L'héritage des missions ApolloApollo est bien vivant, même 50 ans après l'arrivée mémorable de représentants de l'espèceespèce mammifèremammifère si particulière qu'est Homo sapiensHomo sapiens à la surface de la Lune. Les centaines de roches rapportées par les astronautes d'Apollo 11Apollo 11 à Apollo 17 sont toujours des sources d'inspiration pour les cosmochimistes, qui utilisent les outils modernes d'analyse de la composition isotopique des minérauxminéraux constituant ces roches.

Déjà, au début des années 1970, les échantillons lunaires étudiés par les fameux « Quatre cavaliers » du programme Apollo, des géochimistes de formation - à savoir Gerald Wasserburg aux côtés de Bob Walker, Jim Arnold et Paul Werner Gast - avaient déjà commencé à se montrer bavards. Gerald Wasserburg et ses collègues avaient planté les graines qui allaient conduire à avancer le modèle généralement accepté aujourd'hui de l'origine de la Lune : la collision entre Théia et la jeune Terre. La chronologie lunaire que Wasserburg et ses collègues avaient établi les avait conduits à la découverte du fameux Grand bombardement tardif.

Aujourd'hui, c'est une équipe internationale menée par des chercheurs de l'université de Cologne qui explique, dans un article paru dans Nature Geoscience, qu'elle a fait parler des roches lunaires pour qu'elles précisent la date de la formation de la Lune. La méthode utilisée confirme un résultat déjà atteint il y a quelques années concernant notre satellite.

Les matériaux composant la Lune et éjectés en partie du manteau de la Terre avec des restes de Théia - la petite planète de la taille de Mars probablement entrée en collision avec notre Planète, qui n'était pas encore bleue - auraient terminé de s'accréter pour former la Lune en orbite autour de la Terre déjà environ 50 millions d'années après le début de la naissance du Système solaireSystème solaire, il y a 4,56 milliards d'années.

Un couple d'isotopes pour dater le début du refroidissement de la Lune

Pour aboutir à cette conclusion, les cosmochimistes ont de nouveau utilisé des mesures d'abondances de certains isotopesisotopes dans les roches lunaires, comme dans le cas de l'estimation de l'âge de la Lune déjà donnée il y a quelques années (voir l'article ci-dessous). Il s'agit en l'occurrence d'isotope du tungstènetungstène (W) et de l'hafniumhafnium (Hf) mais aussi d'uraniumuranium.

On sait qu'il existe des chaînes de désintégration radioactive entre certains isotopes, et qu'en fonction des lois chimiques de la minéralogie certains isotopes vont se concentrer dans des minéraux au détriment d'autres. Comme on peut dater la cristallisation des minéraux dans un magmamagma en refroidissement, que ce soit des laveslaves ou des roches plutoniquesroches plutoniques en profondeur, et que l'on connaît les taux de désintégration des isotopes - certains se désintégrant plus rapidement que d'autres -, il est possible, en mesurant des excès ou des défauts de certains isotopes dans certains cristaux d'âges donnés, d'en déduire bien des choses sur les dates de formation des structures planétaires. On peut ainsi dater la formation du noyau de la Terrenoyau de la Terre mais aussi quand l'océan magmatique à l'origine de la croûtecroûte lunaire s'est refroidi en surface.

Dans le travail mené par les chercheurs de l'université de Cologne, il a principalement été utilisé le fait que l'isotope hafnium-182 se désintègre en tungstène-182. Et que cette désintégration radioactive n'a pu durer que pendant les 70 premiers millions de l'histoire du Système solaire.

Les roches rapportées, notamment des bassins lunaires, ont permis d'étudier des laves bien datées provenant de la fusionfusion de roches mises en place lors du refroidissement de l'océan magmatique existant au tout début de l'histoire de la Lune. En combinant les données issues d'expériences de pétrologie pour la formation des roches avec les modèles de refroidissement de la Lune, il a été conclu que la seule façon de rendre compte des observations était d'accepter une formation très précoce de la Lune et pas de 30 à 200 millions d'années après le début de la formation du Système solaire. Des chiffres souvent avancés depuis un certain temps, avec une forte préférence pour les valeurs hautes de l'intervalle.

