Depuis des millénaires, la Lune fascine. Tout comme la question de son origine et de sa formation, qui anime les débats scientifiques depuis près de cinq siècles. Aujourd'hui, l'hypothèse communément admise est celle d'un impact géant entre la Terre et un autre corps céleste important. Pourtant, malgré les preuves qui s'accumulent chaque année un peu plus, il reste quelques zones d'ombres pour étayer complètement cette théorie.

Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances, des scientifiques affirment cependant apporter l'argument irréfutable d'une telle origine.

Des fragments de Lune en Antarctique

Tout part de l'analyse de plusieurs météorites lunaires retrouvées en AntarctiqueAntarctique. Ces météorites sont constituées de roches volcaniques et plus précisément de basaltesbasaltes, qui proviennent du refroidissement très rapide d'un magmamagma formé entre 200 et 400 km de profondeur. C'est ce type de roches qui forme les grandes mers lunaires que l'on peut apercevoir à l'œilœil nu depuis la Terre.

Parmi les cristaux formant les basaltes, se trouvent ainsi de minuscules particules de verre volcanique qui ont la particularité d'avoir emprisonné l'empreinte chimique du manteau lunaire. Une signature précieuse et rare car les météorites analysées ont la particularité de provenir de l'intérieur d'une coulée basaltiquebasaltique, et non de la surface lunaire soumise en permanence à l’action érosive des vents solaires.

Carte de la Lune, les mers, grandes surfaces noires composées de basalte, sont bien visibles © Nasa, Wikimedia Commons, domaine public

Longtemps, l'étude de la formation de la Lune s'est en effet heurtée à la difficulté de trouver des échantillons de roches « fraîches », dont la composition isotopique n'a pas été altérée par l'action des rayons cosmiques qui bombardent en permanence la surface de notre satellite. C'est d'ailleurs tout le problème avec les échantillons rapportés par les différentes missions Apollo. Pour obtenir des échantillons de roches représentatifs de la composition initiale de la Lune, il est donc nécessaire d'aller forer la surface lunaire (plus facile à dire qu'à faire)... ou d'attendre qu'un astéroïde fasse le travail.

Sans la protection assurée par une atmosphèreatmosphère, la surface de la Lune est en effet soumise en continu aux impacts d'astéroïdes. Or, des impacts suffisamment importants ont la capacité d'éjecter dans l'espace des fragments de croûtecroûte lunaire provenant non seulement de la surface, mais également de niveaux plus profonds, jusqu'alors protégés des vents solaires. Ces fragments nous sont ensuite parvenus sous la forme de petites météorites.

Le problème avec les échantillons de surface, notamment ceux rapportés lors des missions Apollo, est qu'ils ont subi l'action des vents solaires et donc une altération de leur composition chimique notamment en gaz nobles. © Nasa

Une composition en gaz nobles non altérée par les vents solaires

L'analyse isotopique des fines particules de verre volcanique contenues dans les basaltes lunaires a ainsi permis aux scientifiques de l'ETH Zurich d'identifier la présence de plusieurs gazgaz dits nobles : l'héliumhélium et le néonnéon. Or, ces gaz représentent d'excellents traceurs pour remonter à la source des éléments volatiles composant les planètes, et en particulier la Lune. Parmi leur origine possible : les vents solaires. Mais cette hypothèse a rapidement été écartée, les échantillons ayant été protégés. Pour les chercheurs, l'hélium et le néon contenus dans les particules de verre basaltique sont donc indigènesindigènes et ont été acquis au moment de la formation de la Lune.

Les scientifiques se sont donc tournés vers la composition du manteau terrestremanteau terrestre primitif et ont comparé la signature isotopique en gaz noble de la Terre et de son satellite. Les données viennent corroborer l'hypothèse d'un impact géant à l'origine de la Lune.

La Lune aurait ainsi hérité de la composition du manteau terrestre, notamment en ce qui concerne les gaz nobles et d'autres éléments volatiles.  

La formation de la Lune expliquée par un nouveau modèle de collision

Depuis plus d'un siècle, la question de la formation de la Lune taraude les chercheurs. Et bien que la théorie de l'impact géant semble séduisante, elle explique difficilement certaines observations. Mais des chercheurs pensent aujourd'hui avoir résolu l'énigme.

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 30 avril 2019

La théorie de la fissionfission. Celle de la coaccrétion. Ou encore celle de la capture. Depuis maintenant plus d'un siècle, les astronomesastronomes tentent d'expliquer la formation de notre Lune. Et la théorie de l'impact géant, émise dans les années 1970, semble la plus séduisante. La Lune se serait constituée à partir des fragments de l'objet céleste en cause. Un objet que les chercheurs ont baptisé Théia. Mais problème : la composition des roches rapportées par les missions ApolloApollo ne correspond pas au modèle.

Selon des chercheurs de l'université de Yale (États-Unis), l'erreur serait à chercher dans les conditions initiales plus que dans la théorie en elle-même. Ainsi, ils ont testé un nouveau modèle qui considère un objet impactant solidesolide et une proto-Terre couverte, quant à elle, d'un océan de magma chaud, comme c'était effectivement le cas quelque 50 millions d'années après la formation du SoleilSoleil.

