Eau sur la Lune

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Images obtenues par Chandrayaan-1 indiquant la présence de roches riches en eau.
Images obtenues par Chandrayaan-1 d'un cratère récent indiquant des roches riches en eau et groupes hydroxyle (en bleu, image de droite).

L'eau sur la Lune est découverte au cours des années 1970 lors des programmes Apollo et Luna. D'abord détectée sous forme de traces de vapeur d'eau, puis comme faible composante du sol lunaire, elle est par la suite observée sous forme de glace au début du XXIe siècle.

Plusieurs hypothèses sont formulées pour expliquer sa présence. Ainsi, elle pourrait être le résultat du bombardement régulier de comètes, astéroïdes ou météoroïdes[1], ou s'être formée au fil des années in situ par les ions d'hydrogène des vents solaires qui percutent les minéraux lunaires contenant de l'oxygène[2]. Enfin, la Lune contient probablement de l'eau en raison de ses origines terrestres.

En particulier du fait de son utilité pour de futurs séjours de longue durée à la surface de la Lune (programme Artemisetc.), la présence d'eau sur le satellite naturel de la Terre fait l'objet de nombreuses recherches et fait partie des objectifs de plusieurs missions lunaires (LCROSS, LRO, Chandrayaan-1etc.). L'analyse de l'eau lunaire pourrait également fournir des indices importants sur l'histoire de la Lune et l'abondance des comètes et des astéroïdes peu après la formation du Système solaire.

Historique[modifier | modifier le code]

Carte lunaire publiée par Michael Florent van Langren en 1645.

De tout temps, les différences d'albédo de la surface lunaire ont suscité diverses hypothèses. Au XVIIe siècle, lors des premières observations astronomiques réalisées à l'aide de lunettes astronomiques, des savants ont cru que les parties plus sombres de celle-ci représentaient des plans d'eau liquide. C'est d'ailleurs cette hypothèse qui, à l'époque, mène l'astronome Michael Florent van Langren à les nommer maria (« mer » en latin), structures qui sont toujours appelées mers lunaires de nos jours[3],[4].

Au fur et à mesure que les observations et connaissances se précisent, les savants comprennent que les conditions physiques ne permettent pas la présence d'eau liquide sur la Lune. L'idée que celle-ci possède une quantité d'eau significative est peu à peu abandonnée. À partir du milieu du XIXe siècle, la plupart des savants pensent que la Lune est sèche et sans atmosphère[5].

Ce n'est qu'en 1961 que la possibilité de présence de glace dans les sols des cratères polaires lunaires est suggérée pour la première fois par des chercheurs de Caltech[6].

Observations et explorations[modifier | modifier le code]

XXe siècle[modifier | modifier le code]

À la fin des années 1960 et au début des années 1970, on détecte une infime quantité d'eau à l'intérieur des échantillons de roches lunaires collectés par les astronautes du programme Apollo. Ces résultats sont cependant considérés comme douteux en raison d'une contamination possible des échantillons par les astronautes. L'idée que la surface lunaire est complètement sèche perdure[7].

En mars 1971, une première véritable détection de vapeur d'eau près de la Lune est obtenue par le Suprathermal Ion Detector Experiment de l'ALSEP d'Apollo 14[8].

Spectre par réflectance diffuse (en) d'échantillons du régolite de la Lune recueillis à des profondeurs de 118, 143 et 184 cm par la sonde soviétique Luna 24 présentant des minimums de 3, 5, et 6 µm (micromètres), minimums spécifiques aux vibrations des molécules d'eau.

