Impression d’artiste de l’événement de formation de la Lune. Crédit : NASA/JPL-CalTech/T. Pylé
La Terre s’est formée il y a plus de 4,6 milliards d’années à partir d’un mélange de poussière et de gaz autour du jeune soleil. Il s’est agrandi grâce à d’innombrables collisions entre des particules de poussière, des astéroïdes et d’autres planètes en croissance, y compris un dernier impact géant qui a jeté suffisamment de roche, de gaz et de poussière dans l’espace pour former la lune.
Bien que les roches qui enregistrent les premières parties de l’histoire de la Terre aient été détruites ou déformées par plus de quatre milliards d’années de géologie, les scientifiques peuvent utiliser des roches modernes, des échantillons de lune et des météorites pour déterminer quand et comment la Terre et la lune se sont formées, et ce ils auraient pu autrefois ressembler.
Comment la Terre et la Lune se sont-elles formées ?
La Terre, comme toutes les autres planètes du système solaire, a commencé sa vie comme un disque de poussière et de gaz en orbite autour du jeune Soleil. Les particules de poussière ont été rassemblées par les forces de traînée pour former des amas de roche qui se sont développés en « planétésimaux » sur des dizaines à des centaines de kilomètres de diamètre, puis à Mars-des “protoplanètes” de taille moyenne en se heurtant les unes aux autres.
La Terre a atteint sa taille finale grâce à une dernière collision majeure avec un autre objet de la taille de Mars. Cette dernière collision, également connue sous le nom d’« impact de formation de la lune », était si importante qu’en plus d’ajouter beaucoup de matière à la Terre, il y avait suffisamment d’énergie pour vaporiser une partie de la roche et du métal de la proto-Terre et l’objet impactant. Cette vapeur a formé un disque autour de la Terre qui s’est finalement refroidi et s’est aggloméré pour devenir la lune.
Nous le savons grâce à des études rigoureuses de météorites et d’échantillons de roches, y compris au Université de Chicago, aux 20e et 21e siècles.
Comprendre comment la Terre et la Lune se sont formées est important pour reconstituer l’histoire du système solaire et répondre à des questions telles que le temps que mettent les planètes à se former, de quoi sont faites les planètes et ce qui rend une planète propice à la vie. Cela guide également les planétologues dans leur recherche d’autres mondes habitables (ou habités !) dans notre système solaire et au-delà !
Le concept de cet artiste montre une très jeune étoile entourée d’un disque de gaz et de poussière, les matières premières à partir desquelles des planètes rocheuses telles que la Terre sont censées se former. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Comment et quand la Terre primitive s’est-elle formée ?
Les scientifiques pensent maintenant que l’histoire de la Terre a commencé il y a environ 4,6 milliards d’années dans un nuage de poussière et de gaz en forme de disque tournant autour du soleil primitif, composé de matériaux laissés après la formation du soleil.
À l’intérieur de ce disque, des particules de gaz et de poussière de différentes tailles tournaient autour du soleil à des vitesses légèrement différentes, leur permettant de se heurter et de se coller les unes aux autres. Finalement, ils sont passés de minuscules grains de poussière à des rochers, puis à de plus grands «planétésimaux» dont le diamètre allait de milles à des centaines de milles.
Parce que ces planétésimaux étaient plus gros que les rochers, ils avaient une gravité suffisamment forte pour tirer les planétésimaux voisins hors des orbites et les absorber par des collisions, permettant à certains planétésimaux de devenir de plus en plus gros jusqu’à atteindre des milliers de kilomètres de diamètre, à peu près la taille de la lune. et Mars.
Comment savons nous?
La clé, ce sont les météorites. Les météorites apportent de nombreux types de matériaux différents de tout le système solaire sur Terre où les scientifiques peuvent les étudier. Ces matériaux comprennent des chondres – de minuscules morceaux de poussière et de roche qui ont survécu avant la formation des planètes – et des morceaux d’astéroïdes et de planétésimaux laissés par le processus de construction de la planète. Des éléments radioactifs comme l’uranium et le hafnium sont piégés à l’intérieur des minéraux qui composent ces objets lorsqu’ils se forment, ce qui permet aux planétologues de déterminer leur âge.
