Les scientifiques identifient les origines de l’atmosphère fragile de la Lune

Bien que la Lune ne contienne pas d’air respirable, elle abrite une atmosphère quasi inexistante. Depuis les années 1980, les astronomes ont observé une très fine couche d’atomes rebondissant sur la surface de la Lune. Cette atmosphère délicate, connue techniquement sous le nom d’« exosphère », est probablement le produit d’une sorte d’altération spatiale. Mais il est difficile de déterminer avec certitude en quoi consiste exactement ce processus.

Des scientifiques du MIT et de l’Université de Chicago affirment avoir identifié le processus principal qui a formé l’atmosphère de la Lune et qui continue de la maintenir aujourd’hui. Dans une étude publiée dans Progrès scientifiquesle Rapports d’équipe que l’atmosphère lunaire est principalement le produit de la « vaporisation par impact ».

Dans leur étude, les chercheurs ont analysé des échantillons de sol lunaire collectés 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 « micrométéoroïdes » plus petits, de la taille d’une poussière.

Ces impacts constants ont soulevé le sol lunaire, vaporisant certains atomes à leur contact et projetant les particules dans l’air. Certains atomes sont éjectés dans l’espace, tandis que d’autres restent suspendus au-dessus de la Lune, formant une atmosphère ténue qui se renouvelle constamment à mesure que les météorites continuent de frapper la surface.

Les chercheurs ont découvert que la vaporisation par impact est le principal processus par lequel la Lune a généré et maintenu son atmosphère extrêmement mince pendant des milliards d’années.

« Nous donnons une réponse définitive : la vaporisation par impact de météorite est le processus dominant qui crée l’atmosphère lunaire », explique 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 a près de 4,5 milliards d’années et, depuis, sa surface est continuellement bombardée de météorites. Nous démontrons qu’à terme, une atmosphère ténue atteint un état stable car elle est continuellement renouvelée par de petits impacts partout sur la Lune. »

Les co-auteurs 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.

Les rôles de Weathering

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 la faible épaisseur de l’atmosphère lunaire, les conditions de surface et toute influence environnementale sur la poussière lunaire.

La mission de LADEE avait pour objectif de 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 établir une corrélation avec certains processus d’altération spatiale qui pourraient alors expliquer la formation de l’atmosphère lunaire.

Les chercheurs soupçonnent que deux processus d’érosion spatiale 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 des particules chargées énergétiquement du soleil à travers l’espace. Lorsque ces particules frappent la surface de la lune, elles peuvent transférer leur énergie aux atomes du sol et envoyer ces atomes gicler et voler dans l’air.

« D’après les données de LADEE, il semble que les deux processus jouent un rôle », explique Nie.

« Par exemple, les résultats ont montré que lors des pluies de météorites, on observe davantage d’atomes dans l’atmosphère, ce qui signifie que les impacts ont un effet. Mais ils ont également montré que lorsque la Lune est protégée du Soleil, comme lors d’une éclipse, il y a également des changements dans les atomes de l’atmosphère, ce qui signifie que le Soleil a également un impact. Les résultats n’étaient donc pas clairs ni quantitatifs. »

Des réponses dans le sol

Pour déterminer plus précisément l’origine de l’atmosphère lunaire, Nie a étudié des échantillons de sol lunaire collectés par les astronautes au cours des missions Apollo de la NASA. Elle et ses collègues de l’Université de Chicago ont recueilli 10 échantillons de sol lunaire, chacun pesant environ 100 milligrammes, une quantité minuscule qui, selon elle, pourrait tenir 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 », c’est-à-dire qu’ils sont facilement vaporisés par les impacts et la pulvérisation ionique.

Chaque élément existe sous la forme de plusieurs isotopes. Un isotope est une variante du même élément qui contient 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 contenant un neutron de plus et étant légèrement plus lourd que le précédent. De même, il existe deux isotopes du rubidium.

L’équipe a estimé que si l’atmosphère de la lune est constituée d’atomes qui ont été vaporisés et suspendus dans l’air, les isotopes plus légers de ces atomes devraient être plus facilement soulevés, tandis que les isotopes plus lourds seraient plus susceptibles de se déposer dans le sol.

De plus, les scientifiques prévoient que la vaporisation par impact et la pulvérisation ionique devraient entraîner des proportions isotopiques très différentes dans le sol. Le rapport spécifique des isotopes légers et lourds qui restent dans le sol, tant pour le potassium que pour le rubidium, devrait alors révéler le principal processus contribuant à l’origine de l’atmosphère lunaire.

Avec tout cela à l’esprit, Nie a analysé les échantillons d’Apollo en broyant d’abord 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 fait passer ces solutions dans un spectromètre de masse pour mesurer les différents isotopes de potassium et de rubidium dans chaque échantillon.

L’équipe a découvert 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.

« Avec la vaporisation par impact, la plupart des atomes resteraient dans l’atmosphère lunaire, alors qu’avec la pulvérisation ionique, de nombreux atomes seraient éjectés dans l’espace », explique Nie.

« Grâce à notre étude, nous pouvons désormais quantifier le rôle des deux processus, et 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 de la Lune est le produit d’impacts de météorites, tandis que les 30 % restants sont une conséquence du vent solaire.

« La découverte d’un effet aussi subtil est remarquable, grâce à l’idée innovante de combiner des mesures isotopiques de potassium et de rubidium avec une modélisation quantitative minutieuse », explique Justin Hu, un postdoctorant qui étudie les sols lunaires à l’Université de Cambridge, 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 significatifs sur d’autres lunes et astéroïdes, qui sont au centre de nombreuses missions de retour prévues. »

« Sans ces échantillons d’Apollo, nous ne pourrions pas obtenir de données précises ni effectuer de mesures quantitatives pour comprendre les choses plus en détail », explique Nie. « Il est important pour nous de rapporter des échantillons de la Lune et d’autres corps planétaires, afin de pouvoir dresser un tableau plus précis de la formation et de l’évolution du système solaire. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.