Bien que la Lune ne possède pas d’air respirable, elle est entourée d’une atmosphère extrêmement ténue. Depuis les années 1980, les astronomes ont détecté une fine couche d’atomes rebondissant à la surface lunaire. Cette atmosphère fragile, appelée « exosphère », résulte probablement de divers processus d’altération spatiale, mais leur identification précise reste complexe.
Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et de l’Université de Chicago affirment avoir identifié le principal mécanisme à l’origine de cette atmosphère et qui la maintient encore aujourd’hui. Dans une étude publiée dans Science Advances, l’équipe révèle que l’atmosphère lunaire est principalement le résultat de la « vaporisation par impact ».
Les chercheurs ont analysé des échantillons de sol lunaire collectés par les missions Apollo de la NASA. Leur analyse suggère que, durant les 4,5 milliards d’années de l’histoire lunaire, la surface de la Lune a été continuellement bombardée par des météorites, d’abord massives, puis plus récemment par des micrométéoroïdes de la taille de poussières. Ces impacts constants ont soulevé et vaporisé des atomes du sol lunaire, projetant des particules dans l’air. Certains atomes sont éjectés dans l’espace, tandis que d’autres restent en suspension, formant une atmosphère ténue constamment renouvelée par les impacts météoritiques.
« Nous apportons une réponse définitive selon laquelle la vaporisation par impact de météorite est le processus dominant qui crée l’atmosphère lunaire », déclare 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, pendant toute cette période, sa surface a été continuellement bombardée par des météorites. Nous montrons qu’une fine atmosphère finit par atteindre un état stable parce qu’elle est continuellement reconstituée par de petits impacts sur toute la Lune. »
Les co-auteurs de Nie sont Nicolas Dauphas, Zhe Zhang et Timo Hopp de l’Université de Chicago, ainsi que Menelaos Sarantos du Goddard Space Flight Center de la NASA.
Les rôles de l’altération
En 2013, la NASA a envoyé un orbiteur autour de la Lune pour effectuer une reconnaissance atmosphérique détaillée. L’explorateur de l’atmosphère lunaire et de l’environnement de poussière (LADEE) a été chargé de recueillir des informations sur la fine atmosphère lunaire, les conditions de surface et les influences environnementales sur la poussière lunaire.
La mission 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 pourraient être corrélées à certains processus d’altération spatiale expliquant la formation de l’atmosphère lunaire.
Les chercheurs soupçonnaient deux processus d’altération spatiale : la vaporisation par impact et la « pulvérisation ionique » – un phénomène impliquant le vent solaire qui transporte des particules énergétiques chargées du soleil. Lorsque ces particules touchent la surface lunaire, 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 Nie. « Par exemple, lors des pluies de météorites, on observe plus d’atomes dans l’atmosphère, ce qui signifie que les impacts ont un effet. Mais lorsque la Lune est protégée du soleil, comme lors d’une éclipse, des changements se produisent également dans les atomes de l’atmosphère, ce qui signifie que le soleil a également un impact. Les résultats n’étaient donc ni clairs ni quantitatifs. »
Des réponses dans le sol
Pour déterminer plus précisément les origines de l’atmosphère lunaire, Nie a analysé des échantillons de sol lunaire collectés par les missions Apollo. Elle et ses collègues de l’Université de Chicago ont acquis 10 échantillons de sol lunaire, chacun mesurant environ 100 milligrammes – une infime quantité pouvant tenir dans une goutte de pluie.
Nie a cherché à isoler deux éléments de chaque échantillon : le potassium et le rubidium. Ces éléments sont « volatils », facilement vaporisés par les impacts et la pulvérisation ionique. Chaque élément existe sous plusieurs isotopes, des variations du même élément avec un nombre différent de neutrons.
L’équipe a estimé que si l’atmosphère lunaire était constituée d’atomes vaporisés en suspension, les isotopes plus légers seraient plus facilement soulevés, tandis que les isotopes plus lourds se déposeraient dans le sol. La vaporisation par impact et la pulvérisation ionique devraient entraîner des proportions isotopiques différentes dans le sol. Le rapport entre les isotopes légers et lourds du potassium et du rubidium devrait révéler le principal processus contribuant à l’origine de l’atmosphère lunaire.
Nie a analysé les échantillons d’Apollo en les réduisant en poudre, puis en dissolvant les poudres dans des acides pour purifier et isoler les solutions contenant du potassium et du rubidium. Elle a ensuite mesuré les isotopes de ces éléments avec un spectromètre de masse.
En fin de compte, l’équipe a découvert que les sols contenaient principalement des isotopes lourds de potassium et de rubidium. En comparant les deux éléments, ils ont conclu que la vaporisation par impact était le processus dominant par lequel les atomes sont vaporisés et soulevés pour former l’atmosphère lunaire.
« 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, pour 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 pour cent ou plus de l’atmosphère lunaire est le produit d’impacts de météorites, tandis que les 30 pour cent 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 du potassium et du rubidium avec une modélisation quantitative minutieuse », déclare Justin Hu, postdoctorant 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 importants sur d’autres lunes et astéroïdes, qui font l’objet de nombreuses missions de retour prévues. »
« Sans ces échantillons Apollo, nous ne serions pas en mesure d’obtenir des données précises et de mesurer quantitativement 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 des images plus claires de la formation et de l’évolution du système solaire. »
Ce travail a été soutenu en partie par la NASA et la National Science Foundation.
