La surface de la Lune photographiée par Eugene Cernan lors de la mission Apollo 17. © Nasa

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Le champ magnétique de la Lune serait dû à un océan de magma

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Une nouvelle théorie a été proposée pour expliquer l'intensité du champ magnétique de la Lune il y a plus de 4 milliards d'années. Il aurait été généré par effet dynamo, non seulement dans son noyau, mais aussi dans un océan de magma au-dessus de ce noyau, dans le manteau lunaire.

La Lune a un jour généré son propre champ magnétique. Comment le sait-on ? Tout simplement parce que l'on a trouvé des traces de ce champ magnétique fossilisé dans les roches lunaires rapportées par les missions Apollo et parce que des champs magnétiques rémanents ont été mesurés depuis l'espace, comme la sonde Clementine l'a montré. Certaines de ces traces fossiles auraient cependant été formées par l'impact de petits corps célestes et c'est pourquoi pendant un moment, il n'était pas certain que les champs magnétiques mesurés aient bien leur origine dans les entrailles de notre satellite.

Toujours est-il qu'une 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. Ce champ s'est affaibli au cours du temps pour ne plus laisser qu'une faible valeur et on considère aujourd'hui qu'il n'est plus produit par la Lune. Nous savons que sur Terre, il en est tout autrement et que la dynamo autoexcitatrice, dont nous explorons le fonctionnement en laboratoire au moyen de l'expérience VKS, est toujours active.

Une vue de l'échantillon de roche lunaire 10020 collecté par Neil Armstrong et Buzz Aldrin. On y a mesuré un champ magnétique fossilisé. © Nasa

Ce champ magnétique lunaire pose de multiples problèmes aux sélénologues car il aurait tout de même été généré pendant au moins 800 millions d'années, voire quelques milliards d'années. Or, 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 les champs magnétiques mesurés.

Plus étonnant, l'intensité du champ magnétique lunaire devait être comparable à celui de la Terre juste après la formation de la Lune. Comment cela aurait-il été possible  ?

Un océan de magma primitif dans le manteau inférieur des planètes ?

Des chercheurs de l'Institut de géophysique de l'université du Texas, de l'université de Princeton et de l'Arizona viennent justement de proposer une nouvelle solution à cette énigme avec un article publié dans Earth and Planetary Science Letters.

Leur solution ? L'existence d'un océan de magma riche en fer et en convection dans le manteau inférieur lunaire, formant une enveloppe juste au-dessus du noyau métallique de la Lune.

Un nouveau modèle pour expliquer le champ magnétique lunaire précoce, un océan de magma enrichi en fer, donc conducteur, et en convection à la base du manteau de la Lune entourant son noyau (core, en anglais). © Aaron Scheinberg

Un champ magnétique comparable à celui de la Terre, même temporairement, étant trop intense pour pouvoir être généré par le petit noyau, très probablement de fer et de nickel de la Lune, il apparaît en effet raisonnable de faire intervenir une structure différente. Nous avons des raisons de penser qu'aujourd'hui ce noyau a 330 kilomètres de rayon environ et qu'il est encore partiellement fondu. Des analyses modernes des données sismiques livrées par les missions Apollo conduisent à penser, également, que ce noyau est entouré par une couche partiellement fondue (de 10 à 30 %) du manteau inférieur, avec une épaisseur de l'ordre de 150 kilomètres.

Cette couche aurait donc été totalement fondue, il y a plus de 4 milliards d'années, et devait contenir suffisamment de fer pour qu'un champ magnétique y soit généré par un effet de dynamo dans cet océan de magma en convection. En fait, l'idée avait déjà été proposée dans le cas du champ magnétique de la Terre primitive et c'est elle qui a inspiré les chercheurs états-uniens.

Dans le cas de la Lune, en faisant naître des champs magnétiques plus près de sa surface, on s'assure tout de suite qu'ils y seront plus forts, étant donné que l'intensité de ces champs décroît en fonction de l'augmentation de la distance du lieu de génération. En bonus, les simulations conduites par les planétologues expliqueraient bien pourquoi ces champs sont devenus moins forts il y a environ 3,56 milliards d'années. L'océan de magma aurait fini par disparaître, ne laissant plus fonctionner, encore un temps, que la dynamo du noyau.

On peut penser que ce scénario s'est produit aussi avec d'autres planètes rocheuses, comme Mars par exemple.

