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L’inclinaison de l’orbite lunaire : une énigme enfin résolue

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Selon la théorie standard de la formation de la Lune, son inclinaison orbitale par rapport à l'équateur devrait être telle qu'une éclipse de Soleil pourrait se produire tous les mois, ce qui n'est pas le cas. Deux chercheurs français pensent avoir trouvé la clé de l'énigme. Elle fait intervenir l'influence des planétésimaux qui passaient non loin de la Terre alors que la Lune s'était tout juste formée.

Les clés de l'univers : la mystérieuse naissance de la Lune  L’origine de la Lune est entourée de mystère. Séparation à partir d’une autre planète, création simultanée avec le Système solaire ou encore collision avec la Terre, plusieurs hypothèses quant à sa formation ont été avancées au cours du temps. Discovery Science s’est penché sur la question au cours de cet épisode des Clés de l'univers. 

Le modèle qui explique la formation de la Lune à partir d'un impact entre la Terre et une petite planète de la taille de Mars baptisée Théia a remporté certains succès mais il n'est pas sans conduire à des énigmes, qu'elles soient cosmochimiques ou en rapport avec la mécanique céleste. Il en est une qui intrigue les astronomes depuis presque 40 ans.

Après cet impact qui a dû se produire moins de 100 millions d'années après le début de la formation de la Terre, un disque d'accrétion s'est formé, d'où a émergé notre Lune en environ un millier d'années. Ce disque devait avoir un rayon inférieur à 10 fois celui de la Terre mais les forces de marée entre les deux corps célestes ont depuis conduit notre satellite à s'éloigner (sa distance actuelle est de 60 rayons terrestres). En agissant sur le disque de matière qui allait former la Lune, ces mêmes forces auraient dû lui imposer rapidement une inclinaison faible, environ 1° tout au plus, par rapport au plan de l'équateur de notre planète. Une fois formée, la Lune aurait dû conserver cette inclinaison. Or, elle est actuellement d'environ 5°.

Le problème se complique encore lorsque la question est prise par l'autre bout. En remontant dans le passé à partir de la situation actuelle, les équations de la mécanique céleste, toujours à cause des forces de marée, aboutissent à une inclinaison initiale de l'orbite de la Lune de 10°, donc 10 fois plus importante que ce que prévoit le modèle de l'impact avec Théia.

Une conséquence spectaculaire de ce problème est la rareté des éclipses de Soleil. Du fait de cette inclinaison et de la précession de l'axe perpendiculaire au plan orbital de la Lune autour de l'axe perpendiculaire au plan de l'écliptique (celui de l'orbite de la Terre autour du Soleil), il ne s'écoule en moyenne que 1,5 an entre deux éclipses. D'après la théorie standard de l'origine de la Lune, avec une inclinaison de 1°, nous devrions admirer une éclipse de Soleil tous les mois.

Le mathématicien et astronome Alessandro Morbidelli. Il a fait de multiples contributions à la compréhension de la structure et de l'évolution du Système solaire. © Université Nice Sophia Antipolis

Les planétésimaux ont raréfié les éclipses et accumulé l'or

Les astronomes ont bien sûr cherché à résoudre cette énigme. La dernière tentative en date a fait l'objet d'un article publié dans Nature. Elle vient de deux chercheurs de l'observatoire de la Côte d'Azur à Nice, Kaveh Pahlevan, post-doctorant du programme Poincaré, et Alessandro Morbidelli, Directeur de recherche au CNRS, ce dernier (photo ci-dessus) est célèbre pour avoir proposé avec des collègues le fameux modèle de Nice expliquant bon nombre de caractéristiques du Système solaire à partir de migrations planétaires au début de son histoire, il y a des milliards d'années.

Pahlevan et Morbidelli ont étudié l'effet des rencontres entre le tout jeune système Terre-Lune et des planétésimaux, ces petits corps à l'origine de la formation des planètes du Système solaire. Il devait encore en exister un certain nombre environ 50 millions d'années après le début de la formation des planètes. Bien qu'ils aient été peu massifs, l'accumulation de leurs passages près du système Terre-Lune a pu le perturber suffisamment pour modifier l'inclinaison orbitale de la Lune. La période la plus efficace pour cela a duré une dizaine de millions d'années après la formation de notre satellite, d'après les simulations numériques conduites par les deux chercheurs.

Ce modèle est d'autant plus convaincant qu'il est certain que des planétésimaux devaient en effet exister non loin du système Terre-Lune à cette époque et que certains ont dû entrer en collision avec la Terre, terminant le processus d'accrétion qui l'a formée. La preuve de ces impacts vient de la présence en quantités anormales de métaux comme le platine et l'or dans le manteau et la croûte terrestre. En effet, la différenciation de notre planète s'est produite avant sa collision avec Théia et a conduit à la naissance de son noyau riche en fer et en nickel. Or, les lois de la géochimie indiquent que platine et or auraient dû accompagner le fer dans sa migration vers le centre de la Terre. Les métaux précieux que nous exploitons actuellement viennent donc d'un apport ultérieur à cette différenciation, grâce à des petits corps célestes qui ont ajouté environ 1 % de sa masse à la Terre après la naissance de la Lune.

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Le satellite SDO a pu observer une double éclipse du Soleil le dimanche 13 septembre 2015 : d’abord le transit de la Terre devant notre étoile, puis celui de la Lune. © Nasa, SDO