Le 13 décembre 1972, l'astronaute d'Apollo 17 Garisson Schmitt s'est approché d'un rocher dans la mer de tranquillité sur la Lune. «Ce rocher a son propre petit chemin menant directement à la colline», a-t-il informé son commandant, Eugene Cernan, en notant où se trouvait le rocher avant de descendre la colline. Cernan a prélevé des échantillons.
"Imaginez ce que cela aurait été si vous étiez resté là avant que ce rocher ne roule," dit pensivement Cernan. "Je ne ferais probablement pas mieux," répondit Schmitt.
Les astronautes ont sculpté des morceaux de lune dans le rocher. Puis, à l'aide d'un râteau, Schmitt a gratté la surface poussiéreuse et a soulevé un caillou qui serait plus tard appelé troctolite 76536.
Ce rocher et ses frères boulder étaient censés raconter l'histoire de la naissance de notre lune. Dans cette histoire de création, enregistrée dans d'innombrables manuels et pièces de musée des sciences au cours des quarante dernières années, la Lune a été fondue à la suite d'une collision catastrophique entre une terre germinale et un monde solide de la taille de Mars. L'autre monde s'appelait Teia, du nom de la déesse grecque qui a donné naissance à Selene, la lune. Theia s'est écrasée si fort sur la Terre que les deux mondes ont fondu. Les courants de matière fondue jetés par Theia se sont ensuite refroidis et solidifiés, formant le compagnon argenté que nous connaissons tous bien.
Mais les mesures modernes de la troctolite 76536 et d'autres roches de la Lune et de Mars ont remis en question cette théorie. Au cours des cinq dernières années, plusieurs études ont mis au jour un problème: l'hypothèse canonique des collisions géantes est basée sur des hypothèses qui ne correspondent pas aux preuves. Si Theia a frappé la Terre et formé plus tard la Lune, la Lune doit être faite du matériau de Theia. Mais la Lune n'est pas comme Theia - ou Mars, d'ailleurs. Pour les atomes mêmes, il ressemble presque à la Terre.
Face à cette incohérence, les explorateurs lunaires ont cherché de nouvelles idées pour comprendre comment la lune est née. La solution la plus évidente est peut-être la plus simple, mais elle soulève d'autres problèmes de compréhension du jeune système solaire: peut-être Theia a formé la Lune, mais Theia était aussi constituée d'une substance presque identique à la Terre. Alternativement, le processus de collision mélangeait tout, homogénéisant les morceaux individuels et les liquides dans le gâteau, qui était ensuite coupé en portions. Dans ce cas, la collision devait être extrêmement puissante, ou il devait y en avoir plusieurs. La troisième explication remet en question notre compréhension des planètes. Il se peut que la Terre et la Lune que nous avons aujourd'hui aient subi d'étranges métamorphoses et des danses orbitales sauvages qui ont radicalement changé leur rotation et leur avenir.
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Mauvaise nouvelle pour Teia
Pour comprendre ce qui aurait pu se passer le jour le plus important pour la Terre, vous devez commencer par comprendre la jeunesse du système solaire. Il y a quatre milliards et demi d'années, le Soleil était entouré d'un nuage chaud de débris en forme de beignet. Les éléments stellaires tournaient autour de notre soleil nouveau-né, se refroidissant et - au fil des ans - fusionnant ensemble dans un processus que nous ne comprenons pas entièrement. D'abord en amas, puis en planétésimaux, puis en planètes. Ces solides étaient rigides et souvent entrés en collision, évaporés et réapparaissaient. C'est dans ce billard stellaire incroyablement dur que la Terre et la Lune ont été forgées.
Pour obtenir la Lune que nous avons aujourd'hui, avec sa taille, sa rotation et la vitesse à laquelle elle s'éloigne de la Terre, nos meilleurs modèles informatiques disent que quoi que la Terre entre en collision, elle doit être de la taille de Mars. Quelque chose de plus ou de moins produirait déjà un système avec un moment angulaire beaucoup plus élevé que ce que nous observons. Un projectile plus gros jetterait également trop de fer sur l'orbite terrestre et produirait une lune beaucoup plus riche en fer que ce que nous observons.
