Réflecteur laser déposé lors de la mission Apollo 14 sur le sol lunaire. © Nasa

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Lune : la taille de son noyau déterminée avec une précision record grâce à Apollo

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La structure interne de la Lune influe sur ses mouvements de rotation et de révolution. Cinquante années de mesures de télémétrie laser-Lune rendues possibles par les missions Apollo ont permis une nouvelle détermination de cette structure avec une précision encore jamais atteinte pour le rayon de son noyau.

Le succès des missions lunaires, qui a débuté il y a 50 ans avec Apollo 11, a permis des révolutions scientifiques et technologiques dont nous sommes les héritiers et nous continuons à en faire fructifier les acquis. Le programme Apollo a bien sûr puissamment aidé à préparer la révolution de l'électronique et de l'informatique des années 1970-1980 et il a inspiré toute une génération d'adolescents à devenir plus tard les ingénieurs et les scientifiques de la fin du XXe siècle et du début du XXIe siècle. Mais il a aussi fourni des données précieuses qui ont rendu possible des bonds considérables en planétologie comparée.

En effet, les roches lunaires rapportées par les missions Apollo ont posé des contraintes sur l'histoire du Système solaire en permettant notamment de dater les terrains de notre satellite et de relier le taux de leur cratérisation à leurs âges, ce qui a permis de faire de même ailleurs dans le Système solaire. Ces roches nous ont aussi conduits au scénario de l'impact géant entre la jeune Terre et Théia, expliquant la genèse de la Lune.

Il y a d'autres héritages d'Apollo qui sont moins connus mais tout aussi passionnants. Ainsi, les missions Apollo 11, 14 et 15 ont-elles été l'occasion de déposer sur le sol lunaire des dispositifs optiques catadioptriques, dits rétroréflecteurs, capables de renvoyer dans la même direction des faisceaux de lumière incidents. Les Russes vont faire de même avec les missions Luna 17 et Luna 21 qui vont déposer les rovers Lunokhod 1 et Lunokhod 2, aussi équipés de rétroréflecteurs.

Une présentation de la télémétrie laser-Lune. 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 ». © Nasa, STI Program

Cinquante ans de télémétrie laser-Lune avec Apollo

La révolution du laser au début des années 1960 a fourni précisément ce qu'il fallait comme source lumineuse pour effectuer de la télémétrie laser-Lune (ou Lunar Laser Ranging Experiment, LLR), c'est-à-dire en l'occurrence mesurer des temps d'aller-retour pour des émissions en direction des rétroréflecteurs lunaires permettant de faire des mesures très précises de la distance Terre-Lune et aider à mesurer tout aussi précisément ses mouvements en orbite autour de la Terre, sous l'influence de son champ de gravité, mais aussi de celui du Soleil.

Des dizaines de milliers d'allers-retours de faisceaux laser ont été réalisés depuis 1969 à partir de cinq stations sur Terre comme celles de l'Observatoire de la Côte d'Azur, en France, ou celle de l'Observatoire Apache Point, au Nouveau-Mexique (États-Unis). Les résultats obtenus ont permis de poser des contraintes sur des alternatives à la théorie de la relativité générale, notamment celle impliquant une violation d'une des hypothèses à la base de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein : le principe d'équivalence (actuellement testé avec la mission Microscope).

Mais les enseignements que l'on peut tirer des données accumulées depuis 50 ans concernant la télémétrie laser-Lune ne s'arrêtent pas à la recherche de la nouvelle physique, comme le montre à nouveau la publication d'un article dans Geophysical Research Letters, également disponible sur arXiv, exposant les résultats des travaux d'une équipe de chercheurs issus de l'Observatoire de Paris-PSL, de l'Observatoire de la Côte d'Azur, du CNRS et de Sorbonne Université.

Vue d’artiste de la structure interne de la Lune. Elle montre l’emplacement des cinq panneaux de réflecteurs laser (Apollo 11, 14, 15, Luna 17 et 21) et les faisceaux laser provenant des stations à la surface de la Terre, symbolisés par des traits verts. L’analyse précise des mouvements de rotation de la Lune et de son orbite a permis de déterminer avec une précision inégalée le rayon de la limite noyau-manteau lunaire à 381 kilomètres (± 12 km) et son aplatissement ((2,2 ± 0,6) x 10-4). © Y. Gominet/IMCCE/Observatoire de Paris-PSL

Les chercheurs expliquent qu'ils sont arrivés à une nouvelle détermination de la forme et surtout de la taille du noyau de la Lune. Il se trouve que les équations décrivant la rotation de la Lune sur elle-même et ses mouvements orbitaux sont dépendantes de la structure interne de notre satellite. On peut donc résoudre ce que l'on appelle un problème inverse en physique mathématique, c'est-à-dire, dans le cas présent, remonter à cette structure interne par son influence sur les mouvements lunaires, mouvements que l'on peut mesurer.

Ainsi, dès les années 1980, on était arrivé à la conclusion que la Lune avait probablement bien été le lieu d'une différenciation planétaire, comme dans le cas de la Terre, et qu'elle possédait donc un noyau dont une partie est liquide. Cette conclusion s'est trouvée renforcée par les données sismiques fournies par les instruments, là aussi déposés par les missions Apollo, comme Futura l'expliquait dans un des précédents articles ci-dessous.

Il restait toutefois une incertitude de l'ordre de plus ou moins 55 kilomètres sur la taille de ce noyau. Les planétologues viennent toutefois de faire savoir qu'ils étaient arrivés à la réduire pour obtenir une valeur de ± 12 kilomètres avec un rayon du noyau de la Lune déterminé à 381 kilomètres.

Une clé de l'histoire de la Lune

Pour arriver à ce résultat, 50 ans de données de télémétrie laser-Lune ont été introduites dans INPOP (acronyme pour « Intégration numérique planétaire de l'Observatoire de Paris »), qui est un ensemble de modèles et de programmes de calcul des éphémérides planétaires et lunaires développés conjointement par des équipes de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides - IMCCE (Observatoire de Paris-PSL/CNRS/Sorbonne Université) et du laboratoire Géoazur (OCA).

À la différence du modèle développé par la Nasa qui supposait que l'interface entre le noyau et le manteau de la Lune était de forme sphérique, les chercheurs ont laissé ouverte la possibilité que cette forme soit en fait légèrement aplatie. Nourris également par les données gravimétriques fournies par la mission Grail, les calculs effectués ont permis un meilleur ajustement du modèle lunaire avec les observations et du même coup une réduction de l'incertitude sur la valeur du rayon de son noyau.

Comme l'explique le communiqué de l'observatoire de Paris au sujet de cette performance : « Cette nouvelle mesure de la taille du noyau fluide est importante pour les modèles d'évolution de la Lune. Elle va permettre notamment de mieux comprendre les mécanismes qui ont permis l'apparition, puis la disparition du champ magnétique lunaire.

« Aujourd'hui l'exploration lunaire est en pleine croissance et l'ajout de nouveaux réflecteurs à sa surface permettrait de poursuivre le sondage de son intérieur et de développer de nouveaux tests relativistes. »

  • 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 structure interne de la Lune influe aussi sur ses mouvements de rotation et de révolution. Cinquante années de mesures de télémétrie laser-Lune en rapport avec ces mouvements rendues possibles par les missions Apollo ont permis une nouvelle détermination de cette structure avec une précision encore jamais atteinte pour le rayon de son noyau.
  • La Lune peut 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

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

Article de Laurent Sacco publié le 02/04/2019

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.


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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