Difficile d'imaginer aujourd'hui une Terre sans sa compagne argentée. Depuis des milliards d'années, la Lune accompagne notre Planète et exerce sur elle une influence considérable : elle provoque notamment les marées, ralentit progressivement la rotation terrestre et contribue à maintenir l'inclinaison de son axe de rotation relativement stable. En fait, notre satellite n'est pas seulement un joli disque lumineux dans le ciel, il joue un rôle majeur dans l'histoire dynamique de la Terre.

Pour savoir comment la Lune est arrivée là, les scientifiques disposent depuis les missions Apollo de roches lunaires, qui constituent un indice de taille. Leur composition présente une étonnante proximité avec celle des roches terrestres (autrement dit, il est peu probable que la Lune ait été capturée par la gravité terrestre), tandis que la Lune possède un petit noyau métallique et montre d'autres caractéristiques compatibles avec une origine violente. Tout cela a contribué à faire de l’hypothèse de l’impact géant le scénario de référence pour expliquer sa naissance.

Une collision qui aurait tout changé

Selon cette hypothèse, il y a environ 4,5 milliards d'années, alors que la Terre était encore en pleine formation, un autre embryon planétaire de taille comparable à celle de Mars, baptisé Théia (la mère de Séléné dans la mythologie grecque), serait venu la percuter. Le choc aurait projeté dans l'espace une énorme quantité de matière provenant des deux corps.

Dans le scénario classique, cette matière aurait ensuite formé un disque de débris autour de la Terre et les fragments, soumis à leur propre gravité, se seraient progressivement agglomérés pour donner naissance à la Lune. La construction du satellite aurait donc été une affaire de patience : le choc aurait été instantané, mais la Lune serait apparue progressivement.

Cette vision n'est pourtant pas la seule possibilité. Et si, au lieu de fabriquer la Lune morceau par morceau, l'impact avait directement placé en orbite un corps déjà suffisamment gros pour devenir notre satellite ? C'est précisément le scénario exploré par une nouvelle étude publiée dans The Astrophysical Journal Letters. Et dans certaines conditions, les chercheurs trouvent une réponse étonnamment rapide : quelques heures seulement auraient pu suffire.

La température change tout

Pour tester cette idée, l'équipe de chercheurs a réalisé des simulations numériques d'un impact entre une jeune Terre et un corps primitif de taille martienne. Mais avec une différence importante par rapport à de nombreux modèles précédents : les chercheurs ont tenu compte de la résistance mécanique des matériaux. Si cette propriété peut sembler secondaire face à une collision entre deux corps planétaires, elle peut en fait presque être cruciale : une roche froide et rigide ne réagit pas de la même façon qu'un matériau fortement chauffé et plus « souple ». Or les protoplanètes ne naissent pas froides : leur formation et les collisions qu'elles subissent les chauffent progressivement, avant qu'elles ne refroidissent avec le temps, à l'image de la Terre qui était recouverte d'un océan de magma lors de ses premiers moments d'existence. 

Les chercheurs ont donc fait varier la température initiale de la Terre et de Théia, tout en prenant en compte la manière dont cette température modifie leur résistance, et les résultats changent alors radicalement. Dans les simulations où les deux corps sont suffisamment chauds, l'impact disperse une grande quantité de matière autour de la Terre. C'est là que l'on retrouve le scénario classique : un disque de débris se forme, et la Lune s'assemble ensuite progressivement.

Mais lorsque les corps sont suffisamment froids et résistants, Théia peut mieux conserver sa cohésion pendant la collision. C'est alors qu'une partie de cette protoplanète survit au choc et se retrouve directement sur une orbite autour de la Terre. Ici, en seulement quelques heures, un objet de taille comparable à celle de la Lune apparaît dans la simulation.

Les chercheurs ont notamment testé des profils thermiques correspondant à des températures de surface d'environ 400, 800 et 2 000 Kelvins. Avec les paramètres du modèle classique et en incluant la résistance des matériaux, une Lune intacte apparaît dans certains cas environ cinq heures après l'impact. Sans que ce résultat ne dessine une nouvelle réalité, la simulation montre plutôt qu'une formation rapide est physiquement possible dans certaines conditions, alors que les modèles précédents avaient tendance à considérer la résistance des matériaux comme négligeable dans un impact aussi énergétique.

Cette différence pourrait même offrir une nouvelle fenêtre sur l'histoire de notre satellite. Si la Lune s'est effectivement retrouvée en orbite sous la forme d'un corps déjà constitué, son état initial, notamment sa température et la quantité de composés volatils qu'elle aurait conservés, pourrait garder la trace des conditions qui régnaient lors de l'impact. La température de la jeune Terre et de Théia devient alors une sorte d'horloge indirecte : des corps plus chauds pourraient correspondre à une collision survenue plus tôt dans l'histoire du Système solaire, tandis que des corps ayant eu davantage de temps pour refroidir pourraient favoriser le scénario de la Lune intacte.

Reste un problème de taille : les roches terrestres et lunaires sont étonnamment proches sur le plan isotopique, alors que Théia était supposée provenir d'un autre endroit du Système solaire, et ces nouvelles simulations ne résolvent pas cette énigme. Une possibilité serait que Théia et la jeune Terre se soient formées dans une même région du disque protoplanétaire, à partir de matériaux similaires.

Le mystère de la naissance de la Lune est donc loin d'être refermé. Mais une chose change avec cette nouvelle étude : il n'est plus forcément nécessaire d'imaginer notre satellite passant des milliers, voire davantage, à s'assembler patiemment à partir de poussières et de roches. Dans certains scénarios, la Lune pourrait en fait être apparue dans le ciel de la Terre presque aussi vite que la collision qui lui a donné naissance.