Mystère résolu : pourquoi les deux faces de la Lune sont si différentes

C'est comme pouvoir regarder à l'intérieur d'une pastèque sans avoir à la couper. On peut savoir s'il est mûr, s'il a de grosses ou de petites graines, s'il contient beaucoup ou peu d'eau... et tout cela, simplement en l'examinant de l'extérieur. C'est précisément ce que font les scientifiques depuis des années, non pas avec des pastèques, mais avec des lunes , des astéroïdes et même des planètes entières. Pour y parvenir, ils utilisent la force subtile mais puissante de la gravité, et grâce à elle, ils accèdent aux secrets qui sommeillent en eux.

Deux études récentes de la NASA, publiées dans « Nature » et « Nature Astronomy », sont un excellent exemple de la manière dont l’analyse des données gravitationnelles collectées par les engins spatiaux en orbite révolutionne notre compréhension des structures planétaires. Et tout cela sans avoir à atterrir à sa surface. Bien que la Lune, notre satellite naturel, et Vesta , un astéroïde gigantesque qui se trouve dans la ceinture principale entre Mars et Jupiter, soient des corps célestes très différents, les deux enquêtes ont utilisé une technique similaire pour révéler des détails inédits sur leurs compositions internes.

Pour l'étude lunaire, publiée dans Nature , les chercheurs ont développé un nouveau modèle gravitationnel de notre satellite qui prend en compte les minuscules variations de son champ gravitationnel tout au long de son orbite elliptique autour de la Terre.

Ces fluctuations provoquent une légère déformation de la Lune en raison de la « force de marée » exercée par notre planète, un phénomène connu sous le nom de « déformation de marée ». Cette subtile « flexion » lunaire fournit des informations cruciales sur sa structure interne profonde. Ce serait comme presser une balle en caoutchouc avec votre main. Sa forme changerait en raison de la pression. De même, la Terre exerce une « attraction » gravitationnelle sur la Lune , la faisant s’étirer et se contracter légèrement lorsqu’elle tourne autour d’elle. La manière dont la Lune réagit à cette pression, c’est-à-dire la manière dont elle se déforme, dépend de la façon dont la masse est répartie en son sein. En effet, un intérieur plus rigide se déformera moins qu’un intérieur plus souple.

Grâce à leur modèle informatique sophistiqué, les chercheurs ont produit la carte gravitationnelle lunaire la plus détaillée à ce jour. Une cartographie extrêmement précise de la gravité lunaire qui, soit dit en passant, est non seulement utile pour ce type d'études scientifiques, mais constitue également un outil précieux pour les futures missions spatiales .

Cette réalisation a été rendue possible grâce à une analyse exhaustive des données collectées par la mission GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) de la NASA. Les deux sondes spatiales jumelles de la mission, baptisées Ebb et Flow, ont orbité autour de la Lune de décembre 2011 à décembre 2012, mesurant les minuscules variations de son champ gravitationnel avec une précision étonnante.

L’une des conclusions les plus intrigantes de cette étude porte sur les différences entre la face visible de la Lune (celle qu’elle nous montre toujours) et sa face cachée. Alors que le premier est dominé par de vastes plaines sombres, connues sous le nom de « mers lunaires », et constituées de roches en fusion qui se sont refroidies et solidifiées il y a des milliards d'années, l'autre côté est beaucoup plus montagneux et accidenté, avec peu de « mers ».

Certaines théories suggèrent que la cause de ces disparités pourrait être un volcanisme intense sur la face visible. Le processus aurait provoqué l’accumulation d’éléments radioactifs, générateurs de chaleur, dans les profondeurs du manteau. C'est ce que confirme la nouvelle étude, s'imposant ainsi comme la preuve la plus solide à ce jour de cette hypothèse.

« Nous avons découvert que la face visible de la Lune fléchit davantage que la face cachée », explique Ryan Park du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, responsable des deux études, « ce qui signifie qu'il y a quelque chose de fondamentalement différent dans la structure interne des deux faces. » Lorsque nous avons analysé les données pour la première fois, les résultats étaient si surprenants que nous ne pouvions pas y croire. Nous avons donc répété les calculs plusieurs fois pour vérifier les résultats. Au total, cela représente une décennie de travail.

