Il en est certain, « tout le monde ne sera pas d’accord avec nos conclusions et il va y avoir des remous ». Pourtant, Jean-Alix Barrat a l’assurance tranquille de ceux qui pensent que les données ne sauraient mentir. Avec le Britannique Richard Greenwood et six autres chercheurs, le professeur de l’université de Bretagne occidentale signe ce mois-ci dans Science Advances un article étonnant — détonnant, même. En résumé : l’essentiel de l’eau terrestre proviendrait d’une époque antérieure à la grande collision qui a donné naissance à la Lune — cet impact géant qui a eu lieu environ 50 millions d’années après la formation de la Terre et dont les protagonistes étaient notre planète et Théia, un corps de la taille de Mars. Quelles sont les conséquences de ce résultat sur le récit des premiers âges de la Terre ? Et comment l’équipe y est-elle parvenue ? Jean-Alix Barrat a accepté de nous dévoiler les coulisses de cette étude.

Pouvez-vous nous présenter votre travail en quelques mots ?

Il repose sur des mesures extrêmement pointues de rapports isotopiques de l’oxygène dans une grande variété de roches terrestres et lunaires. Dès lors qu’il s’agit d’identifier l’origine d’une roche, l’oxygène est un élément magique ! D’une part parce que les roches en contiennent beaucoup – donc quelques milligrammes d’échantillon suffisent pour effectuer des analyses –, et d’autre part parce que les compositions isotopiques des roches martiennes, terrestres, des météorites, etc. sont très différentes les unes des autres. Ce qui les rend bien identifiables.

Notre analyse montre que les compositions isotopiques de l’oxygène lunaire et terrestre sont extrêmement proches. Mais nos mesures sont suffisamment précises pour que nous puissions affirmer qu’elles sont tout de même différentes, de 3 à 4 ppm [partie par million, NDLR]. Par conséquent, de deux choses l’une : soit la proto-Terre et Théia avaient des compositions très similaires à la base, soit elles se sont entièrement mélangées — donnant exactement la même composition à la Terre et à la Lune — et alors la petite différence que nous voyons aujourd’hui résulte d’un apport de matière postérieur. Cette seconde hypothèse nous paraît plus plausible, mais elle a de grandes conséquences...

Votre raisonnement ne vaut que si vos mesures sont fiables. Comment avez-vous procédé ?

Les mesures ont été réalisées par Richard Greenwood dans l’un des meilleurs laboratoires du monde pour ce genre de tâches, et nous avons eu accès par ailleurs à un grand nombre d’échantillons lunaires. Beaucoup plus que dans les précédents travaux ! Il y a deux grands types d’échantillons de roches lunaires : celles récoltées in situ lors des missions Apollo et Luna (soviétiques), et les météorites lunaires. Les premières ont l’inconvénient d’avoir été récoltées uniquement sur la face visible, mais elles présentent aussi l’énorme avantage de ne pas avoir été contaminées par la Terre. Les secondes viennent a priori d’un peu partout sur la Lune, dont la face cachée, mais elles ont longtemps séjourné sur Terre avant qu’on les trouve et sont donc un peu moins fiables. Pour notre étude, nous avons utilisé des roches récoltées lors des six alunissages d’Apollo.

Nous avons aussi utilisé de très bons échantillons terrestres, représentatifs de la composition du manteau. C’est important, car c’est là que se trouve l’essentiel du réservoir d’oxygène terrestre (dans ces roches, l’oxygène représente 50% de la masse et 90% du volume). Surtout, les roches du manteau ne sont pas altérées par une interaction avec l’atmosphère ou d’autres fluides. Elles représentent réellement la composition isotopique de la Terre.

Plus précisément, nous avons analysé la quasi-totalité des roches océaniques mondiales. Ce sont les roches issues des laves émises dans les dorsales océaniques, en provenance directe du manteau. Comme ces roches sont en contact avec l’océan, on pourrait imaginer qu’elles sont contaminées par lui. Ce n’est pas le cas : lorsque la lave est en contact avec l’eau de mer, elle subit une sorte de trempage qui fait qu’elle s’entoure immédiatement d’une couche vitreuse étanche. L’intérieur de ces roches est parfaitement représentatif du manteau terrestre.

Pourquoi privilégiez-vous l’hypothèse selon laquelle la proto-Terre et Théia se seraient entièrement mélangées avant de donner naissance à la Lune ? Ne pourrait-on pas imaginer que le modèle de formation de la Lune est incorrect, et réconcilier vos mesures par la collision de deux corps dotés de masse différente de ce qui est généralement admis ?