La Lune serait plus vieille qu'on ne le pensait

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 17/01/2017

Les scientifiques ne connaissent pas exactement l'âge de la Lune, mais ils savent que notre satellite naturel s'est formé très peu de temps après la Terre, qui est âgée de 4,56 milliards d'années. La dernière estimation suggère que la Lune aurait au moins 4,51 milliards d'années.

Alors qu'un groupe de chercheurs israéliens vient de publier une théorie inédite concernant l'origine de la Lune, un autre groupe, états-unien cette fois, apporte un nouvel élément concernant la date de la formation de la Lune (cette date ne cesse de varier au rythme des publications depuis quelques années). Les données sont issues de la cosmochimie, comme l'explique un article publié dans le journal Science.

Les travaux des chercheurs se basent sur l'héritage du programme Apollo, qui a permis de ramener sur Terre quelques centaines de kilogrammeskilogrammes de roches lunaires (incidemment, tout le monde peut aujourd'hui s'offrir de petits fragments de ces roches, par exemple en allant sur le site d'un des grands chasseurs de météoritesmétéorites français, Luc Labenne). Des photos de ces roches et des lieux où elles ont été prélevées peuvent être admirées sur le site des archives de la Nasa concernant les missions Apollo 11 à 17. Les analyses de minéraux contenus dans ces roches ainsi que celles des abondances de certains isotopes nous ont appris beaucoup de choses sur l'histoire de la Lune et du Système solaire.

Une vue du site d'alunissage de la mission Apollo 14, la formation géologique Fra Mauro. C'est un massif montagneux qui s'étire juste à l'ouest du grand cratère Fra Mauro (qui lui a donné son nom) et à l'est de la Mare Imbrium. © Nasa

Comment dater la formation de la Lune ?

Les données obtenues ont alimenté les modélisationsmodélisations de l'origine de la Lune à l'aide de simulations numériquessimulations numériques et de la mécanique céleste. Elles ont notamment conduit à proposer l'hypothèse de l'impact d'une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, avec la jeune Terre de l'Hadéen. C'est cet impact qui aurait propulsé dans l'espace une partie du manteau de notre planète qui, mélangée aux restes de Théia, a produit par accrétionaccrétion, à partir d'un anneau de débris, notre satellite. Ce processus d'accrétion, et le bombardement météoritique qui l'a accompagné, devrait avoir produit un gigantesque océan de magma qui, en se refroidissant, aurait donné des minéraux caractéristiques expliquant la composition des roches lunaires.

Parmi les minéraux qui permettent, en théorie, de dater la formation de la Lune, on trouve les zircons. Ils sont particulièrement résistants et peuvent conserver la mémoire de leur origine durant des milliards d'années. Les géochimistes les utilisent d'ailleurs sur Terre pour étudier le passé le plus ancien de notre planète. Des zirconszircons ont ainsi été trouvés dans les roches ramenées par les astronautes d'Apollo 14. Ils ont été étudiés par des cosmochimistes de l'université de Princeton et de l'UCLA.

Un bloc de roche observé par les astronautes d'Apollo 14 en 1971. © Nasa

La Lune serait née il y a au moins 4,51 milliards d'années

Deux couples d'isotopes mesurés à l'aide de techniques de spectrométrie de massespectrométrie de masse ont été utilisés, à savoir celui avec l'uranium et le plombplomb (U-Pb) et celui avec le lutéciumlutécium et l'hafnium (Lu-Hf). Dans les deux cas, un isotope instable, le premier, se désintègre au cours du temps en le second, ce qui permet, en mesurant les quantités dans les zircons, de s'en servir comme des sabliers qui se vident et, donc, comme des horloges.

La géochimiste Mélanie Barboni avec un fragment de roche lunaire. Avec ses collègues, elle a utilisé une technique de spectrométrie de masse par ionisation thermique et dilution isotopique (ID-TIMS pour l'anglais Isotope Dilution et Thermal Ionization Mass Spectrometry) pour étudier huit zircons présents dans des roches ramenées en 1971 par la mission Apollo 14. © Mélanie Barboni, UCLA

Le système Lu-Hf permet de dater la naissance du magma et le système U-Pb la naissance des zircons. Il apparaît alors, en se basant sur les échantillons d'Apollo 14, que notre lune serait née il y a au moins 4,51 milliards d'années.