Le 18 août 1976, la sonde soviétique Luna 24 atterrit dans la mer des Crises pour prendre des échantillons à des profondeurs de 118, 143 et 184 cm du régolite lunaire, pour ensuite les rapporter sur Terre. En février 1978, des scientifiques soviétiques de l'Institut de géochimie et de chimie analytique Vernandsky publient un article qui confirmerait la présence d'eau dans ces échantillons de façon quasi définitive[9],[10]. L'étude démontre que les échantillons de Luna 24 ramenés sur Terre ont une concentration massique d'eau de 0,1. Cette concentration concorde avec les résultats des observations provenant de la spectroscopie d'absorption infrarouge (à une longueur d'onde d'environ 3 μm) à un niveau de détection qui est approximativement 10 fois au-dessus de son seuil[9],[10]. Les mesures spectrales montrent ainsi des minimums aux alentours de 3, 5, et 6 µm, des valeurs distinctes du spectre infrarouge des vibrations de valence de l'eau, avec des intensités de deux à trois fois plus grandes que le niveau de bruit[11]. Ces informations sont d'abord publiées dans la revue Geokhimilia, puis ensuite traduites en anglais et publiées l'année suivante dans Geochemistry International[12]. Cependant, d'après Arlin Croots (d), les preuves soviétiques sont volontairement ignorées par l'Occident[13].

Image composite de la région polaire sud de la Lune, prise par la sonde Clementine. Les zones constamment sombres pourraient contenir de la glace d'eau.

Quinze ans plus tard, en 1994, la sonde militaire américaine Clementine détecte de la glace d'eau sur la Lune par l'utilisation d'un radar bistatique[14]. Cependant, les résultats sont jugés non-concluants[note 1],[16],[17],[18].

En janvier 1998, la NASA lance la mission Lunar Prospector. Celle-ci contient plusieurs spectromètres chargés de collecter des données concernant la composition de la surface de la Lune. Elle utilise ainsi un spectromètre à neutrons pour mesurer la quantité d'hydrogène présente à l'intérieur du régolithe lunaire près des régions polaires[19]. L'instrument permet ainsi d'établir des valeurs allant jusqu'à environ 50 parties par million. Les scientifiques de la mission interprètent ces résultats comme un signe de la présence de glace dans les cratères constamment ombragés de ces régions[20]. Cependant, ces données peuvent aussi être causées par la présence du radical hydroxyle chimiquement lié aux minéraux.
À la fin de la mission en juillet 1999, la sonde est intentionnellement projetée au centre du cratère Shoemaker, se trouvant près du pôle sud, en espérant qu'une quantité suffisante d'eau serait libérée afin de l'observer. Toutefois, l'analyse spectrale des observations spectrométriques provenant de la Terre sont non-concluantes[21].

En se basant sur les données des missions Clementine et Lunar Prospector, des scientifiques de la NASA estiment que si de la glace d'eau est présente, sa quantité totale serait de l'ordre de 1 à 3 kilomètres cubes[22],[23].

Des données de la mission Cassini-Huygens, qui passe près de la Lune en 1999, laissent à nouveau croire à la détection d'eau sur la Lune, mais là encore, les résultats sont non-concluants[24].

XXIe siècle[modifier | modifier le code]

En 2005 et 2009, la sonde spatiale Deep Impact effectue des observations mais ne détecte pas d'eau[7].

En septembre 2007, la sonde japonaise Kaguya observe des éléments de la surface lunaire à l'aide de la spectrométrie gamma[25]. Les capteurs d'imagerie haute résolution de la sonde n'arrivent cependant pas à détecter des signes de glace d'eau vers le pôle Sud, où des cratères sont dans le noir en permanence[26]. Tout comme Lunar Prospector, la sonde termine sa mission en s'écrasant sur la surface lunaire afin d'étudier le nuage de matière éjecté de sa surface[27].

Preuve concrète d'eau dans la mince couche d'atmosphère de la Lune obtenue par Chandrayaan-1's Altitudinal Composition Explorer (CHACE).
Image montrant la distribution de la glace de surface au pôle Sud (gauche) et au pôle Nord (droite) de la Lune, basée sur la vision du spectromètre de la NASA Moon Mineralogy Mapper (M3) à bord de la sonde orbitale indienne Chandrayaan-1.