À l’aide de ces mesures et de simulations de la physique de la poussière et des collisions planétésimales, les planétologues et les astronomes ont établi que le processus poussière-protoplanète prend des dizaines de millions d’années.
Mais l’étape finale de la formation des planètes dans notre système solaire a peut-être pris beaucoup plus de temps, jusqu’à cent millions d’années environ. Ce n’était pas seulement le dernier ajout majeur de matière à la Terre, mais aussi l’événement qui a formé la lune – et c’est l’une des parties les plus débattues de l’histoire.
Comment la lune s’est-elle formée ?
Plusieurs théories différentes de la formation de la lune ont été proposées par des scientifiques. L’histoire la mieux étayée par toutes les données disponibles, cependant, est que la lune s’est formée lors d’un impact géant entre la proto-Terre et une autre protoplanète à peu près de la taille de Mars , parfois connue sous le nom de « Théia ».
Dans cette théorie, la lune s’est formée à partir des débris de l’impact – un mélange de roche en fusion et de gaz chaud – projetés dans l’espace par l’impact, formant potentiellement un disque de matériau connu sous le nom de ” synestie lunaire “.
Théories alternatives suggérés par les scientifiques comprennent :
- la lune s’est détachée de la Terre (“théorie de la fission”)
- la lune s’est formée ailleurs dans le système solaire et a été capturée par la gravité terrestre (“théorie de la capture”)
- la Terre et la Lune formées à partir du disque protoplanétaire en même temps (“Co-formation”)
Comment savons nous?
Des échantillons de roche de la Lune, apportés sur Terre par les météorites lunaires et les alunissages d’Apollo, peuvent être utilisés pour comprendre l’histoire de la Lune et sa relation avec la Terre à travers la chimie de leurs minéraux.
Des planétologues comme le professeur Nicolas Dauphas et le professeur Andy Davis du département des sciences géophysiques de l’Université de Chicago effectuent des mesures précises d’échantillons lunaires pour déterminer exactement de quoi ils sont faits et identifier les empreintes chimiques de différents processus géologiques comme la fonte et le mélange des roches et l’évaporation des gaz.
Le premier grand indice sur l’origine de la lune vient de l’oxygène. L’oxygène, comme de nombreux autres éléments, peut exister sous de multiples formes, appelées isotopes. Différents types de météorites provenant des restes d’astéroïdes dans le système solaire après la formation de la planète ont des proportions différentes de chacun de ces isotopes d’oxygène. Ainsi, en mesurant les isotopes d’oxygène d’une planète donnée, les planétologues peuvent calculer les différents types d’astéroïdes qui sont entrés en collision pour former la planète. Les échantillons lunaires ont une composition isotopique d’oxygène très similaire à celle de la Terre.
Le concept de cet artiste montre un corps céleste de la taille de notre lune percutant à grande vitesse un corps de la taille de Mercure. Le télescope spatial Spitzer de la NASA a trouvé des preuves qu’une collision à grande vitesse de ce type s’est produite il y a quelques milliers d’années autour d’une jeune étoile, appelée HD 172555, encore aux premiers stades de la formation de la planète. L’étoile est à environ 100 années-lumière de la Terre. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Certains scientifiques pensent que les isotopes de l’oxygène sont dus au fait que l’objet qui a heurté la Terre était composé du même mélange de météorites que la Terre elle-même, suggérant potentiellement que la planète impactante s’est formée à proximité dans le système solaire.
D’autres scientifiques proposent qu’après l’impact, tout l’oxygène a pu se déplacer dans la vapeur chaude entourant la Terre et la Lune, mélangeant tous les différents isotopes d’oxygène et effaçant toutes les différences d’origine entre la Terre et Theia.
Cependant, il existe également de nombreuses différences entre la chimie de la Terre et de la Lune. Aux températures élevées atteintes lors des impacts planétaires, de nombreux éléments que nous n’avons pas l’habitude de considérer comme des gaz – comme le potassium, le zinc et le sodium – peuvent exister sous forme de vapeur. Les concentrations de ces éléments « volatils » sont beaucoup plus faibles dans les roches lunaires que dans les roches terrestres.
