Une autre vue d'artiste montrant la collision de Théia et de la Terre. Là aussi, la grande taille de Théia apparaît conforme à l'un des derniers scénarios proposés pour la formation de la Lune. © Nasa

Planète

Origine de la Lune : nouveaux scénarios de collision avec Théia

ActualitéClassé sous :géologie , Astronomie , formation de la Lune

Le scénario principalement accepté pour la formation de la Lune fait intervenir une collision pendant l'Hadéen entre la jeune Terre et une petite planète de la taille de Mars, nommée Théia. Cette hypothèse laissait toutefois subsister des énigmes cosmochimiques. Elles viennent peut-être de trouver leurs solutions, selon deux groupes de chercheurs.

  • Admirez la Lune en diaporama

Grâce au programme Apollo et aux roches lunaires que Neil Armstrong et ses collègues ont ramenées sur Terre, on sait que la Lune partage avec notre planète de surprenantes similitudes de composition chimique, notamment au niveau des isotopes de tungstène, chrome, silicium et oxygène, qui rappellent la composition du manteau de la Terre. Autre certitude : la Lune possède un noyau ferreux anormalement petit et est très pauvre en eau.

De ces informations sur la composition de notre satellite, jointes à des considérations de mécanique céleste, les astronomes et les cosmochimistes en avaient déduit que l'explication la plus probable pour sa formation faisait intervenir un impact géant il y a plus de 4,4 milliards d'années. Une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, serait ainsi entrée en collision tangentielle avec la Terre, moins de 100 millions d'années après le début de la naissance du Système solaire. Sous l'impact, le noyau ferreux de Théia aurait été capturé par la Planète (pas encore) bleue, une partie du manteau des deux se serait ensuite retrouvée sous la forme d'un disque d'accrétion entourant la Terre, dans lequel serait finalement née la Lune.


Comment s'est formée la Lune? Voici la réponse standard jusqu'à ce jour. Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez www.dubigbangauvivant.com. © Dubigbangauvivant

Des isotopes contraignants pour les scénarios de collision

Pourtant, d'après ce scénario, la composition chimique de la Lune devait différer tout de même un peu de celle de la Terre car une bonne partie des roches de notre satellite devait provenir du matériau initial de Théia. L'analyse des météorites a en effet révélé des variations isotopiques notables, en particulier pour le titane et l'oxygène, dans les corps rocheux du Système solaire (bien qu'ils partagent aussi des similitudes remontant à une origine commune, la nébuleuse protosolaire). Or, la Terre et la Lune apparaissent comme des jumelles au niveau des isotopes de l'oxygène et du titane.

Si les modèles de formation de la Terre et de la Lune reproduisent bien leur masse et leur vitesse de rotation respectives, ainsi que plusieurs caractéristiques chimiques, ils laissent donc subsister des énigmes au niveau des isotopes. Les tentatives pour remédier à ces mystères en introduisaient jusqu'ici d'autres concernant la mécanique céleste.

Une vue d'artiste de la collision de Théia avec la jeune Terre. Sur cette image, Théia est plus grosse que Mars, ce qui apparait maintenant comme possible. © Ron Miller

Le problème de la vitesse de rotation de la Terre

On pouvait par exemple supposer que la Terre, avant sa collision avec Théia, tournait rapidement sur elle-même et qu'une plus grande quantité de matière provenant de notre planète s'était échappée du fait de cette rotation, pour ensuite être capturée par la jeune Lune en formation juste après sa collision. Malheureusement, la conservation du moment cinétique du système Terre-Lune, s'il permet bien de partir d'une Terre en rotation rapide dont la vitesse diminue avec le temps sous l'effet des forces de marée lunaire, n'autorisait pas jusqu'à présent une vitesse de rotation initiale de la Terre suffisamment élevée pour résoudre les énigmes de la chimie de la Lune.

C'est ce mécanisme qui a fait migrer la Lune loin de la Terre, fait augmenter la durée du jour terrestre et a abouti à ce que la Lune présente toujours la même face à la Terre (c'est le phénomène de la rotation synchrone). En partant des observations actuelles et en renversant le sens du temps pour prédire le passé, on aboutit en effet à une rotation de la Terre juste après sa collision avec Théia d'environ 5 heures... ce qui est trop lent.

Des chercheurs viennent aujourd'hui de publier dans Science deux articles proposant deux nouveaux scénarios de collisions qui semblent pouvoir résoudre toutes ces énigmes.


Film d'animation représentant la naissance de la Terre et de la Lune. © TriSkull666-YouTube

Deux planètes de même taille en collision

Dans l'un de ces scénarios, la Terre, en forme d'ellipsoïde très aplati, est en rotation très rapide, avec un jour durant de 2 à 3 heures seulement. En dessous de 2 heures, la vitesse de rotation de la Terre serait telle que la force centrifuge la ferait éclater. Avec une pareille vitesse de rotation au moment de la formation de la Lune, suffisamment de matériau provenant du manteau de la Terre peut être éjecté et entrer dans la composition de notre satellite pour rendre compte de sa proximité chimique avec la Terre. C'est par exemple le cas avec une Théia de la moitié de la masse de Mars et heurtant presque frontalement la jeune Terre à 20 km/s, comme l'ont montré des simulations numériques.

Restait à faire diminuer la vitesse de rotation de la Terre. Les chercheurs ont découvert que cela était tout à fait possible si l'on tenait compte d'un mécanisme de résonance gravitationnelle entre le mouvement de la Lune autour de la Terre et de la Terre autour du Soleil. Ce même mécanisme (evection resonance en anglais) permet de former correctement la Lune à la suite d'une collision frontale entre deux corps célestes de masses presque identiques, à savoir 4 à 5 fois celle de la masse pour chaque planète, comme le propose le second scénario publié dans Science.