Pendant des décennies, les scientifiques ont soutenu que le système Terre-Lune s'est formé à la suite d'une collision entre la Terre et un objet de la taille de Mars il y a environ 4,5 milliards d'années. Connue sous le nom d'hypothèse d'impact géant, cette théorie explique pourquoi la Terre et la Lune sont similaires dans leur structure et leur composition. Chose intéressante, les scientifiques ont également déterminé qu'au début de son histoire, la Lune avait une magnétosphère - un peu comme la Terre aujourd'hui.
Cependant, une nouvelle étude dirigée par des chercheurs du MIT (avec le soutien de la NASA) indique qu'à un moment donné, le champ magnétique de la Lune pourrait en fait être plus fort que celui de la Terre. Ils ont également pu imposer des contraintes plus strictes sur la fin de ce champ, affirmant que cela se serait produit il y a environ 1 milliard d'années. Ces découvertes ont aidé à résoudre le mystère du mécanisme qui a alimenté le champ magnétique de la Lune au fil du temps.
L'étude, récemment publiée dans la revue Avancées scientifiques, était dirigé par Saied Mighani, un physicien expérimental des roches du Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes du MIT. Il a été rejoint par des membres du Berkeley Geochronology Center de l'UC Berkeley et de la China University of Geosciences, avec le soutien supplémentaire du célèbre professeur EAPS, le Dr Benjamin Weiss.
Pour récapituler, le champ magnétique terrestre est essentiel à la vie telle que nous la connaissons. Lorsque les particules de vent solaire entrant atteignent la Terre, elles sont déviées par ce champ et forment un choc d'arc devant la Terre et une magnéto-queue derrière elle. Les particules restantes sont déposées sur les pôles magnétiques où elles interagissent avec notre atmosphère, ce qui provoque les aurores boréales vues dans les hémisphères extrême nord et sud.
Sans ce champ magnétique, l'atmosphère terrestre aurait été lentement emportée par le vent solaire au cours de milliards d'années et rendue un endroit froid et sec. On pense que c'est ce qui s'est passé sur Mars, où une atmosphère autrefois plus épaisse a été épuisée il y a entre 4,2 et 3,7 milliards d'années et toute l'eau liquide à sa surface a été perdue ou gelée en conséquence.
Au fil des ans, le groupe de Weiss a aidé à démontrer, grâce à l'étude des roches lunaires, qu'il y a environ 4 milliards d'années, la Lune avait également un champ magnétique puissant d'environ 100 microteslas (alors que la Terre est d'environ 50 microteslas aujourd'hui). En 2017, ils ont étudié des échantillons collectés par les astronautes d'Apollo qui dataient d'environ 2,5 milliards d'années et ont trouvé un champ beaucoup plus faible (moins de 10 microteslas).
En d'autres termes, le champ magnétique de la Lune s'est affaibli d'un facteur cinq il y a entre 4 et 2,5 milliards d'années, puis a complètement disparu il y a environ 1 milliard d'années. À l'époque, Weiss et ses collègues ont émis l'hypothèse qu'il y avait peut-être deux mécanismes dynamo à l'intérieur de la Lune qui étaient responsables de ce changement.
En bref, ils ont soutenu qu'un premier effet dynamo aurait pu générer un champ magnétique beaucoup plus fort il y a environ 4 milliards d'années. Puis, il y a 2,5 milliards d'années, elle a été remplacée par une deuxième dynamo qui a une durée de vie plus longue mais a subi un champ magnétique beaucoup plus faible. Comme l'a expliqué le Dr Weiss dans un communiqué du MIT:
«Il y a plusieurs idées sur les mécanismes qui ont alimenté la dynamo lunaire, et la question est, comment déterminez-vous lequel l'a fait? Il s'avère que toutes ces sources d'alimentation ont des durées de vie différentes. Donc, si vous pouviez déterminer quand la dynamo s'est éteinte, alors vous pourriez distinguer les mécanismes qui ont été proposés pour la dynamo lunaire. C'était le but de ce nouveau document. »
Jusqu'à présent, l'obtention de roches lunaires datant de moins de 3 milliards d'années a été un défi majeur. La raison en est due au fait que l'activité volcanique, qui était courante sur la Lune il y a 4 milliards d'années, a cessé il y a environ 3 milliards d'années. Heureusement, l'équipe du MIT a pu identifier deux échantillons de roche lunaire obtenus par les astronautes d'Apollo qui ont été créés par un impact il y a 1 milliard d'années.