  • Bien des corps célestes ont des champs magnétiques, à commencer par la Terre. On explique généralement l'origine de ces champs par un effet de dynamo autoexcitatrice dans un milieu conducteur en convection.
  • Dans le cas de la Terre, cette dynamo prend naissance dans la partie liquide de son noyau. Il en a sans doute été de même pour la Lune, mais cette dynamo s'est déjà arrêtée avec le refroidissement de la Lune.
  • On arrivait mal à expliquer l'intensité et la durée du champ magnétique lunaire dont les traces rémanentes se trouvent dans les roches et la croûte lunaire.
  • Une nouvelle théorie, transposable aux autres planètes rocheuses, fait intervenir en plus des mouvements dans un noyau, de la convection dans des océans de magma riches en fer et aujourd'hui disparus dans les parties inférieures des manteaux planétaires.
Pour en savoir plus

Du nouveau sur l'origine du champ magnétique de la Lune

Article de Laurent Sacco publié le le 14/11/2011

La Lune possédait probablement son propre champ magnétique il y a des milliards d'années. Son origine est énigmatique mais deux nouvelles hypothèses permettent maintenant de comprendre comment il a pu apparaître sans faire appel à des mouvements de convection thermique dans son noyau.

La Lune aurait généré son propre champ magnétique il y a plus de 3 milliards d'années. Si les images de la sonde lunaire Kaguya nous montrent un astre mort, la Lune devait être beaucoup plus active il y a 4 milliards d'années. À cette époque, sa formation venait juste de prendre fin, quelques centaines de millions d'années auparavant. Nous sommes presque sûrs aujourd'hui que notre satellite est le résultat de l'accrétion de matériaux résultant d'une collision entre la jeune Terre et une petite planète de la taille de Mars, Théia.

Bien que la Lune ait formé un noyau similaire à celui de la Terre, les réserves d'énergies laissées par sa formation étaient insuffisantes pour qu'un mécanisme de dynamo autoexcitatrice, similaire à celui de l'expérience VKS, ait pu générer pendant des centaines de millions d'années le champ magnétique expliquant le paléomagnétisme lunaire.

Deux équipes de chercheurs, dont l'une est franco-belge, viennent cependant de publier deux articles dans lesquels elles avancent deux mécanismes nouveaux susceptibles d'avoir fourni l'énergie nécessaire à l'entretien de courants de matière conductrice dans le noyau de la jeune Lune au début de son histoire.

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

Le premier article publié dans Nature provient de chercheurs de l'université de Santa Cruz et du California Institute of Technology, le fameux Caltech où enseignait Richard Feynman. Selon eux, la clé de l'énigme de la source d'énergie de la dynamo lunaire doit être recherchée au niveau des forces de marée exercées par la Terre sur la jeune Lune pendant l'Hadéen et au début de l'Archéen. Mais le mécanisme en jeu n'est pas celui chauffant Io, la Lune de Jupiter.

Il y a plusieurs milliards d'années, notre satellite était plus proche de la Terre qui tournait plus rapidement sur elle-même. Les forces de marée mutuelles des deux astres vont faire évoluer cette situation de sorte que la rotation de la Terre va ralentir et que le moment cinétique perdu va être transféré à celui de la Lune autour de la Terre qui va s'éloigner d'elle jusqu'à sa position actuelle où une rotation synchrone a même fini par apparaître.

Une rotation différentielle du noyau et du manteau lunaire

Au début de ce processus de migration, les forces de marée exercées par la Terre sur la Lune étaient plus fortes. D'après les premières estimations des chercheurs américains, elles auraient engendré des différences de rotations non négligeables entre le noyau de la Lune et son manteau solide. Ces différences de mouvements relatives auraient en quelque sorte agité la partie liquide du noyau lunaire, soutenant pendant un temps le mécanisme de génération d'un champ magnétique par effet dynamo.

Pour l'équipe de chercheurs franco-belges, le scénario publié dans Natureest un peu différent. De grands impacts météoritiques seraient à l'origine de la dynamo primitive de la Lune. Mais à nouveau, une rotation différentielle notable entre le manteau et le noyau de la Lune joue un rôle central. L'effet d'agitation du manteau est similaire sauf qu'il ne prend pas son origine dans une modification des mouvements relatifs du manteau par rapport au noyau (du fait des forces de marée) mais bien des impacts de petits corps célestes sur la Lune.

Il reste encore bien du travail à faire et bien des données à collecter avant de savoir laquelle de ces hypothèses est la bonne. Peut-être les deux mécanismes ont-ils opéré simultanément. Voilà qui ouvre des possibilités fascinantes pour reconstituer l'histoire passée de notre satellite, et de la Terre elle-même, à partir du paléomagnétisme lunaire.

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