Les scientifiques ont longtemps cru que la lune de la Terre est née lors d’une colossale collision planétaire communément surnommée le “Big Splat". Une étude publiée récemment  confirme cette hypothèse violente et deux autres études publiées en fin de semaine dernière (liens plus bas) rendent l’histoire des origines de la Lune bien plus étranges et plus mystérieuse qu’on ne le croyait auparavant.

L’histoire du Big Splat.

Il y a 4,6 milliards d’années, un corps de la taille de Mars a percuté notre planète, éjectant de grandes quantités de débris en orbite terrestre. Au fil du temps, les débris qui ont formé un disque se sont réunis pour former la Lune que nous connaissons aujourd’hui.

L’hypothèse du Big Splat a été largement acceptée depuis des décennies, en partie grâce à des éléments de preuves élémentaires. Les roches lunaires ont tendance à manquer d’éléments comme le sodium, le potassium, le zinc et le plomb. Ces soi-disant "éléments volatils" s’évaporent et se dissipent plus rapidement de la roche vaporisée (celle qui provient d’une collision cataclysmique planétaire, par exemple) que les autres éléments de la table périodique, de sorte que leur absence à partir d’échantillons lunaires aurait un sens dans le calendrier du Big Splat.

Mais il y a un problème. Les scientifiques qui étudient les roches lunaires s’attendaient à trouver des preuves d’un concept appelé “fractionnement isotopique." Les Isotopes légers entrent dans la phase vapeur plus rapidement que leurs homologues plus lourdes, donc un Big Splat aurait dû quitter la Lune avec une proportion plus élevée d’isotopes lourds élémentaires. Mais quand les chercheurs ont sondé les échantillons lunaires pour des signes de fractionnement isotopique, ils sont revenus les mains vides.

Finalement, aujourd’hui, les scientifiques planétaires présentent le tout premier exemple de cette preuve tant attendue, celle qui démontre que les nombreuses roches lunaires recueillies au cours des missions Apollo,  sont toutes plus riches en isotopes lourds de zinc que les plus légères. Pour les chercheurs, la découverte de fractionnement isotopique représente la première preuve majeure pour un évènement de vaporisation globale depuis la détection de l’épuisement volatile dans les roches lunaires dans les années 1970. Pour dissiper toutes ces substances volatiles d’une planète, ou dans ce cas d’un corps planétaire, il faut un type d’évènement majeur entrainant une fusion qui a fourni la chaleur nécessaire pour évaporer le zinc et ceci suggère fortement une origine catastrophique pour la Terre et la Lune.

Mais, comme c’est souvent le cas dans la science, l’histoire est, en fait,  beaucoup plus riche. Bien sûr, la lune de la Terre est probablement née d’une collision entre deux objets, mais une paire d’études publiées cette semaine (lien plus bas) prennent deux positions très différentes sur les tailles relatives de ces objets. La première étude, menée par le planétologue Robin Canup, maintient que le corps qui est entré en collision avec la Terre n’était pas de la taille de Mars, comme le supposait l’ancien modèle du Big Splat, mais quelque chose de beaucoup plus important.

Canup a modélisé une collision entre un objet de la taille de Mars qui fait seulement environ 10 % de la masse de la Terre et la Terre dans ses premiers jours. Ces corps célestes s’impactent d’abord à faible vitesse, pour ré-entrer en collision un peu plus tard. Dans les 27 heures suivant le premier contact, les deux astres ont fusionnés en un seul, une entité de masse terrestre, entourée par des morceaux de roches proto-lunaire vaporisées.
Dans un impact symétrique comme celui-ci, le disque qui se forme autour de la Terre a environ la moitié de sa masse provenant de l’impacteur et la moitié de sa masse provenant de la cible, selon Canup. C’est la même chose pour la planète nouvellement formée. Même si l’impacteur et la cible avaient à l’origine des compositions très différentes, ce qui semble probable pour Canup, ils se mélangent uniformément, ainsi la planète finale et le disque ont la même composition. Dans les simulations de Canup, dont les captures d’écran sont présentées ci-dessous, la composition du disque et des couches externes de la planète diffèrent de moins de 1 %.

