La crise de la théorie classique de l'origine de la lune

Des décennies après que les scientifiques semblent s'accorder sur une théorie, de nouvelles preuves de la manière possible de l'apparition de la Lune semblent la contredire

Vue d' artiste de Synaestia , un objet hypothétique composé d'une pierre vaporisée qui aurait pu engendrer la lune

Le 13 décembre 1972, l'astronaute d'Apollo 17 Harrison Schmitt s'est approché d'un rocher dans la mer lunaire de tranquillité. "Ce rocher a une piste qui part directement de la colline", a-t-il dit à son commandant, Eugene Cernan, en montrant les marques laissées par la pierre qui roulait sur la pente. Cernan se pencha pour recueillir les échantillons et suggéra à Schmitt d'imaginer ce qui se passerait s'ils se mettaient en travers du chemin de cette pierre avant qu'elle ne roule de la pente.

"Je ne voudrais pas y penser", a déclaré Schmitt.

Les astronautes ont coupé des morceaux de lune d'un rocher. Puis, en utilisant le râteau Schmitt, il a raclé la surface poussiéreuse, soulevant la pierre, appelée plus tard troctolite 76536 du régolithe, et en faisant l'histoire.

Cette pierre et son frère de rocher raconteront comment la lune entière est apparue. Dans cette histoire de création, décrite dans d'innombrables manuels et explications d'expositions de musée au cours des quatre dernières décennies, la Lune est née dans une collision désastreuse d'une Terre germinale et d'un monde rocheux de la taille de Mars. Le deuxième monde a été nommé Thea, en l'honneur de la déesse grecque qui a donné naissance à Selena, c'est-à-dire La lune. Thea a frappé la Terre avec une vitesse et une puissance telles que les deux mondes ont fondu. Les restes de l'épave de Thei se sont refroidis et durcis, devenant notre compagnon argenté.

Les mesures modernes de troctolite 76536 et d'autres pierres de la lune et de Mars ont soulevé des doutes sur cette histoire. Au cours des cinq dernières années, une rafale de recherches a révélé un problème: l'hypothèse canonique de la formation de chocs est basée sur des hypothèses qui ne correspondent pas aux faits. Si Thea a frappé la Terre, puis a formé la Lune, alors la Lune devrait être composée du même matériau que Thea. Mais la lune ne ressemble ni à Théa, ni à Mars. Jusqu'aux atomes, il ressemble presque exactement à la Terre.


Un astronaute sonde des pierres sur la lune

Ayant rencontré cet écart, les chercheurs de la Lune ont commencé à rechercher de nouvelles idées afin de comprendre comment elles sont apparues. La solution la plus évidente peut être la plus simple, bien qu'elle crée d'autres problèmes avec la compréhension des premiers stades du système solaire: peut-être que Théa a formé la lune, mais Théa était constituée d'un matériau presque identique à la Terre. La deuxième possibilité - le processus de collision a bien mélangé tout, des morceaux et des liquides uniformément répartis, comme de la pâte pour des crêpes. Cela pourrait se produire dans une collision à très haute énergie, ou dans une série de collisions qui ont engendré plusieurs lunes qui se sont jointes plus tard. La troisième explication jette un doute sur ce que nous savons des planètes. Il est possible que la Terre et la Lune aient subi d'étranges métamorphoses et aient fait des mouvements inhabituels en orbite, ce qui a radicalement changé leur rotation et leur avenir.

Quatre façons de créer la lune

Avec l'émergence de problèmes dans la théorie de base de l'apparition de la lune, les scientifiques ont lancé de nouvelles théories sur son apparence.

Modèle de formation d'impact

Cette théorie classique, apparue dans les années 1970, prétend qu'un pavé de la taille de Mars, Thea, martelait la jeune Terre. Après l'impact, un disque de débris est apparu, qui s'est ensuite uni à la lune. Mais de nouvelles études ont trouvé un conflit: des simulations informatiques suggèrent que la lune devrait être constituée de matériaux similaires à ceux de Théa, et une étude géochimique de la lune suggère qu'elle est constituée de matériaux similaires à la terre.

Synaestia

Peut-être que Thea a frappé la Terre assez fort pour que les deux objets s'évaporent et forment une nouvelle structure cosmique, synestia. Un nuage de débris chauds en rotation pourrait bien mélanger les matériaux Thei et Terre et créer un système Terre / Lune avec une géochimie similaire.

