• D'où vient la lune ?

    La Lune

    La formation de la Lune


    Collecte échantillon
    Le géologue Harrison H. Schmitt prélèvant
    des échantillons de roches dans
    la région Littrow-Taurus (mission Apollo 17)



    D'où vient la Lune ? Comment s'est-elle formée ? Avant les missions Apollo et Luna, trois hypothèses s'opposaient pour expliquer l'origine de notre volumineux satellite : la fission, la capture et l'accrétion. L'analyse des échantillons du sol lunaire a donné naissance à une nouvelle théorie : la collision avec un autre corps céleste.

    La Lune, fille de la Terre
    Proposée en 1880, par l'astronome Georges Darwin (l'un des fils de Charles Darwin), la théorie de fission permet d'expliquer la similitude d'âge de la Terre et de la Lune.
    La formation du noyau terrestre aurait accéléré la vitesse de rotation de la Terre. La force centrifuge aurait étiré alors la zone équatoriale. Un bourrelet de matière se serait formé puis détaché. La Lune ainsi formée se serait éloignée, jusqu'à son orbite actuelle.
    Les simulations ont montré que la Terre aurait dû être très fluide. Il aurait aussi fallut qu'elle tourne sur elle-même en 2 h 30. Comment la Terre aurait-elle pu atteindre une telle vitesse de rotation à un moment de son histoire ? Comment cette énergie de rotation aurait-elle pu diminuer au point qu'une journée fasse, non plus 2 H 30 mais 24 h ?
    Les informations fournies par les études spectroscopiques et les échantillons lunaires ont également remis en cause cette hypothèse de la fission. La composition chimique de la Lune diffère de celle de l'écorce du manteau terrestre. Aucun minéraux ne contient d'eau. Les composés volatils comme le potassium, le sodium et le plomb sont rares. Il y a davantage d'éléments réfractaires (qui s'évaporent à de hautes températures) comme l'aluminium, le calcium, le titane, le thorium.

    Une sombre affaire de kidnapping
    En 1955, le chercheur allemand Gerstenkom, développa la théorie de la capture gravitationnelle. La Lune, née dans une autre région du système solaire se serait approchée de la Terre suffisamment près pour être capturée. Cet événement aurait déclenché, en raison des variations de vitesse et d'énergie cinétique, le réchauffement et la fusion de la proto-lune.
    De sérieuses objections ont été émises : un corps céleste passant à proximité de la Terre serait détruit par les effets de marées, ou bien rejeté sur une nouvelle orbite autour du Soleil, ou encore, propulsé vers la Terre avec laquelle il entrerait en collision.
    D'autre part, la Terre et la Lune possèdent les mêmes isotopes de l'oxygène (c'est-à-dire des atomes dont le noyau contient le même nombre de protons mais des neutrons différents). Elles se sont donc formées dans la même région du système solaire.

    Des soeurs jumelles
    La théorie de l'accrétion imaginée dans les années soixante par l'astrophysicien soviétique Ruskol, stipule que la Terre et la Lune sont des planètes doubles.
    Elles seraient nées au sein d'un nuage de poussières et de planétéssimales. La Lune se serait formée soit en même temps que la Terre, soit peu après, à partir de débris gravitant autour de la Terre.
    Si cette théorie explique le même rapport isotopique de l'oxygène, par contre elle ne permet pas de comprendre la différence entre éléments volatils (nombreux sur la Terre) et éléments réfractaires (nombreux sur la Lune). De plus, elle ne repose sur aucune condition particulière. Or ni Mercure, ni Vénus, ni Mars, autres planètes telluriques, ne possèdent de satellite comparables à notre Lune.

    Big-Crash
    La quatrième théorie sur la formation de la Lune a été envisagée dès 1946 par Reginald Daly (Havard). Dans un article, passé inaperçu à l'époque, il suggérait une collision géante.
    L'idée fut à nouveau développée en 1975, par deux équipes distinctes, celle de William Hartmann et de Donald Davis (Tucson) et celle d'Alastair Cameron et de William Ward (Pasedana). Ces travaux résultaient de l'étude des échantillons lunaires et de la remise en cause des précédentes théories. Un énorme bolide serait entré en collision avec la Terre, alors en gestation, et lui aurait arraché les matériaux constituant aujourd'hui la Lune.
    Il a fallut attendre 1984 pour que ce scénario soit simulé par W. Benz, W.L. Slattery, et A.G. Cameron sur des ordinateurs suffisamment puissants pour étudier individuellement des centaines de paramètres.

