9.1 : Propriétés générales de la Lune
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Discutez de ce qui a été appris grâce à l'exploration lunaire habitée et robotique
- Décrire la composition et la structure de la Lune
La Lune n'a qu'un quatre-vingtième de la masse de la Terre et environ un sixième de la gravité de surface de la Terre, trop faible pour retenir une atmosphère (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les molécules d'un gaz en mouvement peuvent s'échapper d'une planète comme le fait une fusée, et plus la gravité est faible, plus le gaz s'écoule facilement dans l'espace. Bien que la Lune puisse acquérir une atmosphère temporaire en percutant des comètes, cette atmosphère est rapidement perdue en gelant à la surface ou en s'échappant vers l'espace environnant. La Lune est aujourd'hui très déficiente en une large gamme de substances volatiles, ces éléments et composés qui s'évaporent à des températures relativement basses. Certaines propriétés de la Lune sont résumées dans le tableau\(\PageIndex{1}\), ainsi que des valeurs comparatives pour Mercure.
| Propriété | Lune | Mercure |
|---|---|---|
| Masse (Terre = 1) | 0,0123 | 0,055 |
| Diamètre (km) | 3476 | 4878 |
| Densité (g/cm3) | 3.3 | 5.4 |
| Gravité de surface (Terre = 1) | 0,17 | 0,38 |
| Vitesse d'échappement (km/s) | 2.4 | 4.3 |
| Période de rotation (jours) | 27,3 | 58,65 |
| Surface (Terre = 1) | 0,27 | 0,38 |
Exploration de la Lune
La plupart de ce que nous savons de la Lune aujourd'hui provient du programme américain Apollo, qui a envoyé neuf engins spatiaux pilotés vers notre satellite entre 1968 et 1972, faisant atterrir 12 astronautes à sa surface (la photo miniature de ce chapitre). Avant l'ère des études sur les engins spatiaux, les astronomes avaient cartographié la face de la Lune qui fait face à la Terre avec une résolution télescopique d'environ 1 kilomètre, mais la géologie lunaire n'existait pratiquement pas en tant que sujet scientifique. Tout cela a changé à partir du début des années 1960. Dans un premier temps, la Russie a pris la tête de l'exploration lunaire avec Luna 3, qui a renvoyé les premières photos de la face cachée de la Lune en 1959, puis avec Luna 9, qui a atterri à la surface en 1966 et a transmis des images et d'autres données à la Terre. Cependant, ces efforts ont été éclipsés le 20 juillet 1969, lorsque le premier astronaute américain a posé le pied sur la Lune.
\(\PageIndex{2}\)Le tableau résume les neuf vols Apollo : six ont atterri et trois autres ont fait le tour de la Lune mais n'ont pas atterri. Les premiers débarquements ont eu lieu sur des plaines plates sélectionnées pour des raisons de sécurité. Mais avec une expérience et une confiance accrues, la NASA a ciblé les trois dernières missions sur des lieux plus intéressants du point de vue géologique. Le niveau d'exploration scientifique a également augmenté à chaque mission, car les astronautes ont passé plus de temps sur la Lune et ont transporté des équipements plus élaborés. Enfin, lors du dernier atterrissage d'Apollo, la NASA a inclus un scientifique, le géologue Jack Schmitt, parmi les astronautes (Figure\(9.1.2\)).