Les premières études géochimiques de la troctolite 76536 et d'autres roches ont soutenu cette histoire. Ils ont montré que les roches lunaires devaient être nées dans un océan lunaire de magma, qui pourrait, à son tour, apparaître à partir d'une collision géante. La Troctolite a flotté dans la mer en fusion comme un iceberg en Antarctique. Sur la base de ces limitations physiques, les scientifiques ont décidé que la Lune était fabriquée à partir des restes de Theia. Mais il y a un problème.
Revenons au jeune système solaire. Au fur et à mesure que les mondes solides entraient en collision et s'évaporaient, leur contenu se mélangeait pour finalement s'installer dans des régions séparées. Plus près du Soleil, là où il faisait plus chaud, les éléments plus légers étaient plus susceptibles de s'échauffer et de s'échapper, laissant un excès d'isotopes lourds (variations d'éléments avec des neutrons supplémentaires). Plus loin du Soleil, les roches ont pu retenir plus d'eau et des isotopes plus légers sont restés. Par conséquent, un scientifique peut examiner un mélange d'isotopes pour déterminer dans quelle partie du système solaire il est apparu, tout comme un accent trahit la patrie d'une personne.
Ces différences sont si prononcées qu'elles sont utilisées pour classer les planètes et les types de météorites. Mars est si différent de la Terre, par exemple, que ses météorites peuvent être identifiées en mesurant simplement le rapport de trois isotopes d'oxygène différents.
En 2001, à l'aide de techniques avancées de spectrométrie de masse, des scientifiques suisses ont réexaminé le troctolite 76536 et d'autres échantillons lunaires. Il s'est avéré que leurs isotopes d'oxygène sont indiscernables de ceux sur Terre. Les géochimistes ont depuis étudié le titane, le tungstène, le chrome, le rubidium, le potassium et d'autres métaux pas si ordinaires sur Terre - et ils se ressemblaient tous à peu près.
C'est une mauvaise nouvelle pour Teia. Si Mars est si différent de la Terre, Théia - et donc la Lune - doit l'être aussi. S'ils sont identiques, cela signifie que la lune aurait dû se former à partir de morceaux fondus de la Terre. Il s'avère que les roches collectées par Apollo contrediront directement ce que la physique insiste.
«Le modèle canonique est en grave crise», déclare Sarah Stewart, spécialiste des planètes à l'Université de Californie à Davis. "Elle n'a pas encore été complètement tuée, mais son statut actuel est qu'elle ne travaille pas."
Lune de vapeur
Stewart a tenté de repenser les limites physiques de ce problème - la nécessité d'un corps d'impact de taille spécifique qui se déplace à une vitesse spécifique - dans le contexte de nouvelles preuves géochimiques. En 2012, elle et Matiya Zhuk, maintenant à l'Institut SETI, ont proposé un nouveau modèle physique pour la formation de la lune. Ils ont déclaré que la jeune Terre était un derviche tournoyant, dont la journée a duré deux à trois heures, lorsqu'elle a été frappée par Theia. La collision a produit un disque autour de la Terre - comme l'anneau de Saturne - mais cela n'a duré que 24 heures. Finalement, le disque s'est refroidi et s'est solidifié pour former la lune.
Les supercalculateurs ne sont pas assez puissants pour simuler pleinement ce processus, mais ils ont montré qu'un projectile s'écrasant dans un monde en rotation aussi rapide peut couper suffisamment de Terre, détruire complètement Theia et gratter suffisamment de peau pour créer une Lune et une Terre avec les mêmes rapports isotopiques. Comme un potier sur un tour de potier.
Pour que l'explication de la Terre en rotation rapide soit correcte, cependant, il doit y avoir autre chose qui ralentit la vitesse de rotation de la planète jusqu'à son état actuel. Dans leur article de 2012, Stewart et Chuck ont fait valoir que pour certaines interactions orbitales-résonnantes, la Terre aurait dû transférer le moment cinétique au soleil. Plus tard, Jack Wisdom du Massachusetts Institute of Technology a proposé plusieurs scénarios alternatifs pour extraire le moment cinétique du système Terre-Lune.
