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De l’eau est bien présente dans les régions sombres et ensoleillées de la Lune

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| ESA

La présence d’eau sur la Lune n’est pas une découverte récente. Des missions antérieures ont détecté des traces de glace d’eau dans des cratères ombragés en permanence aux pôles lunaires, ainsi que des indices de molécules d’eau sur la surface ensoleillée en 2009. Mais les observations d’eau dans les régions ensoleillées reposent sur la détection de la lumière infrarouge à une longueur d’onde (3 micromètres) qui pourrait également être émise par d’autres composés hydroxylés, qui contiennent de l’hydrogène et de l’oxygène. Aujourd’hui, deux équipes de chercheurs ont mis fin au doute : il existe bien de l’eau sur la surface lunaire exposée au Soleil. De nouveaux résultats qui pourraient faciliter l’installation d’une présence humaine sur la Lune, notamment lors du programme Artemis.

Fin août 2018, une équipe dirigée par Casey Honniball, du Goddard Space Flight Center de la NASA et chercheur à l’Université d’Hawaï à Manoa, a utilisé des instruments infrarouges à bord du Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Ce Boeing 747SP modifié offre à son télescope de 2.7 mètres une vue au-dessus de 99% de la vapeur d’eau obscurcissante de l’atmosphère — une capacité unique qui permet des observations précises dans l’infrarouge sans l’utilisation d’installations spatiales.

SOFIA a permis aux chercheurs d’étudier la surface lunaire éclairée par le Soleil. Les observations, qui ont duré à peine 10 minutes, se sont concentrées sur une région située à des latitudes sud élevées près du grand cratère de la lune Clavius, et elles ont révélé une forte émission infrarouge à une longueur d’onde de six microns (µm) du cratère et du paysage environnant. Réchauffé par le Soleil, quelque chose sur la surface lunaire réémettait le rayonnement absorbé tout comme l’eau moléculaire (H2O) le ferait.

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Photo de l’observatoire volant infrarouge SOFIA, montrant le télescope de 2.7 mètres à travers son ouverture latérale. Crédits : Jim Ross

Les astronomes ont longtemps pensé que l’eau aurait les meilleures chances de rester stable dans les régions de la Lune, comme les grands cratères, qui sont en permanence couvertes d’ombres. Selon les chercheurs, ces régions et l’eau qu’elles contiennent seraient protégées des perturbations de température induites par les rayons du Soleil. Cependant, selon les données de SOFIA, il y a bien de l’eau présente en plein jour. « C’est la première fois que nous pouvons affirmer avec certitude que la molécule d’eau est présente sur la surface lunaire », déclare Casey Honniball.

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Eau lunaire : elle pourrait être piégée dans du verre ou de la poussière

Sur la base de la lumière infrarouge observée, l’équipe de Honniball a calculé une concentration en eau d’environ 100 à 400 parties par million autour du cratère Clavius. C’est moins d’un demi-litre d’eau par tonne métrique de sol lunaire. Cette concentration correspondait à ce que les chercheurs attendaient, sur la base des observations antérieures de vaisseaux spatiaux. Ces molécules d’eau ne constituent pas de glace, comme l’eau des régions ombragées en permanence de la Lune. Elle n’est pas non plus sous forme liquide.

Les auteurs suggèrent que l’eau est très probablement stockée dans du verre volcanique naturel ou prise en sandwich entre des grains microscopiques de poussière de roche. Les deux scénarios pourraient fournir une protection contre les températures extrêmes et les conditions de quasi-vide à la surface de la Lune, permettant à l’eau de persister.

graphique abondance latitude eau SOFIA Lune
Graphique montrant l’abondance d’eau en fonction de la latitude lunaire telle que mesurée par SOFIA dans la bande infrarouge 6 µm (noir) et le Moon Mineralogy Mapper dans la bande 3 µm (rouge). Crédits : C. I. Honniball et al. 2020

Lorsqu’une micrométéorite heurte la Lune, elle fait fondre le matériau lunaire, qui se refroidit rapidement et forme du verre. S’il y a déjà de l’eau présente, formée pendant ou apportée pendant l’impact, une partie de l’eau peut être capturée dans la structure du verre pendant qu’il refroidit.

