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

Sciences

Exobiologie : des superterres protégées par un océan de magma magnétique ?

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Le magma n'est pas vraiment conducteur dans des conditions de pressions et de températures ordinaires. En revanche, il devrait l'être en profondeur, dans les océans magmatiques primitifs, en particulier des superterres. Des boucliers magnétiques favorables à la naissance de la vie à la surface refroidie de ces océans pouvaient donc exister précocement et parfois pendant peut-être des milliards d'années pour les superterres.

Il ne suffit pas de découvrir une exoplanète rocheuse dans (ou au bord) de la zone d'habitabilité pour en déduire qu'elle est effectivement (ou pas) accueillante pour la vie, permettant ainsi son évolution vers des formes complexes susceptibles de donner naissance à une civilisation technologiquement avancée. La composition chimique de l'atmosphère et le contenu initial en eau influent sur son habitabilité et brouillent les cartes. Même une exoplanète en rotation synchrone avec son Soleil, que l'on pourrait croire invivable car présentant toujours une même face, ne l'est pas forcément en raison de mécanismes de répartition de la chaleur.

Il y a au moins un autre paramètre dont il faut tenir compte, celui de l'activité de l'étoile hôte d'une exoplanète. Les jeunes naines rouges, notamment, sont connues pour leurs fortes éruptions solaires ; celles-ci produisent des radiations et des rayons cosmiques délétères pour la vie et capables d'éroder sérieusement des atmosphères protectrices, tout ceci conduisant à l'évaporation rapide des océans. Mais des boucliers magnétiques peuvent protéger exoterres ou superterres des colères stellaires. Encore faut-il qu'elles en soient dotées.

Or, voilà que deux géophysiciens, Burkhard Militzer, professeur en Sciences de la terre et des planètes, à l'université de Berkeley, et François Soubiran, en poste à l'ENS de Lyon, viennent de publier dans Nature Communications le résultat de travaux étonnants. Et finalement, ils ne sont pas très éloignés de ceux déjà menés en ce qui concerne la Lune, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous.

Le mont Nyiragongo est un volcan actif situé dans le parc national des Virunga, en République démocratique du Congo. Le trekking, vers le bord du cratère (à partir de 1.989 mètres pour atteindre 3.470 mètres) dure environ 5 à 6 heures. Les randonneurs dorment dans des cabanes au sommet et profitent d'une vue nocturne, imprenable sur l'un des rares lacs de lave permanent au monde, celui-ci étant le plus grand. Il donne une idée de l'aspect de l'océan magmatique primordial. © Amazing Places on Our Planet

Un océan magmatique magnétique pendant des milliards d'années ?

On a pu croire pendant un moment que le champ magnétique de la Terre était dû à une sorte de gros aimant situé dans ses entrailles. Mais cette théorie a été abandonnée lorsque l'on a réalisé que les profondeurs de la Terre devenaient de plus en plus chaudes au fur et à mesure que l'on s'y enfonçait et l'on a rapproché cette constatation des expériences montrant que le ferromagnétisme des aimants cessait à hautes températures. Les stations de mesures du champ magnétique terrestre montraient aussi des évolutions dans le temps et dans l'espace, évolutions peu conformes avec le champ d'un aimant solide mais qui, finalement, se sont trouvées en accord avec le fameux modèle de géodynamo auto-excitatrice.

Nous savons désormais que le bouclier magnétique protecteur de la Terre est produit par des courants de matière, chauds et turbulents, dans la partie liquide du noyau de fer et de nickel de notre planète, en liaison avec sa rotation. Ce noyau ne s'est pas formé tout de suite, bien que sa naissance n'ait probablement pris qu'une trentaine de millions d'années environ. Et l'on ne sait pas encore très bien quand il a vraiment généré un champ magnétique. Des dynamos similaires sont supposées avoir opéré au cœur de la Lune ou de Mars, actuellement aussi dans le Soleil et son plasma, ainsi qu'à l'intérieur de Jupiter lorsque l'hydrogène devient métallique à très hautes pressions.

Burkhard Militzer et François Soubiran pensent maintenant que des dynamos analogues peuvent prendre naissance dans les océans globaux de magma silicatés ayant dû se former au début de l'histoire des superterres aussi bien que sur la Lune et la Terre primitive. Ces océans se forment en raison de la chaleur libérée par l'accrétion des planétésimaux et même, des embryons planétaires. Dans le cas des superterres, une croûte solide recouvrirait des océans qui resteraient très chauds et liquides pendant peut-être des milliards d'années, contrairement à la Terre ou la Lune.

Le magma silicaté se trouver dégazé dans les lacs de lave sur Terre, mais leur surface donne une faible idée de ce à quoi devait ressembler l'océan de magma globale de la Terre il y a 4,5 milliards d'années. Or, d'après des modélisations numériques sur ordinateurs faites par Burkhard Militzer et François Soubiran, le magma silicaté devient un peu conducteur d'électricité aux pressions (des millions d'atmosphères) et aux températures (environ 10.000 degrés) que l'on peut atteindre dans le manteau des superterres (rappelons qu'elles ont des rayons équivalant plusieurs fois celui de la Terre). En fait, le même phénomène pourrait s'être produit dans des couches profondes de l'océan magmatique de la Terre primitive.

Il apparait donc que des boucliers magnétiques précoces, et même fortement durables dans le cas des superterres, pourraient protéger les exoplanètes des vents stellaires et des rayons cosmiques, favorisant l'apparition, puis l'évolution de formes de vie. Toutefois, d'après les chercheurs, ces boucliers pourraient être complexes, d'une part, du fait qu'une superterre, pourrait être aussi le siège d'un effet dynamo dans son noyau différencié, mais d'autre part, parce que le champ magnétique généré dans l'océan de magma ne ressemblerait à celui d'un aimant (un dipôle) que si la planète tournait rapidement sur elle-même. Dans le cas de superterres en rotation synchrone, le champ de l'océan devrait être multipolaire, comme le disent les physiciens dans leur jargon.

  • Bien des corps célestes ont des champs magnétiques, à commencer par la Terre. L'origine de ces champs s'explique généralement 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.
  • L'intensité et la durée du champ magnétique lunaire s'expliquaient mal, les traces rémanentes se trouvant 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.
  • Une variante aboutit à la même conclusion dans les océans de magma des superterres qui peuvent rester liquides des milliards d'années en-dessous d'une croûte refroidie. D'après des simulations numériques, le magma devient en effet partiellement conducteur à hautes pressions et températures.
Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 01/05/2018

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.


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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