Le 14 novembre 2008, l'engin spatial indien Chandrayaan-1 de l'ISRO lance le Moon Impact Probe (MIP) sur le cratère de Shackleton, situé au pôle Sud lunaire, dans le but d'analyser les débris dispersés par l'explosion en quête de présence de glace d'eau. Pendant sa chute d'une durée de 25 minutes, le Chandra's Altitudinal Composition Explorer (CHACE), intégré dans le MIP, enregistre des preuves de la présence d'eau grâce aux données de la spectrométrie de masse recueillies dans la fine couche d'atmosphère à la surface lunaire ainsi que dans les raies d'absorption d'hydroxyle des rayons du Soleil réfléchis[28],[29].

Image de la Lune prise par le Moon Mineralogy Mapper (M3). Le bleu présente la signature spectrale d'hydroxyde, le vert montre la luminosité de la surface mesurée par la réflexion des radiations infrarouges du Soleil et le rouge défini les régions présentant un minerai nommé pyroxène.

Le 25 septembre 2009, la NASA déclare que les renseignements collectés par le Moon Mineralogy Mapper (M3) confirment l'existence d'hydrogène sur de grandes régions de la surface lunaire[24], bien qu'elle soit en basse concentration et sous forme de groupes hydroxyle (·OH) chimiquement liés au sol[30],[31],[32]. Cela confirme les données précédemment compilées par les spectromètres à bord des sondes Deep Impact et Cassini[7],[33],[34].
Bien que les résultats du M3 soient consistants avec les récentes trouvailles des autres instruments à bord du Chandrayaan-1, les molécules d'eau découvertes dans les régions polaires de la Lune ne sont pas cohérentes avec la présence de gros dépôts d'eau de glace pratiquement pure à moins de quelques mètres sous la surface, sans toutefois éliminer la possible présence de petits (<~10 cm) morceaux de glace mélangés avec le régolite[35],[note 2].

La sonde spatiale lunaire américaine de la NASA Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS)
Vidéo construite par la sonde de la NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. Les images représentent les régions qui sont dans l'ombre en permanence ainsi que la forme des cratères en bleu. Ces ombres évoluent généralement au cours de plusieurs mois.

Le 18 juin 2009, deux sondes, Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) et Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS), sont lancées par la NASA[38].

Les données acquises par l'instrument Lunar Exploration Neutron Detector (LEND) à bord du LRO démontrent que quelques régions indiquent une certaine quantité d'hydrogène[39]. Une analyse plus approfondie des données du LEND suggère que la teneur en eau dans les régions polaires n'est pas directement déterminée par les conditions d'éclairage. Il n'y aurait ainsi pas de différence importante par rapport aux concentrations estimées en eau dans le régolithe des régions éclairées et celles dans l'ombre[40]. Selon les observations de cet instrument uniquement, de basses températures de surface permanentes ne sont ni nécessaires ni suffisantes pour une teneur élevée en eau dans le régolithe[40].

À l'aide d'un altimètre laser, le LRO observe le cratère Shackleton et conclut qu'environ 22 % de sa surface serait recouverte de glace[41].

LCROSS, quant à elle, détecte une quantité importante de groupements hydroxyle[42],[43]. Il est possible que ces données proviennent de matériaux contenant de l'eau, qui seraient sous forme de glace d'eau cristalline pratiquement pure mélangée avec la régolithe[44],[43],[45]. À nouveau, l'interprétation des observations n'est pas unanime. Une étude publiée en octobre 2010 conclut à des concentrations d'eau représentant 5,6 ± 2,9 % de la masse[46].

Pour plusieurs, ces annonces sont suffisantes pour confirmer la présence de glace d'eau sur la Lune. Ainsi, le , la compagnie Google affiche sur son site Web un Doodle pour souligner la chose[47].[pertinence contestée]

En mars 2010, on annonce que le Mini-SAR à bord de Chandrayaan-1 aurait découvert plus de 40 cratères en obscurité permanente près du pôle Nord de la Lune et que ces derniers possèderaient environ 600 millions de tonnes métriques de glace d'eau[44],[48]. La quantité d'eau sous forme de glace estimée est comparable à celle précédemment suggérée avec les données de la mission Lunar Prospector[48].

