La formation de la surface lunaire

Au début de la formation du système solaire, alors que la Terre était une sphère de magma en fusion, un astre de la taille de Mars a percuté notre planète sous un angle tel que l’impact arracha une part conséquente du manteau terrestre. Notre planète était alors déjà différenciée, ce qui, en termes de planétologie signifie que les éléments les plus lourds, tels les métaux, s’étaient enfoncés et concentrés au centre de la planète. Ainsi donc, le matériel arraché par l’impact était pour l’essentiel composé de roches. Ce modèle a ceci de séduisant qu’il explique bien la différence de densité entre notre planète et son satellite, et du déficit de métaux dans la composition chimique de la Lune.

La violence du choc suffit à repousser une partie de ces éjectats assez loin pour qu’ils ne retombent pas sur la Terre. Ainsi mis en orbite, ils se sont à nouveau agglomérés par accrétion pour former une planétésimale, sorte de gros embryon de Lune.

Selon une étude récente, ce phénomène de «recollage» n’aurait nécessité qu’un temps très court, de l’ordre d’une année, un flash à l’échelle du temps astronomique.

Dès sa formation, la Lune subit, tout comme les autres planètes, d’incessants impacts de comètes, astéroïdes et autres météorites brassés par la dynamique étourdissante des débuts du jeune système solaire. L’apothéose finale de cette période chaotique, liée à la formation des planètes géantes et de Jupiter en particulier, a reçu le nom de Grand Bombardement. C’est lors de ces événements que les planètes acquirent une part importante de leur masse actuelle. Mais aussi que les grandes mers lunaires se sont formées.

La Lune, on le sait, n’a pas d’atmosphère. Les deux facteurs les plus importants d’érosion, le vent et l’eau, n’en modifient donc pas la surface, comme ils le font sur Terre. De plus, la Lune est un astre pratiquement mort. Les quelques séismes qu’on y mesure, ne semblent dus qu’au refroidissement interne des couches proches du cœur Depuis plus de deux milliards d’années, l’activité radioactive naturelle a cessé. Tout au plus, quelques observateurs assidus signalent de temps à autre, une légère modification de teinte dans certains cratères, signe selon eux, d’une évacuation de poches de gaz enfermés dans le manteau de roches.

La seule érosion qui altère la surface lunaire provient du vent solaire incessant frappant la Lune que nul bouclier protecteur ne protège des rayons radioactifs.

Ces derniers effritent les roches en surface. Une couche poussiéreuse d’une épaisseur moyenne d’un mètre s’est ainsi formée au fil des millions d’années. Cette matière, que les astronomes ont baptisée régolite, fut une des grandes découvertes des pionniers d’Apollo 11. Nul n’a oublié la fameuse trace du premier pas d’Armstrong, imprimée pour une quasi éternité sur ce sable imprévu.

La situation sur Terre est très différente, puisque tout concourt à ce que la surface de notre planète perde sa mémoire. L’action érosive de l’eau et des vents, une activité géologique encore intense, dont les signes les plus évidents sont le volcanisme, remodèlent sans cesse le paysage de notre planète. La tectonique des plaques induit la dérive des continents qu’attestent de nombreux séismes. De ces gigantesques glissements de plaques continentales résulte un renouvellement continu de la croûte terrestre. Il nous est donc difficile d’imaginer en observant sa surface que la Terre a subit les mêmes cataclysmes que ceux dont les traces marquent le sol lunaire.

On connaissait de longue date quelques cratères à la surface de notre planète, et les satellites ont permis d’en repérer d’autres, mais ils restent rares. Or, la Terre a également connu les affres du Grand Bombardement, puisqu’elle se trouvait dans le même environnement que son satellite. On peut ainsi mieux mesurer le rôle de l’érosion sur des périodes astronomiques.

Les Anciens pensaient que la Lune reflétait la surface de notre planète. Ils voyaient dans l’astre des nuits une sorte de miroir orbitant autour de nous. Leur intuition coïncide avec ce que la science nous révèle aujourd’hui, à ceci près que l’image que nous renvoie la Lune est celle de l’histoire mouvementée du système solaire et non l’éphémère reflet de la surface terrestre.

