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       - D'où vient la Lune  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    On se le demande encore … mais, grâce aux ordinateurs, les idées se précisent.  
    La Lune s'est-elle formée en même temps que la Terre ? Alors elle devrait avoir la même densité qu'elle. Sa densité est trop faible.  
    Extraite du manteau terrestre ? La densité pourrait coller. Mais la composition des roches cloche. Les roches lunaires manquent d'éléments volatils. Hypothèse donc pas très plausible.  
    Créée dans une collision ? La densité pourrait être correcte. La composition aussi : certains éléments volatils absents des roches lunaires ont pu être dispersés sous l'effet de la chaleur.  
    L'hypothèse de la collision rendrait cependant la Terre assez spéciale. Mais pourquoi pas ? Vénus et Mars n'ont pas, elles, de grosses lunes.  
    Ma conclusion : nous ne savons pas vraiment. Mais la piste de la collision semble prometteuse.  
    C'est concis, mais l'essentiel est là. D'où vient la Lune ? Des meilleures hypothèses, pourrait-on dire. A savoir celles qui collent le mieux aux données disponibles. Et comme l'écrit Davison E. Soper, la meilleure piste aujourd'hui est celle d'une super collision entre une ébauche de Terre et une planète en formation - une protoplanète. La meilleure, pourquoi ? D'une part parce qu'elle satisfait le mieux aux exigences chimiques et dynamiques du système Terre-Lune, d'autre part parce qu'elle s'accorde avec quelques développements récents de la théorie de la formation des planètes.  
    Aux télescopes et autres instruments d'observation astronomique, les planétologues ont, depuis une dizaine d'années, ajouté des super-ordinateurs. Ils s'en servent pour construire des images de ce qu'ils observent, mais aussi pour simuler des processus complexes intervenus dans les tous débuts du système solaire. L'idée que la Lune puisse résulter d'une collision massive est née en 1984 des premières simulations de collision, réalisées par le laboratoire américain de Los Alamos …  
    Dans ces simulations, on part de deux planètes déjà différenciées : chacune possède un noyau de fer renfermant le tiers de sa masse, entouré d'un manteau silicaté. Une équation d'état permet de modéliser les propriétés des matériaux, solides ou gazeux, ainsi que leurs comportements. De plus, toutes les interactions gravitationnelles et les échanges d'énergie sont pris en compte.  
    Ainsi définies, les deux planètes sont placées sur des trajectoires de collision. L'issue dépend des paramètres de départ : vitesse relative au moment de l'impact; rapport des masses entre la Terre et la planète incidente …  
    Au terme de ce "Big boom" simulé, une Lune se forme. Dans quelles conditions ? Une vitesse inférieure à 14 km/s et un rapport des masses situé entre 0,12 et 0,16, soit un corps incident de la masse de Mars. Le résultat obtenu est cohérent avec les données actuelles du système Terre-Lune.  
    Retour à l'"écran". En s'approchant de la Terre, la planète incidente est déformée par les forces de marées. Peu après le choc, son noyau métallique se sépare de son manteau silicaté, partiellement désagrégé. Le noyau rebondit sur une trajectoire très excentrique, laquelle le conduit à un nouvel impact avec la Terre. Cette dernière l'absorbe et l'intègre à son propre noyau, en partie fondu sous l'effet du choc. Les autres matériaux, constitués pour une part des débris de la planète incidente, et pour l'autre, de morceaux arrachés (selon une proportion qui reste à déterminer) au manteau terrestre, sont éjectés dans l'espace sous forme de violents jets de matière. La chaleur disperse les éléments les plus légers. Puis, avec le refroidissement, la plus grande partie de cette masse gazeuse retourne à l'état solide. Elle se place alors en orbite autour de la Terre. Sa masse, équivalente à une fois et demie celle de la Lune, se répartit entre un disque et un gros fragment.  
    De lui, vient la Lune. Comment ? La simulation prévoit deux solutions, l'une dure, l'autre plus douce. Dans la première, il pénètre à l'intérieur de la limite de Roche. Il est donc disloqué avant de s'étaler sous forme d'un disque d'accrétion protolunaire. Dans la seconde, il est entraîné en dehors de la limite de Roche. A l'abri des forces de dislocation, il donne naissance à notre satellite. Quant au disque, une partie de sa matière peut s'échapper du champ gravitationnel terrestre, l'autre retombe sur la Terre.  
    In fine, (et sur ordinateur), tout cela se passe en moins de 24 heures. Surprenant ? Non ?  
    Ce terme désigne la distance seuil au delà de laquelle un corps céleste, à approche d'un autre de masse plus importante, est désintégré.  
   

