Contrairement à la Terre, la Lune ne possède plus aujourd’hui de champ magnétique engendré par son noyau. Sur notre planète, le mouvement du fer liquide dans le noyau externe génère un champ magnétique global. Cette « géodynamo » fonctionne selon un principe similaire à celui d’une dynamo de bicyclette, qui convertit un mouvement mécanique en énergie électrique.
« Aujourd’hui, un débat animé fait rage pour savoir si la Lune a elle aussi fonctionné comme une dynamo par le passé », déclare Xi Yang, doctorant au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’ETH Zurich. En cause : l’analyse des échantillons de roche rapportés sur Terre par les astronautes d’Apollo, qui donne des résultats contradictoires.
« Certains chercheurs supposent qu’un champ magnétique puissant a existé sur une longue période, entre 4,25 et 3,5 milliards d’années, tandis que d’autres n’en trouvent aucune preuve », explique la géophysicienne Anna Mittelholz, chargée de cours dans le même département. Outre la théorie de la dynamo, une seconde explication est possible pour la roche lunaire aimantée : des impacts de météorites ou d’astéroïdes massifs auraient pu déclencher des processus d’aimantation sur la Lune.
Une étude menée par les deux chercheurs de l’ETH, en collaboration avec des collègues de l’Institut de recherche spatiale, du DLR et de l’Université technique de Berlin, vient désormais étayer la théorie de la dynamo. Elle conclut qu’il y a 4,2 milliards d’années – quelques centaines de millions d’années après sa formation – la Lune possédait bel et bien un champ magnétique engendré en interne. Les chercheurs ne se sont pas appuyés sur des échantillons de roche, mais sur des données recueillies par des sondes en orbite lunaire, comme les mesures gravimétriques des sondes « GRAIL » de la NASA et des modèles de champ magnétique fondés sur les mesures orbitales des missions Lunar Prospector et Kaguya.
Une fenêtre sur la structure interne
L’attention se porte sur une région précise appelée Dewar, située sur la face cachée de la Lune, que nous ne voyons jamais depuis la Terre. « La région de Dewar est une véritable aubaine : l’une des plus fortes anomalies de champ magnétique de la face cachée de la Lune et une nette anomalie gravimétrique y coïncident spatialement », relate Mittelholz. Cela signifie que cette région renferme une roche plus fortement aimantée – et en même temps plus dense – qu’ailleurs. « C’est l’une des raisons pour lesquelles cette région constitue une fenêtre potentielle sur la structure interne de la Lune », déclare Yang.
Dans la plupart des cas, l’origine des anomalies de champ magnétique mesurées depuis l’orbite lunaire est inconnue. « Les données gravimétriques, en revanche, nous renseignent sur la densité et donc sur le matériau situé sous la surface », explique Mittelholz. « Là où les signaux du champ magnétique et de la gravité coïncident, il est possible de combiner les deux et d’attribuer l’anomalie à une structure géologique précise. C’est exactement l’occasion qu’offrait Dewar. » Et les chercheurs en ont tiré le meilleur parti : pour la première fois, ils ont créé un modèle précis du sous-sol en traitant conjointement les données gravimétriques et celles du champ magnétique.
Le résultat : dans la région de Dewar, sous la surface lunaire, se trouve un corps rocheux d’environ 60 kilomètres de large, qui s’étend jusqu’à une profondeur d’environ 9 kilomètres. Il est bien plus dense que la croûte environnante, tout en étant fortement aimanté. Combiné à la géochimie de surface et à une topographie en arc, cela conduit les chercheurs à conclure qu’il s’agit de magma solidifié remonté du sous-sol – un complexe volcanique enfoui. L’âge de la structure – 4,2 milliards d’années – peut être déterminé à partir des différents dépôts de matériaux d’impact à la surface lunaire.
Un champ magnétique étonnamment puissant
« Comme nous savons quelle quantité de fer contient un tel corps rocheux, nous pouvons estimer la force minimale que le champ magnétique a dû avoir lorsque le magma refroidissait lentement. Pour moi, c’est un résultat très important », affirme Mittelholz. Et Yang d’ajouter : « Nous avons constaté que le champ magnétique sur la Lune à cette époque était très probablement supérieur à 10 microteslas. Sur Terre aujourd’hui, l’intensité du champ magnétique s’établit à environ 50 microteslas. »
Les chercheurs excluent la possibilité qu’un impact violent ait pu provoquer ce champ magnétique. En effet, la région de Dewar se situe en dehors des zones considérées comme des candidates possibles. « Nous pouvons donc être quasiment certains que le champ magnétique doit provenir d’une dynamo de plus longue durée engendrée dans le noyau », affirme Yang.
Il reste toutefois difficile de comprendre comment le petit noyau lunaire aurait pu générer un champ magnétique aussi intense. C’est pourquoi les chercheurs de l’ETH ne considèrent pas encore la question de l’existence d’une dynamo lunaire précoce comme entièrement résolue. « Mais nous examinons la question sous un angle entièrement nouveau », déclare Mittelholz. La question est donc passée de « Y a-t-il eu une dynamo ? » à « Comment fonctionnait-elle ? ».
De mystérieuses volutes lunaires
En outre, l’étude apporte des éclairages sur un autre phénomène énigmatique : les volutes lunaires. Ces motifs clairs, courbes ou striés, à la surface de la Lune, se détachent nettement de leur environnement plus sombre. Partout où une telle volute apparaît, les chercheurs trouvent toujours une anomalie magnétique. Il existe également une volute lunaire à la surface de la région de Dewar, au-dessus de l’anomalie observée. L’origine des volutes fait débat.
Une explication possible est que les volutes ne se forment que là où le champ magnétique est horizontal à la surface, comme c’est le cas pour la volute de Dewar. Le champ horizontal dévie le vent solaire, protégeant ainsi la surface de l’altération. De ce fait, cette zone reste plus claire que son environnement. « C’est une information importante pour les futurs astronautes », souligne Mittelholz : « Les lignes de champ magnétique pourraient offrir une protection contre les vents solaires, et les volutes indiquent l’emplacement de telles configurations. »
Les résultats des chercheurs doivent aussi aider les futures missions lunaires à sélectionner des cibles prioritaires pour des mesures sur place, et ils pourraient contribuer à l’analyse des échantillons lunaires afin de tirer des conclusions sur l’histoire de l’évolution magnétique de la Lune. « La méthode pourrait également être appliquée à d’autres corps célestes pour obtenir des informations sur une dynamo planétaire à partir des seules données en orbite », affirme Yang. Mars, par exemple, serait un cas intéressant, bien que des données de qualité suffisante fassent actuellement défaut.
Article : Magmatic origin of the Dewar magnetic anomaly: Implications for an early lunar dynamo – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