Inclusions magmatiques retrouvées à l'intérieur d'un échantillon de la mission Apollo 17. La taille de ces billes de verre varie entre 20 et 45 microns.

En mai 2011, à l'aide d'une microsonde de Castaing, Erik Hauri (en) et al. découvrent la présence de 615 à 1 410 ppm d'eau dans les inclusions magmatiques de l'échantillon lunaire 74220 prélevé durant la mission Apollo 17 en 1972. Ces inclusions se seraient formées il y a 3,7 milliards d'années lors d'éruptions volcaniques explosives qui ont eu lieu sur la Lune. La concentration en eau retrouvée à l'intérieur de ces billes de verre est semblable à celle présente dans le magma du manteau supérieur de la Terre.

Une nouvelle sonde, Lunar IceCube, devrait permettre de mieux quantifier la glace d'eau lunaire au début des années 2020.

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

En raison de sa faible masse et de son atmosphère à peu près inexistante, l'eau liquide ne peut persister à la surface de la lune et la vapeur d'eau est décomposée par la lumière du Soleil. L'hydrogène résultant est rapidement perdu dans l'espace. Cependant, malgré cela, des molécules d'eau sont détectables dans la fine atmosphère lunaire[49],[50].

L'eau (H2O) et le groupe apparenté hydroxyle (-OH) peuvent aussi être présents dans les minéraux lunaires sous forme de liaisons tels des hydrates et des hydroxydes (plutôt que sous forme libre), et des indices suggèrent fortement que tel est bien le cas en faible concentration sur une grande partie de la surface lunaire[51]. En effet, l'eau adsorbée devrait exister à la surface à des concentrations allant de 10 à 1000 parties par million (ppm), voire plus localement[52].

Hypothèse du cycle de l'eau lunaire[modifier | modifier le code]

Les mécanismes menant à la production, au transport et à l'emprisonnement de l'eau sur la Lune sont hypothétiques. La forte irradiation solaire à l'équateur lunaire y rend la présence d'eau improbable. Certains cratères des pôles auraient plus de chance d'en contenir.

Provenance et production[modifier | modifier le code]

L'eau lunaire aurait potentiellement trois sources : d'abord par sa formation même par la collision entre l'impacteur Théia et la Terre, ensuite par l'apport externe de comètes et autres corps frappant la Lune, et, enfin, par la production in situ. Cette dernière se produirait lorsque les ions d'hydrogène (protons) des vents solaires se combinent avec les atomes d'oxygène présents dans les minéraux lunaires (oxydes, silicates, etc.) de façon à emprisonner de petites quantités d'eau dans la structure de leurs cristaux. Cette combinaison pourrait également ne produire que des groupes hydroxyles, qui sont des précurseurs potentiels de l'eau[53].

Ainsi, les groupements hydroxyles de surface (X–OH) formés par la réaction de protons (H+) et d'atomes d'oxygène accessibles aux surfaces oxydées (X=O) pourraient par la suite être convertis en molécules d'eau (H2O) absorbées par ces surfaces oxydées. Le bilan de matière d'un réarrangement chimique qui prend supposément place sur des surfaces oxydées prendrait schématiquement la forme suivante :

2 X–OH → X=O + X + H2O

ou

2 X–OH → X–O–X + H2O


où X représente la surface oxydée.

La formation d'une seule molécule d'eau requiert la présence de deux groupements hydroxyles adjacents, ou d'une cascade de réactions successives d'un atome d'oxygène avec deux protons. Ce dernier pourrait être perçu comme un facteur limitant et diminuer la probabilité de production d'eau si la densité en protons par unité de surface est trop basse.