Les hypothèses précédentes

 
    Avant l'hypothèse de la collision, trois modèles avaient déjà été proposés. Soit la Lune est issue de la fission du manteau de la Terre, supposée initialement fluide et avec une rotation rapide; soit elle a été capturée par les forces gravitationnelles de la Terre, à partir d'une orbite voisine; soit elle s'est formée par accrétion de débris, provenant de la collision de nombreux planétoïdes à proximité de la Terre.  
    Aucun, cependant, ne répond aux exigences chimiques et dynamiques du système Terre-Lune. Si la fission est compatible avec le rapport fer/silicates de la Lune, elle n'explique pas, en revanche, la disparition des éléments volatils. Les deux autres hypothèses se heurtent, elles, à leur postulat de départ. Suggérant des corps planétaires formés à proximité de la Terre, elles ne peuvent en effet guère justifier la grande différence de composition et de densité entre la Terre et la Lune.  
    Enfin, les trois modèles pèchent par leur variation du moment cinétique. Ils le supposent plus élevé (dans le cas de la fission ou de l'accrétion) ou plus faible (capture) que le moment cinétique actuel du système Terre-Lune. Or, selon un principe de physique incontournable, celui-ci doit rester constant pour un système isolé donné.  
    Et pourtant, cela "colle" aux caractéristiques physico-chimiques de la Lune. Depuis les missions Apollo et Luna, on les connaît bien. De juillet 1969 à 1972, ce sont 382 kg de roches lunaires qui ont été rapportées sur Terre. Ils proviennent de 9 sites différents, tant "mers" que continents. Grâce à leur analyse en laboratoire - ainsi qu'à la cartographie chimique de la Lune établie par spectrométrie aux rayons X et d en orbite - on détermine la composition chimique de la Lune, et celle, isotopique, des éléments chimiques qui la constituent.  
    Que constate-t-on ? D'abord que la Lune a la même composition isotopique en oxygène que la Terre. Les deux corps se sont donc formés à même distance du Soleil. De plus, la datation des roches lunaires montre que la Lune existait déjà il y a 4,4 milliards d'années. Elle est donc née entre 4,5 et 4,4 milliards d'années. C'est-à-dire à l'époque où le ballet des planétoïdes, animé par des interactions gravitationnelles, a abouti à la formation des planètes telluriques (Mercure, Vénus, Mars et la Terre) … De là à dire que la Lune résulterait des mêmes processus de formation, c'est un pas que la coïncidence de date incite à faire.  
    D'un point de vue chimique, la Lune s'avère relativement homogène. En effet, sa densité moyenne est de 3,34 g/cm3, donc faible. En comparaison, celle de la Terre atteint les 5,5 g/cm3. Conclusion : si la Lune possède un noyau métallique, il ne doit pas dépasser 2,5% de sa masse totale.  
    Pour certains éléments chimiques, la Lune montre une grande similitude avec le manteau terrestre : principalement des silicates, et peu d'éléments lourds de type nickel et fer (à peine 10%). Cette donnée, essentielle, concorde avec le scénario de la collision : l'éjection du noyau métallique de la protoplanète incidente expliquerait la pauvreté en métaux du matériau protolunaire. A condition, nous l'avons vu, que la masse de la planète incidente soit dans une certaine fourchette. Trop petite, la protoplanète n'est pas détruite lors du premier impact et conserve tout son fer lors du second la composition chimique actuelle de la Lune n'est pas respectée. Trop grosse, c'est cette fois sa masse qui ne l'est pas. En effet, la violence du choc expédie une grande partie de la matière bien au-delà de l'attraction terrestre. Seul l'équivalent de la moitié de la masse lunaire reste en orbite.  
    Examinons les abondances pour les autres corps chimiques. Par rapport au manteau terrestre, la Lune contient davantage d'éléments réfractaires comme le titane. A l'inverse, les abondances du potassium et du sodium apparaissent cinq fois moindre que sur Terre. Celles du fluor, chlore et plomb sont encore plus faibles. Et les composés volatils, comme l'eau, sont quasi absents. Or, seul un impact peut créer une chaleur suffisante pour dissiper ces éléments. Une condition que l'hypothèse de la collision intègre.  
    Aucun scénario de la formation de notre satellite n'avait, jusqu'ici, validé autant de paramètres chimiques et dynamiques. Ainsi, la Lune a-t-elle de bonnes chances de constituer l'un des plus précieux témoignages de l'existence, dans le passé, de collisions géantes. Ce qui, n'en doutons pas, ne va pas manquer de lui restituer la part de rêve qu'elle avait un peu perdue …  
            
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