Petites lunes

Il est possible qu'au lieu d'un coup sérieux, de nombreux coups relativement petits se soient produits, dont chacun a créé la lune. Dans ce modèle, chaque collision avec un objet de la taille de la lune a créé un disque de débris, qui s'est progressivement rassemblé en une petite lune. Puis le coup suivant a ajouté des débris, et à la fin, ils se sont combinés en une grande lune.

Choc des jumeaux

Peut-être que l'alternative la plus simple serait celle dans laquelle Théa se compose du même matériau que la Terre. Mais cette hypothèse est contraire à la plupart de nos idées sur la formation des systèmes planétaires.

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Pour comprendre ce qui pourrait arriver le jour le plus mémorable de la Terre, vous devez comprendre la jeunesse du système solaire. Il y a quatre milliards et demi d'années, le soleil était entouré d'un nuage de débris chaud, comme un beignet. Les éléments générés dans les entrailles de l'étoile se sont déplacés autour du Soleil nouvellement formé, se refroidissant et après les époques, se combinant - dans un processus qui n'est pas encore clair pour nous - en grumeaux, puis en planétésimaux , puis en planètes de plus en plus grandes. Ces corps rocheux sont entrés en collision active et violente, se vaporisant les uns les autres. C'est dans ce billard infernal difficile que la Terre et la Lune sont apparues.

Pour obtenir la Lune aujourd'hui, avec sa taille, sa rotation et sa vitesse de fuite de la Terre, selon nos meilleurs modèles informatiques, il faut qu'un corps de la taille de Mars entre en collision avec la Terre. Tout ce qui est plus grand ou beaucoup plus petit conduirait à l'émergence d'un système avec beaucoup plus comme un grand moment angulaire. Un corps plus grand jetterait également trop de fer dans l'orbite de la Terre et créerait une lune plus riche en fer que la nôtre.

Un moment angulaire est une quantité qui décrit le mouvement et la masse d'un objet en rotation ou d'un système d'objets en rotation: une Terre en rotation, une Lune en rotation, en orbite autour d'une Terre en rotation, etc. Le moment d'impulsion est toujours conservé, c'est-à-dire qu'il ne peut être acquis ou perdu qu'avec l'intervention d'une troisième force.

Les premières études géochimiques du troctolite 76536 et d'autres pierres ont confirmé cette histoire. Ils ont montré que les pierres lunaires auraient dû apparaître dans l'océan de magma lunaire, qui ne peut être créé que par la formation d'impact. Le troctolite tomberait dans la mer en fusion comme un iceberg se détachant de l'Antarctique. Sur la base de limitations physiques, les scientifiques ont affirmé que la lune était constituée des restes de Théa. Mais il y a un problème.

Retour au début du système solaire. Après la collision et l'évaporation des mondes pierreux, leur contenu a été mélangé et s'est finalement calmé dans certaines zones de l'espace. Plus près du soleil, où il fait plus chaud, les éléments légers étaient plus susceptibles de s'évaporer, laissant un excès d'isotopes lourds (variantes d'éléments contenant des neutrons supplémentaires). Plus loin du soleil, les pierres ont réussi à retenir plus d'eau et d'isotopes légers. Par conséquent, les scientifiques peuvent étudier le mélange d'isotopes d'un objet et déterminer de quelle partie du système solaire il provient, tout comme l'accent est mis sur la patrie de la personne.


Sarah Stewart, planétologue de l'Université de Californie, Davis et son étudiant Simon Locke de l'Université Harvard

Ces différences sont si évidentes qu'elles sont utilisées pour classer les planètes et les types de météorites. Mars, par exemple, est tellement différent de la Terre que ses météorites peuvent être déterminées simplement en mesurant les rapports de trois isotopes différents de l'oxygène.

En 2001, à l'aide de technologies avancées de spectrométrie de masse, des scientifiques suisses ont mesuré de nouveau le troctolite 76536 et 30 autres échantillons lunaires. Ils ont constaté que leurs isotopes de l'oxygène ne pouvaient pas être distingués de ceux terrestres. Depuis lors, les géochimistes ont étudié le titane, le tungstène, le chrome, le rubidium, le potassium et d'autres métaux rares de la Terre et de la Lune, et en général, tout se ressemble.

Ce sont de mauvaises nouvelles pour Thei. Si Mars est si évidemment différent de la Terre, alors Théa - et donc la Lune - doit également être différente. S'ils sont identiques, cela signifie que la lune aurait dû se former à partir des fragments fondus de la Terre. Les pierres d'Apollo contredisent ce que dit la physique.