Cependant, aucune des explications n'était satisfaisante. Les modèles 2012 n'ont jamais été en mesure d'expliquer l'orbite de la Lune ou sa chimie, dit Stewart. Ainsi, l'année dernière, Simon Locke, diplômé de Harvard et étudiant de Stuart à l'époque, a présenté un modèle mis à jour suggérant une structure planétaire jusqu'alors inconnue.
À son avis, chaque morceau de Terre et Teia s'est évaporé et a formé un nuage gonflé et gonflé sous la forme d'un beignet épais. Le nuage a tourné si vite qu'il a atteint un point appelé la limite de co-rotation. À ce bord extérieur du nuage, la roche évaporée a tourné si rapidement que le nuage a pris une nouvelle structure, avec un disque épais entourant la région intérieure. Surtout, le disque n'a pas été séparé de la région centrale de la même manière que les anneaux de Saturne.
Les conditions dans cette structure sont indescriptiblement infernales; il n'y a pas de surface, à la place des nuages de roche fondue, chaque zone du nuage formant des gouttes de pluie de roche fondue. Les lunes ont grandi à l'intérieur de cette vapeur, dit Locke, avant que la vapeur ne se refroidisse finalement et ne laisse le système Terre-Lune.
Compte tenu des caractéristiques inhabituelles de la structure, Locke et Stewart ont estimé qu'elle méritait un nouveau nom. Ils ont essayé plusieurs versions avant d'arriver à «synesty», qui utilise le préfixe grec «sin» signifiant «ensemble», et la déesse Hestia, qui représente la maison, le foyer et l'architecture. Ce mot signifie «structure liée», dit Stewart.
«Ces corps ne sont pas ce que vous pensez. Et ils ne ressemblent pas à ce que vous pensiez qu'ils auraient."
En mai, Locke et Stewart ont publié un article sur la physique de la synesthésie; leurs travaux sur la synesthésie lunaire sont toujours en cours. Ils l'ont présenté lors d'une conférence planétaire et ont déclaré que leurs collègues étaient intéressés, mais n'étaient guère d'accord avec l'idée. Peut-être parce que la synestie n'est qu'une idée; contrairement aux planètes annelées, qui sont nombreuses dans le système solaire, et aux disques protoplanétaires, qui sont nombreux dans l'univers, personne n'en a jamais vu un seul.
Mais c'est une façon amusante d'expliquer les particularités de notre Lune lorsque nos modèles ne semblent pas fonctionner.
Dix lunes
Parmi les satellites naturels du système solaire, la lune terrestre est peut-être la plus étonnante en raison de sa solitude. Mercure et Vénus n'ont pas de satellites naturels, en partie à cause de leur proximité avec le soleil, dont l'effet gravitationnel rend les orbites des satellites instables. Mars a de minuscules Phobos et Deimos, qui, selon certains, sont capturés par des astéroïdes; d'autres parlent en faveur de la chute de gros corps sur Mars. Les géantes gazeuses ont de nombreux satellites, à la fois durs et mous.
Contrairement à ces satellites, le satellite terrestre se distingue également par sa taille et le stress physique qu'il porte. La lune représente moins de 1% de la Terre en masse et la masse totale des satellites des planètes extérieures est inférieure à 1/10% de leurs parents. Plus important encore, la Lune représente 80% du moment cinétique du système terrestre -
Lune. En d'autres termes, la Lune est responsable de 80% du mouvement du système dans son ensemble. Pour les planètes extérieures, cette valeur est inférieure à 1%.
Peut-être que Luna n'a pas toujours porté tout ce fardeau. Le visage du satellite montre des preuves de bombardements massifs; pourquoi, alors, devrions-nous supposer qu'un seul coup a moulé la lune hors de la terre? La lune peut s'être formée au cours de nombreuses collisions, selon Raluka Rufu, spécialiste des planètes à l'Institut de recherche Weizman en Israël.
