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À première vue, la Terre et la Lune semblent être des mondes différents :l’une regorge d’eau et de vie, l’autre est une roche stérile et sans air. Pourtant, sous leurs surfaces contrastées se cache une surprenante parenté chimique. Le régolithe de la Lune est riche des mêmes matériaux sableux qui forment les déserts terrestres, et de nombreux éléments qui composent la croûte et le manteau de notre planète apparaissent sur la Lune dans des proportions comparables. Des missions spatiales récentes ont même révélé des réservoirs de glace cachés sous la surface lunaire, ajoutant une autre couche à cette chimie partagée.
L’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer et le calcium dominent la composition des couches externes de la Terre, et ces éléments sont également abondants dans la croûte lunaire. Bien que la Lune ne possède pas d’atmosphère, elle contient de grandes quantités d’oxygène lié à des composés solides. À l'inverse, les métaux lourds tels que le plomb, le mercure et l'étain sont relativement rares sur la surface lunaire.
Les substances à faible point d’ébullition s’évaporent rapidement dans les conditions extrêmes de la Lune :des températures pouvant atteindre 127 °C (260 °F) et un environnement proche du vide. La découverte de glace en 1998 puis en 2009 a donc été une surprise majeure. L’eau gelée persiste depuis des milliards d’années, enfouie sous la surface et enfermée dans une ombre permanente près des pôles. Les scientifiques estiment que la Lune contient plusieurs centaines de millions de tonnes d'eau, soit à peu près l'équivalent d'un lac de taille moyenne.
Sur Terre, le dioxyde de silicium se manifeste sous forme de sable, de quartz et de verre naturel. La Lune contient également de grandes quantités de ce composé. Bien que l’absence de vent et d’eau liquide empêche l’altération naturelle, d’innombrables impacts de météorites ont pulvérisé les roches lunaires en fine poussière, créant un « régolithe » riche en particules de silicate. La chaleur intense de ces impacts génère également des billes de verre vertes, de minuscules fragments de dioxyde de silicium fusionnés.
L'aluminium est abondant sur les deux corps, bien qu'il existe rarement sous forme de métal pur. Sur Terre, les minéraux tels que le corindon, le rubis et le saphir, formés à partir d'aluminium et d'oxygène, sont appréciés pour leur dureté. Des recherches de l'Université de Washington montrent que la majeure partie de l'aluminium lunaire se trouve dans le feldspath plagioclase, un minéral qui peut être éjecté par de puissants impacts de météores et qui atteint occasionnellement la Terre sous forme de météorites.