«Le modèle canonique traverse une grave crise», explique Sarah Stuart, scientifique planétaire à l'Université de Californie à Davis. "Elle n'a pas encore été tuée, mais pour le moment elle ne travaille pas."

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Stuart a essayé de concilier les limitations physiques - la nécessité d'un corps entrant en collision d'une certaine taille, se déplaçant à une certaine vitesse - avec de nouvelles preuves géochimiques. En 2012, elle et Matija uk, qui travaillent actuellement au SETI, ont proposé un nouveau modèle physique pour la formation de la lune. Ils prétendent que la première Terre a tourné rapidement comme un derviche , faisant une révolution en deux à trois heures lorsque Thea est entrée en collision avec elle. La collision aurait dû conduire à l'apparition d'un disque autour de la Terre, semblable aux anneaux de Saturne - mais elle n'aurait pas survécu plus de 24 heures. En conséquence, il se refroidirait et se solidifierait, formant la lune.

Les superordinateurs ne sont pas assez puissants pour simuler pleinement ce processus, mais ils ont montré qu'un obus s'écraser sur un monde en rotation rapide peut couper un morceau décent de la Terre, détruire la plupart de Thei et collecter la Lune et la Terre avec un contenu isotopique similaire à partir de ces fragments. C’est comme jeter un morceau d’argile qui n’a pas encore durci sur un tour de potier en rotation rapide.

Mais pour que l'explication de la Terre en rotation rapide fonctionne, il faut que quelque chose d'autre ralentisse sa rotation jusqu'à aujourd'hui. Dans les travaux de 2012, Stuart et Chuck ont ​​fait valoir que, avec certaines interactions avec la résonance orbitale, la Terre pourrait transmettre l'impulsion angulaire au Soleil. Plus tard, Jack Widd du MTI a proposé plusieurs scénarios différents pour la perte de moment angulaire par le système Terre / Lune.

Mais aucune des explications n'était suffisamment satisfaisante. Stewart dit que les modèles de 2012 ne pouvaient pas expliquer l'orbite ou la composition chimique de la lune. Puis, l'année dernière, Simon Locke, un étudiant diplômé de l'Université Harvard qui a étudié avec Stuart, a proposé un modèle mis à jour qui proposait une structure planétaire jusque-là inexplorée.

Dans cette histoire, toutes les particules de Terre et de Tei se sont évaporées et ont formé un nuage gonflé en forme de beignet épais. Le nuage a tourné si vite qu'il a atteint la limite de corotation [limite de co-rotation]. Dans cet état, sur le bord extérieur du nuage, les pierres évaporées ont tourné si vite que le nuage a acquis une nouvelle structure dans laquelle un disque épais tourne autour de la région intérieure. Ce qui est important, le disque n'a pas été séparé de la région centrale, comment les anneaux ont été séparés de Saturne et comment les disques ont été séparés dans les modèles de formation de la lune après la collision.


Sinestia pourrait consister en une masse semblable à un beignet de pierre vaporisée entourant une planète rocheuse

Les conditions dans cette structure sont infernales à l'impossibilité; il n'y a pas de surface, au lieu de cela il y a des nuages ​​de pierre fondue, et des gouttes de pierre fondue se forment dans chaque région du nuage. La lune a grandi à l'intérieur de cette paire de gouttelettes jusqu'à ce que la vapeur refroidisse et quitte le système Terre / Lune.

Compte tenu des caractéristiques inhabituelles de la structure, Lock et Stuart ont décidé qu'elle méritait un nouveau nom. Ils ont proposé plusieurs versions, après quoi ils ont choisi synestia, en utilisant le préfixe grec signifiant péché "ensemble", et la déesse Hestia , la déesse du foyer, de la santé et de l'architecture. Stuart dit que le mot signifie «structure unie».

«Ces corps ne sont pas ce que vous pensez à première vue. Ils ne ressemblent pas à ce que vous attendiez », dit-elle.

En mai, Locke et Stewart ont publié des travaux sur la physique des synesthes; leurs travaux sur l'origine de la lune de la synesthésie sont toujours en cours d'évaluation par des experts. Ils ont présenté ce travail lors de conférences de planétologues en hiver et au printemps, et ils disent que leurs collègues étaient intrigués, mais pas convaincus par cette idée. Peut-être parce que les synesthéses ne restent qu'une idée; contrairement aux planètes à anneaux, qui sont nombreuses dans notre système solaire, et aux disques protoplanétaires, qui sont nombreux dans tout l'Univers, personne n'a jamais vu de synesthésie.