Emprisonnement[modifier | modifier le code]

Normalement, l'irradiation solaire dépouillerait la surface de la Lune de toute forme d'eau et de glace d'eau en les divisant sous leur forme atomique d'hydrogène et d'oxygène. Les éléments seraient alors projetés dans l'espace. Cependant, certains cratères situés près des régions polaires, tels le cratère de Shackleton et le cratère Shipple, ne reçoivent aucune lumière du Soleil. Les températures de ces régions ne dépassent donc jamais 100 K (environ −170 degrés Celsius)[54], ce qui ferait en sorte que toute forme d'eau qui se retrouve dans ces cratères y reste congelée en permanence[55] ,[16]. Ces périodes pourraient s'étendre sur des milliards d'années[réf. souhaitée].

Bien que les dépôts de glace puissent être épais, il est fort probable qu'ils soient mélangés avec le régolithe sous forme de couches[56].

Transport[modifier | modifier le code]

Bien qu'aucune molécule d'eau libre n'ait pu être retrouvée dans les régions atteintes par les rayons de Soleil, il est probable que l'eau produite in situ par les vents solaires migrerait vers les pôles par un processus d'évaporation et de condensation pour s'y accumuler sous forme de glace. Celle-ci s'ajouterait à la glace qui doit son origine à l'impact de certaines comètes[7].

Utilisation[modifier | modifier le code]

La présence d'une certaine quantité d'eau sur la Lune est un facteur important pour la réalisation de séjours de longue durée sur la Lune tels qu'ils sont envisagés dans le cadre du programme Artemis de la NASA. Le recours à une eau d'origine lunaire permet d'économiser le transport de l'eau (ou de l'hydrogène et de l'oxygène) depuis la Terre : une tonne d'eau lancée expédiée depuis celle-ci mobilise un lanceur d'environ 200 tonnes équipé d'un couteux atterrisseur[57].

Si elle existe en quantité conséquente, la glace lunaire pourrait être recueillie pour produire de l'eau liquide pour la botanique et de l'eau potable. Elle pourrait également être séparée en hydrogène et oxygène par des générateurs nucléaires ou des stations électrique alimentés par des panneaux solaires. L'oxygène pourrait être utilisé pour la respiration et pour fabriquer du combustible (ergol), alors que l'hydrogène pourrait, de son côté, être utilisé pour collecter les oxydes présents dans le sol lunaire et, ainsi, récolter davantage d'oxygène.

Appropriation[modifier | modifier le code]

La découverte hypothétique d'eau sur la Lune en quantité suffisante pourrait soulever de multiples débats légaux concernant la propriété de cette eau et l'accès à son exploitation. En effet, le traité de l'espace de l'ONU n'empêche pas l'exploitation des ressources lunaires, mais il interdit l'appropriation de la Lune par des nations individuelles et est généralement considéré comme étant le principal obstacle à la revendication par certains pays des ressources de la Lune[58],[59]. Quant à lui, le traité sur la Lune stipule que l'exploitation des ressources lunaires devrait être gouvernée par un « régime international », mais ce traité n'a été approuvé que par quelques-unes des nations ayant un programme spatial avancé[60].

La plupart des experts juridiques s'entendent pour dire que c'est par l'intermédiaire de compagnies privées ou nationales que ce traité subira l'ultime test. En vertu du SPACE Act de 2015, certaines compagnies privées font déjà valoir leur droit d'exploiter des ressources qu'ils retireront de la Lune et/ou d'astéroïdes par leur propres efforts, risques et investissements, notamment les compagnies américaines Moon Express et Shackleton Energy Company qui envisagent d'établir une base lunaire d'extraction de glace[61];[62].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. En 2006, des données du radiotélescope d'Arecibo suggèrent une erreur dans l'interprétation des résultats précédemment compilés par cette sonde. Ainsi, la possibilité de glace d'eau aux pôles lunaires n'aurait été associée qu'à de simples roches en suspension provenant de jeunes cratères. Cependant, les interprétations conduites par les données d'Arecibo n'excluent pas entièrement la possibilité de glace d'eau dans les cratères sombres[15].
  2. Des analyses additionnelles effectuées avec M3, publiées en 2018, procurent des preuves concrètes de glace d'eau près de la surface à moins de 20° latitude des deux pôles[36],[37].

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Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]