LA FORMATION DE LA LUNE

La Lune, unique satellite naturel de la Terre, a toujours été un centre d’intérêt pour l’homme. Une question essentielle se pose : De l’observation à l’analyse, quelle serait l’origine de la Lune ?


Cette question a souvent été soulevée. Jusque 1975, on disposait de trois théories

- La formation par fission de la Terre
- La formation en orbite terrestre
- La formation loin de la Terre

En 1975, après l’étude des échantillons de roches et des photographies du sol lunaire ramenés par les missions Apollo et Luna, les scientifiques énoncèrent ce qui semble être la théorie la plus probable sur la formation de la Lune : l’impact planétaire.

LES CARACTERISTIQUES DE LA LUNE

La structure de la Lune est assez semblable à celle de la Terre : Elle est composée d’un noyau, d’un manteau et d’une croûte, ce qui nous permet de supposer qu’elle a une origine en rapport avec la Terre.





On ignore tout de la composition chimique du noyau de la Lune, on ignore s’il est liquide ou solide, ou s’il est en fer. Mais l’absence de tout dipôle magnétique sur le sol lunaire démontre que le noyau de la Lune n’est pas métallique ou alors de petite taille. On admet qu’il n’est pas centré mais légèrement décalé en raison de la gravité terrestre.

Le manteau est formé de deux parties distinctes que l’on appelle le manteau lunaire : une partie proche de la croûte composée de roches solides et une région proche du noyau composée de matériau plus mou.

La croûte solide de la Lune est formée d’une roche proche du granite.
Les mascons sont des concentrations de masse sous la surface lunaire. On ignore s’il s’agit de météorites emprisonnées ou de magma très dense.



Peu de roches affleurent sur la Lune. La plus grande partie de la surface est recouverte de régolite, un mélange de fine poussière et de débris de roches produits par des impacts de météorites, dont l’épaisseur peut atteindre une vingtaine de mètres.

En s’écrasant sur la surface, les météorites rompent les roches ou le régolite. Mais la chaleur dégagée par l’impact tend à faire fondre les débris et les recimente. La roche obtenue est appelée brèche.



Sous la régolite, on trouve principalement 2 roches : l’anorthosite et le basalte.

L’anorthosite est une roche relativement claire et assez légère. Elle présente une texture grenue, c’est à dire composée de minéraux visibles à l’œil nu. Elle a une origine magmatique et la présence de ses grands minéraux indique qu’elle a cristallisé en profondeur. On la trouve surtout sur les terres. Elle couvre plus de 55% de la surface.



Le basalte est une roche sombre et dense. Elle a une origine magmatique. Elle présente une texture microlithique caractéristique d’une roche volcanique. Cette roche s’est répandue sur de faibles pentes topographiques, ce qui témoigne de sa fluidité. On la trouve surtout dans les cratères d’impact de grande dimension.



Le reste des terres est constitué de roches grenues de même type que l’anorthosite comme le gabbro anorthosique et la troctolite.





La croûte apparaît pauvre en éléments volatils comme le carbone, l’oxygène. En revanche, elle est riche en éléments réfractaires comme le calcium, le titane et le magnésium. Le manteau est principalement formé de silicates : les feldspaths calco-sodiques, les pyroxènes, l’olivine.





La densité de la Lune (3,34) est différente de celle de la Terre (5,5). Elle se rapproche plutôt de celle du manteau terrestre (3,3).

LES TROIS PREMIERES THEORIES

LA THEORIE DE LA FORMATION PAR FISSION.

Cette théorie imagine que dans son lointain passé la Terre tournait beaucoup plus vite sur elle-même, et suite à la force centrifuge ainsi engendrée, une partie de son manteau aurait été éjectée dans l’espace. Une variante de ce shéma évoque le même phénomène mais avec pour effet l’éjection de plusieurs petits fragments dont la réunion aurait donné naissance à la Lune. Cette idée retint l'adhésion, en raison de la similitude entre la densité de la Lune et celle des roches du manteau superficiel situé juste en dessous de la croûte terrestre.