Une possibilité est que les débris d’impact chauds aient mis longtemps à évaporer ces éléments avant de s’agglomérer pour former la lune. Une autre est que lorsque la lune s’est formée, elle a commencé très chaude avec un océan de magma profond – comme la Terre – et la faible gravité et le manque d’atmosphère sur la lune ont permis aux éléments volatils qui ne s’échapperaient pas d’un objet plus gros de s’évaporer dans l’espace.
Ces deux éléments de preuve sont difficiles à expliquer sans un impact géant. Une origine d’impact pour la lune fournit les températures élevées nécessaires pour expliquer le manque de potassium, de zinc et de sodium sur la lune, et aussi une opportunité pour de nombreux mélanges entre la proto-Terre et le matériau qui deviendrait la lune. Mais quand cet impact a-t-il eu lieu ?
Quand la Lune s’est-elle formée ?
Les scientifiques pensent que la lune s’est formée lors d’un impact géant environ 60 à 175 millions d’années après la naissance du système solaire. Pour arriver à cette estimation, ils peuvent utiliser des roches de la Terre.
À mesure que les grands planétésimaux grandissent, la chaleur libérée par les impacts répétés et la désintégration radioactive des éléments à l’intérieur de leurs minéraux est suffisante pour provoquer la fonte. Cela permet à des matériaux de densités différentes de se séparer, des métaux comme le fer et le nickel s’enfoncent à l’intérieur pour former un noyau et des roches plus légères « flottant » sur le dessus.
Un échantillon de roche lunaire ramené par la mission Apollo 15. Crédit : NASA
Au moment de l’impact de la formation de la lune, la Terre était déjà séparée en ces couches rocheuses et métalliques. Cependant, la force intense et la chaleur de l’impact ont refondu la proto-Terre, re-mélangeant la roche et le métal séparés. Après ce mélange, la Terre était encore suffisamment chaude pour que la séparation se produise à nouveau et forme de nouvelles couches de roches et de métaux – c’est la clé de la datation lorsque la lune s’est formée !
Lorsque le rock et le métal se mélangent, ils sont capables d’échanger certains éléments. Des éléments comme l’hafnium préfèrent être mélangés avec de la roche plutôt qu’avec du métal. L’hafnium se désintègre sur environ 10 millions d’années pour former du tungstène. La première fois que la Terre s’est refroidie et s’est séparée en couches rocheuses et métalliques, c’était au début de l’histoire du système solaire, donc beaucoup de hafnium était présent dans la couche rocheuse de la Terre car elle n’avait pas encore eu le temps de se décomposer en tungstène. Au moment où l’impact de formation de la lune s’est produit, une grande partie de ce premier hafnium s’était désintégré en tungstène. Des éléments comme le tungstène préfèrent être mélangés avec du métal. Ainsi, lorsque l’impact a remixé la Terre, le tungstène nouvellement formé s’est enfoncé dans le noyau métallique. Cela a créé une couche externe rocheuse avec une concentration d’hafnium plus faible qu’auparavant et un noyau métallique contenant beaucoup plus de tungstène.
Aujourd’hui, tout l’hafnium a disparu car sa demi-vie est courte par rapport à l’âge de la Terre. Cependant, tout n’est pas perdu – cela le rend très utile pour déterminer le calendrier des événements au cours des cent premiers millions d’années de l’histoire du système solaire. La concentration de tungstène dans les roches terrestres dépend du moment où la séparation la plus récente en couches de roches et de métaux s’est produite. La concentration de tungstène dans les roches terrestres est trop faible pour être expliquée par la séparation précoce du métal et de la roche, ce qui signifie que quelque chose a dû re-mélanger les couches de la Terre. La meilleure explication de la chaleur et de l’énergie nécessaires pour ce faire est un impact géant environ 60 à 175 millions d’années après la naissance du système solaire.
A quoi ressemblait la Terre primitive ?
