Reconstruire l’histoire de la Lune, une roche à la fois

L'origine de la Lune alimente toujours un vigoureux débat scientifique.
Photo: Robyn Beck Agence France-Presse L'origine de la Lune alimente toujours un vigoureux débat scientifique.

Cinq décennies après leur récolte lors des missions Apollo, les pierres lunaires — comme celle qui fait son entrée aujourd’hui au Centre des sciences de Montréal — fascinent encore les chercheurs et alimentent un vigoureux débat scientifique sur l’origine de la Lune.

« L’histoire typiquement acceptée, c’est qu’un gros objet de la taille de Mars est entré en collision avec la Terre, raconte David Lafrenière, astrophysicien à l’Université de Montréal. Les débris créés par l’impact, provenant aussi bien de la Terre que du projectile, se seraient ensuite amalgamés afin de former la Lune. » Ce scénario, appelé l’hypothèse de l’impact géant, a été formulé après l’analyse des roches lunaires ramenées sur Terre par les astronautes de la NASA.

« Grâce aux pierres lunaires, on a réalisé qu’au début de son histoire, la Lune était un corps rocheux en fusion complète », indique Richard W. Carlson, géochimiste à la Carnegie Institution de Washington, aux États-Unis. En conséquence, la Lune a été formée lors d’un événement extrêmement énergétique. « Les gens ont commencé à essayer de déterminer quel processus pouvait fournir autant d’énergie, et ils ont abouti à l’hypothèse de l’impact géant », poursuit M. Carlson.

« Avant d’avoir mis la main sur les échantillons de roches, plusieurs hypothèses étaient envisagées, explique David Lafrenière. L’une d’elles voulait que la Lune se soit formée lorsque la Terre était encore à l’état liquide. Une autre postulait que la Lune était à la dérive et que le champ gravitationnel terrestre l’avait attrapée. On s’est ensuite rendu compte que ces hypothèses ne tenaient pas la route. »

La Lune est essentiellement faite de manteau terrestre

Au tournant des années 2000, la physicienne de l’Université du Colorado Robin Canup et ses collègues renforçaient l’hypothèse de l’impact géant en réalisant des simulations numériques détaillées de la collision. En considérant un projectile qui frappe la Terre avec un angle prononcé, ils arrivaient à expliquer la vitesse de rotation du système Terre-Lune actuel. Ils calculaient aussi que 70 à 90 % de la masse de la Lune provient du corps étranger. Les preuves commençaient à s’accumuler, si bien que le projectile planétaire géant fut officieusement baptisé Théia, en l’honneur de la mère de Séléné, la déesse de la Lune dans la mythologie grecque.

Première fausse note

Toutefois, en 2001, un premier coup est porté à l’hypothèse de l’impact géant. Une analyse plus précise de la composition des roches lunaires illuminait une troublante ressemblance avec leurs cousines terrestres.

Ce sont dans les noyaux d’oxygène des roches qu’on retrouve la ressemblance suspecte. Dans la nature, tous les noyaux d’oxygène sont composés de huit protons ainsi que de huit, neuf ou dix neutrons. Chacune de ces « espèces » d’oxygène est appelée un isotope. L’abondance relative de chaque isotope est très bien connue sur Terre. Ailleurs dans le système solaire, les rapports sont différents. Si la Lune est bien l’héritière de Théia, on s’attendait donc à y mesurer des rapports isotopiques différents de ceux qu’on observe sur Terre. On réalisa pourtant qu’ils étaient identiques.

Tant que l’observation se limitait aux atomes d’oxygène, on pouvait encore croire à la coïncidence. Toutefois, dans les années suivant cette première découverte, des chercheurs réalisèrent la même chose pour d’autres éléments, comme le silicium et le titane. « Au fil du temps, l’argument des isotopes se resserrait de plus en plus », relate Richard W. Carlson.

Deux possibilités émergeaient alors : soit Théia avait exactement les mêmes rapports isotopiques que la Terre (ce qui était hautement improbable), ou bien la Lune est essentiellement constituée de matériel terrestre. Cette dernière option mettait sur la glace l’hypothèse de l’impact géant telle qu’imaginée.

