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La face cachée fortement cratérisée de la Lune.

La formation de la Lune est généralement expliquée par l'impact d'une protoplanète contre la proto-Terre, créant un anneau de débris qui s'est finalement rassemblé en un seul satellite naturel, la Lune. Cependant, il existe un certain nombre de variations de l'hypothèse d'impact géant comme explication à la formation de la Lune[1]. D'autres scénarios proposés incluent le fait que le corps ait été capturé, la fission, une formation commune ensemble ou des collisions des planétésimaux (formées à partir de corps de type astéroïde).

L'hypothèse standard de l'impact géant suggère qu'un corps de la taille de Mars, appelé Theia, aurait impacté la proto-Terre, créant un grand anneau d'accrétion autour de la Terre, qui s'est ensuite accrété pour former la Lune. Cette collision a également entraîné l'inclinaison de l'axe de 23,5° de la Terre, provoquant ainsi les saisons.

Il existe cependant des informations non expliquées par ce modèles. Ainsi, les rapports isotopiques de l'oxygène de la Lune semblent être essentiellement identiques à ceux de la Terre[2]. Ceux-ci donnent cepndant une signature unique et distincte pour chaque corps du Système solaire[3]. Si Théia avait été une protoplanète distincte, elle aurait probablement eu une signature isotopique d'oxygène différente de celle de la proto-Terre, tout comme le matériau mixte éjecté[4]. En outre, le rapport isotopique du titane de la Lune ( 50 Ti / 47 Ti ) semble si proche de celui de la Terre (à moins de 4 parties par million) que peu ou pas de masse du corps en collision aurait probablement pu faire partie de la Lune[5].

Hypothèse de l'impact géant

Échantillon lunaire 61016, connu sous le nom de Big Muley.

La Terre était essentiellement de la roche et de la lave au début de la formation du Système solaire, il y a 4.425 milliards d'années, et ne possédait pas de grand satellite naturel. Une protoplanète aurait frappé la Terre de telle manière qu'elle a provoqué l'éjection d'une quantité considérable de matériaux loin de la Terre. Une partie de ces éjectas s'est échappée dans l'espace, le reste formant d'abord un disque d'accrétion avant de se consolider en un seul corps sphérique en orbite autour de la Terre, créant la Lune.

L'hypothèse nécessite une collision entre une proto-Terre de taille similaire à celle actuelle et d'un autre corps analogue à Mars (la moitié du diamètre terrestre et un dixième de sa masse). Cette dernière est parfois appelée Theia, le nom de la mère de Séléné, la déesse de la Lune dans la mythologie grecque. Ce rapport dimensionnel est nécessaire pour que le système résultant ait un moment cinétique suffisant pour correspondre à la configuration orbitale actuelle. Un tel impact aurait mis suffisamment de matériel en orbite autour de la Terre pour s'être finalement accumulé pour former la Lune.

Les simulations informatiques montrent la nécessité qu'une partie de l'impacteur se soit désintégrée pour former un long bras de matériau qui se cisaille ensuite. La forme asymétrique de la Terre suite à la collision amène alors ce matériau à s'installer sur une orbite autour de la masse principale. L'énergie impliquée dans cette collision serait exceptionnelle : peut-être des milliards de tonnes de matériaux auraient été vaporisés et fondus. Dans certaines parties de la Terre, la température aurait atteint 10,000° C.

Le noyau de fer relativement petit de la Lune (par rapport aux autres planètes rocheuses et aux autres satellites du Système solaire) s'explique par le fait que le noyau de Théia ait fusionné principalement avec celui de la Terre. Le manque de substances volatiles dans les échantillons lunaires s'explique également en partie par l'énergie de la collision. L'énergie libérée lors de la réaccrétion de matière en orbite autour de la Terre aurait été suffisante pour faire fondre une grande partie de la Lune, conduisant à la génération d'un océan magmatique lunaire.

La Lune nouvellement formée tourne ensuite en orbite à environ un dixième de la distance lunaire actuelle avant de s'éloignement graduellement en raison de l'accélération par effet de marée transférant le moment angulaire des rotations des deux corps au mouvement orbital de la Lune. Lors de ce processus, la Lune entre en rotation synchrone avec la Terre, de sorte qu'un côté de la Lune est continuellement tourné vers la Terre, sa face visible. En outre, la Lune aurait heurté et incorporé tous les petits satellites préexistants de la Terre, qui auraient partagé la composition de la Terre, y compris ses abondances isotopiques. La géologie de la Lune est depuis indépendante de celle la Terre.

Une étude de 2012 sur l'épuisement des isotopes de zinc sur la Lune confirme cette hypothèse de l'impact géant[6].

