Une vision d'artiste de l'intérieur de la Lune alors que son cœur liquide était encore en mouvement, générant un champ magnétique. © Hernán Cañellas
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Lune : son champ magnétique aurait disparu il y a un milliard d'années seulement

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Les roches lunaires gardent en mémoire le champ magnétique de notre satellite naturel. De nouvelles analyses montrent que ce champ aurait duré environ 3,5 milliards d'années, soit bien plus que prévu.

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[EN VIDÉO] La Lune comme vous ne l'avez jamais vue !  Découvrez la Lune en 4K à travers les yeux de la sonde LRO. Cette dernière, qui vient de fêter ses 10 ans, nous livre des images très détaillées de plusieurs régions de notre satellite. Ici, le cratère Tycho et les pentes de sa montagne centrale surmontée d’un rocher solitaire ; là, le vaste réseau de cratères au pôle sud, à l’intérieur du plus ancien bassin d’impact de la Lune. Un régal pour les yeux. Une balade à savourer en plein écran. 

Tout récemment, la Nasa a commencé à étudier avec les outils du XXIe siècle des échantillons de roches et de sol lunaire qui avaient été, en quelque sorte, mis en conserve à destination des générations futures au moment des explorations lunaires du programme Apollo.

Mais il ne faudrait pas croire que les échantillons déjà étudiés à partir du début des années 1970 n'ont plus rien à nous apprendre. On en voit un bon exemple avec un article publié dans Science Advances par une équipe essentiellement états-unienne de chercheurs utilisant les méthodes du paléomagnétisme et de la géochimie terrestres pour les transposer à l'échelle du Système solaire. Parmi eux, se trouve de nouveau Benjamin Weiss, professeur de sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et dont les travaux portent depuis longtemps sur l'étude du champ magnétique passé de la Lune comme Futura l'a montré à de nombreuses occasions, et comme on peut en voir un exemple dans le précédent article ci-dessous.

L'article de ce chercheur et de ses collègues porte justement sur une nouvelle détermination de la date de la fin du champ magnétique lunaire. Il ne semble pas raisonnable d'expliquer la présence de ce champ sans faire appel à la théorie de la dynamo auto-excitatrice qui permet de générer des champs magnétiques à partir d'un milieu conducteur fluide, turbulent, et dans un système physique en rotation comme dans le cas de la géodynamo dont on explore la physique en labo sur Terre avec l'expérience VKS. Mais il existait des débats quant à savoir l'origine de l'énergie des mouvements turbulents alimentant de telles dynamos dans un alliage de fer et de nickel liquide dans les noyaux aussi bien de la Terre que de la Lune.

L'échantillon de roche lunaire numéroté 15465 ramené sur Terre lors de la mission Apollo 15. © Nasa

Deux sources d'énergie possibles pour la dynamo magnétique lunaire

On a de bonnes raisons de penser que la dynamo lunaire il y a environ 4 milliards d'années était très active, produisant même un champ magnétique plus intense que celui de la Terre. C'est ce que suggère l'étude d'échantillons de lave lunaire qui se sont refroidis à ce moment-là ; comme dans le cas notamment des basaltes terrestres, ils se sont aimantés en fonction de l'intensité du champ magnétique local lorsque leurs températures sont passées en dessous de la température de Curie pour les cristaux ferromagnétiques qui sont apparus lors du refroidissement. Weiss et les membres de son groupe de recherche ont ainsi mesuré un champ fossilisé d'environ 100 microteslas, presque le double de l'intensité du champ terrestre actuel.

La dynamo lunaire à ce moment-là devait probablement tirer beaucoup de son énergie des forces de marée exercées il y a 4 milliards d'années par la Terre car la Lune était plus proche de notre planète à ce moment là. L'énergie dissipée par ces forces étaient donc similaires du point de vue de son origine à celle chauffant Io la volcanique.

Mais, dans des roches lunaires qui se sont mises en place il y a 2,5 milliards d'années, Weiss et ses collègues ont trouvé un champ de seulement 10 microteslas. La dynamo lunaire se mourrait. Certains pensent que l'effet des forces de marée n'était peut-être même plus en mesure d'expliquer cette valeur du champ magnétique, faisant alors intervenir comme source d'énergie la chaleur latente libérée par le noyau lunaire en cours de cristallisation. Pour trancher entre les deux hypothèses, il fallait avoir des échantillons magnétiques fiables plus jeunes et c'est bien ce que Weiss et ses co-auteurs annoncent dans l'article aujourd'hui publié : deux échantillons de roche lunaire -- une brèche pour être précis -- ramenés par la mission Apollo 15, et archivés l'un sous le numéro 15465 et l'autre sous le numéro 15015.

