Bien que la lune soit dépourvue d’air respirable, elle possède une atmosphère à peine perceptible. Depuis les années 1980, les astronomes ont observé une très fine couche d’atomes rebondissant sur la surface de la lune Cette atmosphère délicate – techniquement connue sous le nom d'”exosphère” – est probablement le produit d’un certain type d’altération de l’espace Mais il a été difficile de déterminer avec certitude la nature exacte de ces processus
Aujourd’hui, des scientifiques du MIT et de l’université de Chicago affirment avoir identifié le principal processus qui a formé l’atmosphère de la lune et qui continue à la maintenir aujourd’hui Dans une étude publiée dans Science Advances, l’équipe indique que l’atmosphère lunaire est principalement le produit de la “vaporisation par impact”.
Pour leur étude, les chercheurs ont analysé des échantillons de sol lunaire prélevés par les astronautes lors des missions Apollo de la NASA Leur analyse suggère qu’au cours des 4,5 milliards d’années d’histoire de la lune, sa surface a été continuellement bombardée, d’abord par des météorites massives, puis, plus récemment, par des “micrométéorites” plus petites, de la taille d’une poussière. Ces impacts constants ont soulevé le sol lunaire, vaporisant certains atomes au contact et projetant les particules dans l’air Certains atomes sont éjectés dans l’espace, tandis que d’autres restent en suspension au-dessus de la lune, formant une atmosphère ténue qui se renouvelle constamment au fur et à mesure que les météorites continuent de frapper la surface
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Les chercheurs ont découvert que la vaporisation par impact est le principal processus par lequel la lune a généré et maintenu son atmosphère extrêmement ténue pendant des milliards d’années
“Nous apportons une réponse définitive au fait que la vaporisation des impacts de météorites est le processus dominant qui crée l’atmosphère lunaire”, déclare l’auteur principal de l’étude, Nicole Nie, professeur adjoint au département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT “La lune est âgée de près de 4,5 milliards d’années et, pendant tout ce temps, sa surface a été continuellement bombardée par des météorites Nous montrons qu’une atmosphère fine finit par atteindre un état stable parce qu’elle est continuellement réapprovisionnée par de petits impacts sur toute la lune.
Les coauteurs de Nie sont Nicolas Dauphas, Zhe Zhang et Timo Hopp de l’université de Chicago, et Menelaos Sarantos du Goddard Space Flight Center de la NASA.
Le rôle de l’altération
En 2013, la NASA a envoyé un orbiteur autour de la Lune pour effectuer une reconnaissance atmosphérique détaillée. Le Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, prononcé “laddie”) a été chargé de recueillir à distance des informations sur l’atmosphère ténue de la lune, les conditions de surface et toute influence environnementale sur la poussière lunaire
La mission de LADEE visait à déterminer les origines de l’atmosphère lunaire Les scientifiques espéraient que les mesures à distance de la composition du sol et de l’atmosphère effectuées par la sonde pourraient être corrélées avec certains processus d’altération de l’espace qui pourraient alors expliquer comment l’atmosphère de la lune s’est formée
Les chercheurs pensent que deux processus d’altération de l’espace jouent un rôle dans la formation de l’atmosphère lunaire : la vaporisation par impact et la “pulvérisation ionique”, un phénomène impliquant le vent solaire, qui transporte dans l’espace des particules chargées d’énergie en provenance du soleil Lorsque ces particules frappent la surface de la lune, elles peuvent transférer leur énergie aux atomes du sol et les envoyer dans l’air.
“D’après les données de LADEE, il semble que les deux processus jouent un rôle”, explique M. Nie “Par exemple, les données montrent que lors des pluies de météorites, il y a plus d’atomes dans l’atmosphère, ce qui signifie que les impacts ont un effet Mais l’étude a également montré que lorsque la lune est protégée du soleil, comme lors d’une éclipse, les atomes de l’atmosphère se modifient également, ce qui signifie que le soleil a aussi un impact Les résultats n’étaient donc ni clairs ni quantitatifs.