En 2013, une étude indique que l'eau contenue dans le magma lunaire est impossible à distinguer de celle des chondrites carbonées et à peu près la même que celle de la Terre en composition isotopique [7].

Dérivés de l'hypothèse de l'impact géant

Bien que l'hypothèse de l'impact géant explique de nombreux aspects du système Terre-Lune, il y a encore quelques problèmes non résolus, tels que les éléments volatils de la Lune ne sont pas aussi épuisés que prévu d'un tel impact énergétique[8][9].

Un autre problème est celui des comparaisons des isotopes lunaires et terrestres. En 2001, une mesure précise des composition isotopiques des roches lunaires est publiée[2]. Étonnamment, les échantillons lunaires du programme Apollo portaient une signature isotopique identique aux roches terrestres, mais différente des autres corps du Système solaire. Comme on pensait que la plupart des matériaux mis en orbite pour former la Lune provenaient de Théia, cette observation est alors inattendue.

En 2007, des chercheurs montrent que la probabilité que Theia ait une signature isotopique identique à celle de la Terre est très faible (moins de 1 % de chance)[10]. Publiée en 2012, une analyse des isotopes du titane dans les échantillons lunaires d'Apollo montre que la Lune a la même composition que la Terre ce qui entre en conflit avec la Lune se formant loin de l'orbite terrestre[11].

Fusion de deux planètes

Pour aider à résoudre ces problèmes, une nouvelle théorie publiée en 2012 postule que deux corps - chacun cinq fois la taille de Mars - sont entrés en collision, puis se sont rappelés, formant un grand disque de débris mixtes qui ont finalement formé la Terre et la LuneErreur de référence : La balise ouvrante <ref> est mal formée ou a un mauvais nom..

Impacts multiples

En 2017, des planétologues de l'Institut Weizmann proposent une nouvelle théorie qui suggère que la Lune ait été créé par une violente pluie de débris cosmiques qui a martelé à plusieurs reprises la Terre naissante pendant des millions d'années. Ils déterminent qu'une série d'impacts plus petits, qui étaient probablement plus fréquents au début du Système solaire, pourraient faire exploser suffisamment de roches terrestres et les placer en orbite pour former des petits satellites naturels. À mesure que des impacts répétés créaient plus de boules de débris, les débris pourraient fusionner au fil du temps en une seule grande lune[12].

Hypothèse de Synestia

En 2018, des chercheurs de Harvard et de l'UC Davis développent des modèles informatiques démontrant que l'un des résultats possibles d'une collision planétaire est qu'elle crée une synestia, une masse de roche et de métal vaporisés qui forme un disque biconcave s'étendant au-delà de l'orbite lunaire. La synestia finit par rétrécir et refroidir pour accréter le satellite et reformer la planète touchée[13].

Anciens satellites

Une autre possibilité est qu'avant l'impact géant, la Terre avait un ou plusieurs satellites normaux qui partageaient sa composition. À la suite de l'impact, la Lune s'est formée plus près de la Terre que ces satellites, puis a fait une spirale vers l'extérieur, entrant en collision avec eux. Cela expliquerait la composition similaire de la Lune avec celle de la Terre.[réf. nécessaire] [ citation nécessaire ]

Autres hypothèses

Densité [14]
Corps Densité
g / cm 3
Mercure 5,4
Vénus 5.2
Terre 5.5
Lune 3,3

Capture

Cette hypothèse affirme que la Lune a été capturée par la Terre[15]. Ce modèle était populaire jusque dans les années 1980, et certains points en sa faveur sont la taille, l'orbite et le verrouillage par effets de marées de la Lune.

Un problème est de comprendre le mécanisme de capture[15]. Une rencontre rapprochée de deux corps planétaires entraîne généralement une collision ou une modification des trajectoires. Pour que cette hypothèse fonctionne, il aurait été nécessaire qu'une grande atmosphère soit présente autour de la Terre primitive, ce qui ralentirait le mouvement de la Lune par aérofreinage avant qu'elle ne puisse s'échapper. Cette hypothèse peut également expliquer les orbites satellites irrégulières de Jupiter et de Saturne.

La théorie Common-Donor Capture explique les similitudes isotopiques entre la croûte terrestre et la lune. Mercure est suggérée comme donneur parce que les échantillons de la Terre et de la Lune tombent exactement sur la même ligne de fractionnement que les chondrites à enstatite pensées comme originaires de Mercure ou de la région entourant la planète. Des études sur les isotopes du silicium sensibles à la pression concordent en confirmant que les minéraux à la surface de la Lune et de la Terre proviennent d'une pression élevée, vraisemblablement de l'intérieur d'une autre planète[16]. Mercure, ayant été dénudé d'une grande partie de son manteau rocheux, est un candidat donateur en conséquence[17] [18] . Dans le scénario de l'origine de la Lune près du centre du Système solaire, Vénus aurait pu contribuer en tant tremplin par assistance gravitationnelle[19] [20].

