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Alors que la Terre tourne autour du Soleil, sa compagne constante, la Lune, tire les océans, créant les marées que nous observons aujourd'hui. Lorsque la vie est apparue pour la première fois sur Terre, la Lune était déjà une présence familière. Pourtant, ce partenariat est relativement récent en termes cosmiques; La Terre n'a pas toujours eu de satellite.
Notre meilleur modèle de la naissance du système solaire commence avec un nuage diffus de gaz et de poussière – une nébuleuse – qui s’est effondré sous l’effet de la gravité pour former le Soleil. Le disque de matière environnant s’est fusionné en planètes, lunes et corps plus petits. En datant les météorites, les scientifiques estiment que le Soleil et la Terre se sont formés il y a environ 4,6 milliards d'années. La datation radiométrique d'échantillons lunaires a donné des âges allant jusqu'à 4,46 milliards d'années, montrant que la Lune est presque aussi vieille que la Terre et peut-être un peu plus vieille.
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Plusieurs hypothèses tentent d’expliquer l’origine de la Lune. Tout modèle crédible doit satisfaire à cinq critères :le moment cinétique Terre-Lune, la masse et la densité de la Lune, le minuscule noyau de fer de la Lune, l'épuisement des éléments volatils et la similitude chimique entre les deux corps.
La théorie dominante, défendue par la NASA et la plupart des planétologues, propose qu'un corps de la taille de Mars, nommé Theia, soit entré en collision avec la Terre primitive. Cet impact a détruit les couches externes, transmettant le moment cinétique du système, créant un petit noyau pour la protomune et éjectant la matière qui s'est ensuite fusionnée dans la Lune.
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Les isotopes – des atomes du même élément avec des nombres de neutrons différents – agissent comme des empreintes digitales de la matière planétaire. L'oxygène possède trois isotopes stables (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O). Les mesures révèlent que les roches lunaires ont les mêmes rapports isotopiques d’oxygène que la Terre, ce qui implique une source partagée. Cependant, les simulations d'impact prédisent que la plupart des matériaux lunaires proviendraient de Theia, qui devrait présenter des signatures isotopiques distinctes. Ce décalage, connu sous le nom de « crise isotopique », n'est toujours pas résolu.
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Des idées antérieures – comme une rotation précoce rapide projetant de la matière vers l’extérieur (George Darwin, 19e siècle) ou une coformation avec la Terre – ne correspondent pas au petit noyau de la Lune ou à sa composition observée. Des alternatives plus récentes suggèrent que Theia avait une composition isotopique semblable à celle de la Terre, ou que le mélange de vapeur après impact a homogénéisé le matériau. Aucune des deux hypothèses n'explique complètement les données.
Dans l’état actuel des connaissances, la trajectoire exacte de formation de la Lune reste incertaine. Les missions à venir pourraient apporter de la clarté. Le programme Artemis de la NASA prévoit des atterrissages en équipage sur la Lune dès 2027, promettant de nouveaux échantillons et observations qui pourraient enfin résoudre le mystère isotopique.