    Planète vagabonde
    Une planète vagabonde aurait heurté la Terre, il y 4,5 milliards d'années. Les deux astres auraient déjà été différenciés avec un noyau de fer et de nickel et un manteau de silicates. Le choc aurait provoqué une gigantesque explosion. Des morceaux des deux manteaux et des croûtes rocheuses auraient été éjectés dans l'espace. Le noyau de la planète "impactante" se serait séparé du manteau et aurait heurté la Terre qui l'aurait complètement absorbé. Les débris des deux manteaux silicatés se seraient alors agglutinés pour constituer la Lune.

    Cette colision-fission-accrétion explique beaucoup mieux que les autres modèles, la ressemblance de la Lune avec le manteau terrestre, sa pauvreté en fer et en éléments volatils et sa richesses en éléments réfractaires. Les observations effectuées par la sonde Lunar Prospector en 1998 ont montré que le fer représente moins de 4 % de la masse totale de la Lune (contre 33 % pour la Terre). Le noyau de fer primitif aurait été absorbé par la Terre et les matériaux, expulsés en orbite lors de l'explosion, auraient été suffisamment chauffés pour perdre leurs composés volatils et s'enrichir en matière réfractaire. Ou bien, autre hypothèse : l'impact se serait produit après la formation du noyau de fer de la Terre et le matière propulsée en orbite ne pouvait qu'être pauvre en fer.

    Trois fois la taille de Mars
    La majorité des planétologues s'est ralliée à ce scénario. Il est plausible mais nul ne sait s'il s'est effectivement déroulé. De nombreux points restent à préciser comme la taille de la planète errante et le temps nécessaire à l'accrétion de la Lune après l'impact.
    Dans les années quatre-vingt, on estimait qu'un objet de la taille de Mars (soit 10 % de la masse terrestre) devait rencontrer la Terre pour que la masse des débris rende possible la formation de la Lune (1 % de la masse terrestre).

    En 1997, l'équipe de l'astrophysicienne Robin Canup (Colorado) a effectué de nouvelles simulations, en faisant varier des nombreux de paramètres comme la quantité de débris, la taille de la planète impactante, sa vitesse et son angle d'arrivée. Première conclusion : l'objet qui serait entré en collision avec la Terre devait avoir au moins trois fois la taille de la planète Mars. Seconde révélation : entre 15 % et 40 % seulement de la matière pulvérisée aurait servi à fabriquer la Lune et ce, en moins d'un an. Une formation incroyablement courte à l'échelle des temps géologiques où la genèse des événements se compte habituellement en millions d'années.

    Fusion d'une quizaine de planétoïdes
    Le scénario testé par Robin Canup serait le suivant : les débris issus du choc se rassemblent dans un disque qui entoure la Terre. Certains retombent, d'autres constituent un anneau, dans le plan de l'équateur terrestre. Au sein de cet anneau, semblable à celui de Saturne, des milliers de fragments se croisent à des vitesses différentes, s'entrechoquent, explosent, et se fragmentent. Au bout de quelques mois, une quinzaine de planétoïdes se sont formés. Ces prélunes finissent par fusionner en un seul objet. La Lune est alors située entre 17 000 et 29 000 km de la Terre. Elle se trouve un peu au-delà de la limite de Roche c'est-à-dire de la distance à laquelle un corps plus petit vole en éclat au voisinage d'un corps plus massif, en raison des effets de marées. Depuis, la Lune s'est éloignée progressivement de la Terre. Elle est située aujourd'hui à une distance moyenne de 380 000 km.

    Reste à répondre à plusieurs questions : d'où venait cet astre "impactant" et comment il a pu se trouver aussi près de la Terre pour la heurter ; et pourquoi, d'autre part, l'orbite de la Lune autour de la Terre est-elle aussi inclinée ? Les orbites des autres satellites du système solaire évoluent sur des plans équatoriaux. La Lune est inclinée de 10° par rapport à l'équateur terrestre. Selon William Ward et Robin Canup (Southwest Reshearch Institute) cette trajectoire bizarre serait le résultat de l'interaction gravitationnelle entre la prélune et un disque, aujourd'hui disparu, constitué par des débris issus de la collision.