Des documents illustrant l'alunissage d'Apollo 15. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Apollo 15, Apollo Flight Journal

Ces deux roches sont des assemblages de débris d'autres roches et certaines parties ont une mémoire magnétique jeune, âgée d'environ un milliard d'années. Elle s'est mise en place au moment d'un réchauffement des roches due à un impact massif à cette époque. Le volcanisme lunaire était déjà trop moribond pour produire facilement des laves qui auraient pu conserver des mémoires magnétiques jeunes. Les champs mesurés sont de 0,1 microtesla, ce qui fait dire aux chercheurs que la production du champ magnétique lunaire par la géodynamo ne s'est arrêtée qu'il y a entre 1,92 et 0,80 milliard d'années.

Dans cette hypothèse, ce serait bien la cristallisation du noyau lunaire qui aurait été à l'origine d'un maintient tardif du champ magnétique lunaire.

  • Les spécialistes pensent que les champs magnétiques des planètes rocheuses proviennent de la partie liquide de leur cœur de fer, quand les mouvements de convection y sont assez forts pour générer un effet dynamo. Plusieurs sources d'énergie peuvent maintenir cette dynamo active.
  • Mais que s'est-il donc passé dans le cas de la Lune ? La dernière analyse d'un échantillon de roche lunaire montre que le champ magnétique de notre satellite est resté notable pendant plus de temps qu'on ne le pensait, pouvant n'avoir disparu que depuis un milliard d'années environ.
Pour en savoir plus

Le champ magnétique lunaire aurait duré bien plus que prévu

Article de Laurent Sacco publié le 14/08/2017

Les roches lunaires gardent en mémoire le champ magnétique de notre satellite naturel. De nouvelles analyses montrent que ce champ aurait duré au moins deux milliards d'années, soit bien plus que prévu.

Que la Lune soit née suite à une collision entre la Terre et une planète de la taille de Mars baptisée Théia ou bien qu'elle soit issue de l'impact de plus petites planètes survenu il y a environ 4,5 milliards d'années, elle a dû hériter d'un réservoir de chaleur interne. Ce dernier devait provenir aussi bien d'un stock d'éléments radioactifs que de la conversion de l'énergie gravitationnelle d'accrétion en chaleur. Mais, contrairement à la Terre, ce stock s'est déjà épuisé. Ainsi, la Lune est désormais un monde mort, où tout volcanisme actif semble avoir disparu et où aucune dynamo produite par des mouvements de convection dans un cœur de fer liquide ne semble plus pouvoir générer un champ magnétique.

Toutefois, en cherchant à reconstituer l'histoire de notre satellite grâce à l'héritage des missions Apollo, les planétologues repoussent de plus en plus loin dans le temps la fin de l'activité lunaire : des volcans y étaient peut-être encore en éruption il y a 18 millions d'années et les bornes sur la présence d'un champ magnétique lunaire conséquent sont de plus en plus jeunes. En voici un nouvel exemple avec un article publié dans Science Advances, notamment par des chercheurs du MIT qui ont compulsé les archives magnétiques lunaires présentes dans un échantillon de roche ramené par la mission Apollo 15.

Une vue du site d'alunissage de la mission Apollo 15 livrée par la sonde japonaise Kaguya. © Jaxa

Des indices grâce au bombardement météoritique de la Lune

Cela fait des années déjà que Benjamin Weiss fouille ces archives lunaires. La dernière d'entre elles provenait de la mission Apollo 11 (voir article ci-dessous). La tâche n'est pas aisée car les mémoires magnétiques s'enregistrent à partir de roches chauffées qui se refroidissent : elles s'aimantent en dessous d'une certaine température en fossilisant l'orientation et l'intensité du champ dans lequel elles sont plongées. Le phénomène est bien connu sur Terre car il a permis de découvrir les fameuses inversions magnétiques. Or, la fin précoce d'une forte activité volcanique sur la Lune signifie aussi une baisse précoce de l'enregistrement du champ magnétique lunaire. En effet, les laves crachées par les volcans se sont faites de plus en plus rares avec le vieillissement de la Lune.

Mais, comme Benjamin Weiss et ses collègues l'ont montré, il y a toutefois une échappatoire. Le bombardement météoritique de la Lune, bien qu'il ait, lui aussi, rapidement baissé avec le temps, s'accompagne parfois de chocs si violents que l'énergie libérée peut faire fondre les roches ou, pour le moins, augmenter sérieusement leurs températures, réactivant le processus de mémorisation magnétique.

Une coupe de l'échantillon lunaire 15498 ramené par la mission Apollo 15. © Nasa

L'échantillon lunaire 15498 révèle la mémoire d'un champ magnétique

Ces chocs produisent des « brèches d'impact », c'est-à-dire des conglomérats de fragments de roche rassemblés à la suite de l'impact d'un petit corps céleste. La brèche d'impact analysée est un échantillon lunaire figurant sur les catalogues de la mission Apollo 15 sous le nombre 15498. Il a été récolté en 1971 par les astronautes David Scott et James Irwin sur les bords du cratère Dune (ainsi nommé en hommage au célèbre roman de Frank Herbert).