Dans un article publié l'hiver dernier, elle a fait valoir que le satellite de la Terre pourrait ne pas être original. Au lieu de cela, il est devenu une collection de milliers de pièces - au moins dix, d'après ses calculs. Les projectiles ont volé à différents angles et à différentes vitesses vers la Terre et ont formé des disques qui ont fusionné en «débris lunaires», aveuglant finalement la lune que nous connaissons aujourd'hui.
Les scientifiques planétaires ont noté son travail. Robin Canup, un scientifique lunaire au Southwest Research Institute et un expert des théories de la formation lunaire, dit que la théorie mérite d'être examinée. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires. Rufu n'est pas sûr que les débris se déplaçaient dans la même direction, tout comme la lune regarde constamment dans la même direction. Si oui, comment ont-ils pu fusionner? Cela reste à voir.
Pendant ce temps, d'autres se sont tournés vers une autre explication des similitudes entre la Terre et la Lune, qui pourrait avoir une réponse très simple. Des synesties aux ceintures lunaires, les nouveaux modèles de physique - et la nouvelle physique - peuvent être controversés. Peut-être que la Lune est similaire à la Terre uniquement parce que Theia était similaire.
Même
La lune n'est pas la seule chose «terrestre» dans le système solaire. Les roches comme la troctolite 76536 ont le même rapport isotopique de l'oxygène que les roches terrestres, ainsi que des groupes d'astéroïdes - chondrites enstatite. Les isotopes de l'oxygène de ces astéroïdes sont similaires à ceux de la Terre, explique Miriam Telus, une cosmochimiste qui étudie les météorites à la Carnegie Institution à Washington. «L'un des arguments est qu'ils se sont formés dans des zones chaudes du disque qui pourraient être plus proches du soleil», dit-elle. Ils peuvent s'être formés près de la Terre.
Certaines de ces roches se sont réunies pour former la Terre; d'autres formèrent Theia. Les chondrites à enstatite sont des roches résiduelles qui n'ont jamais été collectées ou qui n'ont jamais été suffisamment grandes pour former des manteaux, des noyaux et des planètes complètement formées.
En janvier, Nicholas Daufas, géophysicien à l'Université de Chicago, a déclaré que la plupart des roches qui sont devenues la Terre étaient des météorites de type enstatite. Il a soutenu que tout ce qui s'est formé dans une région serait collecté auprès d'eux. La construction planétaire a eu lieu en utilisant les mêmes matériaux mixtes que nous trouvons maintenant sur Terre et sur la Lune; ils se ressemblent parce qu'ils sont identiques. Le corps géant qui a formé la Lune avait probablement une composition isotopique similaire à celle de la Terre.
David Stevenson, un scientifique planétaire du California Institute of Technology qui a étudié les origines de la lune depuis que l'hypothèse de Theia a été présentée pour la première fois en 1974, dit qu'il considère ce travail comme la contribution la plus importante à la controverse de l'année écoulée. Parce qu'il se concentre sur un problème que les géochimistes tentent de résoudre depuis des décennies.
«C'est une histoire intelligente sur la façon dont les différents éléments qui arrivent sur Terre devraient être considérés», dit Stevenson.
Mais tout le monde n'est pas d'accord. Des questions subsistent sur les rapports isotopiques d'éléments comme le tungstène, note Stewart. Le tungstène-182 est dérivé du hafnium-182, de sorte que le rapport du tungstène au hafnium fonctionne comme une horloge pour déterminer l'âge d'une roche particulière. Si une roche a plus de tungstène-182 qu'une autre, vous pouvez affirmer avec certitude que la roche riche en tungstène s'est formée plus tôt. Mais les mesures les plus précises montrent que les rapports tungstène / hafnium sont les mêmes pour la Terre et la Lune. Deux corps devaient être dans des conditions spéciales pour que cela se produise.
Basé sur des matériaux de Quanta
Ilya Khel