En comparant leurs résultats avec d’autres modèles existants, l’équipe de Park a découvert une différence faible mais significative dans la quantité de déformation entre les deux hémisphères lunaires. L’explication la plus probable est que la face visible est constituée de matériaux provenant d’une région plus chaude du manteau. Ce qui constitue en outre une preuve solide de l’activité volcanique qui a façonné la surface de la face visible il y a entre 2 et 3 milliards d’années.

Dans la deuxième étude, publiée dans Nature Astronomy , les chercheurs ont appliqué une technique similaire pour analyser les propriétés de rotation de Vesta , un corps céleste beaucoup plus petit que la Lune. En utilisant des données radiométriques du Deep Space Network de la NASA et des images de la sonde Dawn, qui a orbité autour de l'astéroïde entre juillet 2011 et septembre 2012, l'équipe a découvert quelque chose de surprenant sur sa structure interne.

Jusqu’à présent, la théorie dominante suggérait que Vesta, comme les planètes telluriques comme la nôtre, devrait avoir des couches internes bien définies : une croûte rocheuse, un manteau et un noyau de fer dense. Cependant, les nouvelles découvertes ont montré que l'intérieur de Vesta pourrait être beaucoup plus uniforme , avec très peu ou même pas de noyau de fer.

Pour comprendre comment cette conclusion a été atteinte, il est nécessaire de comprendre le concept de « moment d’inertie ». Imaginez une patineuse qui tourne avec les bras tendus. Si vous les ramassez jusqu'à ce qu'ils collent à votre corps, votre vitesse de rotation augmente. C'est parce que son moment d'inertie diminue à mesure que la masse (les bras) se rapproche de son axe de rotation. De même, en mesurant la façon dont Vesta « vacille » lorsqu’elle tourne, les scientifiques peuvent déterminer son moment d’inertie, une propriété très sensible à la distribution de la masse en son sein. Un faible moment d’inertie indiquerait une concentration de masse vers le centre, tandis qu’un moment d’inertie élevé suggérerait une distribution plus uniforme.

Les mesures effectuées par l'équipe de Park ont ​​révélé que Vesta correspond à la deuxième possibilité, indiquant une distribution de masse plus homogène et un noyau dense très petit, voire absent. Cette découverte remet en question les théories précédentes sur la formation de Vesta .

La gravité fait généralement que les éléments les plus lourds s'enfoncent vers le centre d'un corps planétaire au fil du temps, comme cela s'est produit, par exemple, avec le noyau de fer liquide de la Terre. La structure plus homogène de Vesta pourrait indiquer qu'elle n'a jamais formé de couches distinctes ou qu'elle a été formée à partir de fragments d'un autre corps planétaire suite à un impact massif.

Il est important de noter que cette approche consistant à utiliser les données de gravité pour déduire la structure interne des corps célestes n’est pas propre à la Lune et à Vesta. En 2016, Ryan Park lui-même a appliqué la même technique aux données de la mission Dawn pour étudier Cérès, la planète naine également située dans la ceinture d'astéroïdes. Les résultats de cette étude suggèrent un intérieur partiellement différencié pour Cérès.

Plus récemment, Park et son équipe ont étendu cette méthodologie à Io, la lune volcanique de Jupiter. En utilisant les données collectées par les sondes spatiales Juno et Galileo de la NASA lors de leurs survols de Jupiter, et en les combinant avec des observations au sol, les scientifiques ont mesuré des changements subtils dans la gravité d'Io alors qu'elle orbite autour de Jupiter, une planète massive qui exerce une puissante attraction de marée. Leurs résultats ont révélé qu’il est peu probable qu’Io abrite un océan de magma global, une hypothèse qui avait été envisagée auparavant.

« Notre technique », explique Park, « ne se limite pas à Io, Cérès, Vesta ou la Lune. De nombreuses possibilités s'offrent à nous pour l'appliquer à l'étude de l'intérieur de corps planétaires fascinants à travers le système solaire. »