Il se trouve que le verre volcanique entourant ces fragments de roche est une excellente mémoire magnétique. Celui-ci s'est formé il y a 1 à 2,5 milliards d'années et garde la mémoire d'un champ magnétique dont l'intensité était de 5 microteslas. C'est dix fois plus faible que la valeur du champ magnétique actuel de la Terre, mais c'est 1.000 fois plus élevé que la valeur du champ magnétique interplanétaire dans lequel le système Terre-Lune est plongé.

Le champ magnétique lunaire aurait donc existé au moins pendant 2 milliards d'années, alors que les forces de marée provoquées par la Terre étaient plus fortes qu'aujourd'hui (car la Lune était alors plus proche ; elle ne cesse de s'éloigner depuis lors). Ces forces de marée devaient chauffer notre satellite, à la façon dont celles de Jupiter chauffent Io de nos jours.


Le champ magnétique lunaire aurait duré au moins 800 millions d'années

Article de Laurent Sacco publié le 31/01/2012

Un nouvel échantillon de roche lunaire apporte de l'eau au moulin de ceux qui pensent que la Lune possédait autrefois son propre champ magnétique généré par effet dynamo. Surtout, une roche lunaire rapportée sur Terre par Apollo 11 indiquerait que cette dynamo était encore active 800 millions d'années après la formation de la Lune, une longévité qui bousculerait ce que l'on pensait jusqu'à présent.

La Lune a-t-elle un jour généré son propre champ magnétique ? La question est débattue depuis un certain temps. On a tout de même trouvé des traces de champs magnétiques fossilisés dans les roches lunaires rapportées par les missions Apollo et des champs magnétiques rémanents ont été mesurés depuis l'espace, comme la sonde Clementine l'a montré.

Une vue de l'échantillon de roche lunaire 10020 collecté par Neil Armstrong et Buzz Aldrin. © Nasa

Une précédente analyse d'un échantillon de roche lunaire avait indiqué qu'il devait y avoir un champ magnétique important et stable à la surface de la Lune il y a 4,2 milliards d'années. Le problème est qu'en raison de la petite taille de la Lune, elle ne devait pas avoir suffisamment de réserves d'énergie, que ce soit sous forme d'éléments radioactifs ou de chaleur d'accrétion résiduelle, pour avoir pu garder un noyau convectif produisant le champ magnétique mesuré. On sait que sur Terre, il en est tout autrement et que la dynamo autoexcitatrice, dont on explore le fonctionnement en laboratoire au moyen de l'expérience VKS, est toujours active.

Un groupe de chercheurs vient pourtant d'apporter une nouvelle pièce au débat en publiant dans Science un article portant sur l'analyse d'un basalte lunaire. Récoltée sur la surface de la Lune par Neil Armstrong et Buzz Aldrin (que l'on a pu voir récemment aux commandes du LHC) à l'occasion de la mission Apollo 11, la roche lunaire porte le numéro 10020 dans les archives de la Nasa.

Une coupe de l'échantillon de roche lunaire 10020 rapporté par Apollo 11. L'observation est faite avec un microscope à lumière polarisée, ce qui donne les couleurs particulières aux minéraux de la roche. © Nasa

Une dynamo entretenue par des forces de marée ?

Les cosmochimistes ont daté l'échantillon 10020 grâce à la méthode du potassium-argon. L'âge de la roche récoltée sur le bord sud-ouest de la mer de la Tranquillité a été estimé à environ 3,7 milliards d'années, c'est-à-dire après la fin du fameux Grand Bombardement tardif. Or, les chercheurs ont mesuré aussi la présence d'un champ magnétique rémanent.

Se posait alors la question de savoir si ce champ était le reste d'une magnétosphère propre à la Lune ou bien le reste d'un champ magnétique transitoire généré bien après la formation de la roche, à l'occasion d'un impact de météorite. Ce champ se serait figé dans le basalte si sa température a préalablement augmenté transitoirement elle aussi.

Pour éliminer cette possibilité, il suffisait de réaliser de nouvelles mesures portant sur les isotopes de potassium-argon, utilisables en tant que thermochronomètres. Ces mesures ont révélé que seule la lumière du Soleil avait pu chauffer 10020 depuis sa cristallisation il y a 3,7 milliards d'années.

Il semble donc bien qu'un champ magnétique important, généré par effet dynamo, existait encore sur la Lune 800 millions d'années après sa formation. Ce qui pose le problème de la source d'énergie responsable de l'entretien de mouvements de convection turbulents dans le petit noyau métallique de la Lune de cette époque. Notre planète pourrait en être la cause puisque son satellite en était alors plus proche et la Terre a pu chauffer le noyau lunaire par le jeu des forces de marée.

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