La deuxième étude, menée par les scientifiques Cuk Matija et Sarah T. Stewart du Harvard Planetary , présente un genre très différent d’impact. D’une part, Cuk et Stewart envisagent un impacteur beaucoup plus léger, moins massif que l’objet de la taille de Mars proposé dans le modèle conventionnel du Big Splat. Mais ils l’ont aussi modélisé pour le faire rentré en collision avec la Terre à très haute vitesse : les deux modèles comportent des impacteurs qui sont radicalement différents de l’objet la taille de Mars communément associés avec le Big Splat. Chacun a généré une paire de disque planétaire avec une composition géochimique presque identique. Les deux modèles présentent de nouvelles hypothèses convaincantes pour la création de notre système actuel Lune-Terre. Et pourtant, à la fois le modèle du grand et lent impacteur et celui de l’impacteur petit et rapide auraient été impossible à imaginer il y a encore deux ans. Pourquoi? Parce que ces deux modèles intègrent ce qui était autrefois considéré comme impossible, une Terre à la rotation incroyablement rapide. 

Rendre ces collisions impossibles, possibles.

Ce qui rend les modèles d’impact de Canup, Cuk et Stewart si différents des dernières simulations, est qu’ils comportent chacun une Terre qui tourne 2 à 2,5 fois plus rapidement que ce qui était auparavant considéré comme possible.

Pour les 4,5 derniers milliards d’années, la distance entre la Terre et la Lune n’a cessé d’augmenter. Dans le même temps, la vitesse à laquelle la Terre tourne sur son axe n’a cessé de ralentir. Nos journées étaient alors de 5 heures, pour progressivement augmenter à 24 heures aujourd’hui. Toutefois, le moment cinétique du système Terre-Lune aurait été plus ou moins constant juste après le Big Splat.

Mais il y a quelques mois, Cuk et  Stewart ont présenté des preuves convaincantes qu’un phénomène connu sous le nom de “résonance d’évection" aurait pu réduire le mouvement angulaire du système Terre-Lune par 2 à 2,5 fois, peu de temps après l’impact qui a formé la Lune, par le biais d’une interaction gravitationnelle complexe entre la Terre, le Soleil et la Lune nouvellement formée.

C’est après que Cuk et Stewart aient présenté cette preuve, que Canup aurait commencé à observer les différents types d’impact qui auraient quitté la Terre avec ce taux plus rapide de rotation, quelque chose qui aurait quitté la Terre la laissant avec un jour plus court de 2,5 heures.  Alors les premiers jours de la Terre aurait pu être de seulement 2,5 heures.
Dans le même temps, Cuk et Stewart étaient occupés à simuler leur propre type d’évènement de collision, avec trois différences principales :

1. Ils ont simulé des collisions à grande vitesse, à la différence des vitesses plus basse de Canup.
2. Ils envisageaient des impacteurs plus petits.
3. Ils voulaient voir ce qui se passait lorsqu’un impacteur rentrait en collision avec une Terre qui tournait déjà autour de son axe tous les 2 à 2,5 jours.

Il en résulte deux modèles très différents et pas seulement face à l’hypothèse de départ du Big Splat, mais aussi les uns des autres. Et dans les deux cas, “l’ingrédient clé”, comme Cuk l’appelle, est le concept de résonance d’évection, que par le biais de cette lune nouvellement formée, le Soleil pourrait priver le système Terre-Lune de son moment cinétique, ce qui ralentit la rotation de la Terre dans le processus.

Un exemple de collision :

Les différentes études présentées dans le dernier numéro de Nature : Moon-forming impact theory rescued : l’étude de Robin M. Canup : Forming a Moon with an Earth-Like Composition via a Giant Impact, l’étude de Matija Ćuk et Sarah T. Stewart :  Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning et Randal C. Paniello, James M. D. Day et  Frédéric Moynier : Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon.

Et pour découvrir en vidéo l’histoire de la Lune après sa formation : La brulante histoire de la Lune, selon la NASA.