Quand et comment la Lune s’est-elle formée ?

De nouvelles études proposent des scénarios contrastés pour la fabrication de la Lune. L’un d’entre eux plaide pour une seule grosse éclaboussure au début de l’histoire du système solaire ; un deuxième envisage une vingtaine de coups moins importants qui ont construit la Lune au fil du temps ; et un troisième suggère que l’eau a été impliquée.

Avec la foule d’échantillons lunaires en main et la puissance des analyses de laboratoire modernes, on pourrait penser qu’à l’heure actuelle, les géochimistes devraient avoir complètement cloué le bec à la façon dont la Lune s’est formée. Mais ce n’est pas le cas – en fait, il y a encore beaucoup de débats sur la façon dont la Terre s’est formée.

Voici le problème de base : il y a environ 30 ans, des dynamiciens ont montré qu’un corps ayant à peu près la masse de Mars aurait pu frapper la Terre d’un coup sec et éjecter suffisamment de débris en orbite pour se rassembler en un objet de la taille de la Lune. Dans pratiquement toutes ces simulations, la plupart de ce qui se retrouve sur la Lune provient de l’impacteur plutôt que de la Terre.

Mais les échantillons lunaires d’Apollo (et de Luna), sans parler des météorites lunaires, montrent que la Lune et la Terre ont des compositions très similaires. En dehors de leur manque de fer et de leur extrême absence d’eau, les roches lunaires correspondent aux rapports isotopiques de la Terre pour les éléments de diagnostic géochimique que sont le titane, le calcium, le silicium et (surtout) l’oxygène et le tungstène. Cela met vraiment les dynamistes dans une impasse – ce n’est que dans de rares cas, 1 ou 2 % du temps, que leurs simulations donnent une Lune avec une composition semblable à celle de la Terre. Il y a aussi un problème de réglage fin de l’impact pour donner le moment angulaire du système Terre-Lune actuel.

J’ai écrit sur les solutions possibles à ces énigmes (ou est-ce « conundra » ?) ici et ici, mais aucune idée ne vérifie toutes les cases. On peut imaginer que l’impacteur géant et la proto-Terre avaient des compositions presque identiques – mais statistiquement et intuitivement, cela semble peu probable.

Dans Nature Geoscience du 9 janvier, les chercheurs israéliens Raluca Rufu, Oded Aharonson et Hagai Perets soutiennent que la notion d’un impact unique et géant est erronée. Ils proposent plutôt que la Terre ait subi des dizaines d’impacts de moindre importance (mais néanmoins puissants) avec des objets représentant entre 1 % et 10 % de sa masse, chacun d’entre eux ayant éjecté des débris dans un disque en orbite. Les anneaux ont rapidement coagulé en petits satellites, et les interactions de marée avec la jeune Terre, essentiellement en fusion, ont ensuite poussé chacun d’entre eux vers l’extérieur. Au fil du temps, ils se sont accumulés pour former la Lune.

Cette approche donne une composition lunaire qui est un amalgame de nombreuses compositions, ce qui allège les contraintes isotopiques inflexibles. Les contributions les plus semblables à celles de la Terre proviennent de collisions presque frontales qui ont foré profondément dans le manteau de notre planète. Deux ou trois coups obliques en fin de processus auraient pu modifier le moment angulaire du système pour qu’il corresponde à ce qui existe aujourd’hui.

Comme le note Gareth Collins (Imperial College, Londres) dans une perspective d’accompagnement de News & Views, « les impacts de formation de lunule à plus faible énergie laisseraient des parties de la Terre indemnes. Des réservoirs géochimiques terrestres distincts pourraient donc avoir survécu à la formation de la Lune. » Et, en effet, les chercheurs ont identifié des portions du manteau terrestre dont la composition ne correspond pas à celle du reste de notre planète.

Faire la Lune : Lente ou rapide ?

