29 Avr Le sombre secret de la Lune : des pièges à froid situés dans l’ombre pourraient percer le mystère de la glace lunaire

De nouvelles preuves suggèrent que de la glace s’accumule sur la Lune depuis 1,5 milliard d’années – et révèlent les endroits les plus prometteurs pour en trouver.

Plus d’un demi-siècle après le dernier alunissage habité, une nouvelle course à l’espace lunaire est en marche : avec le lancement, la semaine dernière, de la mission Artemis II de la NASA, les États-Unis, la Russie et la Chine visent tous à établir des bases permanentes sur la Lune. Contrairement au programme Apollo, au cours duquel les astronautes américains se sont posés sur six sites différents de la surface lunaire, les missions du XXIe siècle se concentrent toutes sur un seul endroit : le pôle Sud de la Lune. Il y a plus d’un siècle, Robert H. Goddard, pionnier de l’astronautique, avait émis l’hypothèse que des gisements de glace pourraient exister aux pôles lunaires, et des preuves indirectes recueillies au cours des 20 dernières années viennent étayer cette hypothèse. Dans le domaine de l’exploration spatiale, la glace est une ressource très convoitée : elle peut être transformée en eau potable et d’irrigation, fractionnée pour servir de carburant de fusée pour les voyages dans l’espace lointain, et même utilisée pour étudier l’histoire des corps célestes.

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences, en collaboration avec des chercheurs américains, ont mis au jour de nouvelles preuves scientifiques démontrant que de la glace s’accumule progressivement aux pôles de la Lune depuis au moins 1,5 milliard d’années. Leur nouvelle étude, publiée dans *Nature Astronomy*, identifie d’anciens « pièges à froid » à la surface de la Lune et les désigne comme des cibles prioritaires pour de futures missions.

Prof. Oded Aharonson

Contrairement à la Terre, dont l’inclinaison de l’axe fait varier la position du Soleil dans le ciel tout au long de l’année, la Lune n’a pratiquement aucune inclinaison, et le Soleil se trouve toujours à peu près au-dessus de son équateur. Si vous vous trouviez à l’un des pôles lunaires, vous verriez le Soleil rester près de l’horizon tout au long de son cycle mensuel, au lieu de se lever et de se coucher comme c’est le cas sur Terre. De ce fait, la lumière du Soleil ne peut atteindre ni réchauffer les cratères profonds et escarpés situés aux pôles lunaires, connus sous le nom de « régions en ombre permanente ».

Cela n’a pas toujours été le cas. Dans un passé lointain, la Lune présentait une inclinaison axiale bien plus importante, mais au cours des derniers milliards d’années, son axe s’est redressé. En 2023, des chercheurs ont montré qu’à mesure que l’inclinaison de la Lune diminuait, de plus en plus de cratères situés près des pôles se retrouvaient dans l’ombre permanente et se refroidissaient considérablement. En calculant à quel moment chaque cratère a perdu son exposition à la lumière du soleil, ils ont pu déduire « l’âge » de chaque région en ombre permanente.

Dans cette nouvelle étude, le professeur Oded Aharonson, du Département des Sciences de la Terre et des Planètes de l’Institut Weizmann, et ses collaborateurs – le professeur Paul Hayne de l’université du Colorado à Boulder et le Dr Norbert Schörghofer de l’Institut des Sciences Planétaires d’Honolulu – ont cherché à déterminer s’il existait un lien entre l’âge d’une région en ombre permanente et la proportion de sa superficie recouverte de glace.

La glace réfléchit davantage la lumière ultraviolette à certaines longueurs d’onde que la surface rocheuse de la Lune, ce qui permet de déduire où elle se trouve. La lumière ultraviolette présente un avantage, car elle émane non seulement du Soleil, mais aussi d’étoiles lointaines, et peut pénétrer dans les zones en ombre permanente. Les chercheurs ont analysé les données recueillies par un instrument sensible aux ultraviolets embarqué à bord du Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, qui orbite autour de la Lune et en dresse la carte depuis 2009.

« Nous avons constaté que plus une région était plongée dans l’ombre tôt, plus la superficie sur laquelle la glace pouvait s’accumuler était importante », explique le professeur Aharonson. « Cette tendance a commencé il y a au moins 1,5 milliard d’années et s’est poursuivie même au cours des 100 derniers millions d’années. Cela suggère que la glace s’est accumulée sur la Lune à partir d’une ou de plusieurs sources quasi continues, plutôt que par un événement ponctuel tel qu’un impact de comète de grande ampleur. »

Pour que la glace se forme non seulement à la surface lunaire, mais aussi qu’elle persiste pendant des centaines de millions, voire des milliards d’années sans s’évaporer, des températures extrêmement basses sont nécessaires – de l’ordre de moins 160 degrés Celsius. Les régions qui maintiennent de telles températures toute l’année sont appelées « pièges froids ». Si de nombreuses régions en ombre permanente répondent à cette définition, certaines n’y répondent pas, car les parois environnantes peuvent rayonner de la chaleur vers le cratère.

