terre qu'elle ne l'est actuellement. Des mesures précises de la position de la Lune à l'aide de réflecteurs de surface placés pendant le programme Apollo ont ensuite confirmé cela, vérifiant que l'orbite de la Lune se dilate d'environ 1,5 pouces (3,8 centimètres) chaque année.

Hypothèse d'impact géant

Comme il n'est pas rare en science, les données d'Apollo, qui étaient à l'origine destinées à tester les théories existantes, en ont plutôt inspiré une nouvelle. Au milieu des années 1970, les chercheurs ont proposé l'hypothèse de l'impact géant. Le scénario roman prévoyait qu'à la fin de sa formation, la Terre est entrée en collision avec un autre corps de la taille d'une planète. Cela a produit beaucoup de débris dans l'orbite de la Terre, qui à leur tour ont fusionné dans la Lune. La planète impactante sera plus tard nommée Theia, en l'honneur de la déesse grecque qui était la mère de la Lune.

La nouvelle théorie de l'impact semblait concilier plusieurs sources de données. Si le matériau qui a formé la Lune provenait des couches externes de la Terre et de Theia, plutôt que de leurs noyaux, une Lune pauvre en fer comme nous l'observons en résulterait naturellement. Un impact géant qui a frappé la Terre de manière oblique pourrait également expliquer la rotation initiale rapide de la Terre. Enfin, l'énorme énergie libérée lors d'un tel impact vaporiserait une partie substantielle de l'éjecta, expliquant le manque de matières volatiles de la Lune.

La communauté scientifique était initialement sceptique quant à ce nouveau modèle. L'hypothèse d'impact a été critiquée comme étant une solution artificielle et ad hoc qui pourrait représenter un événement extrêmement improbable. Mais en même temps, le travail sur les modèles concurrents s'est avéré de plus en plus insatisfaisant.

La dissipation d'énergie nécessaire pour capturer la Lune intacte lors d'un survol rapproché semblait invraisemblable, voire impossible. Les modèles de co-formation de la Lune aux côtés de la Terre ont eu du mal à expliquer pourquoi la Lune aurait une proportion de fer très différente. De plus, le moment angulaire actuel du système Terre-Lune est trop faible pour être expliqué par une Terre instable en rotation qui a jeté suffisamment de matière pour former la Lune. Bien que les chercheurs aient effectué peu de travaux quantitatifs sur le modèle d'impact géant au début, il est finalement apparu comme la théorie la plus prometteuse lors d'une conférence au milieu des années 1980 sur l'origine lunaire, en grande partie en raison des faiblesses des théories concurrentes.

Les échantillons lunaires collectés pendant les missions Apollo, comme ceux vus ici, aident à révéler l'origine mystérieuse de la Lune. Les petits cubes mesurent 1 cm sur un côté et sont inclus pour l'échelle.

NASA / David Kring

Mais un impact géant pourrait-il vraiment produire la Lune? La réponse à cette question n'était pas évidente à l'époque. De la physique de base, les scientifiques savaient que les éjectas lancés depuis une planète sphérique devraient soit s'échapper entièrement dans l'espace, soit retomber à la surface de la planète. Le matériau éjecté ne doit pas simplement entrer dans une orbite stable autour de la planète. Cependant, un impact suffisamment important - un par un corps à peu près de la taille de la cible elle-même - déforme la forme de la planète touchée, modifiant ses interactions gravitationnelles avec l'éjecta. 

De plus, les chercheurs savaient que le matériau partiellement vaporisé peut obtenir sa propre accélération à l'aide de gaz qui s'échappent, ce qui modifie la trajectoire du matériau. Cependant, l'évaluation des effets de ce scénario a nécessité une nouvelle génération de simulations informatiques à une échelle jamais modélisée auparavant. Avec la technologie alors disponible, de telles simulations étaient extrêmement difficiles, mais les chercheurs ont finalement montré que les impacts géants pouvaient produire des matériaux en orbite qui pourraient s'assembler dans la Lune.

Grâce à de vastes améliorations informatiques, les chercheurs avaient identifié au début des années 2000 ce qui allait devenir la théorie de l'impact «canonique»: une collision à basse vitesse à un angle d'environ 45 degrés par Theia, qui avait une masse similaire à celle de Mars . Un tel impact produirait un disque de matériel appauvri en fer suffisamment massif pour former la Lune, tout en conduisant simultanément à une journée de cinq heures pour la Terre. Puis, pendant des milliards d'années, les interactions intertidales ont transféré un élan angulaire à la Lune, qui a progressivement poussé la Lune vers l'extérieur et ralenti la rotation de la Terre. Cela correspond bien à la journée actuelle de 24 heures sur Terre, ainsi qu'à la distance orbitale actuelle de la Lune.

