Etude de la Lune

 

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>>> Quelques caractéristiques
>>> Ses reliefs
>>> Sa structure
>>> Son magnétisme
>>> Son atmosphère ?
>>> Son origine et son évolution ?

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Quelques caractéristiques

La Lune peut être considérée comme la petite sœur de Mercure, dont le diamètre vaut 1,4 fois celui de notre satellite. L'aspect de leurs surfaces respectives est très semblable, criblé de cratères dus à l'impact de météorites n'ayant pas été freinées dans leur chute du fait de l'absence d'atmosphère. Pourtant, la Lune est une compagne de la Terre qui est loin d'être négligeable. Sa masse équivaut à 1/81 de la masse terrestre, alors que les satellites de Jupiter, Saturne ou Neptune, ont une masse qui représente moins de 1/1000 de la masse de leur planète respective.

La Lune tourne autour de la Terre en 29 jours 12 heures et 44 minutes - c'est l'intervalle de temps entre deux nouvelles lunes successives. C'est un intervalle moyen, car du fait des perturbations causées par le Soleil au mouvement de la Lune, cette période, appelée "mois synodique" ou "lunaison", varie de mois en mois. Si, au lieu de prendre comme référentiel un corps mobile tel que la Terre en orbite autour du Soleil, nous considérons un référentiel fixe dans l'espace, le même intervalle entre deux lunaisons constitue la "période sidérale", égale à 27 jours 7 heures et 43 minutes.

La Lune décrit une orbite elliptique autour de la Terre ou, plus précisément, autour de leur centre de gravité commun. Comme la Terre est 81 fois plus massive que la Lune, ce barycentre se situe à l'intérieur de la Terre à 4 670 kilomètres de son centre. La distance moyenne Terre-Lune est de 384 400 km. Le plan de l'orbite lunaire est incliné de presque 5 degrés par rapport au plan d'écliptique. Lorsque la Lune se trouve en l'un des deux poins, appelés "nœuds", de son orbite où cette dernière coupe l'écliptique, le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés. C'est alors la pleine lune. Dans un cas, la Lune, visible en journée, se trouve exactement entre le Soleil et la Terre et il y a une éclipse de Soleil par la Lune. Dans l'autre cas, la Terre se trouve entre le Soleil et la Lune et, la nuit, nous assistons à une éclipse de Lune par la Terre.

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Ses reliefs

La surface lunaire consiste en deux principaux types de terrains : les "continents", qui sont les régions les plus élevées, couvertes de cratères qui apparaissent brillants car ils reflètent davantage la lumière solaire, et les "mers", qui sont des plaines plus sombres et plus lisses et d'un niveau plus bas.

De nombreux débats ont eu lieu pour connaître l'origine, météoritique ou volcanique, des cratères lunaires. On est aujourd'hui certain que la plus grande majorité des cratères et des bassins est due à l'impact de météorites. Les mers, en revanche, sont formées d'épanchements de lave volcanique. Comme les formations les plus récentes se superposent et recouvrent les plus anciennes, il est possible de dresser des cartes géologiques de l'ensemble de la surface lunaire selon une classification stratigraphique qui permet de reconstruire l'histoire passée de la Lune. Le système stratigraphique le plus récent est le système "copernicien", qui inclut les cratères jeunes ayant conservé intacts leurs "rayons" - des couronnes rayonnantes d'éjectas formées par l'expulsion dans toutes les directions de matériaux sous l'impact météoritique. Le système "ératosthénien" comprend les cratères un peu plus visibles. Les formations "imbriennes" sont encore plus anciennes et incluent le bassin d'Imbrium, qui est une grande structure d'impact qui a été colmatée par des matériaux volcaniques plus récents, formant ainsi la mer des Pluies. Le système "nectarien", qui inclut un autre grand bassin (aujourd'hui la mer de Nectar), comprend quatre fois plus de cratères que le système imbrien, ce qui laisse penser que cette formation est encore plus ancienne. Enfin, le système "pré-nectarien" remonte à l'époque de la formation de la Lune.

