Les scientifiques déterminent l'origine de l'atmosphère ténu de la lune

2 août 2024

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par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

Alors que la lune ne possède pas d'air respirable, elle abrite une atmosphère à peine perceptible. Depuis les années 1980, les astronomes ont observé une fine couche d'atomes rebondissant à la surface de la lune. Cette atmosphère délicate, techniquement appelée une 'exosphère', est probablement le produit d'une sorte d'érosion spatiale. Mais il est difficile de déterminer avec certitude les processus exacts à l'origine de cette atmosphère.

Désormais, des scientifiques du MIT et de l'Université de Chicago affirment avoir identifié le principal processus ayant formé l'atmosphère lunaire et continuant à la sustenter aujourd'hui. Dans une étude publiée dans Science Advances, l'équipe rapporte que l'atmosphère lunaire est principalement le produit de 'la vaporisation par impact'.

Dans leur étude, les chercheurs ont analysé des échantillons de sol lunaire collectés par les astronautes lors des missions Apollo de la NASA.

Leur analyse suggère qu'au fil des 4,5 milliards d'années d'histoire de la lune, sa surface a été continuellement bombardée, d'abord par de massives météorites, puis plus récemment, par de plus petits 'micrométéorites' en poussière.

Ces impacts constants ont soulevé le sol lunaire, vaporisant certains atomes au contact et projetant les particules dans l'air. Certains atomes sont éjectés dans l'espace, tandis que d'autres restent suspendus au-dessus de la lune, formant une atmosphère ténu constamment renouvelée par les météorites qui continuent de bombarder la surface.

Les chercheurs ont découvert que la vaporisation par impact est le principal processus par lequel la lune a généré et maintenu son atmosphère extrêmement fine pendant des milliards d'années.

'Nous apportons une réponse définitive en affirmant que la vaporisation par impact de météorites est le processus dominant qui crée l'atmosphère lunaire', déclare l'auteure principale de l'étude, Nicole Nie, professeure adjointe 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 ce temps, sa surface a été continuellement bombardée par les météorites. Nous montrons qu'au final, une atmosphère mince atteint un état d'équilibre car elle est continuellement renouvelée par de petits impacts sur toute la lune.'

Les co-auteurs de Nie sont Nicolas Dauphas, Zhe Zhang et Timo Hopp à l'Université de Chicago, et Menelaos Sarantos au Centre de vol spatial Goddard de la NASA.

En 2013, la NASA a envoyé une sonde en orbite autour de la lune pour effectuer une reconnaissance atmosphérique détaillée. Le Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, prononcé 'laddie') avait pour mission de recueillir des informations à distance sur l'atmosphère ténue de la lune, les conditions de surface et les influences environnementales sur la poussière lunaire.

La mission de LADEE visait à déterminer les origines de l'atmosphère lunaire. Les scientifiques espéraient que les mesures à distance de la sonde sur la composition du sol et de l'atmosphère pourraient être corrélées à certains processus d'érosion spatiale permettant d'expliquer la formation de l'atmosphère lunaire.

Les chercheurs soupçonnent que deux processus d'érosion spatiale jouent un rôle dans la formation de l'atmosphère lunaire : la vaporisation par impact et la 'sputtering ionique' - un phénomène impliquant le vent solaire, qui transporte des particules chargées énergétiques du soleil à travers l'espace. Lorsque ces particules frappent la surface de la lune, elles peuvent transférer leur énergie aux atomes du sol et les envoyer sputtering dans l'air.

'D'après les données de LADEE, il semble que les deux processus jouent un rôle', déclare Nie.

'Par exemple, elles ont montré que pendant des pluies de météorites, on observe plus d'atomes dans l'atmosphère, ce qui signifie que les impacts ont un effet. Mais elles ont également montré que lorsque la lune est protégée du soleil, comme pendant une éclipse, il y a aussi des changements dans les atomes de l'atmosphère, ce qui signifie que le soleil a également un impact. Ainsi, les résultats n'étaient pas clairs ni quantitatifs.'

Pour préciser davantage les origines de l'atmosphère lunaire, Nie s'est tournée vers des échantillons de sol lunaire collectés par les astronautes lors des missions Apollo de la NASA. Elle et ses collègues de l'Université de Chicago ont acquis 10 échantillons de sol lunaire, chacun mesurant environ 100 milligrammes - une petite quantité qui, estime-t-elle, pourrait tenir dans une seule goutte de pluie.

Nie a cherché à isoler deux éléments de chaque échantillon : le potassium et le rubidium. Ces deux éléments sont 'volatils', ce qui signifie qu'ils sont facilement vaporisés par les impacts et le sputtering ionique.