De nouvelles preuves provenant d'anciennes roches lunaires suggèrent qu'une dynamo active tournait autrefois dans le noyau métallique en fusion de la lune, générant un champ magnétique qui a duré au moins 1 milliard d'années de plus qu'on ne le pensait auparavant. Les dynamos sont des générateurs naturels de champs magnétiques autour des corps terrestres, et sont alimentés par le barattage de fluides conducteurs dans de nombreuses étoiles et planètes. Dans un article publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , Des chercheurs du MIT et de l'Université Rutgers rapportent qu'une roche lunaire collectée par la mission Apollo 15 de la NASA montre des signes qu'elle s'est formée il y a 1 à 2,5 milliards d'années en présence d'un champ magnétique relativement faible d'environ 5 microtesla. C'est environ 10 fois plus faible que le champ magnétique actuel de la Terre mais toujours 1, 000 fois plus grand que les champs dans l'espace interplanétaire aujourd'hui.

Il y a plusieurs années, les mêmes chercheurs ont identifié des roches lunaires vieilles de 4 milliards d'années qui se sont formées sous un champ beaucoup plus fort d'environ 100 microteslas, et ils ont déterminé que la force de ce champ a chuté brusquement il y a environ 3 milliards d'années. À l'époque, les chercheurs ne savaient pas si la dynamo de la lune – le champ magnétique associé – s'était éteint peu de temps après ou s'était attardé dans un état affaibli avant de se dissiper complètement.

Les résultats rapportés aujourd'hui soutiennent ce dernier scénario :après la diminution du champ magnétique de la lune, il a néanmoins persisté pendant au moins un autre milliard d'années, existant depuis au moins 2 milliards d'années.

Co-auteur de l'étude Benjamin Weiss, professeur de sciences planétaires au Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS), dit que cette nouvelle durée de vie prolongée aide à identifier les phénomènes qui ont alimenté la dynamo de la lune. Spécifiquement, les résultats soulèvent la possibilité de deux mécanismes différents - l'un qui peut avoir entraîné un plus tôt, dynamo beaucoup plus forte, et une seconde qui a maintenu le noyau de la lune mijoter à une ébullition beaucoup plus lente vers la fin de sa vie.

"Le concept d'un champ magnétique planétaire produit par le mouvement du métal liquide est une idée qui n'a en réalité que quelques décennies, " Weiss dit. " Qu'est-ce qui alimente ce mouvement sur Terre et d'autres corps, surtout sur la lune, n'est pas bien compris. Nous pouvons comprendre cela en connaissant la durée de vie de la dynamo lunaire."

Les co-auteurs de Weiss sont l'auteur principal Sonia Tikoo, un ancien étudiant diplômé du MIT qui est maintenant professeur adjoint à Rutgers; David Shuster de l'Université de Californie à Berkeley; Clément Suavet et Huapei Wang de l'EAPS; et Timothée Grove, le professeur R.R. Schrock de géologie et directeur associé de l'EAPS.

Les flûtes à bec d'Apollon

Depuis que les astronautes d'Apollo de la NASA ont ramené des échantillons de la surface lunaire, les scientifiques ont découvert que certaines de ces roches étaient des "enregistreurs" précis de l'ancien champ magnétique de la lune. De telles roches contiennent des milliers de minuscules grains qui, comme des aiguilles de boussole, alignés dans la direction d'anciens champs lorsque les roches se sont cristallisées il y a des éons. De tels grains peuvent donner aux scientifiques une mesure de l'ancienne intensité du champ de la lune.

Jusque récemment, Weiss et d'autres n'avaient pas été en mesure de trouver des échantillons de moins de 3,2 milliards d'années capables d'enregistrer avec précision les champs magnétiques. Par conséquent, ils n'avaient pu mesurer la force du champ magnétique de la lune qu'entre 3,2 et 4,2 milliards d'années.

"Le problème est, il y a très peu de roches lunaires qui ont moins de 3 milliards d'années environ, parce qu'à ce moment-là, la lune s'est refroidie, le volcanisme a en grande partie cessé et, avec, formation de nouvelles roches ignées à la surface lunaire, " explique Weiss. " Il n'y avait donc pas de jeunes échantillons que nous pouvions mesurer pour voir s'il y avait un champ après 3 milliards d'années. "

Il y a, cependant, une petite classe de roches ramenées des missions Apollo qui se sont formées non pas à partir d'anciennes éruptions lunaires mais à partir d'impacts d'astéroïdes plus tard dans l'histoire de la lune. Ces roches ont fondu à cause de la chaleur de ces impacts et se sont recristallisées dans des orientations déterminées par le champ magnétique de la lune.

