La Lune est plus jeune qu’on ne le pensait

La Lune rajeunit légèrement. © Gregory H. Revera
Maxime Maurice et ses collègues de l’agence spatiale allemande et des universités de Münster et de Berlin ont rajeuni la Lune ! Selon l’étude qu’ils viennent de publier dans la revue Science Advances, elle aurait moins de 4,5 milliards d’années. Explications.

4,425 milliards d’années. Voilà la nouvelle estimation de l’âge de notre satellite naturel, qui serait finalement 85 millions d’années plus jeune que ce qu’on croyait. À l’origine de cette réévaluation, le géophysicien planétaire Maxime Maurice, de l’agence spatiale allemande (DLR) et l’université de Berlin, nous explique comment elle permet de revisiter les premiers âges du Système solaire.

Ciel & Espace : On pensait jusqu’ici que la Lune avait 4,567 milliards d’années. Quelles sont les conséquences d’un âge un peu plus jeune, notamment sur l’histoire de sa formation et celle de la Terre ?

Maxime Maurice : Il y en a deux. Tout d’abord, rappelons que la Lune s’est formée à partir de débris issus de la collision de la Terre avec une planète de la taille de Mars baptisé Theia. Cet impact marque la dernière étape de la formation des planètes, que l’on appelle « accrétion oligarchique ». Au cours de cette phase, les embryons de planètes (ou protoplanètes) qui ont survécu jusque-là subissent des collisions plus rares que dans la phase de croissance initiale, mais aussi d’une ampleur bien plus importante, qui peut complètement fondre ou vaporiser leur surface. Savoir combien de temps après la formation du Système solaire a eu lieu l’impact qui a formé la Lune nous renseigne sur la durée de cette première phase de formation des planètes.

D’autre part, nous avons remarqué une correspondance entre l’âge de la Lune que nous avons déterminé et la datation d’un autre évènement de large ampleur sur Terre, dont la nature est encore débattue. L’une des hypothèses est qu’il s’agirait de la fin de la formation du noyau terrestre. Notre nouvelle estimation de l’âge de la Lune conforte cette hypothèse, car l’impact de Theia a donné naissance à un océan de magma sur Terre. Or un tel océan aurait largement aidé la formation du noyau.

Comment avez-vous calculé ce nouvel âge de 4,425 milliards d’années ?

M. M. : Il existe de nombreuses études visant à proposer un âge pour la Lune. Elles impliquent toujours, de près ou de loin, la datation par radio-isotopes d’échantillons lunaires. C’est la seule façon d’obtenir un âge de façon absolue. La difficulté réside dans le fait que l’âge des échantillons ne reflète pas nécessairement l’âge de la Lune : ils ont pu être modifiés par d’autres évènements plus tardifs (par exemple des impacts). Il s’agit donc de replacer l’histoire de ces échantillons dans le contexte de l’évolution de la Lune. C’est ce qu’avait fait une étude précédente, sur laquelle nous nous sommes largement appuyés. D’après les modèles d’impact, la Lune se forme rapidement après la collision de la Terre et de Theia. Et au cours de son accrétion, elle emmagasine tant de chaleur qu’un océan de magma se forme. Cet océan de magma se refroidit ensuite et se solidifie par le fond, d’abord rapidement (en 100 à 1000 ans) jusqu’à la formation d’une croûte flottante, qui ralentit considérablement cette solidification.

Les estimations précédentes de l’âge lunaire à 4,5 milliards d’années étaient issues de la datation d’échantillons de zircons. Notre étude se base sur d’autres échantillons dont l’âge est mieux établi, mais l’interprétation plus compliquée : des échantillons de la couche supérieure de l’océan de magma lunaire datés à 4,36 milliards d’année par l’étude sur laquelle nous nous sommes appuyés. À la différence de notre propre étude, celle-ci prenait pour hypothèse une solidification rapide de l’océan de magma lunaire. Elle estimait donc la date de formation de la Lune peu de temps avant 4,36 milliards d’années.

Dans le cadre de notre étude, nous avons d’une part réévalué l’âge de ces échantillons qui, pour nous, sont plus jeunes : 4,22-4,27 milliards d’années. D’autre part, nous avons revu à la hausse la durée de vie de l’océan de magma lunaire ; selon nous, il aurait subsisté environ 200 millions d’années. Ce qui nous a conduits à proposer ce nouvel âge pour la Lune de 4,425 milliards d’années. 

Comment êtes-vous parvenus à estimer la durée de vie de l’océan de magma lunaire ?

M. M. : L’étude précédente avait déterminé l’âge d’échantillons dont on sait qu’ils représentent les dernières roches solidifiées de l’océan de magma lunaire. Ce qui manquait pour déterminer l’âge de la Lune était donc la durée de la solidification de cet océan. Pour cela, nous avons développé un modèle en incluant certains processus qui n’avaient pas été considérés jusque-là. En particulier, la très faible valeur de la conductivité thermique de la croûte solide flottant à la surface de l’océan de magma (et qui est spécifique à la Lune), ainsi que le « volcanisme » dû à la convection dans le manteau déjà solidifié de la Lune, qui injecte du magma très chaud dans l’océan de magma (lui-même moins chaud). Ces deux facteurs allongent considérablement la durée de solidification du magma.

Votre nouvelle estimation de l’âge de la Lune est-elle compatible avec l’hypothèse en vogue de la synestia, selon laquelle la Terre et Theia auraient intégralement fusionné sous l’impact avant de se solidifier à nouveau ?

M. M. : Le modèle de la synestia, qui rencontre effectivement un certain succès, concerne une phase plus reculée encore de l’histoire lunaire, allant de quelques jours après l’impact jusqu’à quelques dizaines d’années. C’est un modèle qui s’appuie sur la similarité isotopique entre la Terre et la Lune : la jeune Terre et Theia ne se seraient pas simplement percutées mais auraient en fait fusionné. Plus exactement, la Terre comme on la connaît aujourd’hui se serait reformée par accrétion de débris de la jeune Terre et de Theia dans un disque de débris et de gaz, tout comme la Lune. Cependant, ce modèle traite davantage de l’évolution du disque de débris et de gaz que de la formation de la Lune par accrétion de ces débris, dont il n’utilise qu’un modèle largement simplifié.

Schema de synestia.
La collision d'un corps de la taille de Mars avec la jeune Terre aurait formé une structure énorme, une synestia. Crédit : S.J. Lock

Dans le cadre de ce modèle simplifié, les recherches sur la synestia semblent suggérer que le matériel accrété pour former la Lune est largement liquide, compatible avec un océan de magma couvrant l’intégralité du manteau lunaire. De plus, si la Lune se forme à l’intérieur de la synestia (ce qui est aussi suggéré) sa température sera maintenue élevée puisque le gaz à l’intérieur de la synestia est lui-même très chaud. Cependant, en l’absence (à ma connaissance) de modélisation plus précise de l’évolution thermique au cours de l’accrétion de la Lune, il est difficile de conclure avec certitude sur les implications du modèle de la synestia quant aux conditions initiales que nous utilisons dans notre article.

En conclusion, je dirais que le modèle de la formation de la Lune à partir d’une synestia est compatible avec nos recherches, et semble plutôt en faveur d’un océan de magma profond, mais qu’à l’heure actuelle il ne peut pas être utilisé pour faire des prédictions qui nous aideraient à préciser notre modèle.

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