Elle serait donc de 40 à 140 millions d'années plus vieille que ce qui avait été estimé lors de précédentes estimations. Si tel est le cas, cela va aussi alimenter les débats concernant la date à laquelle notre planète est devenue habitable, avec des océans permettant à la vie d'apparaître et de prospérer.

La Lune un peu plus jeune que prévu

Article de Xavier DemeersmanXavier Demeersman publié le 05/04/2014

Une équipe internationale de planétologues vient d'apporter une nouvelle pièce au débat concernant l'âge de la Lune. Elle serait née environ 95 (plus ou moins 32) millions d'années après le début de la formation du Système solaire, il y a 4,56 milliards d'années. Cette nouvelle estimation de l'âge de notre satellite est déduite des simulations numériques utilisées pour comprendre la naissance des planètes rocheuses

Jusqu'à présent, l'âge de la Lune était estimé par l'étude de la désintégration des noyaux atomiques dans les roches lunaires rapportées par les missions Apollo. De façon approximative car les chiffres obtenus ne font pas consensus quant à l'époque de sa formation initiée, comme chacun sait, par l'impact d'un corps rocheux d'une taille comparable à celle de Mars (surnommé Théia) avec la Terre primitive.

Pour les uns, l'événement se serait produit quelque 30 millions d'années seulement après la naissance du Système solaire (lequel a commencé voici 4,56 milliards d'années) et pour d'autres 50 ou 100 millions d'années plus tard. Régulièrement, de nouveaux travaux viennent présenter une estimation revue. À cette question difficile à trancher, une équipe internationale de chercheurs (financée par le Conseil de recherche européen) propose de nouveaux éléments de réponses.

Illustration de la collision de Théia, corps de la taille de Mars, avec la Terre primitive voici 4,4 milliards d'années. © Fahad Sulehria

Une nouvelle horloge géologique

S'interrogeant sur la genèse du Système solaire, les planétologues ont élaboré plusieurs modèles de formations de planètes telluriquesplanètes telluriques comme MercureMercure, VénusVénus, la Terre et Mars à partir des poussières et planétésimaux circulant autour du jeune soleilsoleil. En étudiant la croissance des corps de tailles et masses comparables à celles de notre planète au sein de 259 simulations, les chercheurs ont observé une corrélation entre l'âge du dernier impact géant subi par la Terre, qui a permis de former la Lune, et la quantité de matièrematière qu'elle a accrétée après cet événement violent.

Aussi, si l'on suppose que celle-ci est connue, ce rapport offre en quelque sorte une première horloge géologique pour cette période très turbulente. « Nous étions impatients de trouver une "horloge" pour la datation de la formation de la Lune qui ne reposerait pas sur des méthodes de datation radiométrique » témoigne Seth Jacobson (postdoc à l'Observatoire de la Côte d'Azur) qui a cosigné avec Alessandro Morbidelli un article publié dans Nature.

La Lune, 4,4 milliards d'années après sa formation, photographiée depuis l'orbite terrestre. © Nasa

Comme l'abondance des éléments hautement sidérophilessidérophiles -- éléments prisant le ferfer -- présents dans le manteau terrestremanteau terrestre, est proportionnelle à la masse accumulée par la Terre après l'impact de Théia, l'équipe a pu déduire de sa mesure que la Lune s'est vraisemblablement formée voici 4,470 milliards d'années, soit 95 millions d'années après la naissance du système solaire. Un résultat qui comporte, cependant, une marge d'incertitude de plus ou moins 32 millions d'années et corrobore les estimations les plus hautes par datation des isotopes radioactifs.

« Ce résultat est passionnant, commente le professeur Kevin Walsh (Southwest Research Institute) qui a collaboré aux recherches, parce que dans les mêmes simulations on peut à la fois former Mars en seulement 2 à 5 millions d'années et la Lune en 100 millions d'années. » Pour le professeur Morbidelli, directeur de recherche au CNRS, ces recherches confortent l'hypothèse que la Terre est « la planète du Système solaire qui a mis le plus longtemps pour se former ».