Il y a environ 4,5 milliards d’années, une petite planète s’est écrasée sur la jeune Terre, projetant des roches en fusion dans l’espace. Lentement, les débris ont fusionné, se sont refroidis et se sont solidifiés, formant ainsi notre lune. Ce scénario sur la naissance de la Lune sur Terre est celui largement accepté par la plupart des scientifiques. Mais les détails de la façon dont cela s'est produit sont "plus un roman de choix de votre propre aventure", selon des chercheurs du laboratoire lunaire et planétaire de l'Université d'Arizona qui ont publié un article dans Nature Geoscience. .

Les résultats offrent des informations importantes sur l'évolution de l'intérieur de la Lune, et potentiellement sur des planètes telles que la Terre ou Mars.

La plupart de ce que l’on sait sur l’origine de la Lune provient d’analyses d’échantillons de roches collectés par les astronautes d’Apollo il y a plus de 50 ans, combinées à des modèles théoriques. Les échantillons de roches de lave basaltique ramenés de la Lune ont montré des concentrations étonnamment élevées de titane. Des observations satellite ultérieures ont révélé que ces roches volcaniques riches en titane sont principalement situées sur la face visible de la Lune, mais comment et pourquoi elles y sont arrivées est restée un mystère jusqu'à présent.

Parce que la lune s’est formée rapidement et chaudement, elle était probablement recouverte par un océan de magma mondial. Au fur et à mesure que la roche en fusion se refroidissait et se solidifiait, elle a formé le manteau lunaire et la croûte brillante que nous voyons lorsque nous regardons la pleine lune la nuit. Mais plus profondément sous la surface, la jeune lune était complètement déséquilibrée. Les modèles suggèrent que les dernières lies de l'océan magmatique se sont cristallisées en minéraux denses, dont l'ilménite, un minéral contenant du titane et du fer.

"Comme ces minéraux lourds sont plus denses que le manteau situé en dessous, cela crée une instabilité gravitationnelle et on pourrait s'attendre à ce que cette couche s'enfonce plus profondément à l'intérieur de la Lune", a déclaré Weigang Liang, qui a dirigé la recherche dans le cadre de son doctorat au LPL.

D'une manière ou d'une autre, au cours des millénaires qui ont suivi, ce matériau dense s'est enfoncé à l'intérieur, s'est mélangé au manteau, a fondu et est revenu à la surface sous forme de coulées de lave riches en titane que nous voyons aujourd'hui à la surface.

"Notre lune s'est littéralement retournée", a déclaré Jeff Andrews-Hanna, co-auteur et professeur associé à la LPL. "Mais il y a peu de preuves physiques permettant de faire la lumière sur la séquence exacte des événements au cours de cette phase critique de l'histoire lunaire, et il y a beaucoup de désaccords sur les détails de ce qui s'est passé, littéralement."

Ce matériau a-t-il coulé au fur et à mesure de sa formation, ou d'un seul coup après que la lune se soit complètement solidifiée ? Est-ce qu'il s'est enfoncé globalement vers l'intérieur puis s'est élevé du côté proche, ou a-t-il migré vers le côté proche puis a coulé ? Est-ce qu'il a coulé dans une grosse goutte ou dans plusieurs petites gouttes ?

"Sans preuve, vous pouvez choisir votre modèle préféré. Chaque modèle a de profondes implications sur l'évolution géologique de notre lune", a déclaré Adrien Broquet, co-auteur principal du Centre aérospatial allemand de Berlin, qui a effectué le travail pendant son stage postdoctoral. chercheur associé au LPL.

Dans une étude précédente, dirigée par Nan Zhang de l'Université de Pékin, qui est également co-auteur du dernier article, des modèles prédisaient que la couche dense de matériau riche en titane située sous la croûte aurait d'abord migré vers la face proche de la Lune. , peut-être déclenché par un impact géant sur la face cachée, puis s'est enfoncé à l'intérieur dans un réseau de dalles en forme de feuilles, tombant en cascade dans l'intérieur lunaire presque comme des cascades. Mais lorsque ce matériau a coulé, il a laissé derrière lui un petit reste dans un motif géométrique de corps linéaires entrecroisés de matériau dense riche en titane sous la croûte.

"Quand nous avons vu ces prédictions du modèle, c'était comme si une ampoule s'allumait", a déclaré Andrews-Hanna, "parce que nous voyons exactement le même schéma lorsque nous observons des variations subtiles dans le champ de gravité de la lune, révélant un réseau de matière dense qui se cache en dessous. la croûte."

