Interview du planétologue William Hartmann : « La thèse du grand bombardement tardif s’effondre »

L’astronome William Hartmann, photographié au Clark Planetarium à Salt Lake City. DR
La majorité des astronomes abandonne aujourd’hui l’idée d’un bombardement cataclysmique de météorites survenu il y a 3,9 milliards d’années. Comment a-t-on cru à ce « grand bombardement tardif » ? Le planétologue William Hartmann, l’un de ses tout premiers détracteurs, nous le raconte.

Scientifique senior émérite à l’Institut de sciences planétaires de Tucson en Arizona, William Hartmann est un pionnier de la planétologie. Quand il arrive comme étudiant à l’université d’Arizona en 1961, cette discipline n’existe pas encore. Avec son professeur Gerard Kuiper, ils fondent le premier laboratoire qui y sera consacré. Tandis que le programme Apollo se prépare à rallier la Lune, le jeune chercheur développe la méthode du comptage des cratères pour dater la surface lunaire. Puis il s’illustre en 1975 en publiant le premier modèle expliquant la formation de notre satellite naturel par un impact géant, scénario en vigueur aujourd’hui. Investi dans plusieurs sondes martiennes, ainsi que dans l’étude des astéroïdes, le planétologue américain n’a jamais cru à l’un des épisodes de l’histoire du Système solaire : celui du « grand bombardement tardif ». Mais il a fallu plus de quarante ans pour que cette thèse soit aujourd’hui rejetée par la communauté scientifique. Pourtant, comme William Hartmann aime le rappeler avec un soupçon de malice, il a publié un article chaque décennie pour expliquer que quelque chose clochait. À 81 ans, le chercheur, aussi peintre et écrivain, répond à nos questions sur l’abandon du grand bombardement tardif.

Avant toute chose, pouvez-vous rappeler ce qu’est le scénario du grand bombardement tardif ?

William Hartmann : La Terre s’est formée il y a 4,5 milliards d’années (4,5 Ga). Selon le scénario du grand bombardement tardif, notre planète aurait subi une faible quantité d’impacts de météorites pendant les 500 millions d’années qui ont suivi. Puis, après cette période de calme, la quantité d’astéroïdes et de comètes croisant notre route aurait subitement augmenté, résultant en un bombardement intense pendant à peine 170 millions d’années. Puis cette activité aurait de nouveau chuté. Représentez la courbe du nombre d’impacts au cours du temps, et vous obtenez un pic. Un épisode bref et intense qu’a également connu notre voisine, la Lune. Les grands bassins d’impact visibles à sa surface sont souvent associés à ce grand bombardement tardif.

Quand est apparue cette terminologie ?

En 1973 ou 1974, à l’issue des premières analyses de roches lunaires rapportées par les missions Apollo. Mais pour être précis, les publications scientifiques ont d’abord employé le terme de « cataclysme terminal ». Puis les auteurs ont vite préféré « grand bombardement tardif », comme George Wetherill de l’université de Californie, vraisemblablement le premier à l’utiliser en 1975.

Signalons que certains chercheurs emploient ce terme pour désigner non pas l’étroit pic de météorites survenu il y a 4 Ga, mais le scénario d’un pic adouci. Une sorte de vague de météorites davantage étalée dans le temps. Ils ne devraient pas ; cela ajoute à la confusion.

C’est donc dans les échantillons rapportés par les astronautes d’Apollo que l’on a vu, ou cru voir, les preuves d’un grand bombardement tardif ?

Oui. Quand on a inspecté les roches lunaires issues des six sites d’alunissage du programme Apollo, mais aussi celles des trois missions soviétiques Luna, on a été surpris de constater que très peu d’entre elles étaient âgées de plus de 4 Ga. Je précise qu’il s’agit là de roches que nous appelons impact melts, qui ont été fondues par les extraordinaires conditions de température et de pression engendrées par l’impact. Immédiatement, on a interprété cette absence de roches antérieures à 4 Ga comme une absence d’impacts. La thèse du grand bombardement tardif s’est ainsi peu à peu installée dans la communauté des planétologues. Jusqu’à un point de bascule en 1990 avec une étude publiée par Graham Ryder, du Lunar and Planetary Institute de Houston. Une métanalyse d’un très grand nombre de roches datées, montrant une bonne fois pour toutes, l’existence d’un pic d’impacts autour de 3,9 Ga. À partir des années 2000, des modèles convaincants ont été élaborés pour expliquer la migration d’une grande population d’astéroïdes et de comètes vers la Terre et la Lune à cette époque du Système solaire. Cela a renforcé l’adhésion à ce scénario.

