La Lune est bien née d'une collision apocalyptique avec la Terre

La Lune est bien née voici très longtemps d'une collision apocalyptique avec la Terre et, selon une étude publiée mercredi, la preuve confirmant cette théorie tient en peu de chose: un léger excès de "zinc lourd" découvert dans des roches lunaires.

Les scientifiques cherchaient cette preuve depuis que les premières missions américaines Apollo ont rapporté des échantillons de Lune dans les années 1970. Et c'est le Français Frédéric Moynier, de l'Université Washington à Saint-Louis (Etats-Unis), et son équipe qui sont les premiers à l'avoir trouvée.

D'après la théorie dite de "l'impact géant", la Lune a été créée voici environ 4,5 milliards d'années lorsque la Terre primitive a été violemment percutée par un corps céleste baptisé Théia (mère de la Lune, Séléné, dans la mythologie grecque), aussi massif que la planète Mars. A titre de comparaison, l'astéroïde qui aurait bien plus tard provoqué la disparition des dinosaures avait seulement la taille de Manhattan.

La collision a libéré tellement d'énergie que Théia a fondu et s'est évaporée, au même titre qu'une grande partie de l'enveloppe terrestre. Une partie du nuage de roches vaporisées se serait de nouveau agrégée à la Terre, tandis que l'autre se serait solidifiée non loin de là, donnant naissance à la Lune.

Au fil du temps, l'hypothèse de l'impact géant est devenue de plus en plus plausible, compatible avec des simulations informatiques et des échantillons lunaires très pauvres en éléments volatils (qui s'évaporent facilement), comme le sodium, le potassium, le plomb ou le zinc.

"Mais si ces roches étaient dépourvues d'éléments volatils après avoir été vaporisées durant l'impact géant, on aurait aussi dû trouver un fractionnement entre les différents isotopes (variantes) d'un même élément", seuls les plus lourds demeurant dans la roche, explique Frédéric Moynier dans un communiqué diffusé par son université.

Le problème est que jusqu'à présent, personne n'était parvenu à mettre en évidence un tel "fractionnement isotopique" concernant la Lune.

M. Moynier et son équipe ont donc analysé vingt échantillons de roches prélevés en différents points de la Lune pour les comparer avec des roches terrestres et dix météorites martiennes.

La planète Mars est comme la Terre, elle est très riche en éléments volatils, notamment en zinc, contrairement à la Lune. Mais le zinc découvert dans les échantillons lunaires comporte des variantes atomiques beaucoup plus lourdes que le sol terrestre ou Mars, révèle l'étude, publiée par la revue britannique Nature.

Tout semble donc indiquer que les conditions qui prévalaient au moment de la formation de la Lune ont provoqué une volatilité et un fractionnement très supérieur à ceux de la Terre ou de Mars.

Et l'explication la plus simple et la plus plausible à un tel résultat est la fusion à grande échelle provoquée par un impact géant, selon les auteurs.

"Ces travaux ont aussi des implications pour l'origine de la Terre, qui est étroitement liée à l'origine de la Lune", souligne Frédéric Moynier.

Sans l'influence stabilisatrice de la Lune qui orbite autour de notre planète, la Terre serait en effet bien différente et moins propice à l'épanouissement de l'humanité. Elle tournerait plus rapidement, les jours seraient plus courts, le climat plus marqué et changeant, estiment les scientifiques.

D'autan que cette théorie n'explique en rien la
différence d'âge des roches lunaires avec celle de notre
planète...différence calculé en milliard d'années.

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

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 isotopes de tungstène, chrome, silicium et oxygène, 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 astronomes 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’accrétion entourant la Terre, dans lequel serait finalement née la Lune.

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 matériau initial de Théia. L’analyse des météorites a en effet révélé des variations isotopiques notables, en particulier pour le titane et l’oxygène, dans les corps rocheux du Système solaire (bien qu’ils partagent aussi des similitudes remontant à une origine commune, la nébuleuse 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 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.

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 matière provenant de notre planète s’était échappée du fait de cette rotation, pour ensuite être capturée par la jeune Lune en formation juste après sa collision. Malheureusement, la conservation du moment 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 marée lunaire, n’autorisait pas jusqu’à présent une vitesse de rotation initiale de la Terre suffisamment élevée pour résoudre les énigmes de la chimie de la Lune.

C’est ce mécanisme qui a fait migrer la Lune loin de la Terre, fait augmenter la durée 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 synchrone). 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.

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 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 résonance gravitationnelle entre le mouvement de la Lune autour de la Terre et de la Terre autour du Soleil. 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.