Terre et Lune à l'échelle, 500 km par pixel.

Fission

Il s'agit d'une ancienne hypothèse désormais discréditée selon laquelle une Terre ancienne, en rotation rapide, aurait expulsé un morceau de sa masse[15]. Cela est proposé par George Darwin (fils de Charles Darwin) en 1879 [21] et conserve une certaine popularité jusqu'au programme Apollo. Le géologue autrichien Otto Ampherer suggère également en 1925 l'émergence de la Lune comme cause de la dérive des continents[22].

Il est alors proposé que l'océan Pacifique représente la cicatrice de cet événement[15]. Il est à présent connu que la croûte océanique qui compose ce bassin est relativement jeune, environ 200 millions d'années ou moins, alors que la Lune est beaucoup plus ancienne. La Lune n'est pas constituée d'une croûte océanique mais d'un matériau analogue à un manteau planétaire, qui provient de la proto-Terre au Précambrien[5].

Concentrations de thorium sur la Lune, telles que cartographiées par Lunar Prospector.

Accrétion

L'hypothèse d'accrétion suggère que la Terre et la Lune se sont formées ensemble comme un système double à partir du disque d'accrétion primordial du Système solaire[23] ou même d'un trou noir[24]. Le problème avec cette hypothèse est qu'elle n'explique pas le moment cinétique du système Terre-Lune ni pourquoi la Lune a un noyau de fer relativement petit par rapport à celui de la Terre (25% de son rayon contre 50% pour la Terre).

Explosion nucléaire

Les scientifiques néerlandais Rob de Meijer et Wim van Westrenen suggèrent en 2010 que la Lune pourrait s'être formée à partir d'une explosion nucléaire causée par la force centrifuge d'une proto-Terre en rotation. La force centrifuge aurait concentré des éléments lourds tels que le thorium et l'uranium sur le plan équatorial et à la frontière entre le noyau externe et le manteau terrestre. Si les concentrations de ces éléments radioactifs étaient suffisamment élevées, cela aurait pu conduire à une réaction nucléaire en chaîne devenue supercritique, provoquant une explosion nucléaire éjectant la Lune en orbite[25] [26]. Un type de réacteur nucléaire naturel a déjà été observé sur Terre à une échelle beaucoup plus petite, au Gabon.

Théories et études supplémentaires

Evolution of the Moon, vidéo de la NASA (2012).

2011

En 2011, il est théorisé qu'une seconde lune existait 4,5 il y a un milliard d'années, et a eu plus tard un impact sur la Lune, dans le cadre du processus d'accrétion dans la formation de la Lune[27].

2013

Une hypothèse, présentée uniquement comme une possibilité, est que la Terre aurait capturé la Lune à Vénus[28].

2017

La datation par l'uranium-plomb des fragments de zircon d'Apollo 14 montre que l'âge de la Lune est d'environ 4,51 milliards d'années[29] [30].

2020

Une équipe de chercheurs du Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA conclut que le sous-sol de la Lune pourrait être plus riche en métaux, comme le fer et le titane, que pensé auparavant[31].

En juillet 2020, des scientifiques rapportent que la Lune s'est formée vers 4,425 ± 0,025 Ga, environ 85 millions d'années plus tôt que prévu, et qu'elle a abrité un océan magmatique pendant beaucoup plus longtemps que pensé auparavant (pendant ~ 200 millions d'années)[32] [33].