| Vol | Date | Site d'atterrissage | Réalisation principale |
|---|---|---|---|
| Apollo 8 | Déc. 1968 | — | Les premiers humains à faire le tour de la Lune |
| Apollo 10 | mai 1969 | — | Premier rendez-vous spatial en orbite lunaire |
| Apollo 11 | juillet 1969 | Mare Tranquillitatis | Premier atterrissage humain sur la Lune ; 22 kilogrammes d'échantillons renvoyés |
| Apollo 12 | novembre 1969 | Oceanus Procellarum | Premier ensemble d'expériences sur la surface lunaire Apollo (ALSEP) ; visite de l'atterrisseur Surveyor 3 |
| Apollo 13 | avril 1970 | — | Atterrissage interrompu en raison d'une explosion dans le module de commande |
| Apollo 14 | Janvier 1971 | Mare Nubium | Premier « pousse-pousse » sur la Lune |
| Apollo 15 | juillet 1971 | Marie Imbrium/Hadley | Premier « rover » ; visite à Hadley Rille ; les astronautes ont parcouru 24 kilomètres |
| Apollo 16 | avril 1972 | Descartes | Premier atterrissage dans les hautes terres ; 95 kilogrammes d'échantillons retournés |
| Apollo 17 | Déc. 1972 | Hauts plateaux du Taureau et du Littrow | Un géologue fait partie de l'équipage ; 111 kilogrammes d'échantillons ont été renvoyés |
En plus d'atterrir sur la surface lunaire et de l'étudier de près, les missions Apollo ont atteint trois objectifs d'une importance majeure pour la science lunaire. Tout d'abord, les astronautes ont prélevé près de 400 kilogrammes d'échantillons pour des analyses détaillées en laboratoire sur Terre (Figure\(\PageIndex{3}\)). Ces échantillons ont révélé autant de choses sur la Lune et son histoire que toutes les autres études lunaires réunies. Ensuite, chaque atterrissage Apollo effectué après le premier a permis de déployer un ensemble d'expériences sur la surface lunaire Apollo (ALSEP), qui a continué à fonctionner pendant des années après le départ des astronautes. Troisièmement, les modules de commande Apollo en orbite transportaient une large gamme d'instruments permettant de photographier et d'analyser la surface lunaire depuis le haut.
Le dernier être humain a quitté la Lune en décembre 1972, un peu plus de trois ans après que Neil Armstrong ait fait un « pas de géant pour l'humanité ». Le programme d'exploration lunaire a été interrompu à mi-parcours en raison de pressions politiques et économiques. Cela coûtait à peine 100 dollars par Américain, répartis sur 10 ans, soit l'équivalent d'une grosse pizza par personne et par an. Pourtant, pour de nombreuses personnes, l'atterrissage sur la Lune a été l'un des événements majeurs de l'histoire du XXe siècle.
Les fusées géantes Apollo construites pour se rendre sur la Lune ont été laissées rouiller sur les pelouses des centres de la NASA en Floride, au Texas et en Alabama, bien que récemment, certaines aient au moins été déplacées à l'intérieur de musées (Figure\(\PageIndex{4}\)). Aujourd'hui, ni la NASA ni la Russie n'ont prévu d'envoyer des astronautes sur la Lune, et la Chine semble être le pays le plus susceptible de tenter cet exploit. (Ironie du sort, quelques personnes se demandent même si nous sommes allés sur la Lune, proposant plutôt que le programme Apollo était un faux, filmé sur une scène sonore hollywoodienne. Voir l'encadré ci-dessous pour les réponses de certains scientifiques à de telles allégations.) Cependant, l'intérêt scientifique pour la Lune est plus fort que jamais, et plus d'une demi-douzaine d'engins spatiaux scientifiques, envoyés de la NASA, de l'ESA, du Japon, de l'Inde et de la Chine, ont orbité ou atterri sur notre voisin le plus proche au cours de la dernière décennie.
Lisez The Great Moon Hoax sur l'affirmation selon laquelle la NASA n'a jamais réussi à envoyer des personnes sur la Lune.
L'exploration lunaire est devenue une entreprise internationale avec de nombreux engins spatiaux robotisés axés sur la science lunaire. L'URSS en a envoyé un certain nombre dans les années 1960, notamment des retours d'échantillons par des robots. Le tableau\(\PageIndex{3}\) répertorie certaines des missions lunaires les plus récentes.