Les astronautes Ed Mitchell, Stuart Roosa et Alan Shepard (premier plan de gauche à droite) présentent les roches lunaires récoltées au cours de leur mission Apollo 14, à Houston, en février 1971. © Nasa
Les astronautes d’Apollo 14 Ed Mitchell, Stuart Roosa et Alan Shepard (au premier plan) présentent les roches lunaires qu’ils ont récoltées à Houston en février 1971. © Nasa

Dès les années 1970, certaines voix, dont la vôtre, se sont pourtant élevées contre ces conclusions.

C’est vrai, j’ai toujours été sceptique. Mais j’ai le sentiment de ne pas avoir été très doué pour convaincre les gens [rires]. Je me souviens d’une conférence de la Meteoritical Society à Perth en 1990, où une session a débouché sur un débat entre Graham Ryder et moi. Je suis sorti en me disant : « Bill, tu as clairement perdu. » Graham avait su bien mieux convaincre notre auditoire. Pourtant dès le début des années 1970, j’avais publié de nombreuses études indiquant que le grand bombardement tardif pouvait être une mauvaise interprétation. L’absence de traces d’impacts antérieures à 4 Ga pouvait s’expliquer non par l’absence d’impacts, mais au contraire par une période de cratérisation si intense que cela a pulvérisé la surface lunaire. De sorte que peu de roches anciennes ont survécu. Autrement dit, une forme d’érosion sur la Lune.

Aujourd’hui, quelle est votre histoire de la Lune ?

La Lune se forme très vite après la Terre. À ce moment-là, cette dernière est d’ailleurs probablement toujours en train de grossir en agglomérant débris et planétésimaux [embryons de planète, NDLR] impact après impact. C’est l’une de ces collisions qui a arraché suffisamment de matériau de la croûte et du manteau terrestre pour créer la Lune. Le bombardement initial est donc intense. Une grande partie de ce matériau provient de la région dans laquelle la Terre orbite autour du Soleil. Il peut s’ajouter à cela une vague d’objets issus de l’extérieur du Système solaire. Mais cette vague survient avant 3,9 Ga, par exemple vers 4,4 Ga.

Puis l’approvisionnement en planétésimaux et autres matériaux vient peu à peu à manquer. À force d’agglomérer la matière, le taux d’impacts chute. La surface lunaire est moins pulvérisée qu’au début, si bien que le phénomène d’érosion s’estompe. Cela permet aux traces d’impacts datant de 3,9 Ga de subsister. Mais bien vite, la fréquence d’impacts atteint un taux très bas. Elle est aujourd’hui très faible et l’on estime que, pendant les deux derniers milliards d’années, elle n’a diminué que de moitié.

À l’issue de vos visites à l’Institut international des sciences spatiales (ISSI) de Berne, vous publiez en 2019 un article dans la revue Geosciences. Vous y écrivez que l’importance donnée aux échantillons des missions Apollo a été exagérée…

Je ne critique pas l’importance scientifique de la datation de ces roches. Mais c’est vrai que l’on pensait que, contrairement à la Terre, la Lune ne subissait aucun phénomène d’érosion. Et donc que les roches à sa surface porteraient les traces de l’entière histoire du Système solaire [la Terre puis la Lune se sont formées à peu près en même temps que les autres planètes, NDLR]. Conseiller dans la planification des missions Apollo, le prix Nobel de chimie Harold Urey aurait dit : « Donnez-moi une roche de la Lune et je vous donnerai l’histoire du Système solaire. » Bien sûr, il exagérait pour promouvoir l’importance scientifique du programme spatial. Mais cela témoigne du sentiment fort que les échantillons d’Apollo auraient toutes les réponses. Dans la presse, on racontait que les astronautes partaient en quête des « roches de la Genèse ». Un état d’esprit qui a sûrement influencé le raisonnement : pas de traces d’impact avant 4 Ga = pas d’impacts avant 4 Ga.

Racontez-nous cette conférence donnée vers 1971 sur l’importance des premières roches revenues de la Lune.

