9.3 : Cratères d'impact
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Comparez et contrastez les idées sur la formation des cratères lunaires
- Expliquer le processus de formation des cratères d'impact
- Discuter de l'utilisation du comptage des cratères pour déterminer l'âge relatif des reliefs lunaires
Origine volcanique et origine d'impact des cratères
La Lune constitue un point de référence important pour comprendre l'histoire de notre système planétaire. La plupart des mondes solides présentent les effets des impacts, qui remontent souvent à l'époque où de nombreux débris provenant du processus de formation de notre système étaient encore présents. Sur Terre, cette longue histoire a été effacée par notre géologie active. Sur la Lune, en revanche, la majeure partie de l'histoire de l'impact est préservée. Si nous pouvons comprendre ce qui s'est passé sur la Lune, nous pourrons peut-être appliquer ces connaissances à d'autres mondes. La Lune est particulièrement intéressante parce qu'elle n'est pas n'importe quelle lune, mais la nôtre, un monde proche qui partage l'histoire de la Terre depuis plus de 4 milliards d'années et qui a conservé un record qui, pour la Terre, a été détruit par notre géologie active.
Jusqu'au milieu du XXe siècle, les scientifiques ne reconnaissaient généralement pas que les cratères lunaires étaient le résultat d'impacts. Les cratères d'impact étant extrêmement rares sur Terre, les géologues ne s'attendaient pas à ce qu'ils constituent la principale caractéristique de la géologie lunaire. Ils ont raisonné (peut-être inconsciemment) que puisque les cratères que nous avons sur Terre sont volcaniques, les cratères lunaires devaient avoir une origine similaire.
Grove K. Gilbert, chercheur à l'US Geological Survey dans les années 1890, a été l'un des premiers géologues à proposer que les cratères lunaires étaient le résultat d'impacts. Il a souligné que les grands cratères lunaires — des éléments circulaires bordés de montagnes dont le sol est généralement inférieur au niveau des plaines environnantes — sont plus grands et ont des formes différentes de celles des cratères volcaniques connus sur Terre. Les cratères volcaniques terrestres sont plus petits et plus profonds et se trouvent presque toujours au sommet des montagnes volcaniques (Figure\(\PageIndex{1}\)). La seule alternative pour expliquer les cratères de la Lune était l'origine de l'impact. Son raisonnement prudent, bien qu'il n'ait pas été accepté à l'époque, a jeté les bases de la science moderne de la géologie lunaire.
Gilbert a conclu que les cratères lunaires étaient produits par des impacts, mais il ne comprenait pas pourquoi ils étaient tous circulaires et non ovales. La raison en est la vitesse d'échappement, la vitesse minimale qu'un corps doit atteindre pour se détacher définitivement de la gravité d'un autre corps ; c'est également la vitesse minimale à laquelle un projectile approchant de la Terre ou de la Lune doit frapper. Attiré par la gravité du corps le plus gros, le fragment entrant frappe à une vitesse d'échappement minimale, soit 11 kilomètres par seconde pour la Terre et 2,4 kilomètres par seconde (5 400 miles par heure) pour la Lune. À cette vitesse d'échappement s'ajoute la vitesse que le projectile avait déjà par rapport à la Terre ou à la Lune, généralement 10 kilomètres par seconde ou plus.
À ces vitesses, l'énergie de l'impact produit une violente explosion qui creuse un grand volume de matériau de manière symétrique. Des photographies de cratères de bombes et d'obus sur Terre confirment que les cratères d'explosion sont toujours essentiellement circulaires. Ce n'est qu'après la Première Guerre mondiale que les scientifiques ont reconnu la similitude entre les cratères d'impact et les cratères d'explosion, mais Gilbert n'a malheureusement pas vécu assez longtemps pour voir son hypothèse d'impact largement acceptée.
Le processus de cratérisation
Voyons comment un impact à ces vitesses élevées produit un cratère. Lorsqu'un projectile aussi rapide frappe une planète, il pénètre deux ou trois fois son propre diamètre avant de s'arrêter. Pendant ces quelques secondes, son énergie de mouvement est transférée sous forme d'onde de choc (qui se propage à travers le corps de la cible) et en chaleur (qui vaporise la majeure partie du projectile et une partie de la cible environnante). L'onde de choc brise la roche de la cible, tandis que la vapeur de silicate en expansion génère une explosion similaire à celle d'une bombe nucléaire explosée au niveau du sol (Figure). La taille du cratère excavé dépend principalement de la vitesse d'impact, mais elle est généralement de 10 à 15 fois le diamètre du projectile.