Les ères

L’ère prénectarienne

La naissance de la Lune s’est passée il y a quelques 4,6 milliards d’années, comme l’indique la datation des roches ramenées par diverses expéditions humaines. Cette période de formation est caractérisée par de très violents phénomènes d’accrétion. Il reste à ce moment de l’histoire du système solaire énormément de matière originelle, non encore capturée par l’une ou l’autre des planétésimales. La succession d’impacts, le rayonnement radioactif d’éléments à période courte, ayant aujourd’hui totalement disparu, ainsi que les puissants effets de marée que la Terre exerçait sur elle, ont fait fondre la Lune sur des centaines de kilomètres. Les sondages effectués sur notre satellite démontrent qu’un océan de roches en fusion a effectivement recouvert la surface sélène.

L’écorce lunaire est formée d’un minéral clair, l’anorthosite, sur une épaisseur de 60 kilomètres. Ce minéral plus léger est resté en surface, alors que les éléments plus lourds s’enfonçaient vers le cœur de la Lune, pour y former un petit noyau dense. Ce processus très classique en planétologie a été évoqué plus haut sous le nom de différenciation. La zone de magma se trouve aujourd’hui très proche du cœur et ne peut plus affleurer en surface.

L’ère nectarienne

Elle débute avec la formation de la mer du Nectar (-3,92 milliards d’années) et s’achève au cataclysme créateur de la mer des Pluies (-3,85 milliards d’années). Les zones montagneuses se sont structurées lors de cette période d’intense activité dans le système solaire. La datation de ces régions donne invariablement une valeur de –3,9 milliards d’années. Les sélénologues pensent pourtant que ces roches existaient auparavant. Il a donc fallu une élévation importante de la température pour que l’horloge interne radiométrique de ces matériaux soit remise à zéro.

Sans entrer dans trop de détails, disons que les scientifiques disposent pour dater un objet d’un processus naturel, lié à la structure de la matière : il s’agit de la désintégration nucléaire d’éléments radioactifs. Certains gaz rares sont issus de ces transmutations et donnent, par la mesure de leur proportion, une excellente indication de l’époque à laquelle la roche en question s’est formée. Si cette roche a subi une élévation de température l’amenant à son point de fusion, certains éléments s’échappent alors et d’autres intègrent ce magma. De nouvelles réactions de désintégration s’enclenchent alors que la roche refroidit. On dit que l’horloge radioactive est remise à zéro.

On voit donc dans la réinitialisation globale de cette horloge, la trace des formidables impacts qui caractérisent l’ère nectarienne.

Les matériaux plus jeunes n’ont, eux, pas connu de tels événements et sont relativement bien conservés. Comme tout bon feu d’artifice, cette ère de bombardement continu s’est parachevée par un final somptueux, Le Grand Bombardement, lors duquel un gigantesque météore creusa le bassin de la mer des Pluies.

A ce moment, on dénombre 43 bassins de première importance, également réparti à la surface de la Lune. Ce sont les lits des mers que nous voyons aujourd’hui.

L’ère imbrienne

La fin du Grand Bombardement est ponctué par un impact monstrueux, qui ravage la surface de la Lune et bouleverse profondément la structure interne de notre satellite. Il y a 3,85 milliards d’années en effet, un astéroïde d’une centaine de kilomètres de diamètre percute la planète sélène creusant le bassin de la mer des Pluies. Cette formidable dépression d’une largeur de 1500 kilomètres est la trace la plus évidente du cataclysme, visible pour un observateur terrestre comme un disque sombre occupant une grande part du côté «gauche» de la Lune.

Dans l’instant suivant l’impact, une grande quantité de matière est éjectée radialement. Des blocs de roches violemment expulsés creusent en un mouvement rasant de longs sillons de surface. On peut de nos jours observer quelques une de ces vallées dans de très grands télescopes. Les éjectas ont raboté les Monts Haemus, aux bords de la mer de la Sérénité. Une couche de matière fluidifiée par la chaleur comble les plaines vers l’équateur lunaire.