Le très réputé Gerald Wasserburg, qui a participé à la datation radiométrique des tout premiers échantillons lunaires, est invité pour donner une conférence sur notre campus de Tucson. Jeune professeur assistant, j’étais on ne peut plus enthousiaste. Je venais de rendre ma thèse sur la datation de la Lune par comptage de cratères. Dans l’auditorium bondé, Gerald a alors déclaré de façon joviale : « Maintenant, vous pouvez jeter le comptage de cratères aux toilettes. » Ça m’a refroidi… À sa décharge, il voulait insister sur le fait que la planétologie disposait enfin d’échantillons lunaires. Quelque chose de tangible, issu du terrain. C’était une révolution.

Bill Hartmann, alors doctorant, projette une plaque photo de la surface lunaire sur une sphère. DR
Bill Hartmann, alors doctorant, projette une plaque photo de la surface lunaire sur une sphère. DR

Assister au programme Apollo en tant que jeune spécialiste de la Lune a dû être une sacrée expérience…

Un chapitre fantastique de l’histoire humaine. Je me souviens néanmoins que dès la troisième ou quatrième mission, aux alentours d’Apollo 13, la couverture du programme spatial était déjà recalée dans le fond de l’actualité. En parlant d’Apollo 13, mon collègue Don Davis, avec qui j’ai publié l’hypothèse de l’impact géant pour expliquer la formation de la Lune, a fait partie de l’équipe chargée de ramener sur Terre les trois astronautes à bord.

Pour revenir au grand bombardement tardif, une majorité de scientifiques n’y adhère plus. Quels sont les principaux arguments qui les poussent à quitter le navire ?

En 2000, un groupe de recherche ici à Tucson a daté des fragments d’impact melts contenus dans les météorites lunaires que l’on retrouve sur Terre. Et donc provenant de toute la Lune, pas uniquement des quelques sites d’alunissage. Les données n’ont pas montré le pic à 3,9 Ga. Cette date semble plutôt être celle d’un unique et gigantesque impact, celui qui a formé le bassin d’Imbrium [mer des Pluies]. La collision aurait disséminé des débris contenant des traces d’impact datant de 3,9 Ga sur la face visible de la Lune, polluant les sites explorés par Apollo. De 2008 à aujourd’hui, des études plus fines, au microscope, des échantillons d’Apollo 16 et 17 rapportent des âges de 4,21 et 4,33 Ga. Cette accumulation de preuves a imposé de réévaluer l’idée du grand bombardement tardif.

Pourtant, le « modèle de Nice », qui décrit un brusque changement dans les orbites des planètes géantes il y a 3,9 Ga, explique bien comment comètes et astéroïdes ont été projetés vers l’intérieur du Système solaire.

C’est exact, et ce modèle a été accueilli à bras ouverts en 2005. Il était une explication par la dynamique des astres de ce que l’on observait à la surface de la Lune. Mais n’oublions pas que, pour le modèle de Nice, la date de 3,9 Ga est une hypothèse de départ. Comme les dynamiciens l’ont d’ailleurs précisé dès le début. Scientifiquement parlant, cette date est une contrainte de départ pour les simulations numériques. Et non une déduction qui en est issue. Comme nous l’expliquons dans une publication de novembre 2020 avec Alessandro Morbidelli, l’un des auteurs du modèle de Nice, celui-ci reste valide. Il peut fonctionner à une autre date, vraisemblablement antérieure à 3,9 Ga.

Mais 2015 est une année charnière pour le grand bombardement tardif…

En effet, lors d’une rencontre à Houston sur les impacts survenus dans la jeunesse du Système solaire, puis de la conférence annuelle de la Meteoritical Society, à Berkeley, j’ai demandé si le pic de 3,9 Ga précédé d’une accalmie était écarté pour de bon. La majorité des participants a approuvé. Cela marque le début de l’effondrement du paradigme.

Le grand bombardement tardif est donc un paradigme plutôt qu’une simple hypothèse, selon vous ?

Oui, car il a de multiples implications au-delà de la planétologie. Dans d’autres domaines, comme la biologie par exemple, je vois de nombreuses publications qui y font référence. Pour certains, une énergie délivrée à la Terre voici 4 Ga coïncide joliment avec la formation des nucléobases de l’ARN et l’ADN à cette époque. Pour d’autres, le cataclysme aurait pu vaporiser les océans et être au contraire un frein à l’apparition de la vie. Pour le moment, l’idée de grand bombardement tardif persiste dans d’autres communautés que celle de la planétologie. Nous sommes au milieu d’un changement de paradigme. Un processus qui peut prendre des années. Il faut que les communautés parlent davantage entre elles.

Mais cette hypothèse a tenu pendant plus de quarante ans. Comment a-t-on pu se tromper si longtemps ?