L’assemblage fragmentaire envisagé par l’équipe israélienne aurait pris beaucoup de temps, peut-être même 100 millions d’années – et cela ouvre un autre aspect du débat sur la formation de la Lune. Certains planétologues ont en effet avancé, principalement pour des raisons géochimiques, que la Lune pourrait s’être formée 150 à 200 millions d’années après le début du système solaire. D’autres affirment qu’elle s’est manifestée bien plus tôt, en quelques dizaines de millions d’années.

Une autre nouvelle analyse, publiée le 11 janvier dans Science Advances, soutient que la Lune s’est formée en vitesse et s’était en grande partie solidifiée il y a 4,51 milliards d’années, soit 60 millions d’années après la naissance du système solaire. La preuve, disent Mélanie Barboni (Université de Californie, Los Angeles) et six collègues, se trouve dans huit minuscules grains du minéral zircon (ZrSiO4), collectés par les astronautes d’Apollo 14, dans lesquels ils ont trouvé des traces d’uranium, de plomb et d’hafnium utilisées pour la datation isotopique.

Il y a plusieurs années, un autre groupe de recherche avait analysé ces mêmes grains, et il était également arrivé à un âge de formation précoce. Mais ce résultat comportait de grandes incertitudes, en raison des techniques utilisées. L’équipe de Barboni a refait la datation, en mesurant soigneusement les isotopes du plomb résultant de la désintégration radioactive de l’uranium 235 et 238 et en analysant également la désintégration du lutécium en hafnium. Enfin, les chercheurs ont également corrigé l’exposition des échantillons lunaires aux rayons cosmiques, qui peuvent fausser les rapports isotopiques. Ils estiment que l’âge résultant de 4,51 milliards d’années présente une incertitude de pas plus de 10 millions d’années – et que la Lune pourrait en fait être plus ancienne.

De manière plus pointue, les grains de zircon d’Apollo 14 ont vraisemblablement cristallisé à partir de l’océan magmatique lunaire (OML) profond qui existait juste après l’assemblage de la Lune. Cela se serait produit si la Lune s’était assemblée sous la forme de débris chauffés à blanc après un impact unique et catastrophique avec la Terre – mais c’est moins probable si des dizaines de petits grains de lune refroidis se sont coagulés en un seul ensemble.

Jeter de l’eau sur le problème

Comme si le Comment et le Quand de la formation de la Lune n’étaient pas assez compliqués, une troisième nouvelle analyse soutient que – malgré son extrême sécheresse aujourd’hui – la Lune contenait probablement beaucoup d’eau lors de sa formation. Dans le même numéro de Nature Geoscience, Yanhao Lin (Vrije Universiteit Amsterdam) et trois autres chercheurs décrivent leurs tentatives expérimentales pour imiter la façon dont l’océan magmatique de la Lune s’est solidifié. Les minéraux de densité inférieure auraient flotté vers le haut, formant une croûte.

Ils constatent que la suite de minéraux trouvés dans la croûte lunaire aujourd’hui – combinée à son épaisseur – plaide pour que l’eau fasse partie du mélange à une concentration de 270 à 1 650 ppm. Cela peut sembler peu – mais si cela s’avérait vrai, les implications seraient importantes.

« Un départ humide de la Lune, couplé aux fortes similitudes entre la composition de la Lune et celle de la Terre silicatée », conclut l’équipe de Lin, « suggère que des concentrations d’eau tout aussi élevées étaient présentes sur la Terre au moment de l’événement de formation de la Lune. »

Raluca Rufu et al. « A Multiple-Impact Origin for the Moon ». Nature Geoscience. 9 janvier 2017.

Gareth S. Collins. « Combo de punch ou coup de massue ? » Nature Geoscience. 9 janvier 2017.

Mélanie Barboni et al. « Early Formation of the Moon 4,51 Billion Years Ago. » Science Advances. 11 janvier 2017.

Yanhao Lin et al. « Evidence for an Early Wet Moon from Experimental Crystallization of the Lunar Magma Ocean. » Nature Geoscience. 9 janvier 2017.

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