Une explosion d'impact du type décrit ci-dessus conduit à un type de cratère caractéristique, comme le montre la figure. La cavité centrale est initialement en forme de cuvette (le mot « cratère » vient du grec pour « bol »), mais le rebond de la croûte la comble partiellement, produisant un plancher plat et parfois un pic central. Autour du bord, des glissements de terrain créent une série de terrasses.
Le bord du cratère est relevé par la force de l'explosion, de sorte qu'il s'élève à la fois au-dessus du sol et du terrain adjacent. Autour du bord se trouve une couverture d'éjection composée de matériaux projetés par l'explosion. Ces débris retombent pour créer une région accidentée et vallonnée, généralement à peu près aussi large que le diamètre du cratère. D'autres éjecta plus rapides tombent à de plus grandes distances du cratère, creusant souvent de petits cratères secondaires où ils touchent la surface (Figure/(9.2.4 \)).
Certains de ces flux d'éjecta peuvent s'étendre sur des centaines, voire des milliers de kilomètres à partir du cratère, créant ainsi les rayons lumineux du cratère qui dominent les photos lunaires prises presque en pleine phase. Les rayons les plus brillants des cratères lunaires sont associés aux grands cratères jeunes tels que Kepler et Tycho.
observation de la lune
La Lune est l'un des plus beaux sites du ciel, et c'est le seul objet suffisamment proche pour révéler sa topographie (caractéristiques de surface telles que les montagnes et les vallées) sans la visite d'un vaisseau spatial. Un télescope amateur assez petit permet de voir facilement des cratères et des montagnes de quelques kilomètres de diamètre sur la Lune.
Même à l'aide d'une bonne paire de jumelles, nous pouvons observer que l'apparence de la surface de la Lune change radicalement en fonction de sa phase. À pleine phase, il ne montre pratiquement aucun détail topographique, et vous devez y regarder de près pour voir plus de quelques cratères. En effet, la lumière du soleil illumine la surface directement et, dans cet éclairage plat, aucune ombre n'est projetée. La vue vers le premier ou le troisième quartier est beaucoup plus révélatrice, lorsque la lumière du soleil pénètre par le côté, ce qui fait que les caractéristiques topographiques projettent des ombres nettes. Il est presque toujours plus gratifiant d'étudier une surface planétaire sous un tel éclairage oblique, lorsque l'on peut obtenir le maximum d'informations sur le relief de la surface.
L'éclairage plat à pleine phase accentue toutefois les contrastes de luminosité sur la Lune, comme ceux entre le maria et les hauts plateaux. Remarquez sur la figure que plusieurs des grands cratères de jument semblent entourés de matière blanche et que les traînées ou les rayons lumineux qui peuvent s'étendre sur des centaines de kilomètres à travers la surface sont clairement visibles. Ces éléments plus légers sont des éjections, projetées par l'impact qui a formé un cratère.
D'ailleurs, il n'y a aucun danger à regarder la Lune avec des jumelles ou des télescopes. La lumière du soleil réfléchie n'est jamais assez brillante pour endommager vos yeux. En fait, la surface ensoleillée de la Lune a à peu près la même luminosité qu'un paysage ensoleillé de roches sombres sur Terre. Bien que la Lune paraisse brillante dans le ciel nocturne, sa surface est, en moyenne, beaucoup moins réfléchissante que celle de la Terre, avec son atmosphère et ses nuages blancs. Cette différence est bien illustrée par la photo de la Lune passant devant la Terre prise depuis la sonde Deep Space Climate Observatory (Figure). Comme l'engin spatial a pris l'image depuis une position située à l'intérieur de l'orbite de la Terre, nous voyons les deux objets complètement illuminés (pleine lune et pleine Terre). D'ailleurs, vous ne pouvez pas voir beaucoup de détails sur la Lune car l'exposition a été réglée pour donner une image claire de la Terre, et non de la Lune.
Une chose intéressante à propos de la Lune que vous pouvez voir sans jumelles ni télescopes est communément appelée « la nouvelle lune dans les bras de l'ancienne lune ». Regardez la Lune lorsqu'elle est un mince croissant, et vous pouvez souvent distinguer le faible cercle de l'ensemble du disque lunaire, même si la lumière du soleil ne brille que sur le croissant. Le reste du disque n'est pas éclairé par la lumière du soleil mais par la lumière de la terre, c'est-à-dire la lumière solaire réfléchie par la Terre La lumière de la pleine Terre sur la Lune est environ 50 fois plus brillante que celle de la pleine Lune qui brille sur Terre.