La quantité d’eau contenue dans les billes de verre est un peu faible pour être utile aux humains, mais il est possible que la concentration soit beaucoup plus élevée dans d’autres régions (l’étude de SOFIA s’est concentrée sur une seule zone de la Lune). « Nous nous attendons à ce que l’abondance de l’eau augmente à mesure que nous nous rapprochons des pôles. Mais ce que nous avons observé avec SOFIA est le contraire », déclare Honniball. Les perles ont été trouvées dans une région latitudinale plus proche de l’équateur, bien que ce ne soit probablement pas un phénomène global.

Une eau accessible contenue dans des micropièges froids

La deuxième étude, cependant, pourrait être plus pertinente concernant l’exploration lunaire à court terme. Les nouvelles découvertes suggèrent que les réserves de glace d’eau de la Lune sont maintenues dans ce que l’on appelle des « micropièges froids » d’un centimètre ou moins de diamètre. De nouveaux modèles 3D générés à l’aide d’images infrarouges thermiques et optiques prises par le Lunar Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA (une sonde en orbite autour de la Lune) montrent que les températures dans ces micropièges sont suffisamment basses pour garder la glace d’eau intacte.

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En effet, dans ces endroits, les températures ne dépassent jamais environ -163 degrés Celsius. Ils pourraient contenir 10 à 20% de l’eau stockée dans les régions ombragées permanentes de la Lune, pour une superficie totale d’environ 40’000 kilomètres carrés, principalement dans des régions plus proches des pôles.

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Graphique montrant le nombre estimé de régions ombragées (PSR) et de micropièges froids en fonction de leur taille. Crédits : P. O. Hayne et al. 2020

« Les micropièges froids récemment découverts sont les plus nombreux sur la Lune, des milliers de fois plus abondants que les pièges froids précédemment cartographiés. S’ils sont tous remplis de glace, cela pourrait représenter une quantité substantielle, peut-être plus d’un milliard de tonnes d’eau », explique Paul Hayne, planétologue à l’université du Colorado.

« Les micropièges froids sont beaucoup plus accessibles que les régions plus grandes et ombragées en permanence. Plutôt que de concevoir des missions pour s’aventurer profondément dans l’ombre, les astronautes et les rovers pourraient rester au soleil tout en extrayant l’eau des micropièges froids ». En effet, cette prolifération de minuscules réservoirs de glace potentiels pourrait être beaucoup plus accessible pour les futures missions, car ils existent dans des zones où un astronaute au Soleil pourrait en toute sécurité utiliser des outils pour creuser la glace.

Des données supplémentaires nécessaires pour expliquer la présence d’eau

Les études ne sont pas parfaites. Il n’y a pas encore d’explication claire de la formation de ce verre aqueux. Honniball suggère qu’il proviendrait probablement de météorites qui ont généré l’eau lors de l’impact ou l’ont livrée telle quelle. Ou il pourrait être le résultat d’une ancienne activité volcanique. Neal souligne que l’étude SOFIA n’est pas en mesure de fournir une image complète de la raison pour laquelle la distribution du verre apparaît en fonction de la latitude, ou comment elle pourrait changer sur un cycle lunaire complet.

Des observations directes sont nécessaires pour confirmer ce que suggèrent les deux études et pour répondre aux questions qu’elles soulèvent. Nous n’aurons peut-être pas à attendre longtemps pour ce type de données. Dans la perspective des missions Artemis destinées à ramener les astronautes à la surface de la Lune, la NASA prévoit de lancer une suite de missions robotiques qui aideraient également à caractériser la teneur en glace d’eau sur la Lune.

La plus médiatisée de ces missions est VIPER, un rover prévu pour 2022 qui est censé prospecter la glace d’eau souterraine. À la lumière des nouvelles découvertes, la NASA pourrait choisir de modifier un peu l’objectif de VIPER pour étudier également les eaux de surface, et d’examiner de plus près les caractéristiques du verre ou d’examiner dans quelle mesure les micropièges froids pourraient fonctionner pour préserver la glace d’eau.

Sources : Nature Astronomy (1, 2)

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