Questions persistantes

Si la Lune était comme d'autres corps astronomiques, pour lesquels nous n'avons généralement que des observations à distance, à ce stade, nous aurions probablement déclaré que l'histoire d'origine de la Lune était résolue. Dans ce cas, cependant, nous avons des échantillons physiques de la Lune et de la Terre que nous pouvons comparer. Expliquer la relation chimique de ces échantillons s'est avéré être le plus grand défi de l'hypothèse d'impact géant, inspirant une rafale de travaux au cours de la dernière décennie pour étudier comment la Lune est devenue exactement.

L'énigme est la suivante: dans la plupart des impacts géants en forme de disque comme ceux décrits ci-dessus, il s'agit principalement de matériel provenant des parties extérieures de Theia qui sont projetées sur l'orbite de la Terre. Mais nous ne pouvons pas savoir avec certitude quelle était la composition de Theia lorsqu'elle a eu un impact sur la Terre. Si Theia, comme Mars ou les astéroïdes de la ceinture principale, était faite de matériaux différents de la Terre, alors les éjectas provenant de Theia devraient avoir une composition différente de celle de notre planète.

Au lieu de cela, les données dérivées des échantillons lunaires d'Apollo montrent de plus en plus que la Lune et la Terre sont presque chimiquement indiscernables, non seulement pour l'oxygène, mais aussi pour de nombreux autres éléments. Ils ont des isotopes ou variations similaires des mêmes éléments. Pour résoudre cette crise isotopique, il faut expliquer comment la collision de deux planètes formées indépendamment, chacune avec sa propre histoire et sa propre composition, aurait pu produire deux de ces progénitures indiscernables.  

Une explication possible est que Theia avait une composition semblable à la Terre, peut-être en raison de la formation des deux corps à partir de matériaux partagés à une distance similaire du Soleil. En fait, il existe des preuves que les impacteurs qui ont livré les 40 pour cent finaux de la masse de la Terre avaient tous la même composition, ce qui indique qu'ils se sont formés à partir des mêmes éléments. Cependant, de nouvelles analyses d'échantillons lunaires mettent en évidence une ressemblance entre la Terre et la Lune qui ne correspond pas exactement, et elle implique l'élément tungstène.

Le tungstène est particulièrement utile pour comprendre l'origine d'une planète pour deux raisons: il a tendance à être incorporé au noyau métallique d'une planète au fur et à mesure de sa formation, et un isotope, ou saveur, du tungstène est produit par la désintégration radioactive de l'élément hafnium, qui était répandu seulement pendant les premiers 60 millions d'années de l'histoire du système solaire. Contrairement au tungstène, l'hafnium n'est généralement pas incorporé au cœur d'une planète et reste à la place dans son manteau. En supposant que le noyau d'une planète se soit formé au cours des 60 premiers millions d'années - comme cela était probablement vrai pour Theia et la Terre - l'abondance de hafnium et, donc, l'isotope particulier de tungstène qu'il produit dans son manteau, est extrêmement sensible au moment de son noyau. formation. En d'autres termes, même si Theia avait été semblable à la Terre dans des éléments comme l'oxygène en raison de sa formation près de la Terre, une coïncidence supplémentaire dans le moment de leur formation serait nécessaire pour produire la correspondance tungstène Terre-Lune observée. Les estimations actuelles suggèrent qu'une telle coïncidence aurait été hautement improbable.

Un scénario alternatif prévoit que l'impact géant a produit un disque formant la Lune qui était chimiquement distinct de la Terre au début. Ensuite, des parties vaporisées de la Terre se sont mélangées avec de la vapeur dans le disque, égalisant leurs compositions. Dans ce modèle d'équilibration, le mélange de matière a essentiellement effacé la signature chimique de Theia dans le disque formant la Lune.

L'équilibration est un processus attrayant car il pourrait expliquer pourquoi la Terre et la Lune présentent des similitudes entre de nombreux éléments, y compris le tungstène. Cependant, un tel mélange a dû se produire rapidement, car il n'a probablement fallu que quelques centaines d'années à la Lune pour se former à partir du disque. Il n'est pas certain qu'un mélange aussi efficace ait eu lieu sur une période aussi courte.

Variations sur une théorie

En 2012, les chercheurs ont fait une découverte importante. Ils ont montré que certaines interactions gravitationnelles avec le Soleil auraient pu permettre à la Terre de ralentir sa rotation d'un facteur deux ou plus en siphonnant le moment angulaire du spin de la Terre dans son orbite autour du Soleil. Si cela est possible, cela signifie que le taux de rotation de la Terre juste après la formation de la Lune aurait pu être encore plus rapide que prévu - tournant environ une fois toutes les deux heures au lieu de toutes les cinq heures. Cela indiquerait un impact encore plus puissant avec Theia.

Les chercheurs ont proposé une variété d'impacts à forte impulsion angulaire qui pourraient produire des Terres en rotation rapide, y compris certains qui conduisent à un disque et à une planète avec des mélanges presque égaux de matériaux de Theia et de la Terre ancienne. Le ralentissement exact nécessaire pour expliquer un impact plus important et plus énergétique nécessiterait cependant une gamme étroite de paramètres qui sont encore assez incertains. Cela rend la probabilité globale du scénario peu claire. 