Cette première explication fut proposée par George Darwin. Mais récemment des simulations sur ordinateur ont démontré qu’il aurait fallu que la Terre tourne sur elle-même en 2h30. Cette théorie n’explique pas comment la Terre a pu depuis ralentir sa rotation d’un facteur 10, passant de 2h30 à 24h. De plus, l'une des principales objections opposées à cette théorie réside dans le fait que le moment cinétique de la Terre aurait dû être beaucoup plus élevé que le moment cinétique du système Terre-Lune actuel. Or, selon les lois de base de la mécanique, le moment cinétique total se conserve dans un système isolé comme l'est en fait le couple Terre-Lune.

Le système Terre-Lune est considéré comme isolé. On sait que le moment cinétique total se garde dans un système isolé. Donc si la Lune était effectivement un morceau de la terre, le moment cinétique de la terre avant
séparation Ls devrait être égal au moment cinétique du couple Terre-Lune actuel Ls’. Mais la vitesse de rotation a une influence sur le calcul du moment cinétique. Or on sait que pour que la Lune ait été éjectée de la Terre celle-ci aurait du tourner sur elle-même en environ 2h30 et qu’actuellement elle tourne en 24h. Le moment cinétique de la terre avant éjection aurait dû dans ce cas être nettement supérieur à celui du couple Terre-Lune actuel soit Ls> Ls’

Il est impossible d’avoir en même temps Ls> Ls’ et Ls= Ls’. Cette théorie est donc impossible.





LA THEORIE DE LA FORMATION EN ORBITE TERRESTRE

Cette seconde théorie fait de la Lune la planète jumelle de la Terre. Dans le système solaire primitif, ces deux corps se seraient formés à peu près en même temps à partir du disque primordial de poussière et de gaz qui a donné naissance aux planètes. Les deux corps auraient grandi simultanément formant le système Terre-Lune.

C’est par ce mécanisme que l’on explique le cortège de satellites des planètes géantes. En revanche, cette théorie de planètes jumelles n’explique pas les ressemblances de composition chimique et isotopique des deux corps.





LA THEORIE DE LA FORMATION LOIN DE LA TERRE

D’après cette théorie, la Lune se serait formée loin de la Terre à un endroit différent du système solaire. Les orbites respectives de la Terre et de la Lune auraient ensuite amené les deux planètes à se rapprocher, la Lune ayant été finalement capturée par le champ d’attraction de la Terre. Cette théorie expliquerait les différences de composition de la Terre et de la Lune mais pas les ressemblances.

Cependant, avec la seule force de sa gravité, la Terre n’aurait jamais été capable de capturer la Lune, même lors d’un passage rasant. Il aurait fallu que la Lune effleure la Terre de sa surface à une vitesse de quelques km/s seulement pour que l’emprise de la Terre soit ferme et définitive. Son orbite quasi circulaire dément cette solution, un astre arrivant sur une orbite si oblique ne peut que soit percuter la Terre et rebondir, ou avoir une orbite très elliptique. Cette théorie est donc impossible.

La théorie la plus rationnelle est celle de l’impact planétaire, aussi appelée collision-éjection.


L’IMPACT PENDANT LA FIN D’ACCRETION DE LA TERRE.

Cette théorie, formulée en 1975, permet de penser qu’au début de l’histoire de la Terre, il y a 4,6 milliards d’années, alors qu’elle avait à peine fini d’accréter les planétésimaux du nuage protoplanétaire, un astéroïde la percuta violemment.
Cet astéroïde constitué de fer, probablement d’une masse comparable à celle de l’actuelle Mars, heurta tangentiellement la Terre. Sous ce choc, l’axe de la Terre s’inclina d’environ vingt degrés, ce qui fut à l’origine des saisons. D'après ce scénario, une partie importante de l'astéroïde serait restée sur Terre, s'amalgamant au matériau terrestre. En fait, l'astéroïde constituerait un dixième de la masse de la Terre, mais seulement un centième de celle de la Lune. On croit que son noyau ferreux a plongé dans le sol, traversant le manteau terrestre en fusion pour rejoindre le noyau de notre planète. Cette collision frontale, d’une ampleur rarement égalée, libéra une énergie estimée à plusieurs centaines de milliards de TNT. Suite à la libération de cette énergie, la pression et la température furent telles qu’environ 1,25% du manteau de la Terre se liquéfia et fut éjecté dans l’espace, créant un gigantesque cratère rapidement enseveli par les flots de lave. Des roches, du magma et de la vapeur provenant de l’astéroïde furent également éjectés. Ces débris auraient ensuite formé un immense nuage en orbite autour de la proto-Terre.