Parmi les mers qui couvrent une bonne partie de la face visible de la Lune, les plus étendues sont la mer des Pluies (Mare Imbrium), la mer de la Sérénité (Mare Serenitatis), la mer des Crises (Mare Crisium), la mer de la Tranquillité (Mare Tranquillitatis), la mer de la Fécondité (Mare Feconditatis) et l'océan des Tempêtes (Oceanus Procellarum). Parmi les cratères, outre Copernic et Eratosthène, il y a Platon, Archimède, Clavius, Herschel, Ptolémée, Hipparque, Schickard, Fracastorius, Humboldt, Petavius, Gassendi. En tout il y a plus de 1100 cratères baptisés sur toute la surface (visible ou non) de la Lune. Les reliefs les plus caractéristiques de la face cachée sont la mer de Moscou (Mare Moskoviense), et les cratères Mendeleev, Koralev, Apollo et Hertzsprung, et la mer Orientale (Mare Orientalis).

Les continents sont composés de roches à teneur élevée en calcium et en aluminium et de grains de roches cristallins, formées lors de la fusion provoquée par le choc météoritique qui a engendré une forte pression. Tous les continents lunaires se seraient formées il y a 4 à 3,8 milliards d'années. Une caractéristique du sol lunaire est la présence de divers chaînes montagneuses, dont les plus hauts pics font de 3 à 6 kilomètres d'altitude. La plupart des chaînes se situent autour de mers circulaires : ainsi les Carpates, les Apennins, le Caucase, les Alpes et les monts Harbinger se trouvent autour de l amer des Pluies. Cependant la plus haute montagne lunaire se trouve à proximité du pôle Sud, dans une région élevée.

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Sa structure

Toutes les informations sur l'intérieur de la Lune ont été déduites de ses propriétés sismiques, les premières données étant celles obtenues grâce aux missions Apollo. Avant cela, on pouvait seulement dire que le noyau central de la Lune était beaucoup plus petit, proportionnellement à son rayon, que celui de la Terre. OU alors, il devait avoir un contenu en fer beaucoup plus faible, étant donnée la faible densité moyenne de la Lune.

On distingue quatre types de secousses sismiques lunaires. Les deux premiers ont pour origine des causes externes à la Lune. Certaines sont liées à une intervention humaine et les autres sont dus à la chute de météorites (la plus importante a eu lieu en juillet 1972 : l'objet qui l'a provoquée devait avoir une masse d'au moins 1 tonne). Les deux autres types de séismes ont une origine naturelle et interne. Le premier groupe, qui prend naissance à une profondeur modeste, est qualifié de séismes superficiels. Cette activité sismique peu profonde dérive en majeure partie de tensions thermiques au lever et au coucher du Soleil. Le second groupe a, au contraire, une origine très profonde et montre un cratère cyclique.

Les séismes d'origine artificielle ont permis d'établir que la croûte lunaire faisait environ 60 kilomètres d'épaisseur au centre de la face visible. Mais les informations sur le manteau sont plus rares car elles ne peuvent venir que d'évènements sismiques naturels, les secousses artificielles étant d'intensité trop faible pour se propager au-delà de la croûte. Les tremblements de terre lunaire peu profonds ont leur origine dans le manteau, entre 50 et 300 kilomètres de profondeur. D'après les relevés sismiques, le manteau lunaire a une composition similaire au manteau supérieur de la Terre (surtout de l'olivine et du pyroxène). De plus, on suppose que le noyau de la Lune de fait que 450 kilomètres de rayon.

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Son magnétisme

Les premières sondes soviétiques, lancées en 1959, avaient déjà mis en évidence l'absence de champ magnétique général sur la Lune. Toutefois, il existe des régions montrant des traces de magnétisme. De l'âge des roches, on a pu établir qu'il y 3 milliards d'années, la Lune possédait un champ magnétique, aujourd'hui disparu.

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Son atmosphère ?

La masse de la Lune est trop faible pour pouvoir retenir une atmosphère stable. En effet, les éléments volatils, qui sont soumis à une température de près de 130 °C sur la face éclairée par le Soleil, ont une agitation moléculaire qui dépasse la vitesse de libération de la Lune, d'environ 2,4 km/s. Etant donné que la vitesse d'agitation thermique des atomes est en réalité une valeur moyenne et que de nombreuses particules ont une vitesse supérieure, en quelques centaines de millions d'années la Lune a perdu son atmosphère.