Afin d’identifier les sites les plus prometteurs pour la recherche de glace lunaire, les chercheurs ont eu recours à des calculs géométriques pour déterminer quelles régions en ombre permanente faisaient également office de pièges à froid, et à quel moment de l’histoire de la Lune elles avaient acquis ce statut.

« Plus une région donnée est restée longtemps un piège à froid, plus elle a accumulé de glace », explique le professeur Aharonson. « Dans la plupart des cas, un cratère est tombé dans l’ombre et s’est transformé en piège à froid simultanément – mais ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, le cratère Shackleton est en ombre depuis environ 3,5 milliards d’années et était considéré comme un site prometteur pour la recherche de glace lunaire. Nous avons toutefois découvert qu’il n’était devenu un piège à froid qu’il y a environ 500 millions d’années. Afin d’identifier des cibles pour de futures missions, nous avons recherché les pièges à froid les plus anciens et en avons trouvé plusieurs, très étendus et vieux de plus de 3,3 milliards d’années, près du pôle Sud de la Lune. »

Ces découvertes revêtent une importance particulière, car la localisation et le prélèvement d’échantillons de glace lunaire constituent l’un des principaux objectifs des futures missions habitées Artemis de la NASA, qui prévoient d’envoyer des astronautes au pôle Sud de la Lune. La vision à long terme de la NASA prévoit notamment la mise en place d’une base lunaire permanente qui servirait de préparation – et éventuellement de station de transit – pour de futures missions habitées vers Mars.

« La preuve irréfutable de l’existence de glace sur la Lune serait un échantillon de celle-ci », explique le professeur Aharonson. « Cela nous permettrait de comparer la composition chimique de l’eau sur la Lune avec celle de la Terre, et d’évaluer si – et comment – les missions lunaires habitées pourraient exploiter cette ressource. »

Cette étude encourage la poursuite des recherches sur les pièges à froid les plus anciens et fournit des indications sur les sites les plus prometteurs à explorer, tels que le cratère Haworth, l’un des pièges à froid anciens récemment identifiés. « Les futures missions spatiales pourraient recueillir des données détaillées sur la glace présente à la surface du cratère, et les rovers seraient en mesure de s’en approcher, d’y pénétrer et d’en prélever des échantillons », explique le professeur Hayne.

Les origines de la glace lunaire

Bien que l’origine de l’eau lunaire reste incertaine, les chercheurs ont élaboré un modèle mathématique simple pour explorer diverses possibilités. Selon ce modèle, la quantité de glace à la surface de la Lune est influencée par trois processus : l’apport en eau, l’évaporation et ce que l’on appelle le « jardinage par impact » – un processus au cours duquel la perturbation du sol et des roches lunaires redistribue la glace et l’enfouit sous la surface.

Le constat selon lequel on trouve relativement peu de glace dans les pièges à froid plus récents, associé à la lente accumulation de glace sur des centaines de millions d’années, a conduit les chercheurs à conclure que tant l’apport en eau que sa perte sur la Lune se produisent à des rythmes relativement rapides, un peu comme un robinet qui remplit un seau percé.

L’une des sources proposées pour l’eau lunaire est que l’eau volatile provenant de l’intérieur de la Lune atteigne la surface par le biais de l’activité volcanique. Une autre source possible est le vent solaire : un flux d’atomes d’hydrogène capables de participer à des réactions chimiques à la surface lunaire pour former de l’eau. Une troisième option est celle des impacts d’astéroïdes et de comètes – non pas un seul événement catastrophique, mais de multiples impacts se produisant tous les quelques millions d’années.

« Trouver de l’eau sous forme liquide et utilisable au-delà de la Terre est l’un des défis les plus importants de l’astronomie », déclare le professeur Aharonson. « Les missions lunaires prévues pourraient nous aider à déterminer l’origine de l’eau sur la Lune, mais elles pourraient aussi nous en apprendre beaucoup plus. En tant que satellite naturel de la Terre, la Lune est un excellent laboratoire pour étudier l’histoire de notre planète et de son eau. De plus, nous pourrions acquérir des connaissances sur la composition et la répartition de l’eau qui pourrait nous attendre sur des planètes et des lunes plus lointaines que nous n’avons pas encore visitées. »

La Science en Chiffres

Selon les estimations, plus de 10 % de la surface des pièges à froid les plus anciens de la Lune serait recouverte de glace.