Références

  1. ↑ (en) Staff, « Revisiting the Moon », New York Times,‎ (lire en ligne)
  2. ↑ a et b Wiechert, Halliday, Lee et Snyder, « Oxygen Isotopes and the Moon-Forming Giant Impact », Science, vol. 294, no 12,‎ , p. 345–348 (PMID 11598294, DOI 10.1126/science.1063037, Bibcode 2001Sci...294..345W)
  3. ↑ Scott, « Oxygen Isotopes Give Clues to the Formation of Planets, Moons, and Asteroids », Planetary Science Research Discoveries Report,‎ , p. 55 (Bibcode 2001psrd.reptE..55S, lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ Nield, « Moonwalk », Geological Society of London, (consulté le ), p. 8
  5. ↑ a et b Zhang, Nicolas Dauphas, Andrew M. Davis et Ingo Leya, « The proto-Earth as a significant source of lunar material », Nature Geoscience, vol. 5, no 4,‎ , p. 251–255 (DOI 10.1038/ngeo1429, Bibcode 2012NatGe...5..251Z)
  6. ↑ Randal C. Paniello, James M. D. Day et Frédéric Moynier, « Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon », Nature, vol. 490, no 7420,‎ , p. 376–9 (PMID 23075987, DOI 10.1038/nature11507, Bibcode 2012Natur.490..376P)
  7. ↑ Saal, « Hydrogen Isotopes in Lunar Volcanic Glasses and Melt Inclusions Reveal a Carbonaceous Chondrite Heritage », Science, vol. 340, no 6138,‎ , p. 1317–20 (PMID 23661641, DOI 10.1126/science.1235142, Bibcode 2013Sci...340.1317S)
  8. ↑ J. H. Jones, « TESTS OF THE GIANT IMPACT HYPOTHESIS », Origin of the Earth and Moon Conference (consulté le )
  9. ↑ Daniel Clery, « Impact Theory Gets Whacked », Science, vol. 342, no 6155,‎ , p. 183–185 (PMID 24115419, DOI 10.1126/science.342.6155.183, Bibcode 2013Sci...342..183C)
  10. ↑ Pahlevan et Stevenson, « Equilibration in the Aftermath of the Lunar-forming Giant Impact », Earth and Planetary Science Letters, vol. 262, nos 3–4,‎ , p. 438–449 (DOI 10.1016/j.epsl.2007.07.055, Bibcode 2007E&PSL.262..438P, arXiv 1012.5323)
  11. ↑ Titanium Paternity Test Says Earth is the Moon's Only Parent (University of Chicago)
  12. ↑ (en) Robert Lee Hotz, « Researchers Suggest New Theory for the Moon's Origin », Wall Street Journal,‎ (lire en ligne)
  13. ↑ (en) {{Article}} : paramètre « titre » manquant, paramètre « périodique » manquant,‎
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  18. ↑ Stuart Taylor, Destiny or Chance, University Press Cambridge, Cambridge University Press, , 166 p. (ISBN 0521481783)
  19. ↑ « Explanatorium », www.creationtheory.com (consulté le )
  20. ↑ Stuart Taylor, Destiny or Chance, Cambridge, Cambridge University Press, , 132–133 p. (ISBN 0521481783)
  21. ↑ (en) D. U. Wise, The Earth-Moon System, Boston, MA, Springer, , 213–223 p. (ISBN 978-1-4684-8403-8, DOI 10.1007/978-1-4684-8401-4_14), « Origin of the Moon by Fission »
  22. ↑ (de) Ampferer, « Über Kontinentverschiebungen », Naturwissenschaften, vol. 13, no 31,‎ , p. 669–675 (DOI 10.1007/BF01558835)
  23. ↑ The Formation of the Moon burro.cwru.edu
  24. ↑ Where did the Moon come from? BBC
  25. ↑ https://phys.org/news/2010-01-moon-nuclear-explosion.html
  26. ↑ De Meijer, Anisichkin et Van Westrenen, « Forming the Moon from terrestrial silicate-rich material », Chemical Geology, vol. 345,‎ , p. 40–49 (DOI 10.1016/j.chemgeo.2012.12.015, Bibcode 2013ChGeo.345...40D, arXiv 1001.4243)
  27. ↑ Jutzi, « Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon », Nature, vol. 476, no 7358,‎ , p. 69–72 (PMID 21814278, DOI 10.1038/nature10289, Bibcode 2011Natur.476...69J)
  28. ↑ Did We Steal Our Moon From Venus? Is our planet a dirty thief?, Popular Science, 09.27.2013 at 5:07 pm
  29. ↑ Melanie Barboni, Patrick Boehnke, Brenhin Keller et Issaku E. Kohl, « Early formation of the Moon 4.51 billion years ago », Science Advances, vol. 3, no 1,‎ , e1602365 (PMID 28097222, PMCID 5226643, DOI 10.1126/sciadv.1602365, Bibcode 2017SciA....3E2365B)
  30. ↑ Wolpert, « The moon is older than scientists thought, UCLA-led research team reports », University of California, Los Angeles,
  31. ↑ Heggy, Palmer, Thompson et Thomson, « Bulk composition of regolith fines on lunar crater floors: Initial investigation by LRO/Mini-RF », Earth and Planetary Science Letters, vol. 541, no 116274,‎ , p. 116274 (DOI 10.1016/j.epsl.2020.116274)
  32. ↑ (en) {{Article}} : paramètre « titre » manquant, paramètre « périodique » manquant, paramètre « date » manquant
  33. ↑ (en) Maurice, Tosi, Schwinger et Breuer, « A long-lived magma ocean on a young Moon », Science Advances, vol. 6, no 28,‎ , eaba8949 (ISSN 2375-2548, DOI 10.1126/sciadv.aba8949, lire en ligne, consulté le ) Text and images are available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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