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    Seuls douze hommes en tout sont allés sur la Lune.
        La Lune est un astre figé.


    Une face visible...


        En observant l'astre lunaire depuis la Terre, on peut remarquer, à l'oeil nu, des zones grises et des zones plus claires.

        C'est l'Italien Galilée qui, en 1609, grâce à une lunette astronomique, fut le permier à distinguer les montagnes et les cratères de la Lune. Ensuite, à l'aide de télescopes de plus en plus puissants, on a réussi à tablir des cartes de plus en plus précises du relief lunaire. Mais, jusqu'à la seconde moitié du XXème siècle, même les plus grands astronomes ne connurent jamais que l'un des deux visages de la Lune...

        La face que nous voyons est couverte de plaines de lave sombres appelées "mers". Ces "mers" se formèrent lorsque de gros astéroïdes et des comètes entrèrent en collision avec la Lune. De la lave se répandit dans ces plaines.




    Et une face cachée


        Tout en tournant autour de notre planète, la Lune tourne aussi légèrement sur elle-même, comme si elle ne voulait pas nous "quitter des yeux". Ainsi, quand elle est à mi-parcours de son orbite, elle a, dans le même temps, fait un demi-tour sur elle-même : nous voyons toujours la même face. Il a donc fallu attendre que des sondes spatiales puissent aller photographier l'aute côté pour savoir à quoi ressemblait la "face cachée" de la Lune. C'est le satellite artificiel soviétique Lunik 3 qui, en 1959, nous en donna les premières images. Enfin, en juillet 1969, lors de l'expédition américaine Apollo 11, des hommes ont marché pour la première fois sur la Lune : ils ont découvert un paysage impressionnant...
        Depuis lors, la face cachée a été photographiée de nombreuses fois en particulier par la sonde Lunar Orbiter.




    Caractéristiques de notre satellite


        L'étude de la surface de la Lune s'est améliorée depuis l'invention du télescope par Galilée en 1610 jusqu'en 1969 lorsque les premiers humains ont mis le pied sur le sol du satellite. Les caractéristiques physiques et la surface de la Lune ont été étudiées grâce au télescope, à la photographie et plus récemment grâce à des instruments placés dans des sondes spatiales.

        La Lune est un corps désolé de 3476 km de diamètre, dépourvu d'atmosphère. A la surface de la Lune, la gravitation est d'environ 1/6ème de la gravitation terrestre
        Les températures y sont extrêmes : de -170°C à l'ombre à +130°C au soleil.
        Distante en moyenne de 384 400 km de la Terre, elle accomplit sa révolution en 27,3 jours autour de la Terre. Mais, dans le même temps, la Terre se déplace sur son orbite, si bien qu'en réalité il s'écoule 29,5 jours pour que la Lune reprenne la même position par rapport à l'astre du jour. Autrement dit, 29,5 jours séparent deux mêmes phases lunaires.


    "Mers", montagnes et cratères


        Les grandes étendues qu'on prenait autrefois pour des "mers" sont de vastes plaines et des bassins pouvant s'allonger sur près de 1500 km.



        On trouve aussi sur la Lune des montagnes.



        Mais la Lune est surtout couverte de cratères de toutes les tailles: de quelques millimètres jusqu'à 200 km de diamètre !



        Voici comment se sont formés tous ces cratères. Il y a plus de 4 milliards d'années, la Lune a été "bombardée" par une "pluie" de blocs rocheux de toutes tailles. Ces blocs rocheux, les météorites qui circulent à grande vitesse autour du Soleil, ont été attirés ves le centre de la Lune sous l'effet de la pesanteur. En se fracassant sur le sol, ils ont creusé les innombrables cratères dont les plus larges mesurent 200 km de diamètre avec des bords presque aussi hauts que l'Himalaya. Depuis environ 3,8 milliards d'années, il n'y a pratiquement plus de météorites qui s'écrasent sur la Lune. En effet, toutes les météorites qui avaient des orbites voisines de celle de la Terre et la Lune ont été "attrapées" par celle-ci.
        La surface de la Lune, figée depuis des centaines de millions d'années, a conservé la mémoire des grands événements de son histoire.