"Mais c'est une façon particulièrement intéressante qui peut expliquer les caractéristiques de notre lune et nous aider à surmonter les difficultés avec notre modèle inactif", explique Locke.

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Parmi les satellites naturels du système solaire, la lune se distingue par sa solitude. Mercure et Vénus ne possèdent pas de satellites naturels, notamment en raison de leur proximité avec le Soleil, dont l'influence gravitationnelle rendrait les orbites de ces lunes instables. Mars a de minuscules Phobos et Deimos; certains croient que ce sont des astéroïdes capturés, tandis que d'autres pensent qu'ils se sont formés après les collisions de corps avec Mars. Les géantes gazeuses sont simplement remplies de lunes, dont certaines sont rocheuses, certaines sont de l'eau, d'autres sont mélangées.

Contrairement à ces lunes, le satellite de la Terre se distingue par sa taille et sa masse. La masse de la lune représente environ 1% de la masse de la Terre, tandis que la masse totale des satellites des planètes extérieures ne dépasse pas un dixième de la masse de leurs parents. Plus important encore, la Lune est responsable de 80% de la quantité de mouvement angulaire du système Terre / Lune, c'est-à-dire 80% du mouvement de l'ensemble du système. Sur les planètes extérieures, ce chiffre ne dépasse pas 1%.

Mais la lune ne portait pas nécessairement toujours une telle charge. La face de la lune montre qu'elle a été bombardée toute sa vie; pourquoi devrions-nous supposer qu'une seule pierre l'a taillé dans la terre? Il est possible que de nombreuses collisions aient créé la lune, explique Raluca Rufu, planétologue à l'Institut des sciences Wisemann en Israël.

Dans un article publié cet hiver, elle affirme que la lune n'est pas apparue sur la Terre d'un seul coup. Il s'agit d'une collection créée par mille coupes - ou au moins une douzaine, selon ses simulations. Des obus volant sous différents angles et à différentes vitesses pourraient frapper la Terre et former des disques qui se rassemblent en petites lunes, des miettes plus petites que la lune actuelle. Les interactions entre les petites lunes ont conduit à leurs associations, qui ont formé notre lune d'aujourd'hui.


Simulation informatique: deux petites lunes fusionnent

Les planétologues ont bien reçu son travail l'année dernière. Robin Kanap, spécialiste de la lune au Southwest Research Institute et l'un des premiers auteurs de la théorie de la formation de la lune, a déclaré que cela valait la peine d'être considéré. Cependant, des vérifications supplémentaires sont nécessaires. Rufu n'est pas sûr si les petites lunes se seraient fixées sur leur orbite comme la Lune, toujours tournée vers nous d'un côté; si c'est le cas, elle ne sait pas comment ils pourraient se réunir. "C'est ce que nous essayons maintenant de découvrir", a déclaré Rufu.

Pendant ce temps, d'autres se sont tournés vers une autre explication de la similitude de la Terre et de la Lune, avec une réponse très simple. Synesthésies, petites lunes, nouveaux modèles physiques - tout cela est discutable. Il est possible que la Lune soit très similaire à la Terre car Théa lui était également similaire.

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La Lune n'est pas le seul objet du système solaire qui ressemble à la Terre. Les pierres de troctolite 76536 ont le même rapport d'isotopes d'oxygène que les pierres de la Terre, et le même que le groupe d'astéroïdes appelés chondrites enstatite . La combinaison d'isotopes de l'oxygène dans ces astéroïdes est très similaire à la terre, selon Miriam Telas, une cosmochimiste étudiant les météorites à l'Institut scientifique. Carnegie à Washington. «L'un des arguments est qu'ils se sont formés dans des zones plus chaudes du disque près du Soleil», dit-elle. Ils se sont probablement formés près de l'endroit où la Terre s'est formée.

Certains de ces pavés ont formé la Terre, d'autres pourraient former le Théa. Les chondrites enstatite sont des matériaux détritiques qui ne se sont jamais rassemblés pour créer le manteau, le noyau et la planète complète.

En janvier, Nicholas Daufas, géophysicien à l'Université de Chicago, a affirmé que la plupart des pierres qui avaient fusionné avec la Terre étaient des météorites de type enstatite. Il a écrit que tout ce qui s'était formé dans la même région devait en être composé. La création des planètes est venue de ces matériaux précédemment mélangés que nous trouvons maintenant sur la lune et la terre; ils se ressemblent parce que c'est la même chose. "Le corps géant qui s'est écrasé et a donné naissance à la lune avait probablement une composition isotopique proche de la terre", a écrit Daufas.

