Quelle est l’origine de la lune ?

Elle nous est familière, nous la voyons presque tous les jours, et pourtant la Lune conserve sa part de mystère ! J’avoue que je ne m’étais jamais franchement demandé d’où venait notre unique satellite naturel. Et vous allez voir que la réponse n’est pas si évidente !

Le sujet est d’ailleurs très actif pour les chercheurs du domaine, comme en témoignent trois récents articles publiés simultanément dans les prestigieuses revues Nature et Science [1,2,3].

Faisons donc un petit tour d’horizon des différentes hypothèses qui expliquent l’apparition de notre Lune.

La formation du Système Solaire

Avant d’en venir à la Lune proprement dite, voyons un peu ce que l’on sait de l’origine du système solaire. Si l’Univers semble avoir environ 13.7 milliards d’années, la formation du système solaire date d’il y a « seulement » 4.6 milliards d’années. Au départ, il s’agissait d’un gigantesque nuage de gaz qui s’effondre sur lui-même sous l’effet de l’attraction gravitationnelle. La quasi-totalité de la matière s’accumule au centre du nuage et quand la pression et la température y deviennent suffisantes, des réactions nucléaires s’allument : notre Soleil est né !

Dans le même temps, les quelques poussières de matière qui n’ont pas été capturées au centre se mettent à tourner autour du Soleil, puis à s’agréger les unes aux autres jusqu’à former les planètes : c’est le phénomène de l’accrétion.

Les planètes ainsi créées se divisent en deux types : les planètes externes sont gazeuses, c’est-à-dire constituées surtout d’hydrogène et d’hélium, alors que les planètes internes (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) sont dites telluriques : leur coeur est un noyau composé de métal, et leur enveloppe est un manteau de roches silicates (du caillou, quoi !).

Comme le montre le schéma ci-contre, pour la Terre le noyau métallique possède un rayon d’environ la moitié du rayon total.

Les premières hypothèses sur l’origine de la Lune

L’hypothèse la plus simple pour expliquer la présence de la Lune, c’est d’imaginer qu’elle se soit formée autour de la Terre par accrétion, comme les autres planètes du système solaire. Explication simple, mais qui ne fonctionne pas ! En effet si la Lune s’était formée par accrétion, elle devrait posséder un noyau métallique dans les mêmes proportions que celui de la Terre. Mais ça n’est manifestement pas le cas, car la Lune n’est pas assez lourde pour ça ! On pense que son noyau ne dépasse pas le quart de son rayon. D’ailleurs la densité moyenne de la Lune est d’environ 3.5 (contre 5.5 pour la Terre), ce qui explique entre autres que la gravité y soit si faible et qu’elle ne puisse pas retenir d’atmosphère.

Une autre hypothèse audacieuse a été proposée par Georges Darwin, astronome et fils du grand naturaliste Charles Darwin. En 1898, il suggère que la Lune se soit détachée de la Terre sous l’effet des forces centrifuges due à la rotation de cette dernière. Je ne peux m’empêcher de noter l’esprit très « théorie de l’évolution » de cette hypothèse, puisqu’elle revient à dire que la Terre et la Lune auraient un ancêtre commun ! Malheureusement, là non plus ça ne fonctionne pas. Pour que ce scénario soit valide, il aurait fallu que la Terre tourne initialement sur elle-même à une vitesse bien trop élevée !

Enfin dernière hypothèse, celle de la capture. Et si la Lune avait été formée ailleurs, et s’était retrouvée happée par la Terre en passant à côté d’elle ? Idée intéressante mais peu crédible : il aurait été bien trop compliqué pour la Terre d’arriver à freiner la Lune. Mais vous allez voir que l’hypothèse la plus probable est une sorte de mélange des deux précédentes.

La théorie de l’impacteur géant

La théorie qui a la faveur des scientifiques aujourd’hui, c’est celle qui affirme que la Lune serait issue d’un impact entre la Terre et une autre planète plus petite, baptisée Théia en référence à la mère de Sélène, déesse grecque de la Lune.

