Lors de la mission Apollo 17, le géologue Harrison H. Schmitt a été photographié alors qu'il collectait des échantillons de roches. © Nasa, Gene Cernan

Sciences

Lune : sa structure interne et son noyau sont désormais mieux compris

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Les roches lunaires des missions Apollo et les sismomètres qu'elles ont déposés sur la Lune nous ont donné des renseignements sur sa structure interne. Des expériences à hautes pressions sur Terre permettent d'aller plus loin, notamment en aidant à préciser les profils de températures et de compositions minéralogiques dans le manteau lunaire.

Cinquante ans après le succès des missions Apollo et les progrès vertigineux en sélénologie qu'elles ont permis, la Lune reste malgré tout largement inexplorée même si, depuis, plusieurs missions comme LRO, Grail et Artemis nous ont permis de bien mieux connaître sa topographie, son champ de gravité et même son très faible champ magnétique. L'étude des données des missions lunaires habitées se poursuit toujours, aussi bien avec les enregistrements sismiques qu'avec la composition des roches rapportées sur Terre.

Ces données ont permis de construire un scénario spectaculaire de la naissance de la Lune faisant intervenir une collision géante entre la Terre et une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia. Cette collision rend compte du fait que la composition de la Lune est anormalement proche de celle de la Terre, ce qui suggère qu'une bonne partie de la matière constituant notre satellite naturel a été arrachée à la Terre primitive par cette collision.

On pouvait naïvement s'attendre à ce que cette proximité de composition produise une évolution très similaire à celle de la Terre pour la Lune et on sait bien qu'il n'en a rien été. Ce serait oublier que la taille de la Lune n'est pas la même que celle de la Terre, quand bien même le rapport des deux soit bien plus élevé que dans le cas des autres planètes du Système solaire. Au point que certains parlent parfois du système Terre-Lune comme d'un système planétaire double.

La petite taille de la Lune l'a privée d'une importante réserve de chaleur d'accrétion ainsi que d'éléments radioactifs source d'un dégagement de chaleur, de sorte que l'histoire thermique de la Lune a été bien différente de celle de notre Planète. Son champ de gravité plus faible ne lui a pas non plus permis de conserver longtemps une atmosphère primitive et encore moins des éventuelles étendues d'eau.

Une présentation des travaux sur l'intérieur des planètes menés avec les presses multi-enclumes. 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 ». © GIA, courtesy Carnegie Institution of Washington

Des expériences à hautes pressions pour étudier l'intérieur des planètes

Cette histoire thermique de la Lune est étroitement liée à son évolution et à sa structuration. Sur Terre, cette histoire a produit sa différentiation avec l'apparition d'un manteau et d'un noyau et surtout une tectonique des plaques. Il n'y en a pas sur la Lune mais la sismologie lunaire nous a permis de découvrir que la Lune s'était aussi différenciée. La proximité de la Lune et sa similarité du point de vue cosmochimique avec la Terre en font donc un laboratoire naturel où étudier la formation et la différentiation des planètes telluriques en permettant de mieux comprendre les mécanismes en œuvre. Car la Nature a fait varier pour nous quelques-uns des paramètres gouvernant en quelque sorte une expérience.

Pour mieux connaître et comprendre notre Lune, et donc aussi la Terre et indirectement les autres planètes comme Mercure, Vénus, Mars et même les exoplanètes rocheuses, il est nécessaire de déterminer avec précision les variations de sa température interne en fonction de sa profondeur. Ces variations sont notamment gouvernées par la fameuse équation de la chaleur de Fourier, tout autant que par la composition minéralogique de l'intérieur de la Lune qui dépend également des variations de pression en fonction de la profondeur.

Pour aider à y voir plus clair, il est possible de faire des expériences à hautes pressions avec des presses multi-enclumes qui reproduisent les conditions régnant à l'intérieur des planètes. Plusieurs laboratoires jouent à ce jeu de par le Monde et depuis des décennies. Une de ces presses a été utilisée par Ananya Mallik, une spécialiste en géoscience de l'université de Rhode Island (États-Unis), en compagnie de ses collègues. Il en a découlé un article publié dans le journal Geochimica et Cosmochimica Acta.

Un modèle de l'intérieur de la Lune déduit des analyses des données sismologiques des missions Apollo. © Nasa/MSFC/Renee Weber

Il s'agissait de déterminer plus précisément la température régnant à l'interface du noyau et du manteau de la Lune et donc d'avoir en quelque sorte une seconde condition aux limites, comme disent les physiciens cherchant à résoudre des équations aux dérivées partielles comme celle de Fourier, en plus de celle donnant la température juste sous la surface de la Lune : en moyenne -20 °C.