David Stevenson, scientifique planétaire au California Institute of Technology, qui a étudié l'origine de la lune depuis l'introduction de l'hypothèse de Thea en 1974, dit qu'il considère que ce travail est la contribution la plus importante au débat de l'année écoulée, et soutient qu'il résout le problème avec que les géochimistes tentent de gérer depuis des décennies.


Nicholas Daufas détient un morceau de chondrite enstatite, un astéroïde qui peut être constitué d'un matériau similaire à celui qui a formé la Terre

«Son histoire est crédible. C'est une histoire délicate sur la façon de regarder les différents éléments trouvés sur Terre », a déclaré Stevenson. "Et puis vous pouvez continuer à l'histoire d'une séquence spécifique d'événements qui ont formé la Terre, dans lequel les chondrites enstatite jouent un grand rôle."

Mais jusqu'à présent, tout le monde n'y croit pas. Il y a des questions sur le nombre d'isotopes d'éléments tels que le tungstène, dit Stewart. Le tungstène-182 est la fille du hafnium-182, par conséquent, le rapport entre la quantité de tungstène et le hafnium fonctionne comme une horloge et détermine l'âge d'une pierre particulière. S'il y a plus de tungstène-182 dans une pierre que dans une autre, on peut dire avec certitude que la pierre à prédominance de tungstène s'est formée plus tôt. Mais les mesures les plus précises disponibles montrent que le rapport du tungstène au hafnium est le même pour la Terre et la Lune. «Ce serait une coïncidence très réussie si deux corps avaient les mêmes compositions», conclut Daufas.

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Comprendre la Lune - notre partenaire constant, la sœur d'argent, le but des rêveurs et des chercheurs de temps immémoriaux - est intéressant en soi. Mais l'histoire de son origine et l'histoire de pierres comme la troctolite 76536 peuvent devenir un chapitre dans un livre beaucoup plus vaste.

«Je vois cela comme une fenêtre sur une question plus générale: que s'est-il passé lorsque les planètes semblables à la Terre se sont formées? Dit Stevenson. "Personne ne lui a encore répondu."

En cherchant une réponse, une compréhension de la synestie peut aider; Locke et Stewart croient que les synesthes du premier système solaire pourraient se former très rapidement lorsque les protoplanètes entraient en collision et fondaient. De nombreux corps rocheux pourraient initialement être des halos de vapeur épais, donc comprendre l'évolution des synesties peut aider les scientifiques à comprendre comment la lune et d'autres mondes semblables à la terre ont évolué.

Bien sûr, la collecte de plus d'échantillons, en particulier dans les manteaux des deux corps, sera également utile, car les géochimistes auront alors plus de données à utiliser. Ils pourront dire si la teneur en oxygène stockée dans les profondeurs de la Terre est conservée avec la profondeur, ou si les trois isotopes d'oxygène communs prévalent les uns sur les autres dans différentes zones.

"Quand nous disons que la Terre et la Lune sont très similaires en termes de trois isotopes d'oxygène, nous supposons que nous savons réellement ce qu'est la Terre et ce qu'est la Lune", explique Stevenson.



De nouveaux détails dans la théorie de l'origine du système solaire, souvent basés sur des simulations informatiques complexes, aident à comprendre où les planètes sont nées et où elles se sont déplacées. Les scientifiques disent de plus en plus que Mars ne nous racontera pas cette histoire, car elle n'aurait pas pu se former dans la même partie du système solaire où la Terre, les Enstatites et Théa sont apparus. Stevenson dit que Mars n'a plus besoin d'être utilisé comme baromètre des planètes rocheuses.

Les experts de la Lune conviennent que les meilleures réponses peuvent être trouvées sur Vénus, une planète plus similaire à la Terre que les autres. Dans sa jeunesse, elle pourrait avoir la lune, qui a été perdue plus tard; il pourrait être très similaire à la Terre ou différent. «Si nous pouvions obtenir un caillou de Vénus, il serait très simple pour nous de répondre à la question de l'origine de la lune. Mais malheureusement, cela ne figure pas sur la liste des priorités », explique Locke.

Le manque d'échantillons de Vénus et de laboratoires capables de vérifier les pressions et températures inimaginables au centre des collisions laisse les experts de la lune à inventer de nouveaux modèles - et à réviser l'histoire originale de la lune.