L’hypothèse des chercheurs de Yale explique aussi pourquoi la Lune contient plus d’oxyde de fer qu’il n’y en a sur Terre. Celui-ci, en effet, devait être plus abondant dans le magma prototerrestre. Ici, on découvre, au centre, une simulation de la proto-Terre. Les points rouges symbolisent les matériaux issus de l’océan de magma et les points bleus, ceux provenant de Théia. © Université de Yale

Réconcilier théorie et observations

Selon leurs calculs, la collision a provoqué une surchauffe du magma bien plus importante que celle subie par ThéiaThéia. Résultat, le magma s'est dilaté puis a été arraché de la Terre pour former la Lune. De quoi réconcilier la théorie de l'impact géant avec les données observationnelles.

« Notre modèle donne une Lune constituée d'environ 80 % de matériaumatériau prototerrestre. Les modèles antérieurs mènent à 80 % de matériaux issus de Théia », précise Shunichiro Karato, géophysicien à Yale et spécialiste des propriétés chimiques du magma prototerrestre. « Notre modèle confirme ainsi la théorie sans qu'il soit nécessaire de recourir à des conditions de collision non conventionnelles. » En supposant que le timing soit bon...

Formation de la Lune : le titane contredit la théorie de la collision

Le modèle standardmodèle standard de la formation de la Lune fait intervenir la collision d'une petite planètepetite planète de la taille de Mars, Théia, avec la Terre. L'une de ses prédictions, qui implique que la Lune et la Terre ne peuvent pas avoir une composition identique en titanetitane, vient d'être réfutée. Il faut revoir le scénario de la naissance de notre satellite.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 02/04/2012

• Admirez la Lune en diaporama 

La Lune possède un noyau ferreux anormalement petit et partage avec la Terre des similitudes surprenantes de composition chimique, notamment au niveau des isotopesisotopes de tungstènetungstène, chromechrome, siliciumsilicium et oxygèneoxygène. De ces informations sur la composition de notre satellite jointes à des considérations de mécanique céleste, les astrophysiciensastrophysiciens et les cosmochimistes en avaient déduit que l'explication la plus probable pour sa formation faisait intervenir un impact géant. Une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, serait entrée en collision tangentielle avec notre planète moins de 100 millions d'années après le début de la naissance du Système solaire. Sous l'impact, le noyau ferreux de Théia aurait été capturé par la Terre, une partie du manteau des deux planètes se serait retrouvée sous la forme d'un disque d'accrétiondisque d'accrétion entourant la Terre.

Une représentation d'artiste de la collision de Théia avec la Terre, qui aurait engendré la formation de la Lune. © Fahad Sulehria

En quelques siècles, ce disque de débris et de gaz se serait ensuite rassemblé pour donner la Lune, incorporant au moins 40 % du manteau initial de Théia, le reste venant de la Terre. De cette manière, on expliquait la proximité de la composition chimique de la Lune avec celle du manteau terrestre, une similitude difficilement explicable par l'hypothèse de la capture d'une Lune formée dans des régions chimiquement différentes du disque protoplanétairedisque protoplanétaire.

Une récente publication d'un article dans Nature Geoscience vient de chambouler ce scénario. On se doutait déjà qu'il faudrait peut-être revoir la théorie de la formation de la Terre, mais selon les cosmochimistes, il faudrait en faire de même avec celle de la Lune

Les chercheurs se sont en effet intéressés aux abondances des isotopes de titane dans les roches lunaires ramenées par les missions Apollo. Après avoir corrigé l'effet des rayons cosmiques sur ces abondances, ils ont trouvé à leur grande surprise que celles-ci étaient quasiment identiques à celles des roches terrestres. Une faible fraction des météorites présentant des abondances similaires, il fallait en déduire que la très grande majorité de la Lune est faite de matériaux issus du manteau de la Terre.

Une vue d'artiste du disque de débris laissé autour de la Terre par sa collision avec Théia. La Terre elle-même apparaît avec un océan de magma à sa surface à l'arrière plan. © Cosmic Collisions Space Show/Rose Center for Earth and Space/AMNH

Le retour de la théorie de la fission de Darwin ?

L'énigme n'est pas mince car on ne voit pas facilement comment une telle homogénéité de composition a pu advenir. Il existe cependant divers scénarios possibles dont voici quelques exemples.

Ainsi, juste après l'impact de Théia, un océan magmatique géant devait couvrir la Terre, laissant peut-être s'échapper dans l'espace des matériaux qui ont pu modifier la composition chimique du disque protolunaire, effaçant la mémoire chimique des futures roches lunaires.

Ironiquement, les chercheurs envisagent même d'en revenir à une vieille hypothèse proposée il y a plus d'un siècle par George DarwinDarwin, un astronome et mathématicienmathématicien anglais, fils du célèbre biologiste britannique Charles Darwin. Tombée en désuétude, elle faisait intervenir une rotation rapide de la Terre à l'état fluide, provoquant l'éjection d'un lambeau de matièrematière un peu à la façon de la formation de gouttes de liquideliquide issues de la séparationséparation d'une goutte unique.