La Lune n’a peut-être pas beaucoup d’atmosphère, principalement en raison de son faible champ gravitationnel (on ne sait pas si elle avait une atmosphère substantielle il y a des milliards d’années). Mais on pense qu’elle conserve actuellement son atmosphère ténue, également appelée exosphère, en raison des impacts de météorites.
Depuis 4,5 milliards d’années, la Lune est bombardée de roches spatiales. Des chercheurs du MIT et de l’Université de Chicago ont découvert que des échantillons de sol lunaire collectés par les astronautes pendant la mission Apollo montrent que des météorites, des météores massifs aux micrométéoroïdes pas plus gros que des grains 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 à la surface, ceux qui restent au-dessus de la Lune créent une atmosphère mince qui continue de se renouveler à mesure que davantage de météorites s’écrasent sur la surface.
« Sur de longues échelles de temps, la vaporisation par impact de micrométéorites est la principale source d’atomes dans l’atmosphère lunaire », ont déclaré les chercheurs dans une étude récemment publiée dans Science Advances.
Prêt pour le lancement
Lorsque la NASA a envoyé son orbiteur LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) sur la Lune en 2013, la mission avait pour objectif de découvrir les origines de l’atmosphère lunaire. LADEE a observé davantage d’atomes dans l’atmosphère pendant les pluies de météores, ce qui suggère que les impacts ont quelque chose à voir avec l’atmosphère. Cependant, elle a laissé planer des questions sur le mécanisme qui convertit l’énergie d’impact en 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 des éléments du sol lunaire les plus sensibles aux effets des impacts de micrométéoroïdes. Ils ont choisi le potassium et le rubidium.
Les ions potassium et rubidium sont particulièrement sujets à deux processus : la vaporisation par impact et la pulvérisation ionique.
La vaporisation par impact résulte de la collision de particules à grande vitesse et de la génération de quantités extrêmes de chaleur qui excitent suffisamment les atomes pour vaporiser le matériau dans lequel ils se trouvent et les envoyer voler. La pulvérisation ionique implique des impacts à haute énergie qui libèrent les atomes sans vaporisation. Les atomes libérés par pulvérisation ionique ont tendance à avoir plus d’énergie et à se déplacer plus rapidement que ceux libérés par vaporisation par impact.
Chacun de ces éléments peut créer et maintenir l’atmosphère lunaire à la suite d’impacts de météorites.
Ainsi, si les atomes envoyés dans l’atmosphère par pulvérisation ionique présentent un avantage énergétique, alors pourquoi les chercheurs ont-ils découvert que la plupart des atomes dans l’atmosphère proviennent en réalité de la vaporisation par impact ?
Revenir en arrière
Étant donné que les isotopes les plus légers et les plus lourds de potassium et de rubidium avaient déjà été quantifiés dans les échantillons de sol lunaire fournis par la NASA, l’équipe de Nie a utilisé des calculs pour déterminer quel processus de collision est le plus susceptible d’empêcher les différents isotopes de fuir l’atmosphère.
Les chercheurs ont découvert que les atomes transférés dans l’atmosphère par pulvérisation ionique sont propulsés à des énergies si élevées qu’ils atteignent souvent la vitesse de libération (la vitesse minimale nécessaire pour échapper à la gravité déjà faible de la Lune) et continuent leur voyage dans l’espace. Après tout, les atomes qui finissent dans l’atmosphère peuvent également disparaître de l’atmosphère.
La fraction d’atomes qui atteint la vitesse de libération 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 réduit les chances de libération des atomes.
« La vaporisation par impact est la principale source à long terme de l’atmosphère lunaire, contribuant probablement à plus de 65 pour cent de la [potassium] « Les atomes sont des particules, la pulvérisation ionique représentant le reste », ont déclaré Nie et son équipe dans la même étude.
Les atomes de l’atmosphère lunaire peuvent être perdus de plusieurs autres manières. Ce sont principalement les ions les plus légers qui ont tendance à rester dans l’exosphère, et les ions trop lourds qui retombent à la surface. D’autres sont photo-ionisés par le rayonnement électromagnétique du vent solaire et souvent emportés dans l’espace par les particules du vent solaire.
Les connaissances acquises sur l’atmosphère lunaire grâce au sol lunaire pourraient influencer les études sur d’autres corps. On a déjà découvert que la vaporisation par impact propulsait des atomes dans l’exosphère de Mercure, plus fine que celle de la Lune. L’étude du sol martien, qui pourrait atterrir sur Terre grâce à des missions de retour d’échantillons dans le futur, pourrait également donner un meilleur aperçu de la manière dont les impacts de météorites affectent son atmosphère.
À l’approche d’une nouvelle ère de missions lunaires habitées, la Lune pourrait nous en dire davantage sur l’origine de son atmosphère et sur sa destination.
Progrès scientifiques, 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adm7074