C’est une découverte inattendue pour les scientifiques de la NASA : le vaisseau Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a relayé de nouveaux éléments laissant penser que notre satellite naturel serait particulièrement riche en métaux, en fer et en titane notamment. Et ces gisements s’avèrent bien plus importants que les premières estimations des experts. La découverte pourrait en outre nous permettre d’en apprendre plus sur la formation de la Lune.

Depuis le début de la mission LRO, lancée en juin 2009, les instruments scientifiques à bord du vaisseau ont permis de recueillir des informations essentielles sur le sol lunaire et les conditions climatiques à sa surface. Le radar Mini-RF, en particulier, a été embarqué à titre expérimental, pour vérifier ses capacités de détection de la glace dans les zones situées à l’ombre ; il a également été conçu pour relever des informations sur la rugosité du sol. À partir de ces données, Wes Patterson, chercheur principal de l’équipe en charge du Mini-RF au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), et ses collaborateurs, ont fait une découverte de taille : dans ses profondeurs, le sous-sol lunaire serait très riche en métaux.

Un scénario remis en question

Des preuves substantielles indiquent que la Lune est le fruit d’une collision entre une protoplanète de la taille de Mars et la Terre, alors qu’elle était elle-même toute jeune. Elle résulterait ainsi de l’effondrement gravitationnel du nuage de débris dégagé par le choc. Cette hypothèse implique que la composition chimique de la Lune ressemble étroitement à celle de la Terre. Pourtant, ce n’est pas vraiment le cas, du moins, pas sur l’ensemble de la Lune…

En étudiant en détail la composition du sol lunaire, les scientifiques ont en effet constaté que selon les zones, la composition chimique était plus ou moins similaire à celle de la croûte terrestre. Dans les hauts plateaux lunaires (les grandes plaines lumineuses que l’on voit depuis la Terre), les roches sont beaucoup moins riches en métaux que ce que l’on pourrait observer sur Terre. Ceci pourrait s’expliquer du fait que la Terre, avant l’impact, se soit déjà complètement formée, son noyau métallique étant alors entouré d’un manteau et de la croûte ; la Lune aurait ainsi « récupéré » peu de métaux…

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Les cratères des mers lunaires s’avèrent bien plus riches en métaux (oxydes de fer et de titane), que ceux situés sur les hauts plateaux. Crédits : E. Heggy et al.

En revanche, au niveau des mers lunaires, de larges et sombres plaines, l’abondance en métaux y est, sinon identique, bien plus importante que dans de nombreuses roches terrestres ! Cette divergence a longtemps intrigué les experts, qui s’interrogent aujourd’hui sur la nature et la contribution exactes de la protoplanète lors de cet impact décisif… Les données relevées par le Mini-RF ont peut-être permis d’apporter de premiers éléments de réponse.

À l’aide de l’instrument, les chercheurs ont mesuré la constante diélectrique du sol lunaire, au niveau des cratères de l’hémisphère nord. Cette constante diélectrique, aussi nommée permittivité relative, est une grandeur physique qui décrit la capacité d’un matériau à transmettre des champs électriques relativement au vide de l’espace ; cette mesure est notamment utilisée pour localiser la glace qui pourrait se cacher dans l’ombre d’un cratère.

Il se trouve que l’équipe a constaté que ce paramètre variait selon la taille du cratère : pour ceux mesurant 2 à 5 kilomètres de large, la constante diélectrique augmentait régulièrement à mesure que les cratères grossissaient ; pour les cratères plus importants, de 5 à 20 kilomètres de large, la valeur restait constante. Un résultat particulièrement surprenant selon Essam Heggy, de l’Université de Californie du Sud à Los Angeles et auteur principal de l’article, qui soulève une nouvelle hypothèse.

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Pour les cratères dont le diamètre est inférieur à 5 km, la valeur de la constante diélectrique augmente avec le diamètre. À partir de 5 km, en revanche, cette grandeur se stabilise. Crédits : E. Heggy et al.

Les propriétés diélectriques sont directement liées à la concentration des minéraux métalliques du milieu. Or, les météores à l’origine des plus gros cratères creusent également plus profondément sous la surface de la Lune ; l’équipe a donc suggéré que la constante diélectrique croissante relevée dans les plus grands cratères pourrait traduire la présence d’oxydes de fer et de titane plus en profondeur. Si cette hypothèse se vérifie, cela signifierait que si les premières centaines de mètres de la surface de la Lune sont pauvres en oxydes minéraux, il y aurait en revanche, plus loin sous la surface, une énorme quantité de métaux !

Des oxydes de fer et de titane profondément enfouis

En comparant les images radar du fond du cratère fournies par Mini-RF avec diverses cartes d’oxydes métalliques produites par la caméra grand-angle du LRO, par la mission japonaise Kaguya et par le vaisseau Lunar Prospector de la NASA, l’équipe a finalement pu lever le doute et confirmer leur théorie. Les plus grands cratères lunaires étaient effectivement plus riches en métaux : davantage d’oxydes de fer et de titane avaient été décelés à des profondeurs allant de 0,5 à 2 kilomètres, qu’à des profondeurs situées entre 0,2 et 0,5 kilomètre.

Ces résultats confirment finalement les preuves récentes apportées par la mission Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) de la NASA, qui suggèrent qu’une masse importante de matériaux denses se trouve à quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres sous l’énorme bassin Pôle Sud-Aitken de la Lune (le plus gros bassin d’impact de la surface lunaire). « Un tas de métal cinq fois plus grand que la grande île d’Hawaï », rapportait il y a un an environ Peter B. James, professeur de géophysique planétaire au Baylor’s College of Arts & Sciences. Les scientifiques savent désormais que les matériaux denses ne sont pas uniformément distribués dans le sous-sol de la Lune.

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L’équipe souligne que cette nouvelle étude ne permet pas encore de répondre précisément aux questions relatives à la formation de la Lune, mais elle apporte néanmoins de nouveaux éléments sur la richesse du sol lunaire. « Les données de Mini-RF sont incroyablement précieuses pour mieux connaître les propriétés de la surface lunaire, mais elles nous permettent aussi de déduire ce qui se passait il y a plus de 4,5 milliards d’années ! », se réjouit Noah Petro, scientifique du projet LRO au Goddard Space Flight Center de la NASA.

Les hypothèses pouvant expliquer la formation de la Lune sont donc aujourd’hui quelque peu remises en question. Pressés d’en savoir plus, les chercheurs ont déjà commencé à examiner les sols des cratères de l’hémisphère sud de la Lune pour vérifier si les tendances sont les mêmes en matière de richesse métallique…

Source : Earth and Planetary Science Letters, E. Heggy et al.

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