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Origine de la Lune : le scénario de l'impact se renforce

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Comprendre l'origine de la Lune consiste en quelque sorte à résoudre un puzzle combinant des considérations de cosmochimie et de mécanique céleste. Elles ont mené à l'hypothèse d'une collision entre la jeune Terre et une petite planète appelée Théia, il y a environ 4,5 milliards d'années. Une équipe d'astrophysiciens vient d'apporter une nouvelle contribution qui conforte cette hypothèse.

Lors de la collision entre Théia et la Terre, un disque de débris se serait formé autour de notre Planète. Celle-ci (à l'arrière-plan) apparaît avec un océan de magma à sa surface. © Cosmic Collisions Space Show, Rose Center for Earth and Space, AMNH

Il y a 50 ans, William K. Hartmann et Donald R. Davis publiaient dans le célèbre journal Icarus un article destiné à faire date. Les deux hommes s'étaient inspirés des travaux concernant la formation des planètes du Système solaire issus de l'école soviétique menée par Viktor Safronov. Les deux chercheurs disposaient aussi des données cosmochimiques fournies par les missions Apollo et l'analyse des météorites trouvées sur Terre. En s'appuyant sur ces recherches, Hartmann et Davis avaient élaboré une théorie concernant l'origine de la Lune. Alastair G.W. Cameron et William R. Ward étaient également arrivés à des conclusions similaires au même moment.

Selon les travaux de ces quatre chercheurs, quelques dizaines de millions d'années après le début de la formation du Système solaire, il y a 4,56 milliards d'années, une petite planète de la taille de Mars et baptisée Théia, en souvenir de la divinité grecque mère d'Hélios (le Soleil) et de Séléné (la Lune), serait entrée en collision avec la proto-Terre. Les débris de cette collision auraient ensuite donné naissance à la Lune dans le disque formé autour de la jeune Terre. La mécanique céleste nous dit en effet qu'une collision est bien plus probable qu'une capture de la Lune par la Terre.

Comment s'est formée la Lune ? Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez www.dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP, YouTube

L'hypothèse n'eut pas vraiment d'écho dans la communauté scientifique jusqu'à ce qu'une conférence se tienne en 1984 à Hawaï sur l'origine de la Lune. Celle-ci donna lieu à la publication d'un livre en 1986 qui est depuis devenu une référence sur ce sujet. Depuis lors, l'hypothèse de l'impact géant est devenue standard et de nombreuses simulations numériques à son sujet ont vu le jour, notamment celle de Robin Canup dans les années 1990. Elles ont tout à la fois contribué à conforter cette théorie et à la rendre problématique.

L'origine de la Lune et les contraintes de la cosmochimie

On assiste depuis à une saga à rebondissements. L'article publié récemment dans Nature par une équipe d'astrophysiciens (Alessandra Mastrobuono-Battisti et Hagai B. Perets, du Technion, en Israël, et Sean N. Raymond, du laboratoire d'Astrophysique de l'université de Bordeaux) en est une bonne illustration. Les trois chercheurs y apportent une nouvelle pièce au dossier concernant l'énigme de la contradiction entre les données de la cosmochimie et celles de la mécanique céleste concernant la formation de la Lune.

Pour comprendre de quoi il en retourne, il faut en revenir aux fondations de l'hypothèse de Hartmann, Cameron et leurs deux collègues. La Lune est moins dense que la Terre et les roches que les missions Apollo ont ramené sur notre Planète permettent de dresser un tableau de sa composition chimique. Si le fer contribue à 30 % de la masse de la Terre (en grande partie avec son noyau), il ne contribue qu'à 10 % de celle de notre satellite. La Lune est aussi moins riche en éléments volatils comme le potassium et l'eau, ce qui suggère qu'elle a été entièrement portée à de hautes températures ayant conduit à une perte importante de ces éléments.

En revanche, les compositions en isotopes de l'oxygène des silicates des manteaux de la Terre et de la Lune apparaissent comme identiques (l'abondance de l'oxygène 17, l'une des meilleurs mesurées pour les isotopes stables, ne peut différer de plus de 0,016 % dans les roches terrestres et lunaires), ce qui est très surprenant de prime abord puisqu'elles diffèrent de celles des météorites. Dans le cas de Mars, les différences peuvent même être d'un facteur 50. D'autres isotopes étudiés depuis les travaux pionniers des années 1970 comme ceux du chrome, du titane, du tungstène et du silicium montrent aussi que la Terre et la Lune ont une composition chimique commune. On a abouti récemment à une conclusion identique au niveau de certains éléments réfractaires comme l'aluminium en déterminant avec plus de précision la structure de la croûte lunaire grâce aux missions Grail et LRO.

Pour rendre compte de cette composition chimique partagée, les chercheurs avaient tout naturellement avancé que l'impact entre la petite Théia et la Terre avait arraché une part importante du manteau terrestre et que son noyau ferreux avait fusionné avec celui de la Terre. La Lune se serait donc formée par accrétion à partir d'un matériau chaud formant un disque autour de la Terre et dont la composition était dominée par celle du manteau de notre Planète.

William Hartmann n'est pas uniquement un brillant astrophysicien, c'est aussi un peintre de talent bien connu pour ses illustrations de paysages en astronomie et géologie. © Nasa

L'origine de la Lune et les contraintes de la mécanique céleste

Cependant, les progrès dans les simulations numériques concernant la collision entre Théia et la Terre suivie de l'accrétion de la Lune ont ensuite indiqué que la majorité de la matière lunaire proviendrait de Théia. Pour échapper à cette conclusion, il faut supposer des valeurs assez improbables de certains paramètres de la collision, en changeant par exemple la vitesse de rotation initiale de la Terre ou la masse de Théia.

De l'avis général, il fallait donc admettre que la Terre et Théia avaient des compositions chimiques très proches, ce qui entrait en contradiction avec les modèles de formation du Système solaire. D'après ceux-ci, en effet, les planétésimaux et les petites planètes sont nés dans des régions différentes du disque protoplanétaire et ont migré bien au-delà de leurs lieux de naissance avant d'entrer en collision pour former des planètes. Dans ce scénario, Théia et la Terre devraient être constituées de matériaux bien différents. De fait, la composition de Mars est en plein accord avec ces modèles et elle diffère de celle de la Terre, tout comme les météorites qui sont la mémoire de ces premiers temps de la formation du Système solaire.

Toutefois, les travaux de Mastrobuono-Battisti, Perets et Raymond exposés dans l'article disponible sur arXiv viennent de changer la donne et apportent peut-être la solution de l'énigme. Les chercheurs ont fait tourner plusieurs simulations de la formation des planètes rocheuses du Système solaire interne ; ces simulations ont été obtenues en considérant les collisions et les fusions entre 1.000 à 2.000 petits corps célestes. Leurs calculs aboutissent bien trois à quatre planètes principales avec des compositions chimiques différentes (ce que l'on aimerait bien vérifier en collectant des roches sur Mercure et Vénus, car Mars pourrait être une anomalie). Cependant, celles des planètes naines susceptibles d'entrer en collision tardivement avec ces planètes diffèrent peu dans 20 à 40 % des cas.

Au final, l'obtention d'une Lune avec une composition très proche de celle de la Terre n'apparaît donc plus comme improbable. C'est d'ailleurs ce que pense Robin Canup qui était devenue pessimiste ces dernières années quant à l'hypothèse de la collision, en déclarant : « C'est une très importante pièce du puzzle. Considérée sérieusement, elle implique que ce scénario est le plus probable ».

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