Le scénario serait le suivant. Peu après la formation du système solaire, la Terre est percutée par Théia, qui possède environ la taille de Mars. Juste après l’impact, le noyau métallique de Théia coule au centre de la Terre, et des débris composés principalement de roches silicates sont éjectés en orbite. Ces débris finissent par s’agréger et former la Lune.

Ce scénario est illustré sur l’animation ci-contre (source) et explique bien pourquoi la Lune possèderait un noyau métallique bien plus réduit que celui de la Terre. Des simulations numériques détaillées [3] permettent de préciser un peu les détails du choc : Théia aurait percuté la Terre a une vitesse de 4 kilomètres par seconde. De plus ce choc aurait eu lieu de manière oblique, provoquant ainsi la rotation de la Terre sur elle-même, et de la Lune autour d’elle.

L’analyse chimique des roches lunaires

Pour ajouter encore des détails à l’histoire de la formation de la Lune, on peut avoir recours à l’analyse de certains éléments chimiques contenus dans les roches lunaires. On peut par exemple dater la formation de la Lune grâce à une méthode que l’on peut comparer à celle du carbone 14, sauf qu’on utilise les éléments tungstène 182 et hafnium 182. On apprend ainsi que l’impact a dû avoir lieu très tôt, environ 50 millions d’années après la formation du système solaire.

Une autre mesure utile est celle des différents isotopes de l’oxygène : l’oxygène 16 (le plus courant), l’oxygène 17 et l’oxygène 18. L’abondance de ces différents isotopes dépend notamment de la température, et donne donc une idée de la distance à laquelle s’est formée Théia. Or des mesures effectuées sur des roches ramenées par les missions Apollo [5] montrent que de ce point de vue, la Lune et la Terre sont quasi-identiques. On peut donc imaginer que Théia s’est formée proche de la Terre, par exemple par accrétion sur l’orbite terrestre, exactement comme dans l’animation présentée plus haut.

Il y a quand même un problème soulevé par ces analyses chimiques. Il s’avère que la Lune est très similaire à la Terre, beaucoup trop similaire ! En effet le modèle classique de la collision a pour conséquence que la Lune doit être composée en majorité de morceaux de Théia. Donc la Lune devrait normalement présenter quelques différences de composition avec la Terre.

Cela a amené plusieurs chercheurs à imaginer des variantes du modèle de la collision, dans lesquelles la Lune serait formée en majorité de débris de la Terre [1,2]. L’image ci-contre tirée de l’article [2] montre ce que seraient alors les 25 heures premières heures après la collision. D’ailleurs une récente mesure [3] de l’abondance des isotopes du Zinc semble donner du crédit à certains de ces modèles alternatifs.

Comme vous le voyez, l’origine de la lune est encore un sujet de recherche actif !

Pour aller plus loin…

Comme je le mentionnais, un aspect important du système Terre-Lune, c’est son moment cinétique. La valeur de ce moment cinétique (qui est quasi conservé au cours du temps) fournit des contraintes qui permettent de discriminer entre les différents modèles et d’apprendre des choses sur la taille ou la vitesse de l’impacteur Théia.

Pour ceux que ça amuse, voici un petit exercice : en appliquant la conservation du moment cinétique, calculer la durée du jour terrestre au moment où la Lune s’est séparée de la Terre. Pour cela on va calculer la valeur actuelle du moment cinétique, que l’on va prendre pour simplifier par rapport au centre de la Terre.

La composante du moment cinétique due à la rotation de la Lune autour de la Terre est obtenu par la formule classique M.V.D où M est la masse de la Lune, V sa vitesse et D sa distance au centre de la Terre. La masse de la Lune est connue (7.3E22 kg), sa distance aussi (380 000 km). On connait sa période de rotation (environ 28 jours), on peut donc en déduire sa vitesse, qui est une valeur facile à retenir : 1 kilomètre par seconde ! On mélange tout ça, on déduit le moment cinétique de la Lune : 2.6E34 kg.m^2.s^-1.