Cela fait presque 50 ans que les humains ont mis le pied sur la Lune pour la dernière fois. Mais grâce au programme Artemis de la NASA, les humains pourraient retourner à la surface lunaire en 2024, révélant peut-être de nouveaux indices sur la formation de la Lune.

NASA

Mais que se passerait-il si la Lune était le produit de multiples impacts, plutôt que d'un seul? Les modèles alternatifs récents considèrent la Lune formée via des dizaines d'impacts plus petits avec la Terre, plutôt qu'un seul impact géant. Dans ce scénario, un impact relativement faible crée un «moonlet» dont l'orbite tourne en spirale vers l'extérieur. Un impact ultérieur produit un autre moonlet, et sa migration vers l'extérieur pourrait le faire fusionner avec le premier. Une Lune de grande taille construite par de nombreux impacteurs plus petits avec une gamme de compositions est plus susceptible de se retrouver avec une composition semblable à la Terre qu'une Lune produite par un seul impact. Cependant, le problème avec cette théorie est que les moonlets formés par différents impacts ne fusionnent pas nécessairement. Au lieu de cela, il est plus probable que ces moonlets soient éjectés de l'orbite ou finissent par entrer en collision avec la Terre.

Une dernière question est de savoir si les simulations d'impact lunaire ont pris en compte tous les aspects importants d'une collision lunaire. Des études antérieures ont généralement trouvé des résultats similaires même lorsque différentes conditions et approches de calcul sont adoptées. Cependant, de nouvelles recherches suggèrent que si le manteau terrestre était fondu au moment de l'impact géant - en raison de la chaleur d'un impact antérieur récent - alors beaucoup plus de matériel terrestre pourrait être éjecté dans l'espace, conduisant à un disque plus semblable à la Terre, même pour un scénario d'impact géant. 

Où allons-nous à partir d'ici?

Ainsi, nous trouvons des modèles d'origine lunaire à un carrefour en quelque sorte. D'une part, de nombreux aspects autrefois incertains de l'hypothèse d'impact géant ont été validés. Les modèles actuels de formation des planètes prédisent que les impacts géants étaient monnaie courante dans le système solaire interne à mesure que la Terre grandissait. Des milliers de simulations de plus en plus sophistiquées ont établi que de nombreux (sinon la plupart) scénarios d'impact géants produiraient des disques et des lunes. Le manque de fer de la Lune, difficile à expliquer dans les modèles concurrents comme la capture intacte, résulte naturellement d'un impact important. En effet, le matériau qui s'est fusionné dans la Lune provient des manteaux extérieurs des corps en collision plutôt que de leurs noyaux riches en fer.  

Cependant, expliquer d'autres caractéristiques pose toujours un défi difficile. Plus précisément, il est difficile de tenir compte de la liste sans cesse croissante des similitudes élémentaires entre la Terre et la Lune, révélée par des échantillons lunaires. On pourrait s'attendre à ce que la collision de deux planètes ait laissé une trace de leurs différences de composition, et pourtant - au moins sur la base des données actuelles - de telles différences ne sont pas évidentes.

Les chercheurs ont proposé de nombreuses nouvelles explications créatives sur la façon dont un impact (ou des impacts) aurait pu produire une Lune si chimiquement similaire à la Terre. Cependant, les nouvelles idées imposent des contraintes supplémentaires. Ainsi, la théorie de l'impact est toujours aux prises avec la question à laquelle elle était confrontée il y a près d'un demi-siècle: un tel événement aurait-il été probable, ou faut-il que la Lune soit le produit d'un événement très inhabituel? 

Les progrès dépendent des évolutions sur plusieurs fronts. Les chercheurs devront utiliser des modèles de nouvelle génération pour relier les différents scénarios d'origine afin de prédire les propriétés de la Lune, qui seront ensuite testées en les comparant aux observations.

Heureusement, les États-Unis et d'autres pays spatiaux planifient des missions lunaires à venir qui visent à fournir de nouvelles contraintes cruciales. Par exemple, de nouveaux échantillons lunaires peuvent révéler plus complètement la composition de la Lune en profondeur. Des mesures améliorées de l'activité sismique lunaire et du flux de chaleur pourraient mieux limiter la composition interne de la Lune et son état thermique initial.

En fin de compte, nous continuerons à chercher la réponse à la façon dont notre Lune a vu le jour, non seulement pour que nous puissions comprendre l'histoire de notre monde d'origine, mais plus généralement, afin que nous puissions apprendre ce que notre prochain voisin cosmique peut nous enseigner sur la formation et évolution des planètes intérieures - à la fois dans notre système solaire et au-delà.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/11/the-moons-violent-origin?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR158aLhZh1mxEyFZ80F-7RdfWAiFsjt-kYE0bgbbEPXdRWDv1l3_oWrUhY