La Lune s'est formée suite à une collision titanesque entre la Terre, encore en formation, et une petite planète de la taille de Mars nommée Théia. Le cataclysme, qui s'est produit il y a environ 4,5 milliards d'années, aurait projeté une quantité phénoménale de débris dans l'espace, issus de la désintégration de Théia et des couches supérieures de la Terre. En s'accrétant, ces fragments en orbite auraient alors peu à peu formé un nouveau corps, la Lune.

Voilà pour l'hypothèse la plus communément admise. Pourtant, des scientifiques proposent désormais un autre scénario.

Accrétion progressive ? Ou formation rapide ?

Car l'idée d'une accrétion progressive à partir d'un disque de débris se heurte à certaines observations. L'analyse des roches lunaires montre en effet que leur composition est plutôt semblable à celle du manteau terrestremanteau terrestre, un résultat contradictoire avec l'idée que la majorité des débris proviendrait de Théia.

Pour tenter de résoudre cette énigme, des scientifiques de l'université de Durham ont réalisé des simulations numériquessimulations numériques de l'impact à l'aide d'un super-calculateur. Et les résultats amènent à une alternative concernant l'origine de la Lune. En simulant des centaines d'impacts différents, notamment en faisant varier l'angle et la vitessevitesse de la collision mais aussi les massesmasses de la Terre et de Théia, il apparaît que l'impact aurait pu produire un corps de la masse de la Lune, directement sur l'orbite terrestre.

Image extraite de la vidéo (ci-dessus) montrant le nouveau scénario de la formation de la Lune. © NASA's Ames Research Center

Les paramètres de la collision restent en effet aujourd'hui très débattus et les simulations réalisées par le super-ordinateurordinateur montrent que certaines variations de ces paramètres peuvent déboucher sur des résultats surprenants.

Plus intéressant encore, les résultats de cette étude, publiée dans la revue Astrophysical Journal Letters, permettent d'expliquer pourquoi les couches externes de la Lune sont riches en matériel d'origine terrestre, comme le montrent les échantillons récupérés par les différentes missions Apollo.

Le modèle suggère en effet que la Lune serait ainsi composée de 60 % de matériel provenant de la Terre, contre seulement 30 % pour la théorie classique du disque de débris.

Moins de roches fondues

Si la Lune, ou du moins une grande part, s'est formée très rapidement après l'impact, alors cela signifie qu'une quantité moins importante de roche était sous l'état fondu durant sa formation. Moins, en tout cas, que la quantité impliquée dans les théories standards. Et cela aurait un important impact sur la vitesse de refroidissement de la Lune, sur sa composition mais également sa structure. En effet, ce nouveau scénario suppose que seule une fraction de cette croûtecroûte était fondue, l'intérieur étant plutôt froid et solidesolide. Cette faible quantité de roche en fusionfusion permettrait d'expliquer la composition de la fine croûte lunaire par le fait que le mélange radial entre les différentes couches ait alors été très limité, à l'inverse d'une Lune entièrement composée de roches fondues.

Ce nouveau scénario, qui propose que la Lune se soit formée bien plus rapidement que ce que l'on pensait jusqu'à présent, à partir d'un fragment imposant, ouvre de nouvelles possibilités de réflexion concernant la composition et la structure de la Lune, mais également sur les caractéristiques de son orbite.

Origine de la Lune : nouveaux scénarios de collision avec Théia

Le scénario principalement accepté pour la formation de la Lune fait intervenir une collision pendant l'HadéenHadéen entre la jeune Terre et une petite planète de la taille de Mars, nommée Théia. Cette hypothèse laissait toutefois subsister des énigmes cosmochimiques. Elles viennent peut-être de trouver leurs solutions, selon deux groupes de chercheurs.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 24 octobre 2012

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Grâce au programme Apollo et aux roches lunaires que Neil Armstrong et ses collègues ont ramenées sur Terre, on sait que la Lune partage avec notre planète de surprenantes similitudes de composition chimique, notamment au niveau des isotopesisotopes de tungstènetungstène, chromechrome, siliciumsilicium et oxygèneoxygène, qui rappellent la composition du manteau de la Terre. Autre certitude : la Lune possède un noyau ferreux anormalement petit et est très pauvre en eau.