L'analyse des données collectées par les sismomètres déposés par les missions Apollo avait conduit les planétologues à penser que l'interface du manteau et du noyau de la Lune était dans un état fondu de 5 à 30 %. En soumettant un échantillon de composition similaire à celle supposée de cette interface à la pression y régnant, qui est de 45.000 atmosphères, il suffisait de faire ensuite varier la température et de mesurer le taux de fusion partielle pour déterminer la valeur de la température à cette interface. En l'occurrence, on sait maintenant qu'elle doit être comprise entre 1.300 et 1.470 °C.

Il devient donc possible de dresser un profil des variations de températures entre surface et noyau et donc de préciser du même coup la composition minéralogique des roches à l'équilibre (on sait par exemple que dans le cas de la Terre, les changements de pressions et de températures induisent des transitions de phase en profondeur transformant les minéraux du manteau, notamment l'olivine).

Lorsque ces profils de températures et de compositions seront établis, nous devrions faire un nouveau bond en planétologie.

  • Les roches lunaires ont aidé à préciser la composition interne de la Lune ; sa structure a été déterminée en faisant, comme dans le cas de la Terre, de la sismologie et ce avec les sismomètres déposés par les missions Apollo.
  • Cette structure peut être mieux comprise avec des expériences en laboratoire recréant les conditions de pressions et de températures à l'intérieur de la Lune.
  • La Lune peut donc servir de laboratoire pour comprendre l'origine et l'évolution des planètes dans le Système solaire et au-delà, car sa structure détermine son évolution et inversement.
Pour en savoir plus

La Lune posséderait bien un noyau comme celui de la Terre

Article de Laurent Sacco publié le 10/01/2011

Un groupe de chercheurs américains et français vient d'apporter une contribution importante au débat concernant l'intérieur de la Lune. En examinant les données des missions Apollo à l'aide des méthodes modernes en sismologie, il apparaît que la Lune posséderait bien un noyau similaire à celui de la Terre.

On connaît assez bien aujourd'hui la surface de la Lune. Il suffit d'ailleurs d'une bonne connexion Internet pour se lancer dans de superbes survols de notre satellite grâce aux magnifiques images rapportées par la sonde Kaguya. YouTube permet ainsi de passer au-dessus du cratère Anaxagore, du bassin Schrödinger ou encore d'assister à un lever de Terre.

Mais il n'en est pas de même pour l'intérieur de la Lune qui reste encore plein de mystères. Les données gravimétriques obtenues par les sondes en orbite ont par exemple mis en évidence l'existence de zones plus denses à l'intérieur de la Lune, les mascons, dont la nature fait parfois débat (vestiges de grosses météorites, concentrations de basalte ou autre chose ?). Les données déduites de la rotation de la Lune à l'aide de rétro-réflecteurs laser ont permis quant à elles de suspecter la présence d'un noyau à l'intérieur de la Lune et les sismomètres déposés par plusieurs missions lunaires, à commencer par Apollo 11, sont elles aussi favorables à l'existence de ce dernier.

Toutefois, un débat existe concernant la taille de ce noyau et au sujet de sa structure. Est-il complètement solide ou contient-il une zone fluide comme dans le cas de la Terre ?

Le premier sismomètre PSE déposé par Apollo 11 sur la Lune. © Nasa

Il semble que l'on y voie maintenant plus clair grâce aux travaux de plusieurs chercheurs dont Philippe Lognonné de l'Institut de physique du globe de Paris. Ils ont en effet repris les données sismiques fournies par les modules Passive Seismic Experiment (PSE) des missions Apollo pour leur appliquer des méthodes modernes de traitements du signal dans le domaine de la sismologie terrestre. Il a ainsi été possible d'obtenir un meilleur rapport signal/bruit.

Un autre sismomètre PSE, déposé par Apollo 16 cette fois. © Nasa

La composition du noyau de la Lune

L'article des physiciens, publié dans Science, dresse maintenant une image probable du noyau de la Lune. Non seulement il existerait bel et bien mais il partagerait avec la Terre une structure commune. Ainsi, il y aurait une graine solide de 240 kilomètres de rayon à l'intérieur d'un noyau dont la taille est aujourd'hui estimée à 660 kilomètres de diamètre. Entre la graine et la surface du noyau, une zone fluide existerait. À l'extérieur du noyau, ferreux comme celui de la Terre, il y aurait aussi une zone partiellement fondue de 150 kilomètres d'épaisseur. Sur ce point, l'intérieur de la Lune différerait de celui de la Terre. Le noyau contiendrait en revanche des éléments légers comme le soufre et l'oxygène, tout comme pour notre planète.

Les chercheurs vont continuer leurs analyses des données fournies par les instruments des PSE entre 1969 et 1977. On devrait tout de même en savoir plus avec la mission Gravity Recovery and Interior Laboratory  (GRAIL) qui va être lancée cette année. La connaissance de la structure interne de la Lune est importante dans la connaissance de son histoire, de son origine ; elle peut déterminer si elle a pu posséder pendant un temps sa propre dynamo autoexcitatrice générant un champ magnétique, comme la géodynamo de la Terre.

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