Selon des chercheurs de l’université de Yale (États-Unis), la Lune se serait formée suite à un impact géant alors que la Terre était recouverte d’un océan de magma chaud. © Nasa, JPL-Caltech

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La formation de la Lune expliquée par un nouveau modèle de collision

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Depuis plus d'un siècle, la question de la formation de la Lune taraude les chercheurs. Et bien que la théorie de l'impact géant semble séduisante, elle explique difficilement certaines observations. Mais des chercheurs pensent aujourd'hui avoir résolu l'énigme.

La théorie de la fission. Celle de la coaccrétion. Ou encore celle de la capture. Depuis maintenant plus d'un siècle, les astronomes tentent d'expliquer la formation de notre Lune. Et la théorie de l'impact géant, émise dans les années 1970, semble la plus séduisante. La Lune se serait constituée à partir des fragments de l'objet céleste en cause. Un objet que les chercheurs ont baptisé Théia. Mais problème : la composition des roches rapportées par les missions Apollo ne correspond pas au modèle.

Selon des chercheurs de l'université de Yale (États-Unis), l'erreur serait à chercher dans les conditions initiales plus que dans la théorie en elle-même. Ainsi, ils ont testé un nouveau modèle qui considère un objet impactant solide et une proto-Terre couverte, quant à elle, d'un océan de magma chaud, comme c'était effectivement le cas quelque 50 millions d'années après la formation du Soleil.

L’hypothèse des chercheurs de Yale explique aussi pourquoi la Lune contient plus d’oxyde de fer qu’il n’y en a sur Terre. Celui-ci, en effet, devait être plus abondant dans le magma prototerrestre. Ici, on découvre, au centre, une simulation de la proto-Terre. Les points rouges symbolisent les matériaux issus de l’océan de magma et les points bleus, ceux provenant de Théia. © Université de Yale

Réconcilier théorie et observations

Selon leurs calculs, la collision a provoqué une surchauffe du magma bien plus importante que celle subie par Théia. Résultat, le magma s'est dilaté puis a été arraché de la Terre pour former la Lune. De quoi réconcilier la théorie de l'impact géant avec les données observationnelles.

« Notre modèle donne une Lune constituée d'environ 80 % de matériau prototerrestre. Les modèles antérieurs mènent à 80 % de matériaux issus de Théia », précise Shunichiro Karato, géophysicien à Yale et spécialiste des propriétés chimiques du magma prototerrestre. « Notre modèle confirme ainsi la théorie sans qu'il soit nécessaire de recourir à des conditions de collision non conventionnelles. » En supposant que le timing soit bon...

Pour en savoir plus

Formation de la Lune : le titane contredit la théorie de la collision

Le modèle standard de la formation de la Lune fait intervenir la collision d'une petite planète de la taille de Mars, Théia, avec la Terre. L'une de ses prédictions, qui implique que la Lune et la Terre ne peuvent pas avoir une composition identique en titane, vient d'être réfutée. Il faut revoir le scénario de la naissance de notre satellite.

Article de Laurent Sacco paru le 02/04/2012

  • Admirez la Lune en diaporama 

La Lune possède un noyau ferreux anormalement petit et partage avec la Terre des similitudes surprenantes de composition chimique, notamment au niveau des isotopes de tungstène, chrome, silicium et oxygène. De ces informations sur la composition de notre satellite jointes à des considérations de mécanique céleste, les astrophysiciens et les cosmochimistes en avaient déduit que l'explication la plus probable pour sa formation faisait intervenir un impact géant. Une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, serait entrée en collision tangentielle avec notre planète 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 Terre, une partie du manteau des deux planètes se serait retrouvée sous la forme d'un disque d'accrétion entourant la Terre.

Une représentation d'artiste de la collision de Théia avec la Terre, qui aurait engendré la formation de la Lune. © Fahad Sulehria

En quelques siècles, ce disque de débris et de gaz se serait ensuite rassemblé pour donner la Lune, incorporant au moins 40 % du manteau initial de Théia, le reste venant de la Terre. De cette manière, on expliquait la proximité de la composition chimique de la Lune avec celle du manteau terrestre, une similitude difficilement explicable par l'hypothèse de la capture d'une Lune formée dans des régions chimiquement différentes du disque protoplanétaire.

Une récente publication d'un article dans Nature Geoscience vient de chambouler ce scénario. On se doutait déjà qu'il faudrait peut-être revoir la théorie de la formation de la Terre, mais selon les cosmochimistes, il faudrait en faire de même avec celle de la Lune

Les chercheurs se sont en effet intéressés aux abondances des isotopes de titane dans les roches lunaires ramenées par les missions Apollo. Après avoir corrigé l'effet des rayons cosmiques sur ces abondances, ils ont trouvé à leur grande surprise que celles-ci étaient quasiment identiques à celles des roches terrestres. Une faible fraction des météorites présentant des abondances similaires, il fallait en déduire que la très grande majorité de la Lune est faite de matériaux issus du manteau de la Terre.

Une vue d'artiste du disque de débris laissé autour de la Terre par sa collision avec Théia. La Terre elle-même apparaît avec un océan de magma à sa surface à l'arrière plan. © Cosmic Collisions Space Show/Rose Center for Earth and Space/AMNH

Le retour de la théorie de la fission de Darwin ?

L'énigme n'est pas mince car on ne voit pas facilement comment une telle homogénéité de composition a pu advenir. Il existe cependant divers scénarios possibles dont voici quelques exemples.

Ainsi, juste après l'impact de Théia, un océan magmatique géant devait couvrir la Terre, laissant peut-être s'échapper dans l'espace des matériaux qui ont pu modifier la composition chimique du disque protolunaire, effaçant la mémoire chimique des futures roches lunaires.

Ironiquement, les chercheurs envisagent même d'en revenir à une vieille hypothèse proposée il y a plus d'un siècle par George Darwin, un astronome et mathématicien anglais, fils du célèbre biologiste britannique Charles Darwin. Tombée en désuétude, elle faisait intervenir une rotation rapide de la Terre à l'état fluide, provoquant l'éjection d'un lambeau de matière un peu à la façon de la formation de gouttes de liquide issues de la séparation d'une goutte unique.

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