Dans la nouvelle étude, les auteurs ont comparé les simulations d'une couche riche en ilménite en train de couler à un ensemble d'anomalies de gravité linéaire détectées par la mission GRAIL de la NASA, dont les deux vaisseaux spatiaux ont orbité autour de la Lune entre 2011 et 2012, mesurant de minuscules variations de son attraction gravitationnelle. Ces anomalies linéaires entourent une vaste région sombre de la face visible de la Lune recouverte de coulées volcaniques connues sous le nom de mare (latin pour "mer").

Les auteurs ont constaté que les signatures gravitationnelles mesurées par la mission GRAIL sont cohérentes avec les simulations de la couche d'ilménite et que le champ de gravité peut être utilisé pour cartographier la répartition des restes d'ilménite laissés après l'affaissement de la majorité de la couche dense. P>

"Nos analyses montrent que les modèles et les données racontent une histoire remarquablement cohérente", a déclaré Liang. "Les matériaux d'ilménite ont migré vers la face proche et ont coulé vers l'intérieur en cascades en forme de feuille, laissant derrière eux un vestige qui provoque des anomalies dans le champ de gravité de la lune, comme l'a vu GRAIL."

Les observations de l'équipe limitent également le timing de cet événement :les anomalies de gravité linéaire sont interrompues par les bassins d'impact les plus grands et les plus anciens du côté proche et doivent donc s'être formées plus tôt. Sur la base de ces relations transversales, les auteurs suggèrent que la couche riche en ilménite a coulé il y a 4,22 milliards d'années, ce qui est cohérent avec sa contribution au volcanisme ultérieur observé sur la surface lunaire.

"L'analyse de ces variations du champ gravitationnel de la lune nous a permis de jeter un coup d'œil sous la surface de la lune et de voir ce qui se cache en dessous", a déclaré Broquet, qui a travaillé avec Liang pour montrer que les anomalies dans le champ gravitationnel de la lune correspondent à ce que l'on pourrait attendre pour les zones de gravité. matériau dense et riche en titane prédit par des modèles de simulation informatique du renversement lunaire.

Lune déséquilibrée

Alors que la détection d'anomalies de gravité lunaire fournit la preuve de l'affaissement d'une couche dense à l'intérieur de la Lune et permet d'évaluer plus précisément comment et quand cet événement s'est produit, ce que nous voyons à la surface de la Lune ajoute encore plus d'intrigue à l'histoire. histoire, selon l'équipe de recherche.

"La Lune est fondamentalement déséquilibrée à tous égards", a déclaré Andrews-Hanna, expliquant que la face la plus proche faisant face à la Terre, et en particulier la région sombre connue sous le nom de région d'Oceanus Procellarum, est plus basse en altitude, a une croûte plus fine et est largement recouverte de des coulées de lave et contiennent de fortes concentrations d'éléments généralement rares comme le titane et le thorium.

La face cachée diffère à chacun de ces égards. D’une manière ou d’une autre, on pense que le renversement du manteau lunaire est lié à la structure et à l’histoire uniques de la région proche de Procellarum. Mais les détails de ce renversement ont fait l’objet d’un débat considérable parmi les scientifiques.

"Notre travail fait le lien entre les preuves géophysiques de la structure intérieure de la Lune et les modèles informatiques de son évolution", a ajouté Liang.

"Pour la première fois, nous avons des preuves physiques nous montrant ce qui se passait à l'intérieur de la Lune pendant cette étape critique de son évolution, et c'est vraiment excitant", a déclaré Andrews-Hanna. "Il s'avère que l'histoire la plus ancienne de la Lune est écrite sous la surface, et il a fallu la bonne combinaison de modèles et de données pour dévoiler cette histoire."

"Les vestiges des premières évolutions lunaires sont aujourd'hui présents sous la croûte, ce qui est fascinant", a déclaré Broquet. "De futures missions, comme avec un réseau sismique, permettraient de mieux étudier la géométrie de ces structures."

Liang a ajouté :"Lorsque les astronautes d'Artemis finiront par atterrir sur la Lune pour commencer une nouvelle ère d'exploration humaine, nous aurons une compréhension très différente de notre voisin par rapport à celle que nous avions lorsque les astronautes d'Apollo y ont posé le pied pour la première fois."

Plus d'informations : Adrien Broquet, Vestiges d'une couche d'ilménite lunaire suite au retournement du manteau révélés par les données gravitationnelles, Nature Geoscience (2024). DOI :10.1038/s41561-024-01408-2. www.nature.com/articles/s41561-024-01408-2

Informations sur le journal : Géosciences de la nature

Fourni par l'Université de l'Arizona