Après l’impact de la formation de la lune, la Terre était une planète très différente du monde que nous voyons aujourd’hui ! Là où la Terre actuelle a des océans couvrant une grande partie de sa surface, la Terre primitive était recouverte d’un magma océan — une couche de roche en fusion à des centaines de kilomètres de profondeur fondue par l’énergie libérée lors de la collision. Toute eau présente n’existerait que sous forme de vapeur d’eau dans l’atmosphère.
Si cela ne suffisait pas, le soleil primitif était également beaucoup plus actif qu’il ne l’est aujourd’hui, faisant exploser l’ensemble du système solaire avec un rayonnement UV suffisamment énergétique pour évaporer des atmosphères entières.
Au fil du temps, après que l’océan magma s’est suffisamment refroidi pour former une surface solide, l’atmosphère terrestre s’est reconstituée par des éruptions volcaniques, ainsi que par de l’eau et d’autres gaz libérés par les comètes et les météorites s’écrasant sur la surface.
C’était aussi le premier pas vers le développement de la tectonique des plaques sur notre planète. La tectonique des plaques décrit les « plaques » géantes de croûte qui se déplacent lentement autour de la surface de la Terre sur des centaines de millions d’années ; il produit non seulement de nouvelles roches sur les volcans où les plaques se séparent, mais peut également recycler les roches de la surface de la Terre et de l’atmosphère vers l’intérieur où les plaques se réunissent. Ce processus – connu sous le nom de “subduction” -ramène les roches, l’eau et le dioxyde de carbone piégés dans les minéraux à l’intérieur de la Terre où ils peuvent provoquer de futures éruptions volcaniques, poursuivant ainsi le cycle de la tectonique des plaques.
Certains planétologues pensent que la tectonique des plaques est essentielle pour qu’une planète développe la vie. En effet, la production et la destruction répétées de la croûte par la tectonique des plaques libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère et l’éliminent, aidant à maintenir des températures sur Terre similaires (et confortables pour les microbes, les poissons et les humains !) pendant des milliards d’années.
Le fait qu’une planète ait une tectonique des plaques est beaucoup plus compliqué que d’avoir simplement une surface solide, et peut également dépendre des types et de la quantité d’astéroïdes, de planétésimaux et de protoplanètes différents dont la Terre est faite en raison de la façon dont différents produits chimiques et minéraux peut changer le comportement de l’intérieur des planètes sur des milliards d’années.
A quoi ressemblait la première lune ?
La plupart d’entre nous imaginent la lune comme un endroit désolé et gris avec des cratères et pas grand-chose d’autre, mais elle a été étonnamment active sur le plan géologique pendant une grande partie de son histoire. Comme la Terre, la Lune a commencé avec une épaisse couche de roche en fusion à sa surface.
Contrairement à la Terre, cependant, la surface de la Lune ne s’est pas refroidie pour former des plaques tectoniques. Au lieu de cela, il a une croûte épaisse composée presque entièrement d’un minéral de couleur claire appelé feldspath. Le feldspath est le principal matériau qui compose les zones lumineuses que nous pouvons voir sur la lune aujourd’hui, également connues sous le nom de hautes terres lunaires. Le feldspath s’est cristallisé lorsque l’océan magmatique se refroidissait et était suffisamment léger pour flotter à la surface de la lune, au-dessus d’autres minéraux et du magma restant. (Les scientifiques planétaires peuvent utiliser le fait que cette croûte de feldspath s’est formée sur la lune mais pas sur la Terre pour essayer de déterminer les différences dans la chimie initiale et les conditions de refroidissement entre les deux objets pour en savoir plus sur la formation de la lune.)
La formation d’une croûte de feldspath n’a cependant pas marqué la fin de l’activité géologique sur la Lune. La chaleur laissée par l’impact, ainsi que plus de chaleur apportée par les éléments radioactifs, a pu faire fondre la roche en profondeur dans l’après-midi pour alimenter les volcans à sa surface. Cette fonte a produit du basalte, une sorte de roche de couleur sombre que l’on trouve couramment sur les volcans de la Terre aujourd’hui dans des endroits comme Hawaï et l’Islande. Le basalte s’est répandu sur des centaines de kilomètres à la surface de la lune, formant “gros” (qui signifie « mers » en latin) jusqu’à un mile d’épaisseur. Ces juments couvrent environ 16% de la surface de la lune et sont visibles à l’œil nu sous forme de taches sombres sur la lune.