Le problème est justement que chaque communauté reste cloisonnée. Les géologues (qui étudient les formations), les dynamiciens (le mouvement des astres), les pétrographes (qui datent les roches)… Chacun assiste à des conférences spécialisées, sans croiser les autres. Dans cette affaire, chacun est resté focalisé sur son petit jeu de données. Nous n’avons pas assez interagi.

Écrire des livres pour le public, comme ça m’est arrivé, est également un exercice très sain. Cela demande d’élargir son spectre de connaissances. Mon professeur Gerard Kuiper était de ces personnes-là, qui en savent beaucoup, sur tout. Naturellement, c’est de plus en plus rare. La croissance exponentielle des savoirs et des découvertes scientifiques complique les choses.

Que nous dit sur la science le déclin du grand bombardement tardif ?

C’est un bel exemple de la façon dont la science, contrairement aux croyances, finit toujours par se débarrasser des idées fausses. Tôt ou tard.

En plus d’être chercheur, William Hartmann est réputé pour ses peintures de scènes dans l’espace, et sur Terre. Courtesy W. Hartmann
En plus d’être chercheur, William Hartmann est réputé pour ses peintures. Courtesy W. Hartmann

En plus d’être un scientifique, vous êtes un peintre renommé. Parlons un peu de votre art…

Vous avez combien d’heures ? [rires]

Y a-t-il un sentiment particulier, ou une forme de vérité, que vous tentez de transmettre à travers vos paysages extraterrestres ?

Je m’efforce de montrer comment ce serait de s’y trouver, en personne. Prenez Vénus par exemple : les 400 °C qui règnent à sa surface doivent donner une certaine couleur aux roches. Et sur Mars, à quoi ressemble le ciel ? Comment la poussière en change-t-elle la couleur ? Parfois, nous, les peintres, remarquons certains phénomènes qui échappent aux scientifiques. Dans l’Utah, le dessous des nuages se teint de rose, car il est éclairé par une lumière réfléchie par les terres rouges du désert. Personne ne le voit, mais c’est pourtant bien là.

Par ailleurs, les scientifiques créent des catégories pour expliquer les choses. Les artistes voient ces choses telles qu’elles sont, et non telles qu’elles sont censées apparaître, d’après la catégorie qu’on leur a assignée. Enfant, je me rebellais contre cette idée de catégories, car la réalité n’est pas faite de divisions, elle est un continuum. À ce sujet, le peintre Claude Monet disait vouloir être né aveugle et ne commencer à voir qu’à l’âge adulte, afin d’avoir gardé un « œil innocent ».

Au premier plan, un cratère rayonnant, dans un autre second cratère plus vaste. Paysage lunaire peint par William Hartmann en août 2020. Courtesy W. Hartmann
Au premier plan, un cratère rayonnant, dans un autre second cratère plus vaste. Paysage lunaire peint par William Hartmann en août 2020. Courtesy W. Hartmann

L’astrophysicien Aurélien Barrau décrit la science comme un processus de création, tout comme l’art, mais sous contrainte. Vous êtes-vous déjà senti artiste dans votre carrière scientifique ?

Il y a du vrai. Il me semble qu’Einstein insistait sur l’importance de la créativité en science. Au début de ma carrière, je rejetais en bloc l’usage de l’intuition dans la pratique scientifique. Intuition était un gros mot, une chose interdite. Mais des propos de l’écrivain Ray Bradbury m’ont réconcilié avec cette idée. Selon lui, l’intuition est une information que l’on sait. Mais on ne sait pas qu’on la sait. Certaines choses sont dormantes dans notre cerveau, mais accessibles. J’ai le sentiment qu’il y a une tendance actuelle à vouloir débarrasser la science du facteur humain. Le comptage de cratères en est un bel exemple. C’est dommage : j’ai eu mes meilleures idées quand j’avais à le faire à la main. L’usage de modèles et d’algorithmes est très intéressant, mais ne peut fonctionner seul.

Que ressentez-vous quand vous regardez la Lune, après avoir passé des décennies à l’étudier ?

Est-ce que je la vois différemment d’un autre ? Je ne sais pas. Généralement, quand un ami la regarde, je lance pour plaisanter : « Eh ! C’est ma Lune, j’ai découvert d’où elle vient. Tu ne peux pas la regarder gratuitement. » [rires] Quoi qu’il en soit, même après cinquante ans, on ne s’en lasse pas. La Lune reste si belle…

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