La Lune a-t-elle déjà eu un champ magnétique puissant ? Voici ce que nous dit la géophysique moderne


La Terre environnante est un puissant champ magnétique créé par le fer liquide tourbillonnant dans le noyau de la planète. Le champ magnétique de la Terre est peut-être presque aussi vieux que la Terre elle-même – et contraste fortement avec la Lune, qui manque totalement de champ magnétique aujourd’hui.

Mais le noyau de la Lune a-t-il généré un champ magnétique dans le passé ?

Dans les années 1980, des géophysiciens étudiant les roches rapportées par les astronautes d’Apollo ont conclu que la Lune avait autrefois un champ magnétique aussi puissant que celui de la Terre. Mais un champ magnétique robuste nécessite une source d’alimentation, et le noyau de la Lune est relativement petit. Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour résoudre cette énigme : comment un si petit noyau pourrait-il créer un champ magnétique puissant ?

Je suis professeur de géophysique et j’étudie le champ magnétique terrestre depuis plus de 30 ans. J’ai récemment réuni une équipe pour utiliser de nouvelles techniques scientifiques afin de réexaminer les preuves de la magnétisation lunaire. Nous avons découvert que la Lune n’avait en fait pas de champ magnétique à longue durée de vie. Non seulement cette découverte modifie la compréhension moderne de l’histoire géologique de la Lune, mais elle a également des implications majeures pour la présence de ressources sur la Lune qui pourraient être essentielles à l’exploration humaine future.

Un diagramme montrant des découpes de la Terre et de la Lune avec la Lune ayant un noyau beaucoup plus petit par rapport à sa taille.
Par rapport à la Terre, la Lune a un petit noyau, et il n’est pas évident qu’elle ait pu créer un champ magnétique puissant. Image via Rory Cottrell/U. Rochester, CC BY-ND

Pourquoi une Lune magnétique ?

Certaines roches ont la capacité extraordinaire de conserver les enregistrements des champs magnétiques passés lorsqu’elles contiennent des minéraux avec des atomes de fer qui s’alignent sur un champ magnétique lorsque la roche se refroidit et se solidifie. Les meilleurs minéraux magnétiques pour préserver les preuves d’un champ
sont minuscules – mille fois plus petites que la largeur d’un cheveu humain – car il faut beaucoup d’énergie pour réarranger leurs atomes.

Les géophysiciens qui étudient le magnétisme ancien recréent ce processus, en réchauffant des échantillons de roche en présence de champs magnétiques connus et en comparant le nouvel alignement des atomes de fer avec l’orientation des atomes de fer avant que la roche ne soit réchauffée. Cela permet aux chercheurs d’en apprendre davantage sur les champs magnétiques passés.

Les premiers chercheurs étudiant les premières roches rapportées de la Lune par les astronautes américains voulaient utiliser cette méthode pour étudier le magnétisme de la Lune. Mais ils ont rencontré des problèmes. Les roches lunaires contiennent un certain type de fer – appelé fer natif – qui est facilement altéré par la chaleur. De plus, les grains de fer natifs dans les roches lunaires sont parfois relativement gros, ce qui les rend moins susceptibles d’enregistrer de manière fiable les champs magnétiques passés.

À partir des années 1970, les géophysiciens ont utilisé des méthodes alternatives non chauffantes pour étudier le magnétisme de la Lune. Ils ont découvert que certains échantillons lunaires avaient enregistré de forts champs magnétiques, suggérant que la Lune avait un champ magnétique pendant plus de 2 milliards d’années.

Mais ce résultat n’a fait qu’approfondir l’énigme. La question de savoir comment le noyau de la Lune pourrait produire un champ magnétique puissant restait sans réponse.

Une roche mouchetée de bleu, de blanc et de noir dans un plat blanc.
Les échantillons de la Lune, comme ce basalte lunaire, sont un mélange complexe de nombreux minéraux, et seuls certains peuvent enregistrer les signaux des champs magnétiques passés. La barre d’échelle blanche mesure 1 mm. Image via Kristin Lawrence, CC BY-ND

Une théorie alternative

Dans les expériences, certains échantillons d’Apollo ont montré des signes de forts champs magnétiques, mais pas d’autres. Certains chercheurs ont attribué la magnétisation manquante à la présence de gros grains de fer natif qui étaient de mauvais enregistreurs magnétiques. Mais de nombreux échantillons contenaient également de petits grains de fer qui auraient dû enregistrer un champ.

Il existe depuis longtemps des doutes sur les techniques sans chauffage utilisées par les chercheurs sur les échantillons d’Apollo. Certains scientifiques les ont qualifiées de méthodes de « dernier recours » et concluent que les incertitudes dans les données recueillies de cette manière étaient si importantes que toute interprétation doit être considérée comme une spéculation.

Alternativement, un autre groupe de scientifiques a suggéré pendant des décennies que lorsque des météorites frappent la Lune, elles créent un plasma poussiéreux – un gaz d’ions et d’électrons – qui pourrait générer un champ magnétique puissant et magnétiser les roches lunaires près de la zone d’impact.