Vous pouvez voir visuellement l’histoire géologique de la lune écrite dans des plaques de basalte sombre provenant d’anciens volcans, contrairement à la croûte plus claire faite de feldspath. Crédit : NASA
Les scientifiques planétaires peuvent dire que les juments de basalte sont plus jeunes que les hautes terres de feldspath en utilisant le nombre de cratères sur les différentes surfaces. La jument a moins de cratères sur sa surface supérieure que les hauts plateaux car elle a eu moins de temps pour être touchée par les astéroïdes et les météorites. On pense que la plus jeune jument n’a que 1,1 milliard d’années, ce qui signifie que des volcans étaient toujours en éruption sur la Lune deux milliards d’années après les premières preuves acceptées de la vie sur Terre !
Une autre caractéristique de la première lune était son orbite. Aujourd’hui, la Lune s’éloigne d’environ 1,5 pouces de la Terre chaque année. Les scientifiques planétaires ont calculé la distance entre la Terre et la Lune à reculons et ont découvert que la lune était dix-sept fois plus proche (14 000 milles contre 250 000 milles) lorsqu’elle s’est formée.
Cette distance changeante entre la Terre et la Lune est un indice important sur les détails de l’impact de la formation de la Lune, car la modification de la taille, de la vitesse et des angles d’approche des impacteurs dans les simulations de formation de la Lune modifie l’orbite du système Terre-Lune final. Les planétologues doivent trouver une simulation d’impact qui puisse non seulement correspondre à la chimie de la lune, mais aussi à sa distance de la Terre et à sa vitesse de rotation initiale.
Quelles questions demeurent?
Bien que les scientifiques conviennent que la lune s’est formée à cause d’un impact, les détails de l’impact sont encore en débat. Les scientifiques ne sont toujours pas d’accord sur la taille de l’objet impactant, sa vitesse de déplacement, sa composition ou même si nous devrions l’appeler « Theia ». Certains scientifiques soutiennent même que de multiples impacts pourraient avoir formé la Lune, au lieu d’un seul !
Les expériences en laboratoire aident les scientifiques à mieux comprendre ce qui arrive aux différents types de roches et éléments dans les conditions extrêmes d’événements à impact important. Le groupe de recherche du professeur Nicolas Dauphas à UChicago évapore des métaux sous vide pour simuler les conditions présentes dans le nuage de débris d’impact afin d’essayer d’expliquer pourquoi les roches lunaires contiennent tellement moins d’éléments comme le sodium, le zinc et le potassium que la Terre.
Cependant, certaines expériences peuvent être trop importantes pour le laboratoire, c’est pourquoi des simulations informatiques sont également utilisées pour étudier l’impact de la formation de la lune. Ces simulations permettent aux scientifiques de briser virtuellement la proto-Terre et différents types de planétésimaux à de nombreuses vitesses et angles pour déterminer quelles combinaisons de propriétés sont capables de former une lune avec la taille et l’orbite que nous voyons aujourd’hui.
À l’avenir, de nouveaux échantillons de la lune pourraient offrir aux planétologues un plus large éventail de différents types de roches lunaires avec lesquels travailler. Ceci est important car de nouveaux échantillons pourraient enregistrer différentes parties de l’histoire de la lune qui ne sont pas présentes dans les roches lunaires existantes rapportées par les missions Apollo. À mesure que les techniques de mesure s’amélioreront, les planétologues seront également en mesure de mesurer de nouvelles signatures chimiques dans les roches lunaires et d’améliorer les mesures existantes. Plus les scientifiques disposent de mesures, plus ils peuvent tester différentes théories sur la formation de notre lune, sa relation avec la Terre et peut-être même sur la façon dont des lunes pourraient naître autour d’autres planètes bien au-delà de notre système solaire !