Le cirque de Fra Mauro – au sud de Copernic – et toute la région environnante témoignent de cet épisode.

L’impact a pour conséquence première un profond remodelage de la face de la Lune. Quoique spectaculaires ces modifications du relief ne sont cependant pas les plus importantes dans l’histoire évolutive de notre satellite. La chute de l’astéroïde affecte aussi, et surtout, la structure interne de la Lune.

Les conséquences s’avèrent primordiales dans la chaîne des événements formateurs de la Lune.

L’écorce est pulvérisée jusqu’à la profondeur de 150 kilomètres, et la zone en fusion qui s’y trouve est maintenant libérée de son carcan. C’est le début ‘d’une période de volcanisme intense, connue sous le nom d’ère imbrienne. (du nom latin de la Mer des Pluies). La lave se répand en surface et comble les dépressions formées par tous les impacts majeurs que la Lune a subi. En se solidifiant, le magma prend cette teinte sombre, caractéristique des mers lunaires, qui induisit les Anciens en erreur, eux qui voyaient dans ces étendues bleutées le pendant lunaire de nos océans…

Les analyses effectuées sur les échantillons de sol lunaire ramenés par la mission Apollo 15 ont révélé une particularité de cette lave: elle devait avoir une fluidité proche de celle de l’huile lubrifiant les moteurs de camion. Cela permit à la lave de se répandre sur de grandes distances. En contrepartie, le magma n’a pas formé de boucliers volcaniques tels ceux qui structurent les îles hawaïennes. Le poids de cette lave a provoqué des brèches sur les fonds «marins», offrant de nouveaux débouchés à la matière en fusion. Les dorsales et autres plissements visibles à la surface de la Lune se sont formés lors de cette phase. Le refroidissement des fonds marin s’est achevé il y a quelques 3,15 milliards d’années. A ce moment, la croûte formée est assez solide pour s’opposer à d’autres remontées de magma, et la Lune présente à peu près l’aspect que nous lui connaissons aujourd’hui.

L’ère eratosthénienne

Elle est la plus étendue en temps, puisqu’elle s’étend sur près de 2 milliards d’années. Le volcanisme finissant ne joue plus qu’un rôle marginal. Les principaux cratères sont alors formés. Plus aucun impact majeur ne marquera la surface de la Lune. La période ératosthénienne est le cadre cependant d’une importante modification de la surface sélène. Un agent d’érosion, jusque là négligeable au regard des grands impacts et de leurs effets spectaculaires, devient alors prépondérant: le bombardement micro-météoritique.

Le système solaire est sorti de sa turbulente jeunesse et un calme relatif succède au jeu de billard cataclysmique des débuts. Toute la matière originelle du disque protoplanétaire n’a cependant pas été capturée par les planètes. Il reste énormément de particules sur les orbites des grands corps célestes. Ceux-ci subissent donc un bombardement constant de petites météorites. L’atmosphère terrestre filtre par sa densité la majeure partie de ces poussières cosmiques qui, au contact avec elle subissent un frottement suffisant pour être ionisées et transformées en de beaux éclairs d’énergie pure, les étoiles filantes. Sur la Lune, rien de tel, puisqu’il n’y a pas d’atmosphère. Aucun bouclier protecteur ne diminue donc le nombre de petits impacts. Pris individuellement ces chocs n’ont qu’un effet d’arrachement négligeable, mais leur accumulation incessante pendant 2 milliards d’années a fini par arrondir tous les accidents du relief lunaire. Les photos prises de notre satellite en révèlent les formes douces et l’absence d’arêtes vives. Les micrométéorites ont raboté cratères, pics et montagnes tout au long de l’ère ératosthénienne et seules les formations les plus récentes ont échappés à ce meulage.

