Les échantillons de roche volcanique collectés lors des missions Apollo de la NASA portent la signature isotopique d'événements clés de l'évolution précoce de la Lune, une nouvelle analyse trouvée. Ces événements incluent la formation du noyau de fer de la Lune, ainsi que la cristallisation de l'océan de magma lunaire, la mer de roche en fusion qui aurait recouvert la Lune pendant environ 100 millions d'années après sa formation.

L'analyse, publié dans la revue Avancées scientifiques , utilisé une technique appelée spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) pour étudier les verres volcaniques renvoyés des missions Apollo 15 et 17, qui sont censés représenter certains des matériaux volcaniques les plus primitifs de la Lune. L'étude a porté spécifiquement sur la composition des isotopes du soufre, qui peut révéler des détails sur l'évolution chimique des laves de génération, transport et éruption.

"Pendant de nombreuses années, il semblait que les échantillons de roche basaltique lunaire analysés présentaient une variation très limitée des rapports isotopiques du soufre, " a déclaré Alberto Saal, professeur de géologie à l'Université Brown et co-auteur de l'étude. "Cela suggérerait que l'intérieur de la Lune a une composition isotopique de soufre fondamentalement homogène. Mais en utilisant des techniques analytiques modernes in situ, nous montrons que les rapports isotopiques des verres volcaniques ont en fait une gamme assez large, et ces variations peuvent être expliquées par des événements au début de l'histoire lunaire."

La signature du soufre d'intérêt est le rapport de l'isotope "lourd" du soufre-34 au soufre-32 plus léger. Les premières études d'échantillons volcaniques lunaires ont révélé qu'ils se penchaient uniformément vers le soufre-34 plus lourd. Le rapport isotopique du soufre presque homogène contrastait avec les grandes variations des autres éléments et isotopes détectés dans les échantillons lunaires.

Cette nouvelle étude a examiné 67 échantillons de verre volcanique individuels et leurs inclusions de fusion - de minuscules taches de lave en fusion piégées dans des cristaux à l'intérieur du verre. Les inclusions de fonte capturent la lave avant que le soufre et d'autres éléments volatils ne soient libérés sous forme de gaz lors de l'éruption, un processus appelé dégazage. En tant que tel, ils offrent une image immaculée de ce à quoi ressemblait la lave source d'origine. En utilisant le SIMS à la Carnegie Institution for Science, Saal avec son collègue, le regretté scientifique de Carnegie Eric Hauri, ont pu mesurer les isotopes du soufre dans ces inclusions et verres fondus vierges, et utiliser ces résultats pour calibrer un modèle du processus de dégazage pour tous les échantillons.

"Une fois qu'on connaît le dégazage, alors nous pouvons estimer la composition isotopique originale du soufre des sources qui ont produit ces laves, " a déclaré Saal.

Ces calculs ont révélé que les laves provenaient de différents réservoirs à l'intérieur de la Lune avec une large gamme de rapports isotopiques du soufre. Les chercheurs ont ensuite montré que la gamme de valeurs détectées dans les échantillons pouvait s'expliquer par des événements de la première histoire de la Lune.

Le rapport isotopique plus léger dans certains des verres volcaniques, par exemple, est compatible avec la ségrégation du noyau de fer de la première Lune en fusion. Lorsqu'un noyau de fer se sépare d'un autre matériau dans un corps planétaire, il faut un peu de soufre avec. Le soufre qui est pris a tendance à être l'isotope le plus lourd du soufre-34, laissant le magma restant enrichi en soufre-32 plus léger.

"Les valeurs que nous voyons dans certains des verres volcaniques sont parfaitement cohérentes avec les modèles du processus de ségrégation du noyau, " a déclaré Saal.

Les valeurs isotopiques plus lourdes peuvent s'expliquer par le refroidissement et la cristallisation supplémentaires de la Lune en fusion. Le processus de cristallisation élimine le soufre de la piscine magmatique, produire des réservoirs solides avec plus de soufre-34 plus lourd. Ce processus est probablement la source des valeurs isotopiques plus lourdes trouvées dans certains des verres volcaniques et des roches basaltiques renvoyés par la Lune.

"Nos résultats suggèrent que ces échantillons enregistrent ces événements critiques dans l'histoire lunaire, " a déclaré Saal. " Alors que nous continuons à examiner ces échantillons avec des techniques nouvelles et meilleures, nous continuons d'apprendre de nouvelles choses."

Plus de travail doit être fait - et plus d'échantillons doivent être analysés - pour bien comprendre la composition isotopique du soufre de la Lune, dit Saal. Mais ces nouveaux résultats aident à clarifier des questions de longue date sur la composition de l'intérieur de la Lune, et ils rapprochent les scientifiques de la compréhension de la formation et de l'histoire ancienne de la Lune.