D’où venait le corps qui a percuté la Terre pour donner naissance à la Lune ?

La Lune est née des débris de la collision d’un objet de la taille de mars, Theia, avec la Terre. Grâce à des analyses isotopiques, des chercheurs ont montré qu’il se serait formé plus près du Soleil que notre planète.

Évrard-Ouicem Eljaouhari  

Il y a environ 4,5 milliards d’années, l’histoire de notre jeune planète a basculé. Alors que le Système solaire n’avait que quelques dizaines de millions d’années, un objet massif, nommé Théia, a percuté la proto-Terre. Et la Lune est née des débris de la collision. Récemment, Timo Hopp, géochimiste à l’institut Max-Planck de recherche sur le Système solaire, en Allemagne, et ses collaborateurs pensent avoir identifié la région du Système solaire où Théia aurait vu le jour.

À ses débuts, le Système solaire n’était qu’un vaste disque de gaz et de poussières. Autour de l’astre en gestation qui allait devenir le Soleil, les embryons planétaires évoluaient dans un environnement chaotique, siège de nombreuses collisions. C’est dans ce décor violent qu’a émergé la Lune. Lorsque Théia a percuté la proto-Terre de plein fouet, l’impact, d’une énergie considérable, a conduit à leur fusion et à l’éjection d’une grande quantité de matière de ces deux corps. En quelques dizaines à quelques centaines d’années, cette matière en orbite a refroidi puis s’est agglomérée pour donner naissance à notre satellite naturel.

Si dans ses grandes lignes le scénario de formation de la Lune semble clair, beaucoup d’incertitudes entourent encore Théia. Puisque l’objet a été détruit lors de la collision, difficile de dire quelle était sa taille, sa composition ou son lieu d’origine. Sur ce dernier point, différentes hypothèses ont été considérées : celle d’un astéroïde provenant de la ceinture située entre l’orbite de Mars et celle de Jupiter, celle d’un objet beaucoup plus lointain formé dans les contrées glacées au-delà de l’orbite de Neptune ou celle d’une région bien plus proche de la Terre, voire sur une orbite encore plus resserrée autour du Soleil. C’est dans l’optique de départager ces hypothèses que Timo Hopp et ses collègues ont étudié des roches terrestres et lunaires ainsi que des météorites tombées sur Terre, pour en déterminer la composition isotopique en fer, qui renseigne sur le lieu de formation des échantillons. 

En effet, la composition des corps du Système solaire varie selon leur distance au Soleil. En raison du gradient de température dans le disque protoplanétaire, les éléments les plus volatils et les plus légers (eau, hydrogène…) ne peuvent se condenser qu’à grande distance de l’étoile. Les corps formés loin du Soleil accumulent ainsi davantage de glaces et de matériaux légers. Ce phénomène a aussi une influence sur les isotopes d’un même élément (qui se distinguent par leur nombre de neutrons) : selon les conditions de température et d’irradiation, certains isotopes sont légèrement favorisés par rapport à d’autres lors de la formation des matériaux. La composition isotopique des objets célestes conserve ainsi la trace de l’environnement dans lequel ils se sont formés. 

Dans cette nouvelle étude, les chercheuses et chercheurs ont commencé par caractériser la composition isotopique du fer de 15 roches terrestres, six roches lunaires ramenées par les missions Apollo et de chondrites à enstatite, des météorites dont la composition est considérée comme représentative des matériaux formés dans la région interne du Système solaire, comme la Terre. « C’est la première fois que l’on mesure de façon aussi précise les rapports isotopiques du fer », souligne Maud Boyet, géochimiste au Laboratoire magmas et volcans de l’université Clermont-Auvergne et coautrice de l’étude. En combinant ces données avec les signatures isotopiques du chrome, du calcium, du titane, du molybdène et du zirconium précédemment obtenues, « nous avons abouti à un modèle complet où chaque élément nous renseigne sur les conditions de formation. »

Une fois les analyses effectuées, l’équipe a effectué des calculs pour lier les rapports isotopiques à l’origine possible de Théia. Plusieurs modèles de collisions existent. Aux deux extrémités, on trouve un scénario où l’impacteur est relativement grand par rapport à la Terre et un autre où notre planète est beaucoup plus imposante. « Sur la base de ces deux scénarios, nous avons émis plusieurs hypothèses sur la composition de la Terre et de Théia, et nous avons regardé lesquelles nous permettent de retrouver les rapports isotopiques mesurés, décrit Maud Boyet. Et la conclusion est sans doute que Théia se serait formée un peu plus près du Soleil que la Terre. »