L’ère Copernicienne

Après la longue période eratosthénienne, durant laquelle le relief lunaire acquit son modelé relativement doux, seuls quelques grands impacts modifièrent notablement la surface de la Lune. Ces cratères, dont certains de première taille, ont la particularité d’être très clairs. Ceci s’explique par la longue période nécessaire à l’érosion micro-météoritique et au rayonnement solaire, pour assombrir les traces d’éjectas. Ainsi, l’environnement de ces jeunes cratères se signale par un albédo très élevé, ce qui en fait d’excellents points de repère.

Les deux cratères les plus représentatifs de cette période sont Copernic, gigantesque arène de 90 kilomètres de diamètre située dans la Mer des Iles, une subdivision de l’Océan des Tempêtes, et Tycho, le centre d’un gigantesque système rayonnant dont les traces traversent presque toute la face visible de la Lune. Cette étoile blanchâtre issue d’un point proche du limbe sud se révèle des plus spectaculaires, lorsqu’on l’observe les nuits proches de la Pleine Lune.

La période copernicienne englobe le dernier milliard d’années de l’histoire géologique de notre satellite. D’un point de vue dynamique interne, la Lune a cessé d’évoluer. Plus de volcanisme, la radioactivité naturelle n’est plus mesurable, seuls quelques impacts, de plus en plus rares dans le système solaire « apaisé », parviennent à modifier l’aspect du disque sélène. Et pourtant, le travail de remodelage imperceptible se poursuit de nos jours. Les traces brillantes perdent de leur éclat au fil des millénaires et les relevés effectués sur notre satellite ont montré cette évolution sur les éjectas de cratères récents ( de moins de 15 millions d’années). La couche supérieure montre une altération remarquable.

Aristarque, proche de Copernic, est si clair, qu’on peut l’observer dans la partie sombre de la Lune à plus de 70° du terminateur, aux soirs de lumière cendrées, les troisième et quatrième jours de la lunaison.

Il serait fastidieux de dresser la liste des points les plus lumineux. Deux d’entre eux méritent cependant d’être mis en exergue. Il s’agit de formations aux dimensions modestes: le cratère Linné et Reiner Gamma.

Linné se trouve sur la Mer de Sérénité. Son diamètre de 2,4 kilomètre ne devrait le rendre accessible qu’à de gros télescopes et pourtant, sous un éclairage vertical, il devient le point le plus remarquable de cette région. Linné, du fait de sa couronne d’éjecta étonnamment claire, fut l’objet d’une vive polémique quant à sa nature. La piètre qualité des optiques au XIX ème siècle mena à une telle diversité de descriptions que l’idée d’une évolution de Linné vue en direct fut admise par la communauté scientifique. On pense aujourd’hui qu’il s’agissait plutôt de différences d’éclairage. Après 350 années d’observation soutenue de la Lune, force est de constater que personne n’a vu le moindre nouveau cratère se former, ni se produire de modification perceptible de la surface lunaire.

Reiner Gamma se situe à l’ouest lunaire de l’Océan des Tempêtes, un peu au-dessus du disque noir de Grimaldi. On repère sans peine Reiner Gamma en tirant une droite imaginaire, passant par le bord sud de Copernic et par Kepler.

Cette formation claire et plane donne matière à rêverie pour les poètes de l’observation, tant elle semble une goutte d’eau, une larme adamantine sur le sombre fond d’un océan lunaire.

On dit parfois que la Lune est un astre mort Il faut nuancer le propos. En effet, sous l’influence gravitationnelle de la Terre, notre satellite connaît des périodes d’activité sismique, en particulier à son apogée et à son périgée. Ces légères secousses permettent une étude des couches inférieures de la Lune et nous avons aujourd’hui à disposition une représentation fiable des diverses strates structurant notre satellite.

Il faut signaler les nombreuses observations d’astronomes sérieux relatant des modifications momentanées de couleurs à la surface de la Lune.

Ces phénomènes sont vraisemblablement dus à de petits dégazages. Des poches d’air résiduel parviennent en surface et soulèvent de la poussière régolithique, qui brille par fluorescence puis retombe ensuite à la surface de la Lune. Ces manifestations sporadiques ont reçu le nom de «phénomènes lunaires transitoires».