La variété des compositions isotopiques de l’oxygène dans les corps du Système solaire est très grande : Théia et la proto-Terre n’avaient aucune raison d’avoir des compositions similaires au millionième près ! Il est plus réaliste d’imaginer que l’impact très violent entre notre planète et un corps qui faisait tout de même la taille de Mars a permis d’homogénéiser totalement leur substance. Si bien que la Terre et la Lune tout juste née, immédiatement après l’impact, avaient exactement la même composition isotopique.

Pourtant, parmi les modèles classiques de collision envisagés pour former la Lune, aucun ne parvient à une homogénéisation totale. Même les collisions violentes ne semblent pas pouvoir mélanger totalement la proto-Terre et Théia...

Oui, mais la réalité de ce que fut cette collision est sans doute beaucoup plus complexe que ce qu’en disent les modèles habituels... L’année dernière, deux chercheurs d’Harvard et de l’université de Californie ont proposé une description plus subtile de la formation des planètes. Dans les cas d’impacts géants, elles pourraient passer par une phase de « synestia », dans laquelle le corps impacté et le projectile géant forment un seul et même objet, ressemblant à un gigantesque globule rouge. Les simulations montrent que, dans ces cas-là, on parvient à homogénéiser les compositions isotopiques.

Si le modèle de la synestia est correct, les légères différences de rapport isotopiques que vous mesurez entre la Terre et la Lune sont donc liées à un apport postérieur à l’impact géant. Mais existe-t-il des indices d’un bombardement de la Terre après la formation de la Lune ?

Oui, tous les spécialistes s’accordent sur le fait que la Terre a continué à accréter du matériel extraterrestre après l’impact géant. La preuve la plus nette est la présence dans le manteau d’éléments chimiques sidérophiles [qui ont une affinité avec le fer, NDLR]. Ces éléments – en particulier la famille du platine – auraient dû migrer vers le noyau de fer lorsque celui-ci s’est différencié. S’ils sont présents dans le manteau, c’est qu’ils ont été incorporés après cette étape par un apport météoritique. On appelle cela le « vernis tardif ».

La question est donc de déterminer quel est le cocktail de météorites, parmi les différents types existants, qui peut reproduire le mieux vos mesures de rapports isotopiques de l’oxygène ?

Exactement, mais en obéissant aussi aux contraintes imposées par les mesures sur les platinoïdes... On y parvient si l’on considère que le vernis tardif nous a été apporté à 20% par des chondrites carbonées, riches en eau, et à 80% par des chondrites à enstatite. Le bilan final est que le vernis tardif n’a pu fournir que l’équivalent de moins d’un océan terrestre — au plus 70%. Bref : si la Terre possède en eau l’équivalent du double de tous les océans terrestres, une estimation basse, seuls 30% proviennent de matériaux extraterrestres apportés après l’impact qui a créé la Lune. Et si la Terre possède l’équivalent de 12 océans terrestres, estimation haute, cette contribution extraterrestre tombe à 5%.

Votre conclusion est totalement à rebours de l’hypothèse selon laquelle l’eau terrestre proviendrait pour l’essentiel des comètes et des astéroïdes en provenance du Système solaire externe...

C’est vrai. J’y ai longtemps cru moi-même, mais je pense qu’il faut regarder les données en face : ce scénario ne colle pas. Alors d’où vient l’eau ? Soit elle était déjà présente sur la proto-Terre, soit elle a été apportée par Théia. Malheureusement, nous n’avons aucun moyen de le savoir puisque l’étape de la synestia a effacé tout ce qui s’est passé avant l’impact. Quoi qu’il en soit, il est clair pour moi que le Système solaire interne n’était pas si sec que certains le pensent. Bien sûr, on y trouvait beaucoup de chondrites à enstatite. Mais il existe un type rare de météorites, les uréilites, qui suggère qu’un corps de la taille de Mars et riche en éléments volatils a aussi pu s’y trouver à une époque.

Reste une question : que Théia nous l’ait apportée ou qu’elle ait été présente sur la proto-Terre, comment l’eau a-t-elle pu résister à la violence de l’impact géant ?

Je ne sais pas, mais c’est un fait. Je crois que nous avons beaucoup de progrès à faire pour comprendre la physique de ces impacts géants. La balle est dans le camp des théoriciens !