    Un désert sans atmosphère


         La lune est plus petite que la Terre ; sa force d'attraction est donc aussi beaucoup plus faible. C'est pour cela que, à la différence de la Terre, elle n'est pas capable de maintenir à sa surface les petites particules de gaz qui forment notre atmosphère. Quand les météorites se précipitent sur la Lune, il n'y a rien pour les freiner.
        Comme il n'y a pas d'air sur la Lune, il n'y a pas non plus la moindre trace de vie : notre satellite est un désert.


    Du premier au dernier croissant


        La Lune ne brille pas par elle-même : c'est parce que le Soleil l'éclaire que nous pouvons la voir dans le ciel.
        Le Soleil, comme un immense et lointain projecteur, n'éclaire pas toujours la Lune de la même façon.




    Les éclipes


        La Lune est beaucoup plus petite que le Soleil... mais elle est aussi beaucoup plus proche de la Terre, juste assez pour que le disque doré du jour et le disque argenté de la nuit aient le même diamètre apparent. Si la Lune passe exactement entre nous et le Soleil, son disque peut donc cacher entièrement le disque solaire à nos yeux : c'est l'éclipse de Soleil.
        Mais ce rendez-vous dans le ciel est très rare ; car le "tourniquet" que fait la Lune autour de la Terre est penché par rapport à la grande "piste" où la Terre tourne autour du Soleil. La Lune passe donc le plus souvent au-dessus ou en-dessous de l'astre solaire.

        Les éclipes de Lune, en revanche, sont plus fréquentes. Elles ont lieu quand notre planète, en cachant la lumière solaire, fait de l'ombre à la Lune.
        On passe alors de la nuit de pleine lune à la nuit noire !




    La petite soeur de la Terre


        On sait que la Lune et notre planète ont environ le même âge. Mais comme elles se sont toutes deux formées il y a 4,55 milliards d'années, on ne peut pas raconter les conditions de leur naissance avec certitude.

        On a d'abord pensé que la Lune se serait "détachée" de la Terre alors que celle-ci, encore très chaude, tournait très vite sur elle-même : dépourvue de croûte solide, notre planète se serait déformée et aurait laissé s'échapper une petite boule qui serait devenue le "satellite" de notre planète. Mais l'étude des matériaux que les missions Apollo ont recueillis sur la Lune, différents de ceux de la Terre, a prouvé que ce scénario n'était pas possible.

        Selon une autre hypothèse, la Lune se serait formée dans une autre région du système solaire, puis, passant au voisinage de la Terre, elle se serait mise en orbite autour d'elle.

        Aujourd'hui, on pense plutôt que la Lune s'est formé de manière suivante : Pendant que la Terre était en train de se former, une autre planète, de la taille de Mars, serait venue, avec une vitesse très grande, la percuter.
        Certains débris, restés en orbite autour de la Terre, se seraient peu à peu agglomérés, avant de devenir...la Lune.
        Lors de sa formation, la croûte, épaisse de 60 à 80 km selon les régions, a formé les continents lunaires.
        Les chutes de météorites qui se poursuivis par la suite ont largement abîmé cette croûte, imprimant dans ses roches de larges cicatrices telles que le cirque Clavius. Simultanément, de très gros bolides météoritiques ont creusé d'immenses bassins circulaires. Il y a 3,7 milliards d'années, ces cuvettes géantes se sont remplies de basalte en fusion remonté des entrailles de la Lune pour former ces étendues sombres que l'on nomme les "mers". Cette phase n'a duré que 500 millions d'années, puis l'activité volcanique de la Lune a presque totalement cessé il y a 3,2 milliards d'années.
        C'est pour cette raison qu'il n'existe sur la Lune aucun relief de taille similaire à ceux de la Terre. Les seules montagnes existantes, comme la chaîne des Apennins en bordure de la mer des Pluies, ne sont en réalité que les remparts des énormes cratères que constituent les mers. Celles-ci occupent 31,2% de la surface de l'hémisphère visible de la Terre, mais ne couvrent que 2,6% de l'hémisphère caché. L'attraction terrestre a probablement joué un rôle dans cette dichotomie, en favorisant l'écoulement des laves sur la face tournée vers notre planète.