Utiliser le nombre de cratères
Si un monde a connu peu d'érosion ou d'activité interne, comme la Lune au cours des 3 derniers milliards d'années, il est possible d'utiliser le nombre de cratères d'impact à sa surface pour estimer l'âge de cette surface. Par « âge », nous entendons ici le temps écoulé depuis qu'une perturbation majeure s'est produite sur cette surface (comme les éruptions volcaniques qui ont produit la maria lunaire).
Nous ne pouvons pas mesurer directement la vitesse à laquelle les cratères se forment sur la Terre et sur la Lune, car l'intervalle moyen entre les impacts de formation de grands cratères est plus long que celui de l'histoire de l'humanité. Notre exemple le plus connu d'un tel cratère, Meteor Crater en Arizona (Figure\(\PageIndex{6}\)), date d'environ 50 000 ans. Cependant, le taux de cratères peut être estimé à partir du nombre de cratères sur le maria lunaire ou calculé à partir du nombre de « projectiles » potentiels (astéroïdes et comètes) présents dans le système solaire aujourd'hui. Les deux lignes de raisonnement mènent à peu près aux mêmes estimations.
Pour la Lune, ces calculs indiquent qu'un cratère d'un kilomètre de diamètre devrait être produit environ tous les 200 000 ans, un cratère de 10 kilomètres tous les quelques millions d'années et un ou deux cratères de 100 kilomètres tous les milliards d'années. Si le taux de cratérisation est resté le même, nous pouvons déterminer combien de temps il a fallu pour créer tous les cratères que nous voyons dans la maria lunaire. Nos calculs montrent que cela aurait pris plusieurs milliards d'années. Ce résultat est similaire à l'âge déterminé pour le maria à partir de la datation radioactive des échantillons renvoyés, âgés de 3,3 à 3,8 milliards d'années.
Le fait que ces deux calculs concordent suggère que l'hypothèse initiale des astronomes était juste : les comètes et les astéroïdes, à peu près en nombre actuel, impactent les surfaces des planètes depuis des milliards d'années. Les calculs effectués pour d'autres planètes (et leurs lunes) indiquent qu'elles ont également subi à peu près le même nombre d'impacts interplanétaires au cours de cette période.
Nous avons toutefois de bonnes raisons de croire qu'il y a moins de 3,8 milliards d'années, les taux d'impact devaient être bien plus élevés. Cela devient immédiatement évident lorsque l'on compare le nombre de cratères sur les hauts plateaux lunaires avec celui des marais. En général, il y a 10 fois plus de cratères sur les hauts plateaux que sur une zone similaire de Maria. Pourtant, la datation radioactive des échantillons des hautes terres a montré qu'ils ne sont qu'un peu plus vieux que les maria, généralement 4,2 milliards d'années au lieu de 3,8 milliards d'années. Si le taux d'impacts avait été constant tout au long de l'histoire de la Lune, les hauts plateaux auraient dû être au moins 10 fois plus vieux. Ils auraient donc dû se former il y a 38 milliards d'années, bien avant la naissance de l'univers lui-même.
En science, lorsqu'une hypothèse mène à une conclusion invraisemblable, nous devons revenir en arrière et réexaminer cette hypothèse, en l'occurrence le taux d'impact constant. La contradiction est résolue si le taux d'impact varie dans le temps, avec un bombardement beaucoup plus intense qu'il y a 3,8 milliards d'années (Figure). Ce « bombardement intensif » a produit la plupart des cratères que nous voyons aujourd'hui dans les hautes terres.
L'idée que nous avons explorée, selon laquelle les impacts importants (en particulier au début de l'histoire du système solaire) ont joué un rôle majeur dans la formation des mondes que nous voyons, n'est pas propre à notre étude de la Lune. En lisant les autres chapitres sur les planètes, vous verrez d'autres indications selon lesquelles un certain nombre des caractéristiques actuelles de notre système peuvent être dues à son passé violent.
Résumé
Il y a un siècle, Grove Gilbert a suggéré que les cratères lunaires étaient causés par des impacts, mais le processus de création de cratères n'a été bien compris que plus récemment. Les impacts à grande vitesse produisent des explosions et creusent des cratères 10 à 15 fois plus grands que l'impacteur avec des bords surélevés, des couvertures d'éjection et souvent des pics centraux. Les taux de cratérisation sont restés à peu près constants au cours des 3 derniers milliards d'années, mais ils étaient beaucoup plus élevés auparavant. Le dénombrement des cratères peut être utilisé pour déterminer l'âge approximatif des caractéristiques géologiques de la Lune et d'autres mondes à surface solide.