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Origine de la Lune : du nouveau sur la collision entre Théia et la Terre

L'origine de la Lune est un problème de cosmogonie passionnant. Depuis quelques décennies, l'hypothèse de sa genèse à partir d'une collision entre la Terre et une petite planète nommée Théia a la faveur de la communauté scientifique. Des chercheurs pensent maintenant que cet astre a frappé la Terre de manière frontale et non pas latéralement comme supposé jusqu'à présent.


L’origine de la Lune est entourée de mystère. Séparation à partir d’une autre planète, création simultanée avec le Système solaire ou encore collision avec la Terre, plusieurs hypothèses quant à sa formation ont été avancées au cours du temps. Discovery Science s’est penché sur la question au cours de cet épisode des Clés de l'univers.

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Depuis que William K. Hartmann et Donald R. Davis ont publié dans le célèbre journal Icarus un article proposant les grandes lignes du scénario de la collision pouvant expliquer l’origine de la Lune, celui-ci a connu plusieurs rebondissements et ne cesse de se renforcer. Tout comme leurs collègues Alastair G. W. Cameron et William R. Ward (qui étaient également arrivés à des conclusions similaires indépendamment), les deux astrophysiciens s'étaient inspirés des travaux concernant la formation des planètes du Système solaire issus de l’école soviétique menée par Viktor Safronov.

Ces quatre chercheurs avaient également utilisé les données cosmochimiques fournies par les roches ramenées sur Terre par les missions Apollo ainsi que l’analyse des météorites. Ils en étaient venus à la même déduction : quelques dizaines de millions d’années après le début de la formation du Système solaire il y a 4,56 milliards d’années, une petite planète de la taille de Mars et baptisée Théia – son nom lui a été donné en souvenir de la divinité grecque mère d’Hélios (le Soleil) et de Séléné (la Lune) – avait dû entrer en collision avec la proto-Terre. Les débris de cette collision auraient ensuite donné naissance à la Lune par accrétion dans le disque de matériaux formé autour de la jeune Terre. La mécanique céleste nous dit en effet qu'une collision est bien plus probable qu'une capture de la Lune par la Terre.

L’hypothèse n’eut pas vraiment d’écho dans la communauté scientifique jusqu’à ce qu’une conférence se tienne en 1984, à Hawaï, sur l’origine de la Lune. Celle-ci donna lieu à la publication d’un livre en 1986 qui est, depuis, devenu une référence sur ce sujet. De nombreuses simulations numériques ont par la suite vu le jour (notamment celle de Robin Canup dans les années 1990), qui ont tout à la fois contribué à conforter cette théorie et à la rendre problématique. Les cosmochimistes sont aussi entrés dans la danse et, si personne n’a vraiment remis en question le scénario de la collision, on assiste tout de même à des mouvements de balancier en ce qui concerne les détails de cette collision. Le dernier en date est exposé dans un article publié dans Science par une équipe internationale de chercheurs.

Un échantillon de roche lunaire provenant de la mission Apollo 15. Il s'agit d'un basalte.
Un échantillon de roche lunaire prélevé lors de la mission Apollo 15. Il s'agit d'un basalte. © Nasa

La Lune contient beaucoup de matière du manteau terrestre

Comme toujours, tout l'enjeu est de déterminer la composition chimique exacte de Théia, sa taille et surtout l’angle avec lequel cette petite planète serait entrée en collision avec la proto-Terre. Selon ces paramètres, une plus ou moins grande quantité du manteau terrestre aurait été éjectée dans l’espace pour être ensuite incorporée dans la jeune Lune.

Pour poser des contraintes sur ces paramètres, les chercheurs ont fait de nouvelles analyses d’échantillons de sept roches lunaires rapportées par les missions Apollo 12, 15 et 17. Ils ont plus précisément déterminé les abondances des isotopes d’oxygène 16, 17 et 18. Ils ont fait de même avec cinq roches volcaniques provenant d’Hawaï et issues, donc, de la remontée du panache de matière chaude associé à un point chaud – cela permet d’accéder à la composition en profondeur du manteau de la Terre. Une roche volcanique de l'Arizona a également été utilisée.

L’oxygène, sous ses différentes formes isotopiques, constitue jusqu’à 90 % du volume des roches silicatées constituant le manteau de la Terre et sa croûte et pas loin de 50 % de leur poids. Ces isotopes constituent des sortes d’empreintes digitales des corps rocheux dans le Système solaire. Mars, la Terre et les météorites ont des abondances d’isotopes 17 et 18 spécifiques. Cependant, contrairement à ce qu’avaient avancé des chercheurs allemands en 2014, il semble maintenant que la Lune et la Terre n’aient pas des différences d’abondances des isotopes de l’oxygène mesurables.

Cette image est celle d'une lame de roche basaltique lunaire observée au microscope polarisant. L'échantillon de roche provient de la mission Apollo 12. © Nasa
Cette image est celle d'une lame de roche basaltique lunaire observée au microscope polarisant. L'échantillon de roche provient de la mission Apollo 12. © Nasa

A priori, Théia devait avoir une composition isotopique différente de celle de la Terre. Selon les chercheurs, pour expliquer que la Lune et la Terre aient perdu la mémoire de cette différence, il faut supposer qu’une collision frontale s’est produite entre les deux corps célestes.

Jusqu’à présent, c’était l’hypothèse d’une collision latérale, avec un angle de 45 °, qui était favorisée. Toutefois, avec une collision frontale, une plus grande quantité de matériaux en provenance du manteau de notre planète aurait notamment été éjectée avant qu’une partie mélangée aux restes de Théia ne se retrouve dans la jeune Lune et la jeune Terre. Avec une collision à 45 °, la Lune aurait contenu plus de matériaux provenant de Théia, ce qui ne semble pas être le cas.

Le dernier mot n’est probablement pas encore dit. Les prochaines missions lunaires, les analyses géochimiques réalisées sur Terre et les simulations numériques des mécaniciens célestes alimenteront sans doute le débat pendant encore longtemps.

Que se passe-t-il quand deux astres entrent en collision ? Cette vue d’artiste reflète l’ampleur du phénomène : la formation d’un cercle massif de poussière. Elle représente des objets de la taille de Pluton près de l'étoile Véga. © Nasa, JPL-Caltech, T. Pyle (SSC/Caltech), Wikimedia Commons, DP Que se passe-t-il quand deux astres entrent en collision ? Cette vue d’artiste reflète l’ampleur du phénomène : la formation d’un cercle massif de poussière. Elle représente des objets de la taille de Pluton près de l'étoile Véga. © Nasa, JPL-Caltech, T. Pyle (SSC/Caltech), Wikimedia Commons, DP

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