L’ACCRETION

La Lune se serait ensuite formée par un processus d’agglomération progressif de tous ces fragments rocheux. À elle seule, cette hypothèse n'explique cependant pas pourquoi lors de sa formation, le plan de l'orbite lunaire faisait un angle de 10 degrés avec le plan de l'équateur terrestre (cet angle est d'aujourd'hui de 15 degrés). En effet, les orbites des autres satellites du système solaire ne sont inclinés que de 1 degrés ou 2 degrés par rapport à l'équateur de leur planète mère. Pour rendre compte de cette anomalie, les astrophysiciens font l'hypothèse que, lors du choc, les débris lancés dans l'espace représentaient le double de la masse lunaire actuelle ; les plus éloignés de la Terre auraient donné naissance à la Lune tandis que les autres, après avoir formé un disque autour de la Terre, auraient fini par retomber sur notre planète après avoir perturbé l'orbite de la jeune Lune.

L'Europium, un minéral des plagioclases, permet de penser que l'ensemble des couches superficielles étaient entièrement fondues puis il y a eu un refroidissement (estimé à 200 millions d'années) laissant le temps à une stratification des éléments . Les cristaux se formant en premiers sont les feldspaths qui du fait de leur légèreté se rassemblent en surface formant une croûte . Des cristaux se forment ensuite (olivine pyroxènes) mais du fait de leur densité, il partent en profondeur. Il reste alors un liquide résiduel riche en élément incompatibles entre la croûte anorthositique et la profondeur riche en pyroxènes et olivine. Ce liquide se solidifie formant les terres rares centrées à plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur.





DE L’ACCRETION A LA LUNE ACTUELLE

Depuis la fin de l’accrétion jusqu’à nos jours, la Lune a été la cible de bombardements d’astéroïdes de moins en moins fréquents. La plupart des impacts ayant provoqué la formation de cratères dans les régions montagneuses se sont produits pendant le premier demi-milliard d’années d’existence de la Lune.

D’après Galilée en 1610, « La lune n’est pas entourée d’une surface lisse et polie, mais accidentée, inégale tout comme la surface terrestre, recouverte de hautes élévations et de profondes cavités ». En effet, la surface de la Lune est caractérisée par des régions légèrement montagneuses parsemées de « mers » sombres aussi appelées « mare » et de cratères. Ces mers sont de vastes bassins d’impact qui, il y a 3 milliards d’années, se sont remplis de lave. Les parties de la Lune non comblées par les mers sont recouvertes de cratères de tailles très différentes. L’origine de ces structures résulte directement ou indirectement d’impacts de météorites. En effet, la surface de la Lune n’est pas protégée par une atmosphère, et les objets célestes qui possèdent une énergie cinétique très importante la percutent à une vitesse d’environ 2,4 km/s. Lors de l’impact, cette énergie est libérée sous forme d’énergie mécanique et thermique. Les cratères se sont ainsi formés.

CONCLUSION

La théorie de l’impact planétaire satisfait tous les spécialistes car, indices probants de ce cataclysme, les deux astres ont une densité fort proche, un manteau constitué des mêmes éléments tandis que la Lune présente un noyau pauvre en fer qui s’explique par le fait qu’il est restait dans les entrailles de la Terre lors de l’impact. Mais tant que les scientifiques n’auront pas totalement résolu le problème de l’origine de la Lune, celle-ci gardera tous ces mystères.

Pour l'instant, on peut résumer l'hypothèse de sa formation comme ceci :





Depuis quelques années, grâce à des lasers, les scientifiques observent que la Lune s’éloigne peu à peu de la Terre. L’écart est actuellement estimé à 3,8 cm par an, soit un éloignement de 10 % au bout d’un milliard d’années. Ce phénomène aura pour conséquence, dans un lointain futur, le ralentissement progressif de la rotation de la Terre.