Toutefois, en 1998, des traces de vapeurs de sodium et de potassium ont été découvertes à la surface lunaire. Elles signifient que celle-ci possède une atmosphère, bien qu'extrêmement raréfiée, qui s'étend en une longue queue dirigée vers le Soleil jusqu'à 7 000 km de sa surface. Du côté obscur, le gaz est encore moins dense, mais il s'étend au moins jusqu'à 21 000 kilomètres d'altitude. Cependant, même là où elle est la plus forte, la densité de l'atmosphère lunaire est d'à peine quelques dizaines d'atomes par centimètre cube, à comparer avec les dizaines de milliards d'atomes par centimètre cube de l'ionosphère terrestre.

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Son origine et son évolution ?

Nos iodées sur l'origine de la Lune ont énormément changé en moins de dix ans grâce à l'accumulation de résultats tirés de l'étude des roches lunaires. Avant et durant les missions Apollo, les hypothèses proposées pour expliquer l'origine de la Lune étaient au nombre de trois.

L'hypothèse de la "fission" supposait que la Lune fit un temps partie de la Terre et qu'elle s'en détacha d'un façon quelconque, par exemple, sous l'action des marées exercée par le Soleil sur la Terre. Le fait que la densité moyenne de la Lune est semblable à celle du manteau terrestre plaidait en sa faveur. En outre, la vitesse avec laquelle la Lune s'éloigne de la Terre est compatible avec la possibilité qu'il y a 4,5 milliards d'années les deux corps étaient très proches. Toutefois, l'hypothèse que la séparation ait été due aux marées s'est révélée inacceptable pour plusieurs raisons.

L'autre hypothèse est celle de la "capture" : la Terre et la Lune se seraient formées indépendamment, comme des corps distincts du Système solaire, puis à un moment donnée, la Lune aurait été capturée par la Terre et contrainte à graviter autour d'elle. Cette hypothèse explique les différences de densité entre la Terre et la Lune. Toutefois, pour que la capture ait eu lieu, les deux corps auraient dû adopter une vitesse relative très faible et par suite, avoir été formés à peu près à la même distance du Soleil. Mais dans ce cas, ils auraient dû offrir la même composition chimique.

La troisième hypothèse suggère que la Terre et la Lune se soient formées en même temps, mais, dans ce cas, rien n'explique pourquoi la Terre est tellement plus riche en fer. De plus, la Lune aurait dû se former dans le plan équatorial de la Terre.

Finalement, aucune de ces trois hypothèses n'est en mesure de rendre compte de tous les faits observés sur le système Terre-Lune. En revanche, la nouvelle hypothèse, fondée sur l'observation directe, est appelée l'hypothèse du "grand impact" et s'appuie sur l'analyse de la distribution possible des agglomérats solides (ou "protoplanètes") de la nébuleuse solaire. Il y avais sans doute peu de protoplanètes de grandes dimensions mais une multitude de petits corps en nombre d'autant plus grand que leur taille était petite. Lors des dernières étapes de la formation du Système solaire, une grande partie de ces objets mineurs se sont amassés jusqu'à former des planètes au cours de violents collisions. La proto-Terre aurait été heurté par une protoplanète de taille comparable à Mars. Dans le choc, il se serait formé un jet de matériau terrestre, soit du manteau du projectile, mais pas du noyau terrestre.

Pourtant, une objection à cette hypothèse est que les fragments d'un tel impact auraient dû obéir aux lois de Kepler et  donc se mouvoir soit sur une orbite hyperbolique ouverte (et donc échapper à l'attraction terrestre), soit sur une orbite elliptique fermée qui les aurait ramenés à leur point de départ, c'est-à-dire la Terre. Cependant, dans un choc à grande vitesse, une bonne partie du projectile ainsi qu'une égale quantité du corps heurté se seraient vaporisées, et la vapeur, en s'épandant, aurait atteint une altitude égale à plusieurs rayons terrestres avant de se condenser. Enfin, une fois condensée, la vapeur se serait insérée, suivant les lois de Kepler, sur une orbite ne coupant pas l'orbite terrestre. Une autre possibilité est que la violence de l'impact ait modifié les trajectoires des fragments qui seraient ensuite disposés sur une orbite stable autour de la Terre. Se heurtant entre eux, les fragments auraient fini par s'agglomérer pour former un corps unique, la Lune.

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