Caractériser le processus de solidification de l’océan magmatique primitif de la Lune
Il est probable que la Lune ait autrefois été recouverte de magma, celui-ci ayant refroidi et s’étant cristallisé pour former les matériaux rocheux actuels. Divers minéraux se sont formés au cours de différentes étapes, certains d’entre eux donnant naissance à la croûte lunaire, ce qui explique la diversité de roches que l’on trouve à sa surface. Ces roches fournissent des indices sur l’évolution de la Lune, tout en nous renseignant sur l’histoire générale de l’origine des planètes. Les échantillons variés dont les modèles auraient besoin pour atteindre une grande précision font toutefois défaut. Les missions américaines Apollo et les missions soviétiques Luna n’ont exploré que quelques kilomètres carrés, et les données de télédétection indiquent que ces échantillons ne sont pas représentatifs de l’ensemble de la croûte lunaire. Le projet MoonDiff, soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, a retracé l’histoire de la solidification de l’océan de magma lunaire. «Nous avons obtenu, pour la première fois, des informations concernant le comportement des paires radiogéniques en termes de fractionnement pour les minéraux et les conditions de pression et de température lunaires», déclare Joshua Snape, chercheur principal affilié à l’université libre (VU) d’Amsterdam, qui a accueilli le projet. Par ailleurs, de nouvelles analyses d’échantillons lunaires ont permis de déterminer les âges les plus précis disponibles à l’heure actuelle pour les échantillons prélevés lors des missions Apollo, ainsi que pour certaines des plus anciennes roches volcaniques lunaires connues, trouvées dans des météorites. Ces analyses ont fourni une nouvelle base de données sur les compositions isotopiques du plomb dans les roches volcaniques lunaires, complétant ainsi les bases de données précédemment établies pour d’autres isotopes.
Combiner les analyses isotopiques avec de nouvelles contraintes expérimentales
MoonDiff a dû déterminer l’emplacement des différents éléments dans l’océan de magma lunaire. «La Lune constitue un laboratoire naturel extraordinaire, où les anciennes roches de la première croûte solide se sont formées à partir de l’océan de magma et ont subsisté à sa surface», ajoute Joshua Snape. L’équipe a comparé les analyses isotopiques précédentes avec ses propres expériences. Les isotopes sont des variantes d’un même élément chimique. Par le biais du processus de décroissance radioactive, les isotopes d’un élément donnent naissance aux isotopes d’un autre élément. Par exemple, l’uranium se transforme en plomb par le biais de sa chaîne de désintégration: dans ce cas, l’uranium se transforme en plomb et les deux éléments sont dits «associés». Les chercheurs utilisent ce processus pour déterminer l’âge et l’origine des roches, ce qui permet de guider la modélisation. Les expériences de MoonDiff ont permis de produire des poudres d’oxydes chimiques, afin d’obtenir une composition similaire à celle de l’océan de magma de la Lune. Des traces des éléments étudiés – essentiellement l’uranium (U), le plomb (Pb), le rubidium (Rb), le strontium (Sr), le samarium (Sm), le néodyme (Nd), le lutécium (Lu) et le hafnium (Hf) – ont ensuite été ajoutées. Une fois le mélange fondu dans un verre puis broyé en poudre fine, une presse à piston/cylindre l’a porté à des températures de 1 000-1 300 °C et l’a comprimé à des pressions de l’ordre de 1-2 gigapascals (10 000-20 000 atmosphères), simulant les conditions régnant à l’intérieur de la Lune. Cela a permis de produire des cristaux des minéraux qui se seraient formés à l’intérieur de la jeune Lune. La concentration des cristaux en différents éléments traces a ensuite été mesurée, ce qui a permis de quantifier ce que l’on appelle le fractionnement chimique au niveau de la structure cristalline des minéraux. Les résultats ont été introduits dans des modèles qui ont déterminé les proportions des différents minéraux susceptibles de s’être formés à différents stades de la cristallisation du magma. Cela a permis de contraindre les rapports d’éléments associés attendus à différents endroits sur la surface de la Lune. Ces résultats ont été comparés aux calculs effectués à partir des mesures réelles des échantillons. S’il a été possible de recréer les mesures des rapports Rb/Sr et Sm/Nd, les rapports U/Pb restent plus difficiles à reproduire. Les échantillons naturels indiquent que les rapports U/Pb auraient été beaucoup plus élevés que tous les résultats générés de manière expérimentale ou conformes aux modèles récents. «La Lune pourrait être beaucoup plus jeune que ce que l’on pensait initialement, avec un âge d’environ 4,4 milliards d’années. Ou alors, si son âge est plus avancé, d’environ 4,5 milliards d’années, cela pourrait signifier que de grandes quantités de plomb ont été soit entraînées vers le noyau lunaire, soit perdues dans l’espace à la suite du bombardement météoritique et cométaire», explique Joshua Snape. L’équipe va maintenant étudier dans quelle mesure les bombardements pourraient expliquer ces anomalies.
Mots‑clés
MoonDiff, Lune, planètes, Apollo, lunaire, éléments, isotopes, magma, espace, astéroïde, comète, minéral, cristallisation