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Collision avec le voisin
Selon la théorie, la lune a été créée lors d’une gigantesque collision entre la Terre et un autre corps céleste appelé Theia. Mais d’où venait ce corps? «Theia était une petite planète qui s’était formée près de la Terre», assure le professeur de l’EPF, Maria Schönbächler, qui a effectué des analyses poussées à l’extrême sur des échantillons lunaires.
Maria Schönbächler et son équipe de l’Institut de géochimie et de pétrologie de l’EPF Zürich mesurent la composition isotopique, soit les proportions d’espèces atomiques d’un élément avec différents poids atomiques. Cela permet de tirer des conclusions sur l’origine du système solaire et des planètes qui se sont formés il y a 4,5 milliards d’années dans un disque de poussière. Les chercheurs s’intéressent particulièrement aux éléments comme le zirconium (Zr), le titane (Ti) et le chrome (Cr). La poussière n’a pas eu exactement la même composition isotopique de ces éléments dans tous les endroits, comme l’ont montré les mesures de haute précision effectuées à l’EPF de Zürich au cours des dix dernières années. «Ces éléments ont des anomalies dites nucléosynthétiques, qui peuvent être comparées au sel et au poivre dans les aliments», explique Maria Schönbächler, responsable de projet au sein du PRN PlanetS.
Chaque corps céleste, chaque planète a des anomalies de nucléosynthèse caractéristiques, il a sa propre portion de sel et de poivre, avec une seule exception connue: les compositions isotopiques de la Terre et de la Lune sont identiques. L’explication la plus simple est que la lune s’est formée principalement du manteau de la Terre qui a été éjecté lorsque la Terre a heurté un corps de taille de Mars appelé Theia dans une collision gigantesque. Cette théorie de l’impact géant peut expliquer la plupart des observations. «Il subsiste toutefois un problème» explique Maria Schönbächler, « les simulations informatiques montrent que la Lune devrait se composer principalement de matériel Theia et devrait donc être salée de zirconium, de titane et de chrome différemment ».
Échantillons lunaires du programme Apollo de la NASA
Comment cette contradiction peut-elle être résolue? Afin de répondre à cette question, la professeure de l’EPF et son équipe ont analysé les roches lunaires des missions Apollo entre 1969 et 1972, que la NASA a mises à leur disposition. Les chercheurs se sont alors concentrés sur les isotopes de zirconium. «Le zirconium est relativement répandu dans les échantillons de la Terre et de la Lune et peut donc être bien mesuré», explique le responsable de projet à PlanetS: « il faut pour ça disposer de laboratoires en salle blanche pour éviter la contamination et de spectromètres de masse afin de pouvoir faire des mesures de haute précision pour résoudre les écarts du sixième chiffre après la virgule ». À ses propres mesures, l’équipe de Zürich a ajouté de nouvelles données d’autres études sur le titane et le chrome. Ensuite, sur la base des résultats obtenus, les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour calculer la composition isotopique probable de Theia en tenant compte de tous les scénarios de collisions possibles connus.
Les résultats indiquent que Theia avait une composition isotopique très similaire à celle de la Terre. C’était une petite planète qui s’était formée dans une région proche de la Terre, puis elle s’est heurtée à elle. Les recherches ont également montré qu’il ne restait probablement pas de matière de Theia suite à la collision et qu’il est tombé plus tard sur terre sous la forme de météorites. Selon les chercheurs, ces résultats peuvent être élargis: «Nos résultats montrent que les planètes ont été formées principalement à partir de matériel local, et la Terre n’a quasiment pas capturé de corps du système solaire externe», résume Maria Schönbächler.
Après avoir analysé le zirconium, l’équipe de Zurich se penche actuellement sur la composition isotopique de l’étain, un élément volatil, et du titane, un élément plus résistant à la température. Elle veut savoir si ces éléments ont été perdus par évaporation lors de l’impact géant et si l’appauvrissement des éléments volatils tels que le potassium sur la Lune s’explique par la théorie de l’impact géant. «Un tel résultat nous raconterait beaucoup sur les processus physiques impliqués dans l’impact géant», explique la professeure de l’EPF.
W. Akram, M. Schönbächler: «Les contraintes isotopiques du zirconium sur la composition de Theia liées aux théories actuelles de la formation de la Lune», Earth and Planetary Science Letters.
http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2016.05.022