Nouvelles hypothèses

Ces nouvelles observations inspirèrent les théoriciens dans l’élaboration de nouvelles hypothèses pour expliquer la formation de la Lune.

Des chercheurs proposèrent en 2010 que la Lune soit née de multiples collisions avec de nombreux petits projectiles riches en glace. D’autres suggérèrent en 2012 qu’une forte collision fit tourner la Terre si rapidement que la force centrifuge en arracha du matériel. En 2017, Sarah Stewart, géophysicienne à l’Université de Californie à Davis, avançait une idée encore plus exotique. « Dans cette hypothèse, l’impact est si puissant que la Terre et le projectile se détruisent mutuellement et forment un nuage de roche vaporisée qu’on appelle le synestia, explique M. Carlson. Les éléments les plus lourds restent plus près du centre et finissent par former le noyau de la Terre, tandis que les éléments plus légers donnent naissance à la Lune. » « Ce n’est pas impossible », commente-t-il.

Personne n’a encore été en mesure de trancher le débat. Cependant, selon Richard W. Carlson, il ne fait maintenant plus de doute que la Lune est principalement constituée de matériaux provenant de la Terre, plus précisément de son manteau. C’est surtout l’analyse du tungstène dans les pierres lunaires qui le fait pencher vers cette conclusion. Au coeur des roches, la dégradation de hafnium en tungstène agit comme une horloge nucléaire qui permet de dater la formation d’une planète ou d’un satellite. Le taux de tungstène mesuré dans les roches lunaires laisse entendre que le satellite partage une histoire commune d’accrétion et de différentiation avec la Terre. Cet indice supplémentaire « plante les derniers clous dans le cercueil », explique M. Carlson : « la Lune est essentiellement faite de manteau terrestre ».

L’hypothèse de l’impact géant demeure donc le scénario le plus vraisemblable, mais la collision s’est déroulée d’une manière qu’on ne comprend pas encore. Théia a frappé, mais ce n’est pas ses résidus qui créèrent la Lune. Pour trouver l’explication, les scientifiques devront fermer leurs livres et se replonger au coeur des pierres lunaires.

Un morceau de Lune au Centre des sciences

Une pierre lunaire fait son entrée vendredi au Centre des sciences de Montréal. Le morceau de basalte prêté par la NASA à l’institution montréalaise est une tranche de l’échantillon 70215 récolté lors de la mission Apollo 17 en 1972 — la dernière fois que l’humain a foulé la Lune. Fait rare, le public aura la possibilité de toucher la pierre de 24 g exposée au Centre des sciences. Pour qu’une pierre lunaire soit « touchable », elle doit être suffisamment lisse pour éviter qu’elle se dégrade à force d’être frottée par des dizaines de milliers de paires de mains. Seules dix pierres lunaires peuvent être touchées dans le monde.

Photo: Centre des sciences Une pierre lunaire

« C’est une roche basaltique, c’est-à-dire du magma refroidi, qui s’est formé à une époque où la Lune avait du magma actif à sa surface, explique Sara Arsenault, muséologue chargée du projet au Centre des sciences. Les zones plus sombres qu’on voit à la surface de la Lune sont constituées de ce type de roche. »

La NASA accepte de prêter des fragments de cet échantillon parce qu’il est très gros et que le morceau principal reste disponible pour des analyses scientifiques. Au Centre spatial Lyndon B. Johnson, à Houston, est entreposée une grande collection de roches lunaires. Certaines d’entre elles n’ont jamais été déballées depuis leur retour sur Terre. Les scientifiques de la NASA attendent le développement de nouvelles méthodes d’analyse afin de les manipuler.

Si l’importance scientifique des roches lunaires est aujourd’hui bien établie, cela n’a pas toujours été le cas. « Sur les premiers vols Apollo, les astronautes provenaient des corps militaires, il n’y avait pas de scientifiques à bord, raconte Sara Arsenault. Toutefois, à partir de la mission Apollo 15, les astronautes furent formés en géologie afin de pouvoir cibler les échantillons les plus intéressants à ramener sur Terre, comme l’anorthosite, qui permit de déterminer l’âge de la Lune. » L’échantillon 70215 a été quant à lui récolté par Harrison « Jack » Schmitt, le premier géologue envoyé sur la Lune.