Ces nouvelles considérations publiées aujourd'hui dans la revue Nature par une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz, de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) et du Collège de France résolvent les contradictions et incohérences existantes concernant l'âge de la Lune. Selon les chercheurs, la Lune s'est formée il y a entre 4,43 et 4,51 milliards d'années. Sa croûte, en revanche, semble plus jeune d'environ 80 à 160 millions d'années.
La Lune semble peu disposée à révéler son âge. Les tentatives pour percer son secret ont donné lieu à des estimations qui se situent à plusieurs centaines de millions d'années d'intervalle : alors que certains chercheurs suggèrent que notre compagnon cosmique s'est formé il y a 4,35 milliards d'années, d'autres datent sa naissance à 4,51 milliards d'années.
L’une des contradictions les plus frappantes est d’ordre rocheux : presque tous les échantillons de roche lunaire indiquent un âge plus jeune. Mais quelques rares cristaux de silicate de zirconium, appelés zircons, sont nettement plus anciens. Comment est-ce possible ? Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont réussi à résoudre cette contradiction. Selon leurs calculs, la croûte lunaire a en grande partie fondu après sa formation ; seuls quelques zircons ont pu résister à ces conditions extrêmes sans changement.
Une collision et ses conséquences
L'histoire de la Lune commence par une collision massive. Au tout début du système solaire, un bloc de la taille de Mars s'est écrasé sur la Terre encore jeune. La collision a généré une chaleur si intense que notre planète a entièrement fondu et a projeté une énorme quantité de matière dans l'espace. Petit à petit, cette matière s'est agglutinée pour former la Lune, initialement recouverte d'un immense océan de roches liquides et brûlantes. Au cours des millions d'années qui ont suivi, le corps nouvellement formé s'est refroidi et s'est éloigné de plus en plus de la Terre jusqu'à atteindre son orbite actuelle à une distance d'environ 384 400 kilomètres.
« Nous nous intéressons particulièrement à la phase où la distance entre la Terre et la Lune était d'environ un tiers de la distance actuelle », explique Francis Nimmo de l'Université de Californie à Santa Cruz, premier auteur de la nouvelle étude.
À cette époque, la position et la forme de l'orbite de la Lune ont changé. Elle est devenue entre autres plus elliptique, de sorte que la vitesse de la Lune et sa distance par rapport à la Terre ont sensiblement varié au cours de chaque orbite. Les forces agissant de cette manière ont « brassé » l'intérieur de la Lune à tel point qu'elle s'est réchauffée.
Une situation similaire est encore observée aujourd'hui avec Io, la lune de Jupiter, qui tourne autour de la géante gazeuse également sur une orbite légèrement elliptique. Les énormes forces de marée de Jupiter font de cette petite lune le corps volcanique le plus actif du système solaire. La première lune de la Terre était probablement aussi comparable à Io.
D'après les calculs des chercheurs, le flux de chaleur provenant de l' intérieur de la Lune a été suffisant pour faire fondre et brasser l'ensemble du manteau lunaire. Bien qu'à aucun moment au cours de cette phase un océan de magma n'ait recouvert la totalité de la Lune, au cours de plusieurs millions d'années, la chaleur provenant de l'intérieur a progressivement atteint chaque partie de la surface, liquéfiant la majeure partie de la roche de la croûte, peut-être même plusieurs fois. À certains endroits, la lave brûlante a pénétré jusqu'à la surface, à d'autres, du magma a été injecté sous la surface, chauffant les roches environnantes.
Réinitialisation de l'horloge géologique
Cette histoire volcanique est déterminante pour déterminer l'âge de la roche crustale. Depuis leur formation, les roches lunaires (comme les roches terrestres) contiennent des isotopes radioactifs. Les isotopes sont des variations de certains atomes qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau atomique.
Les temps de désintégration des isotopes étant connus, il est possible de déduire l'âge de la roche à partir de leur concentration actuelle. Le facteur décisif : tant que la roche est chaude, elle peut échanger des isotopes avec son environnement. Lorsqu'elle refroidit, elle conserve sa composition. Les isotopes radioactifs piégés commencent à se désintégrer et l'horloge géologique se met à tourner.
« Le fort volcanisme a probablement réinitialisé l'horloge géologique de la Lune », explique Thorsten Kleine, directeur du MPS et co-auteur de l'étude. « Les échantillons de roches lunaires ne révèlent donc pas leur âge d'origine, mais seulement la date à laquelle elles ont été fortement chauffées pour la dernière fois », ajoute-t-il.
Seuls quelques zircons résistants à la chaleur témoignent d'un passé plus lointain, montrent les chercheurs dans leurs calculs. À certains endroits où la lave n'a pas atteint la surface, les grains de zircon sont restés froids, ce qui n'a pas perturbé leur horloge interne.
« Les échantillons de roche lunaire nous racontent toute l’histoire mouvementée de la Lune. Ils nous renseignent sur sa formation et sur son volcanisme violent ultérieur. Jusqu’à présent, nous n’avons tout simplement pas interprété correctement ces indices », explique Kleine. Selon les résultats du chercheur, la Lune elle-même aurait entre 4,43 et 4,51 milliards d’années. Le volcanisme violent a façonné sa croûte il y a environ 4,35 milliards d’années.
La solution de l'énigme
Les nouvelles découvertes résolvent également de nombreuses autres contradictions qui jusqu'alors avaient intrigué les scientifiques. Par exemple, le nombre relativement faible de cratères sur la Lune contredisait son âge avancé. En si longtemps, notre voisine cosmique aurait dû être témoin de plus d'impacts. Le volcanisme offre désormais une explication. « La lave provenant de l'intérieur de la Lune aurait pu remplir les premiers bassins d'impact et les rendre ainsi méconnaissables », explique Alessandro Morbidelli, co-auteur de l'étude, du Collège de France.
La composition du manteau lunaire a posé un autre problème aux chercheurs. Il s'agit de la couche rocheuse située directement sous la croûte lunaire. Sa liste d'ingrédients diffère de celle de la Terre sur des points essentiels. Cependant, si l'intérieur de la lune avait fondu une deuxième fois, certaines substances auraient pu s'échapper du manteau vers le noyau de fer situé en dessous.
« Les nouveaux résultats signifient que toutes les pièces du puzzle qui ne s'emboîtaient pas auparavant forment désormais une image globale cohérente de la formation de la lune », explique Kleine.
Plus d'informations : Francis Nimmo et al., Tidally driven remelting around 4.35 billion years ago indicate the Moon is old, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-08231-0
Par Birgit Krummheuer, Société Max Planck
Fourni par la Société Max Planck
Par Birgit Krummheuer, Société Max Planck
Fourni par la Société Max Planck