| Année de lancement | vaisseau spatial | Type de mission | Agence |
|---|---|---|---|
| 1994 | Clémentine | Orbiteur | ÉTATS-UNIS (USAF/NASA) |
| 1998 | Prospecteur lunaire | Orbiteur | ÉTATS-UNIS (NASA) |
| 2003 | SMART-1 | Orbiteur | Europe (ESA) |
| 2007 | SÉLÈNE 1 | Orbiteur | Japon (JAXA) |
| 2007 | Chang'e 1 | Orbiteur | Chine (CNSA) |
| 2008 | Chandrayaan-1 | Orbiteur | Inde (ISRO) |
| 2009 | LRO | Orbiteur | ÉTATS-UNIS (NASA) |
| 2009 | LCROSS | Impacteur | ÉTATS-UNIS (NASA) |
| 2010 | Chang'e 2 | Orbiteur | Chine (CNSA) |
| 2011 | GRAAL | Orbiteurs jumeaux | ÉTATS-UNIS (NASA) |
| 2013 | LADEE | Orbiteur | ÉTATS-UNIS (NASA) |
| 2013 | Chang'e 3 | Lander/Rover | Chine (CNSA) |
| 2018 | Chang'e 4 | Lander/Rover sur Farside | Chine (CNSA) |
Composition et structure de la Lune
La composition de la Lune n'est pas la même que celle de la Terre. Avec une densité moyenne de seulement 3,3 g/cm 3, la Lune doit être presque entièrement constituée de roches silicatées. Comparée à la Terre, elle est appauvrie en fer et en autres métaux. C'est comme si la Lune était composée des mêmes silicates que le manteau et la croûte de la Terre, les métaux et les substances volatiles étant éliminés de manière sélective. Ces différences de composition entre la Terre et la Lune fournissent des indices importants sur l'origine de la Lune, un sujet que nous aborderons en détail plus loin dans ce chapitre.
Des études de l'intérieur de la Lune effectuées à l'aide de sismomètres embarqués sur la Lune dans le cadre du programme Apollo confirment l'absence d'un gros noyau métallique. La sonde spatiale jumelle GRAIL lancée en orbite lunaire en 2011 a permis de suivre encore plus précisément la structure intérieure. L'étude d'échantillons lunaires nous a également appris que l'eau et d'autres substances volatiles ont été épuisées de la croûte lunaire. Les petites quantités d'eau détectées dans ces échantillons ont été attribuées à l'origine à de petites fuites dans le joint du récipient qui laissaient passer de la vapeur d'eau provenant de l'atmosphère terrestre. Cependant, les scientifiques ont maintenant conclu qu'une certaine quantité d'eau liée chimiquement est présente dans les roches lunaires.
Plus spectaculaire encore, de la glace d'eau a été détectée dans des cratères ombragés en permanence près des pôles lunaires. En 2009, la NASA a écrasé un petit vaisseau spatial appelé satellite d'observation et de détection du cratère lunaire (LCROSS) dans le cratère Cabeus, près du pôle sud de la Lune. L'impact à 9 000 kilomètres par heure a libéré de l'énergie équivalant à 2 tonnes de dynamite, projetant un panache de vapeur d'eau et d'autres produits chimiques au-dessus de la surface. Ce panache était visible par les télescopes en orbite autour de la Lune, et le vaisseau spatial LCROSS lui-même a effectué des mesures en survolant le panache. Un vaisseau spatial de la NASA appelé Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a également mesuré les très basses températures à l'intérieur de plusieurs cratères lunaires, et ses caméras sensibles ont même pu imager l'intérieur des cratères à la lumière des étoiles.
La quantité totale de glace d'eau dans les cratères polaires de la Lune est estimée à des centaines de milliards de tonnes. À l'état liquide, cela ne suffirait qu'à remplir un lac de 160 km de large, mais par rapport au reste de la croûte lunaire sèche, cette quantité d'eau est remarquable. Cette eau polaire a probablement été transportée vers la Lune par des comètes et des astéroïdes qui ont heurté sa surface. Une petite fraction de l'eau a gelé dans quelques régions extrêmement froides (pièges à froid) où le soleil ne brille jamais, comme le fond de profonds cratères aux pôles de la Lune. L'une des raisons pour lesquelles cette découverte pourrait être importante est qu'elle soulève la possibilité d'une future habitation humaine à proximité des pôles lunaires, ou même d'une base lunaire comme station de passage sur les routes vers Mars et le reste du système solaire. Si la glace pouvait être extraite, elle produirait à la fois de l'eau et de l'oxygène pour le soutien humain, et elle pourrait être décomposée en hydrogène et en oxygène, un puissant carburant pour fusées.
Résumé
La plupart de ce que nous savons de la Lune provient du programme Apollo, y compris 400 kilogrammes d'échantillons lunaires qui font encore l'objet d'études intensives. La Lune a une masse quatre-vingtième de celle de la Terre et est gravement appauvrie en métaux et en matières volatiles. Il est presque entièrement composé de silicates comme ceux du manteau et de la croûte de la Terre. Cependant, des engins spatiaux plus récents ont découvert des preuves de la présence d'une petite quantité d'eau près des pôles lunaires, probablement déposée par des impacts de comètes et d'astéroïdes.