Pour la Terre en rotation sur elle-même, on a une formule qui donne le moment d’inertie d’une boule I = (2/5)*M*R^2. Il suffit ensuite de multiplier ce moment d’inertie par la vitesse angulaire de rotation. On connait la masse et le rayon de la Terre, on trouve environ 7e33 pour le moment cinétique.

Donc le moment cinétique total du système Terre-Lune est environ 3.3e34, et seulement environ 1/5 de cette valeur est due à la rotation de la Terre sur elle-même. Puisque le moment cinétique se conserve, on en déduit donc qu’au moment de la séparation de la Lune, quand la Terre portait à elle-seule l’ensemble du moment cinétique, elle devait tourner 5 fois plus vite sur elle-même : les jours ne faisaient à l’époque que 5 heures !

Billets reliés :

Sur la forme de la Lune : Comment bien dessiner la Lune ?

Sur un lieu possible d’accrétion pour la Lune, les points de Lagrange : L’astéroïde troyen de la Terre

Références :

[1] Matija Ćuk and Sarah T. Stewart, Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning, Science 1225542 Published online 17 October 2012

[2] Robin M. Canup, Forming a Moon with an Earth-Like Composition via a Giant Impact, Science 1226073 Published online 17 October 2012

[3] Randal C. Paniello et al., Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon, Nature 490, 376–379 (2012)

[4] Robin M. Canup & Erik Asphaug, Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation, Nature 412, 708-712 (2001)

[5] U. Wiechert et al., Oxygen Isotopes and the Moon-Forming Giant Impact, Science 294, 345 (2001)

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18 commentaires pour Quelle est l’origine de la lune ?

  1. funambuline dit :

    Connait-on les formations d’autres satellites d’autres planètes ?

    • Je ne sais pas si ça a été trop étudié. C’est probablement moins attractif pour un chercheur, et aussi plus difficile du fait que l’on a pas accès à ces mesures chimiques sur l’abondance des isotopes.

  2. bluerhap dit :

    J’ai lu il y a longtemps des romans de science-fiction (et en particulier la célèbre série des « Fondation » d’Isaac Asimov) dans lesquels la « rareté » du tandem Terre/Lune était proposée comme justifiant que la vie intelligente ne soit apparue que sur Terre (c’est plus pratique, pour rédiger certaines intrigues ;-) !).
    Cette hypothèse est-elle valable ?
    Avons-nous aujourd’hui des données qui permettent de supposer que l’apparition et l’évolution de la vie pourraient dépendre des facteurs astronomiques (au delà des classique t°/pression) ?
    Et à la suite de Funambuline, je demande si les autres planètes ont pu connaître de tels phénomènes, ou bien sa probabilité pourrait-elle être extrêmement basse ?

    • Une chose que je sais (et qui est dans ma pile de sujets à traiter un jour), c’est que la Lune a un effet stabilisant sur l’orbite terrestre, alors que sans elle, la rotation de la Terre serait plus chaotique, et donc peut-être moins compatible avec l’apparition de la vie.

    • Albucius dit :

      En tout cas pour Mars, qui n’a que deux très petits satellites, les variations d’obliquité (angle de l’axe de rotation avec à l’écliptique) de la planète sont beaucoup plus importantes et chaotiques que sur Terre, ce qui entraîne des grandes variations climatiques à très longue période (http://www2.cnrs.fr/presse/communique/575.htm).

  3. Ethaniel dit :

    « Des simulations numériques détaillées [3] permettent de préciser un peu les détails du choc : Théia aurait percuté la Terre a une vitesse de 4 kilomètres par seconde. De plus ce choc aurait eu lieu de manière oblique, provoquant ainsi la rotation de la Terre sur elle-même, et de la Lune autour d’elle. »
    Cela signifierait-il que, avant l’impact de Théia, la Terre avait une rotation synchrone ?
    Vu la faiblesse de l’effet de marée du Soleil sur la Terre, j’ai du mal à croire qu’une synchronicité ait été obtenue en moins de 50 Ma, surtout si l’on compare à Mars, toujours pas synchrone après 4.6 Ga…

    • Non, désolé j’ai été imprécis ! Ce que ces simulations montrent, c’est la manière dont le moment cinétique du système Terre/Lune est du en grande partie à l’impact de Théia. Mais ça n’exclut bien évidemment pas une rotation de la Terre sur elle-même avant l’impact. D’ailleurs je crois que parmi les modèles proposés récemment, il y en a qui reposent sur une Terre tournant assez rapidement sur elle-même avant l’impact.