De ces informations sur la composition de notre satellite, jointes à des considérations de mécanique céleste, les astronomesastronomes et les cosmochimistes en avaient déduit que l'explication la plus probable pour sa formation faisait intervenir un impact géant il y a plus de 4,4 milliards d'années. Une petite planète de la taille de Mars, baptisée Théia, serait ainsi entrée en collision tangentielle avec la Terre, 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 Planète (pas encore) bleue, une partie du manteau des deux se serait ensuite retrouvée sous la forme d'un disque d'accrétiondisque d'accrétion entourant la Terre, dans lequel serait finalement née la Lune.

Des isotopes contraignants pour les scénarios de collision

Pourtant, d'après ce scénario, la composition chimique de la Lune devait différer tout de même un peu de celle de la Terre car une bonne partie des roches de notre satellite devait provenir du matériaumatériau initial de Théia. L'analyse des météoritesmétéorites a en effet révélé des variations isotopiques notables, en particulier pour le titanetitane et l'oxygène, dans les corps rocheux du Système solaireSystème solaire (bien qu'ils partagent aussi des similitudes remontant à une origine commune, la nébuleusenébuleuse protosolaire). Or, la Terre et la Lune apparaissent comme des jumelles au niveau des isotopes de l'oxygène et du titane.

Si les modèles de formation de la Terre et de la Lune reproduisent bien leur masse et leur vitesse de rotationvitesse de rotation respectives, ainsi que plusieurs caractéristiques chimiques, ils laissent donc subsister des énigmes au niveau des isotopes. Les tentatives pour remédier à ces mystères en introduisaient jusqu'ici d'autres concernant la mécanique céleste.

Une vue d'artiste de la collision de Théia avec la jeune Terre. Sur cette image, Théia est plus grosse que Mars, ce qui apparait maintenant comme possible. © Ron Miller

Le problème de la vitesse de rotation de la Terre

On pouvait par exemple supposer que la Terre, avant sa collision avec Théia, tournait rapidement sur elle-même et qu'une plus grande quantité de matièrematière provenant de notre planète s'était échappéeéchappée du fait de cette rotation, pour ensuite être capturée par la jeune Lune en formation juste après sa collision. Malheureusement, la conservation du moment cinétiquemoment cinétique du système Terre-Lune, s'il permet bien de partir d'une Terre en rotation rapide dont la vitesse diminue avec le temps sous l'effet des forces de maréeforces de marée lunaire, n'autorisait pas jusqu'à présent une vitesse de rotation initiale de la Terre suffisamment élevée pour résoudre les énigmes de la chimiechimie de la Lune.

C'est ce mécanisme qui a fait migrer la Lune loin de la Terre, fait augmenter la duréedurée du jour terrestre et a abouti à ce que la Lune présente toujours la même face à la Terre (c'est le phénomène de la rotation synchronesynchrone). En partant des observations actuelles et en renversant le sens du temps pour prédire le passé, on aboutit en effet à une rotation de la Terre juste après sa collision avec Théia d'environ 5 heures... ce qui est trop lent.

Des chercheurs viennent aujourd'hui de publier dans Science deux articles proposant deux nouveaux scénarios de collisions qui semblent pouvoir résoudre toutes ces énigmes.

Deux planètes de même taille en collision

Dans l'un de ces scénarios, la Terre, en forme d'ellipsoïde très aplati, est en rotation très rapide, avec un jour durant de 2 à 3 heures seulement. En dessous de 2 heures, la vitesse de rotation de la Terre serait telle que la force centrifugeforce centrifuge la ferait éclater. Avec une pareille vitesse de rotation au moment de la formation de la Lune, suffisamment de matériau provenant du manteau de la Terre peut être éjecté et entrer dans la composition de notre satellite pour rendre compte de sa proximité chimique avec la Terre. C'est par exemple le cas avec une Théia de la moitié de la masse de Mars et heurtant presque frontalement la jeune Terre à 20 km/s, comme l'ont montré des simulations numériques.

Restait à faire diminuer la vitesse de rotation de la Terre. Les chercheurs ont découvert que cela était tout à fait possible si l'on tenait compte d'un mécanisme de résonancerésonance gravitationnelle entre le mouvementmouvement de la Lune autour de la Terre et de la Terre autour du SoleilSoleil. Ce même mécanisme (evection resonance en anglais) permet de former correctement la Lune à la suite d'une collision frontale entre deux corps célestes de masses presque identiques, à savoir 4 à 5 fois celle de la masse pour chaque planète, comme le propose le second scénario publié dans Science.