Weiss et ses collègues ont analysé une de ces roches, connu sous le nom d'Apollo 15 échantillon 15498, qui a été collecté à l'origine le 1er août, 1971, du bord sud du cratère des dunes de la lune. L'échantillon est un mélange de minéraux et de fragments de roche, soudés entre eux par une matrice vitreuse, dont les grains préservent les enregistrements du champ magnétique de la lune au moment de l'assemblage de la roche.

"Nous avons découvert que ce matériau vitreux qui soude les choses ensemble a d'excellentes propriétés d'enregistrement magnétique, " dit Weiss.

Pierres à cuire

L'équipe a déterminé que l'échantillon de roche avait environ 1 à 2,5 milliards d'années, bien plus jeune que les échantillons qu'ils avaient analysés précédemment. Ils ont développé une technique pour déchiffrer l'ancien champ magnétique enregistré dans la matrice vitreuse de la roche en mesurant d'abord les propriétés magnétiques naturelles de la roche à l'aide d'un magnétomètre très sensible.

Ils ont ensuite exposé la roche à un champ magnétique connu en laboratoire, et chauffé la roche à près des températures extrêmes dans lesquelles elle s'est formée à l'origine. Ils ont mesuré comment la magnétisation de la roche changeait à mesure qu'ils augmentaient la température environnante.

"Vous voyez à quel point il est magnétisé en étant chauffé dans ce champ magnétique connu, puis vous comparez ce champ au champ magnétique naturel que vous avez mesuré auparavant, et à partir de là, vous pouvez déterminer quelle était l'ancienne force de champ, ", explique Weiss.

Les chercheurs ont dû apporter un ajustement important à l'expérience pour mieux simuler l'environnement lunaire d'origine, et en particulier, son atmosphère. Alors que l'atmosphère terrestre contient environ 20 pour cent d'oxygène, la lune n'a que des traces imperceptibles de gaz. En collaboration avec Grove, Suavet a construit un four privé d'oxygène pour chauffer les roches, les empêchant de rouiller tout en simulant l'environnement sans oxygène dans lequel les roches ont été initialement magnétisées.

"De cette façon, nous avons enfin obtenu une mesure précise du champ lunaire, " dit Weiss.

Des sorbetières aux lampes à lave

De leurs expériences, les chercheurs ont déterminé que, il y a environ 1 à 2,5 milliards d'années, la lune abritait un champ magnétique relativement faible, avec une force d'environ 5 microtesla—deux ordres de grandeur plus faible que le champ de la lune il y a environ 3 à 4 milliards d'années. Une baisse aussi spectaculaire suggère à Weiss et à ses collègues que la dynamo de la lune pourrait avoir été entraînée par deux mécanismes distincts.

Les scientifiques ont suggéré que la dynamo de la lune pourrait avoir été alimentée par l'attraction gravitationnelle de la Terre. Au début de son histoire, la Lune a orbité beaucoup plus près de la Terre, et la gravité terrestre, à si près, peut-être été assez fort pour tirer et faire pivoter l'extérieur rocheux de la lune. Le centre liquide de la lune a peut-être été entraîné avec l'enveloppe extérieure de la lune, générant un champ magnétique très puissant dans le processus.

On pense que la lune s'est peut-être éloignée suffisamment de la Terre il y a environ 3 milliards d'années, de telle sorte que la puissance disponible pour la dynamo par ce mécanisme devenait insuffisante. Cela se produit à peu près au moment où la force du champ magnétique de la lune a chuté. Un mécanisme différent peut alors s'être déclenché pour maintenir ce champ affaibli. Alors que la lune s'éloignait de la Terre, son noyau a probablement subi une faible ébullition via un lent processus de refroidissement sur au moins 1 milliard d'années.

"Alors que la lune se refroidit, son noyau agit comme une lampe à lave :une substance à faible densité s'élève parce qu'elle est chaude ou parce que sa composition est différente de celle du fluide environnant, " Weiss dit. " C'est comme ça que nous pensons que la dynamo de la Terre fonctionne, et c'est ce que nous suggérons que la dynamo lunaire tardive faisait aussi. »

Les chercheurs prévoient d'analyser des roches lunaires encore plus jeunes pour déterminer quand la dynamo s'est complètement éteinte.

"Aujourd'hui, le champ de la lune est pratiquement nul, " dit Weiss. " Et nous savons maintenant qu'il s'est éteint quelque part entre la formation de cette roche et aujourd'hui. "