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Des réponses dans le soi
Pour déterminer plus précisément les origines de l’atmosphère lunaire, Mme Nie s’est penchée sur les échantillons de sol lunaire prélevés par les astronautes lors des missions Apollo de la NASA Avec ses collègues de l’université de Chicago, elle s’est procuré dix échantillons de sol lunaire, chacun mesurant environ 100 milligrammes – une quantité minuscule qui, selon ses estimations, tiendrait dans une seule goutte de pluie
Nie a d’abord cherché à isoler deux éléments de chaque échantillon : le potassium et le rubidium Ces deux éléments sont “volatils”, ce qui signifie qu’ils sont facilement vaporisés par les impacts et la pulvérisation d’ions Chaque élément existe sous la forme de plusieurs isotopes Un isotope est une variante d’un même élément, qui comporte le même nombre de protons mais un nombre légèrement différent de neutrons Par exemple, le potassium peut exister sous la forme de trois isotopes, chacun ayant un neutron de plus et étant légèrement plus lourd que le précédent De même, il existe deux isotopes du rubidium
L’équipe s’est dit que si l’atmosphère de la lune était constituée d’atomes vaporisés et suspendus dans l’air, les isotopes les plus légers de ces atomes devraient être plus facilement transportés, tandis que les isotopes les plus lourds auraient plus de chances de se fixer dans le sol En outre, les scientifiques prévoient que la vaporisation par impact et la pulvérisation ionique devraient donner lieu à des proportions isotopiques très différentes dans le sol Le rapport spécifique entre les isotopes légers et lourds qui restent dans le sol, tant pour le potassium que pour le rubidium, devrait alors révéler le principal processus contribuant aux origines de l’atmosphère lunaire
Dans cette optique, Nie a analysé les échantillons Apollo en commençant par broyer les sols en une fine poudre, puis en dissolvant les poudres dans des acides pour purifier et isoler les solutions contenant du potassium et du rubidium Elle a ensuite passé ces solutions dans un spectromètre de masse afin de mesurer les différents isotopes de potassium et de rubidium présents dans chaque échantillon
Au final, l’équipe a constaté que les sols contenaient principalement des isotopes lourds de potassium et de rubidium Les chercheurs ont pu quantifier le rapport entre les isotopes lourds et légers du potassium et du rubidium et, en comparant les deux éléments, ils ont découvert que la vaporisation par impact était très probablement le processus dominant par lequel les atomes sont vaporisés et soulevés pour former l’atmosphère de la lune.
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“Avec la vaporisation par impact, la plupart des atomes restent dans l’atmosphère lunaire, alors qu’avec la pulvérisation ionique, beaucoup d’atomes sont éjectés dans l’espace”, explique M. Nie “Notre étude nous permet de quantifier le rôle des deux processus et de dire que la contribution relative de la vaporisation par impact par rapport à la pulvérisation ionique est d’environ 70:30 ou plus. En d’autres termes, 70 % ou plus de l’atmosphère lunaire est le produit d’impacts météoritiques, tandis que les 30 % restants sont la conséquence du vent solaire.
“La découverte d’un effet aussi subtil est remarquable, grâce à l’idée novatrice de combiner les mesures des isotopes de potassium et de rubidium avec une modélisation quantitative minutieuse”, déclare Justin Hu, un post-doctorant qui étudie les sols lunaires à l’université de Cambridge, et qui n’a pas participé à l’étude “Cette découverte va au-delà de la compréhension de l’histoire de la lune, car de tels processus pourraient se produire et être plus importants sur d’autres lunes et astéroïdes, qui font l’objet de nombreuses missions de retour planifiées.
“Sans ces échantillons Apollo, nous ne serions pas en mesure d’obtenir des données précises et de faire des mesures quantitatives pour comprendre les choses plus en détail”, ajoute M. Nie “Il est important que nous ramenions des échantillons de la Lune et d’autres corps planétaires, afin que nous puissions nous faire une idée plus précise de la formation et de l’évolution du système solaire.
Ces travaux ont été financés en partie par la NASA et la National Science Foundation.
