L’atmosphère lunaire, bien que très ténue, soulève des interrogations fascinantes sur son existence persistante. Un nouveau recherche met en lumière les mécanismes derrière cette atmosphère délicate, révélant des processus inédits qui, depuis des milliards d’années, continuent de la nourrir. Les conclusions de cette étude apportent une vision enrichissante sur notre satellite naturel.
La Lune possède une atmosphère à peine perceptible, formée d’une très fine couche d’atomes qui rebondissent sur sa surface, avant de se déposer ou de se disperser dans l’espace : la raison pour laquelle cette délicate atmosphère continue de persister (et ne s’est pas complètement dissoute) a fait l’objet d’une nouvelle étude qui a fourni l’« explication définitive » sur l’origine et les processus qui continuent à l’alimenter.
Illustration d’un astronaute au travail à la surface lunaire lors d’une future mission / Crédit : NASA
Sur la Lune, il n’y a pas d’air respirable mais il y a une légère atmosphère, qui persiste depuis des milliards d’années. Techniquement connue sous le nom d’« exosphère », l’atmosphère lunaire est formée d’une très fine couche d’atomes qui rebondissent sur sa surface, avant de se déposer définitivement ou de se disperser dans l’espace. La raison pour laquelle cette délicate atmosphère s’est maintenue dans le temps au lieu de se dissoudre complètement a été l’objet d’une nouvelle étude, qui a fourni la « spiegazione definitiva » sur l’origine et les processus qui continuent à l’alimenter.
Comment s’est formée l’atmosphère lunaire
Depuis les années quatre-vingt, les astronomes ont observé une couche à peine perceptible d’atomes rebondissant sur la surface de la Lune : cette atmosphère fine est probablement due à une sorte d’érosion spatiale, bien qu’il soit difficile de déterminer avec certitude ce qui l’a produite et continue de la soutenir « il a été difficile, mais nous avons identifié le processus principal ». C’est ce que déclare l’équipe de scientifiques qui a éclairé l’évolution de la surface et de l’atmosphère lunaire au cours de milliards d’années, en définissant avec précision les mécanismes responsables dans l’article de recherche récemment publié dans la revue Science Advances.
L’équipe, dirigée par la professeure Nicole Xike Nie du Département de sciences de la Terre, atmosphériques et planétaires du Massachusetts Institute of Technology, a en effet découvert que le processus principal par lequel s’est formée et persiste une atmosphère extrêmement fine sur la Lune est la « vaporation par impact », un type d’érosion spatiale lié au bombardement que, au cours des 4,5 milliards d’années d’histoire, la surface de notre satellite a subi et continue de subir, d’abord par d’énormes météorites et, plus récemment, par des « micrométéoroïdes » plus petits, de la taille de grains de poussière.
« Ces impacts constants soulèvent le sol lunaire, vaporisant les atomes au contact – précisent les chercheurs -. Certains atomes sont expulsés dans l’espace, tandis que d’autres restent en suspension sur la Lune, formant une atmosphère ténue qui est constamment ravitaillée alors que les météorites continuent de frapper sa surface ».
Pour parvenir à cette conclusion (« La réponse définitive au processus qui crée l’atmosphère lunaire » affirment les chercheurs), des scientifiques ont examiné dix échantillons de sol lunaire, chacun pesant environ 100 milligrammes, recueillis par des astronautes durant les missions Apollo de la NASA. De chaque exemplaire, deux éléments ont été isolés, le potassium et le rubidium, qui peuvent être facilement vaporisés par impacts mais aussi par le phénomène dit de « sputtering ionique », un phénomène lié au vent solaire, qui transporte des particules énergétiquement chargées du Soleil à travers l’espace. Lorsque ces particules frappent la surface de la Lune, elles peuvent transférer leur énergie aux atomes dans le sol, les vaporisant.
Les processus possibles qui donnent naissance et alimentent l’atmosphère lunaire : A) vaporisation par impact de météoroïdes, B) sputtering ionique du vent solaire et C) désorption stimulée par des photons : la vaporisation par impact et le sputtering ionique libèrent des atomes des roches, tandis que la désorption stimulée par des photons ne libère que des atomes adsorbés faiblement liés. Une fois que les atomes sont libérés par vaporisation par impact et sputtering ionique, une fraction d’entre eux est perdue dans l’espace par fuite gravitationnelle (D), tandis qu’une partie commence à rebondir sur la surface lunaire avant de se disperser dans l’espace ou d’être réintégrée sur la surface par photoionisation (E) ou piégeage permanent (F). Crédit : Nie N. et al., Science Advances 2024.
Les chercheurs soupçonnaient que ces deux processus d’érosion spatiale pouvaient jouer un rôle important dans la formation de l’atmosphère lunaire, mais ils prévoyaient également que la vaporisation par impact donnerait lieu à des proportions isotopiques très différentes dans le sol par communiqué au sputtering ionique : ceci parce que les isotopes les plus légers peuvent être soulevés plus facilement, tandis que ceux plus lourds ont plus de chances de se déposer. Le potassium, par exemple, a trois isotopes, avec le même nombre de protons mais chacun avec un neutron supplémentaire, ce qui contribue à rendre l’atome légèrement plus lourd. Le rubidium a quant à lui deux isotopes, qui diffèrent par deux neutrons.
En mesurant donc le communiqué spécifique entre les isotopes légers et lourds dans les échantillons de sol lunaire, tant pour le potassium que pour le rubidium, l’équipe a observé que des isotopes lourds étaient principalement présents et, en comparant les deux éléments, a découvert que la vaporisation par impact est très probablement le processus dominant par lequel les atomes sont vaporisés et soulevés pour former l’atmosphère de la Lune.
« Avec la vaporisation par impact, la plupart des atomes resteraient dans l’atmosphère lunaire, tandis qu’avec le sputtering ionique, de nombreux atomes seraient expulsés dans l’espace – explique la professeure Nie – . De notre étude, nous pouvons désormais quantifier le rôle des deux processus, pour dire que la contribution relative de la vaporisation par impact par communiqué au sputtering ionique est d’environ 70:30 ou plus. En d’autres termes, 70 pour cent ou plus de l’atmosphère lunaire est un produit d’impacts de météorites, tandis que les 30 pour cent restants sont la conséquence du vent solaire ».