  4. B. Boulet dit :

    Je n’ai absolument pas les connaissances suffisantes pour remettre en cause l’un ou l’autre modèle ni même pour les discuter. Je suis cependant interpelé depuis longtemps par le fait que la lune présente toujours la même face à la terre et je me dis que la façon la plus simple d’expliquer cette synchronisation serait une origine terrestre au moins partiellement.

  5. […] Elle nous est familière, nous la voyons presque tous les jours, et pourtant la Lune conserve sa part de mystère ! J’avoue que je ne m’étais jamais franchement demandé d’où venait notre unique satellite naturel.  […]

  6. Ethaniel dit :

    @ B. Boulet > Ça n’a rien à voir avec une quelconque origine terrestre de la matière lunaire.
    Quelle serait d’ailleurs cette « simple explication » dont vous parlez ?
    L’explication physique, ce sont les forces de marée entre la Terre et la Lune qui ont ralenti la rotation lunaire jusqu’à ce qu’elle soit dans son état de plus basse énergie.
    Voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Rotation_synchrone

    • B. Boulet dit :

      Merci Ethaniel.
      Je n’avais absolument aucune explication (ma phrase est au condiotionnel), c’était juste une idée comme ça. Merci pour le lien vers l’explication … que j’ai lue.

  7. roy dit :

    Bonjour.

    J’ai vu dernièrement un documentaire donnant aussi cette hypothèse de collision pour expliquer la création de la lune.

    Concernant la structure de la terre, france 5 a diffusé, il y a quelques semaines, un documentaire sur le bouclier magnétique terrestre et sa probable diminution (hypothèse liée à l’anomalie magnétique atlantique sud (http://fr.wikipedia.org/wiki/Anomalie_magn%C3%A9tique_de_l%27Atlantique_sud)).
    Le noyau y était décri comme étant en deux partie :
    – une partie solide (le noyau « dur ») : du fer ou du nickel solide
    – une partie liquide (hypothèse) : du fer ou du nickel en fusion.

    Une autre hypothèse émise : la partie liquide tournerait autour du noyau solide et cela pourrait créer le bouclier magnétique de la terre.

    Mais ce serait le sujet d’un autre billet :).

    (pour information, je crois qu’il s’agissait de ce documentaire (une rediffusion donc): http://www.france5.fr/et-vous/France-5-et-vous/Les-programmes/LE-MAG-N-28-2011/articles/p-13225-La-Terre-perd-le-Nord.htm)

  8. […] site Science Etonnante, propose de faire un petit tour d’horizon des différentes hypothèses qui expliquent […]

  9. Gastasia dit :

    C’est bizzard, plus je grandis plus je decouvre une verite très touchante !
    Quand j’etais petit j’auraus juré que la lune est faite en fromage ! (On nous rentres beaucoup de choses dans notre tête et 100% sont des pures menssonges plus puérils que jamais !

  10. libre cours dit :

    La lune s’est formée 34 millions d’années après la terre après percussion de la terre par une autre planète tellurique venue d’un autre système,créant ainsi un « bâton du diable »faisant tourner la terre sur elle même(le centre de gravité ne coïncide pas avec le centre géométrique) et la lune autour, sous l’influence de la gravité de la terre;mais pourquoi la lune ne tourne pas sur elle même? sans doute pour ….

  11. merde dit :

    A quelle vitesse la terre aurait du tourner pour que hypothèses de Georges Darwin puisse être vrai?
    merci d’avance.

  12. ozanne dit :

    Que pensez-vous de la thèse d’Hubert Reeves?

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