Alors que ces roches ont été fondues par l'impact puis resolidifiées, effaçant ainsi leur record magnétique dans le processus, l'équipe a pu effectuer des tests sur elles pour reconstruire leur signature magnétique. Tout d’abord, ils ont analysé l’orientation des électrons de la roche, que Weiss décrit comme des «petits compas» car ils s’alignaient soit dans la direction d’un champ magnétique existant, soit apparaissaient dans des orientations aléatoires en l’absence d’un.
Dans les deux échantillons, l'équipe a observé ce dernier, ce qui suggère que les roches se sont formées dans un champ magnétique extrêmement faible de pas plus de 0,1 microteslas (peut-être aucun du tout). Cela a été suivi par une technique de datation radiométrique qui a été adaptée pour cette étude par Weiss et David L. Shuster (un chercheur du Berkeley Geochronology Center et co-auteur de l'étude). Ces résultats ont confirmé que les roches avaient en effet 1 milliard d'années.
Enfin, l'équipe a effectué des tests thermiques sur les échantillons pour déterminer s'ils pouvaient fournir un bon enregistrement magnétique au moment de l'impact. Cela consistait à placer les deux échantillons dans un four et à les exposer aux types de températures élevées qui auraient été créées par un impact. En refroidissant, ils les ont exposés à un champ magnétique généré artificiellement dans le laboratoire et ont confirmé qu'ils étaient en mesure de l'enregistrer.
Ces résultats confirment que la force magnétique initialement mesurée par l'équipe (0,1 microteslas) est précise et que, il y a 1 milliard d'années, la dynamo alimentant le champ magnétique de la Lune était probablement terminée. Comme l'a dit Weiss:
«Le champ magnétique est cette chose nébuleuse qui imprègne l'espace, comme un champ de force invisible. Nous avons montré que la dynamo qui a produit le champ magnétique de la lune est morte il y a entre 1,5 et 1 milliard d'années, et semble avoir été alimentée de la même manière que la Terre. "
Comme indiqué, cette étude contribue également à résoudre le débat entourant ce qui a conduit la dynamo lunaire à ses stades ultérieurs. Bien que plusieurs théories aient été suggérées, ces nouvelles découvertes sont conformes à la théorie selon laquelle la cristallisation centrale est responsable. Fondamentalement, cette théorie affirme que le noyau interne de la Lune s'est cristallisé au fil du temps, ralentissant l'écoulement du fluide chargé électriquement et arrêtant la dynamo.
Weiss suggère qu'avant cela, la précession aurait pu être responsable de l'alimentation d'une dynamo beaucoup plus forte (mais de courte durée) qui aurait produit le champ magnétique puissant. Cela est cohérent avec le fait qu'il y a 4 milliards d'années, la Lune aurait orbité beaucoup plus près de la Terre. Cela aurait eu pour effet que la gravité de la Terre aurait un effet beaucoup plus important sur la Lune, provoquant une oscillation de son manteau et une activité accrue dans le noyau.
Alors que la Lune s'éloignait lentement de la Terre, l'effet de la précession diminuait et la dynamo produisant le champ magnétique s'affaiblissait. Il y a environ 2,5 milliards d'années, la cristallisation est devenue le mécanisme dominant par lequel la dynamo lunaire a continué, produisant un champ magnétique plus faible qui a persisté jusqu'à ce que le noyau externe cristallise finalement il y a un milliard d'années.
Des études comme celle-ci pourraient également aider à résoudre le mystère de la raison pour laquelle des planètes comme Vénus et Mars ont perdu leurs champs magnétiques (contribuant au changement climatique cataclysmique) et comment la Terre pourrait perdre un jour son propre. Compte tenu de son importance pour l'habitabilité, une meilleure compréhension des dynamos et des champs magnétiques pourrait également aider à la recherche d'exoplanètes habitables.
