Un volcanisme violent pourrait signifier que la Lune est beaucoup plus vieille qu’on ne le pensait auparavant

Après sa formation, la Lune a peut-être été le théâtre d’une activité volcanique si immense que toute sa croûte a fondu à plusieurs reprises et a été complètement bouleversée. À cette époque, la Lune tournait beaucoup plus près de la Terre qu’aujourd’hui. Les forces de marée qui en ont résulté ont réchauffé son intérieur et ont ainsi alimenté le violent volcanisme. Seule la lune Io de Jupiter, de loin le corps volcanique le plus actif du système solaire, offre des conditions comparables.

Ces nouvelles considérations publiées aujourd’hui dans la revue Nature par une équipe internationale de chercheurs de l’Université de Californie à Santa Cruz, de l’Institut Max Planck de recherche sur le système solaire (MPS) et du Collège de France résolvent les contradictions et incohérences antérieures concernant l’âge de la Lune. Selon les chercheurs, la Lune s’est formée il y a entre 4,43 et 4,51 milliards d’années. Sa croûte semble cependant plus jeune d’environ 80 à 160 millions d’années.

La Lune hésite apparemment à révéler son âge. Les tentatives visant à découvrir son secret ont abouti à des estimations espacées de plusieurs centaines de millions d’années : alors que certains chercheurs suggèrent que notre compagnon cosmique s’est formé il y a 4,35 milliards d’années, d’autres datent sa naissance d’il y a 4,51 milliards d’années.

L’une des incohérences les plus frappantes est de nature pierreuse : presque tous les échantillons de roches lunaires indiquent un âge plus jeune. Mais quelques rares cristaux de silicate de zirconium, appelés zircons, sont nettement plus anciens. Comment est-ce possible ? Dans la présente étude, les chercheurs parviennent à résoudre cette contradiction. Selon leurs calculs, la croûte lunaire a en grande partie fondu à nouveau après sa formation ; seuls quelques zircons ont pu résister sans changement à ces conditions extrêmes.

Une collision et ses conséquences

L’histoire de la Lune commence par une collision massive. Au début du système solaire, un morceau de la taille de Mars s’est écrasé sur la Terre encore jeune. La collision a généré tellement de chaleur que notre planète a complètement fondu et a projeté une énorme quantité de matière dans l’espace. Peu à peu, ces matériaux se sont regroupés pour former la Lune, initialement recouverte par un immense océan de roches liquides et chaudes. Au cours des millions d’années qui ont suivi, le corps nouvellement formé s’est refroidi et s’est éloigné de plus en plus de la Terre jusqu’à atteindre son orbite actuelle à une distance d’environ 384 400 kilomètres.

“Nous sommes particulièrement intéressés par la phase où la distance entre la Terre et la Lune était d’environ un tiers de la distance actuelle”, explique Francis Nimmo de l’Université de Californie à Santa Cruz, premier auteur de la nouvelle étude.

À cette époque, divers changements se produisaient dans la position et la forme de l’orbite de la Lune. Entre autres choses, elle est devenue plus elliptique, de sorte que la vitesse de la Lune et sa distance à la Terre variaient sensiblement au sein de chaque orbite. Les forces agissant ainsi « se sont propagées » à l’intérieur de la Lune à tel point qu’elle s’est réchauffée.

Une situation similaire est encore connue aujourd’hui pour la lune Io de Jupiter, qui se déplace également autour de la géante gazeuse sur une orbite légèrement elliptique. Les énormes forces de marée de Jupiter font de la petite lune le corps volcanique le plus actif du système solaire. La première lune de la Terre correspondait probablement même à Io.

Comme le montrent les calculs des chercheurs, le flux de chaleur provenant de l’intérieur de la Lune était suffisant pour fondre et traverser tout le manteau. Alors qu’à aucun moment au cours de cette phase un océan de magma n’a recouvert la totalité de la Lune, au cours de plusieurs millions d’années, la chaleur de l’intérieur a progressivement atteint chaque partie de la surface, liquéfiant la majeure partie de la roche crustale, peut-être même à plusieurs reprises. À certains endroits, la lave chaude a pénétré jusqu’à la surface, à d’autres, le magma a été injecté sous la surface, réchauffant les roches qui l’entouraient.

Réinitialiser l’horloge géologique

Cette histoire volcanique est déterminante pour déterminer l’âge de la roche crustale. Depuis leur formation, les roches lunaires (comme les roches terrestres) contiennent des isotopes radioactifs. Les isotopes sont des variations de certains atomes qui diffèrent uniquement par le nombre de neutrons dans le noyau atomique.

Comme les temps de désintégration des isotopes sont connus, il est possible de déduire l’âge de la roche à partir de leur concentration actuelle. Le facteur décisif : tant que la roche est chaude, elle peut échanger des isotopes avec son environnement. En refroidissant, il verrouille sa composition. Les isotopes radioactifs piégés commencent à se désintégrer et l’horloge géologique commence à tourner.

“Le fort volcanisme a probablement réinitialisé l’horloge géologique de la lune”, explique Thorsten Kleine, directeur du MPS et co-auteur de l’étude. “Les échantillons de roches lunaires ne révèlent donc pas leur âge d’origine, mais seulement la dernière fois qu’elles ont été fortement chauffées”, ajoute-t-il.

Seuls quelques zircons résistants à la chaleur témoignent d’un passé plus lointain, montrent les chercheurs dans leurs calculs. Dans certains endroits où la lave n’a pas atteint la surface, les grains de zircon sont restés froids afin que leur horloge interne ne soit pas affectée.

“Les échantillons de roches lunaires nous racontent toute l’histoire turbulente de la Lune. Ils nous parlent de sa formation et de son volcanisme violent ultérieur. Jusqu’à présent, nous n’avions tout simplement pas lu correctement ces indices”, explique Kleine. Selon les résultats des chercheurs, la Lune elle-même aurait entre 4,43 et 4,51 milliards d’années. Le violent volcanisme a façonné sa croûte il y a environ 4,35 milliards d’années.

La solution à l’énigme

Les nouvelles découvertes résolvent également de nombreuses autres contradictions qui intriguaient auparavant les scientifiques. Par exemple, le nombre relativement restreint de cratères sur la Lune plaide en faveur de son âge avancé. Depuis si longtemps, notre voisin cosmique aurait dû subir davantage d’impacts. Le volcanisme offre désormais une explication. “La lave provenant de l’intérieur de la Lune aurait pu remplir les premiers bassins d’impact et les rendre ainsi méconnaissables”, explique le co-auteur Alessandro Morbidelli du Collège de France.

La composition du manteau lunaire a posé une autre énigme aux chercheurs. Il s’agit de la couche de roche située directement sous la croûte lunaire. Sa liste d’ingrédients diffère de celle de la Terre sur des points essentiels. Cependant, si l’intérieur de la Lune avait fondu une seconde fois, certaines substances auraient pu s’échapper du manteau vers le noyau de fer situé en dessous.

“Les nouveaux résultats signifient que toutes les pièces du puzzle qui auparavant ne s’assemblaient pas forment désormais une image globale cohérente de la formation de la lune”, explique Kleine.