La Lune n’a peut-être pas beaucoup d’atmosphère, principalement en raison de son champ gravitationnel faible (qu’elle ait eu une atmosphère substantielle il y a des milliards d’années est débatable). Cependant, il est considéré qu’elle maintient actuellement sa faible atmosphère — également connue sous le nom d’exosphère — grâce aux impacts de météorites.
Depuis ses 4,5 milliards d’années d’existence, la Lune est régulièrement bombardée par des roches spatiales. Des chercheurs du MIT et de l’Université de Chicago ont maintenant découvert que les échantillons de sol lunaire collectés par des astronautes lors de l’ère Apollo montrent des preuves que les météorites, qu’il s’agisse de grosses météores ou de micrométéoroïdes aussi petits que des particules de poussière, ont lancé un flux constant d’atomes dans l’exosphère.
Bien que certains de ces atomes s’échappent dans l’espace et que d’autres retombent sur la surface, ceux qui restent au-dessus de la Lune forment une atmosphère ténue qui continue d’être ravitaillée à mesure que d’autres météorites s’écrasent sur sa surface.
« Sur de longues périodes, la vaporisation des micrométéorites est la principale source d’atomes dans l’atmosphère lunaire », ont déclaré les chercheurs dans une étude récemment publiée dans Science Advances.
Prêts pour le lancement
Lorsque la NASA a envoyé son orbiteur LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) sur la Lune en 2013, la mission visait à déterminer les origines de l’atmosphère lunaire. LADEE a observé plus d’atomes dans l’atmosphère pendant les pluies de météorites, ce qui suggérait que les impacts avaient un rôle à jouer dans cette atmosphère. Cependant, des questions demeuraient sur le mécanisme qui convertit l’énergie des impacts en une atmosphère diffuse.
Pour trouver ces réponses, une équipe de chercheurs du MIT et de l’Université de Chicago, dirigée par la professeure Nicole Nie du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT, a dû analyser les isotopes d’éléments dans le sol lunaire les plus sensibles aux effets des impacts de micrométéoroïdes. Ils ont choisi le potassium et le rubidium.
Les ions de potassium et de rubidium sont particulièrement susceptibles à deux processus : la vaporisation par impact et l’éjection ionique.
La vaporisation par impact résulte des collisions de particules à grande vitesse générant des quantités extrêmes de chaleur, ce qui excite suffisamment les atomes pour vaporiser le matériau dans lequel ils se trouvent et les projeter. L’éjection ionique implique des impacts à haute énergie qui libèrent des atomes sans vaporisation. Les atomes libérés par éjection ionique ont tendance à avoir plus d’énergie et à se déplacer plus rapidement que ceux libérés par vaporisation par impact.
Chacun de ces processus peut créer et maintenir l’atmosphère lunaire à la suite des impacts de météorites.
Alors, si les atomes envoyés dans l’atmosphère par éjection ionique ont un avantage énergétique, pourquoi les chercheurs ont-ils découvert que la plupart des atomes dans l’atmosphère proviennent en réalité de la vaporisation par impact ?
Retour à la surface
Comme les échantillons de sol lunaire fournis par la NASA avaient déjà quantifié leurs isotopes de potassium et de rubidium, l’équipe de Lie a utilisé des calculs pour déterminer quel processus de collision est le plus susceptible d’empêcher différents isotopes de fuir l’atmosphère.
Les chercheurs ont découvert que les atomes transférés à l’atmosphère par éjection ionique sont projetés à des énergies si élevées qu’ils atteignent souvent la vitesse d’échappement — la vitesse minimale nécessaire pour s’échapper de la gravité déjà faible de la Lune — et continuent leur voyage dans l’espace. Les atomes présents dans l’atmosphère peuvent également y être perdus, après tout.
La fraction d’atomes atteignant la vitesse d’échappement après vaporisation par impact dépend de la température de ces atomes. Des niveaux d’énergie plus faibles associés à la vaporisation par impact entraînent des températures plus basses, ce qui donne aux atomes une moindre chance d’échapper.
« La vaporisation par impact est la source dominante à long terme de l’atmosphère lunaire, contribuant probablement à plus de 65 % des atomes de potassium atmosphériques, l’éjection ionique représentant le reste », ont déclaré Lie et son équipe dans la même étude.
Il existe d’autres façons dont les atomes sont perdus de l’atmosphère lunaire. Ce sont principalement des ions plus légers qui ont tendance à rester dans l’exosphère, tandis que les ions plus lourds retombent sur la surface. D’autres sont photo-ionisés par les radiations électromagnétiques provenant du vent solaire et emportés vers l’espace par des particules du vent solaire.
Ce que nous avons appris sur l’atmosphère lunaire grâce aux échantillons de sol lunaire pourrait influencer l’étude d’autres corps. La vaporisation par impact a déjà été trouvée pour lancer des atomes dans l’exosphère de Mercure, qui est plus fine que celle de la Lune. L’étude du sol martien, qui pourrait être ramené sur Terre lors de futures missions de retour d’échantillons, pourrait également apporter plus d’informations sur la façon dont les impacts de météorites affectent son atmosphère.
À l’approche d’une nouvelle ère de missions lunaires habitées, la Lune pourrait encore nous raconter beaucoup sur l’origine de son atmosphère — et sur son évolution.
Science Advances, 2024. DOI : 10.1126/sciadv.adm7074
En poursuivant ces recherches et en comprenant mieux comment les météorites interagissent avec la Lune, je me demande quelles autres révélations fascinantes pourraient émerger. Chaque découverte enrichit notre connaissance non seulement de notre satellite naturel, mais aussi des processus universels qui régissent les corps célestes.