En 2008, la géophysicienne Kristin Lawrence a décidé de revisiter la question de l’aimantation lunaire en utilisant une technique de réchauffage améliorée. Contrairement aux chercheurs qui ont initialement étudié les échantillons, elle n’a pu détecter aucune preuve définitive d’un champ magnétique passé. L’approche utilisée par Lawrence et son équipe était meilleure que les tests sans chauffage, mais ses résultats n’étaient toujours pas concluants. Elle sentit qu’elle était sur quelque chose, cependant, et c’est à ce moment-là qu’elle s’est tournée vers moi et mon laboratoire pour obtenir de l’aide.

Une petite tache verte à l'intérieur d'un cube transparent assis sur un support devant la buse d'un instrument scientifique.
En utilisant une nouvelle technique, les chercheurs ont pu isoler et tester de minuscules échantillons – comme la pièce vue ici montée à l’intérieur d’un cube de quartz – pour des preuves magnétiques. Image via Adam Fenster/U. Rochester, CC BY-ND

En 2011, Lawrence nous a apporté une collection d’échantillons lunaires à tester. Nous avions développé des techniques pour identifier des cristaux de silicate individuels de taille millimétrique qui ne contiennent que de très petits grains de fer et ont des propriétés d’enregistrement idéales. Nous avons ensuite utilisé un magnétomètre supraconducteur ultrasensible et un laser spécial au dioxyde de carbone pour chauffer rapidement ces échantillons de manière à éviter d’altérer leurs minéraux de fer. Nous avons constaté que presque toutes les roches avaient des signaux magnétiques profondément faibles.

Au moment de ce premier test nous étions encore en train d’améliorer la méthode, nous ne pouvions donc pas dire avec certitude si les échantillons s’étaient formés sur une Lune sans champ magnétique. Mais nous avons amélioré nos méthodes de test et l’année dernière, nous avons décidé de revoir les échantillons d’Apollo.

Nous avons définitivement découvert que certains des échantillons contenaient effectivement des minéraux magnétiques capables de préserver les signaux haute fidélité des anciens champs magnétiques. Mais les rochers n’avaient enregistré aucun de ces signaux. Cela suggère que la Lune n’a pas eu de champ magnétique pendant presque toute son histoire.

Alors, qu’est-ce qui explique les découvertes précédentes d’une Lune magnétique ? La réponse se trouvait dans l’un des échantillons : un petit morceau de verre sombre contenant de minuscules particules de fer-nickel.

Un petit rocher vert foncé vu au microscope.
Ce petit morceau de verre lunaire a été formé et magnétisé par un impact de météorite et pourrait expliquer les fortes lectures magnétiques du passé. Image via Rory Cottrell/U. Rochester, CC BY-ND

Le verre a été fabriqué par un impact de météorite et a montré des preuves claires d’un fort champ magnétique. Mais il s’est formé il y a seulement 2 millions d’années environ. Presque tous les géophysiciens s’accordent à dire que la Lune n’avait pas de champ magnétique à cette époque, car après 4,5 milliards d’années de refroidissement, il ne restait plus assez de chaleur pour alimenter le barattage du fer dans le noyau de la Lune afin de générer un champ. La signature magnétique du verre correspondait à des simulations de champs magnétiques pouvant être générés par des impacts de météores. Cela a montré que les impacts de météorites à eux seuls peuvent créer de puissants champs magnétiques qui magnétisent les roches à proximité. Cela pourrait expliquer les valeurs élevées précédemment signalées pour certaines roches Apollo.

Ensemble, je pense que ces découvertes résolvent le mystère d’une Lune apparemment magnétique.

Un diagramme montrant des lignes de rayonnement solaire déviées par le champ magnétique terrestre mais frappant la Lune.
Le bouclier magnétique de la Terre bloque le vent solaire, tandis que l’absence de champ magnétique sur la Lune permet au vent solaire de frapper directement sa surface et de déposer des éléments. Image via Michael Osadciw/U. Rochester, CC BY-ND

Blindage magnétique et ressources lunaires

Cette nouvelle vision du magnétisme lunaire a d’énormes implications pour la présence potentielle de ressources précieuses ainsi que des informations sur l’ancien Soleil et la Terre qui pourraient être enfouies dans les sols lunaires.

Les champs magnétiques agissent comme des boucliers qui empêchent les particules solaires d’atteindre une planète ou une lune. Sans champ magnétique, le vent solaire peut frapper directement la surface de la Lune et implanter des éléments comme l’hélium-3 et l’hydrogène dans le sol.

L’hélium-3 a de nombreuses applications, mais surtout, il pourrait être une source de combustible pour la fusion nucléaire et l’exploration planétaire future. La valeur de l’hydrogène vient du fait qu’il peut se combiner avec l’oxygène pour former de l’eau, une autre ressource cruciale dans l’espace.

Étant donné que la Lune n’avait pas de champ magnétique à longue durée de vie, ces éléments auraient pu s’accumuler dans les sols pendant des milliards d’années de plus qu’on ne le pensait auparavant.

Il y a aussi une valeur scientifique. Des éléments incrustés par le vent solaire pourraient faire la lumière sur l’évolution du Soleil. Et lorsque la Lune traverse le champ magnétique terrestre, des éléments de l’atmosphère terrestre peuvent se déposer sur la surface lunaire, et ceux-ci peuvent contenir des indices sur la Terre la plus ancienne.

L’absence d’un champ magnétique de longue durée sur la Lune pourrait être une perte pour certains, mais je pense que cela pourrait débloquer une aubaine scientifique et une précieuse réserve de ressources potentielles.

Cet article de John Tarduno, professeur de géophysique, Université de Rochester, est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.



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