Une nouvelle théorie expliquant la formation de la Lune a émergé avec la publication, lundi 9 janvier, d’une étude dans la revue scientifique Nature Geoscience (en anglais). Retour sur toutes les hypothèses qui ont été avancées pour expliquer la naissance du satellite naturel de la Terre, il y a 4,5 milliards d’années.

A new theory explaining the formation of the moon emerged on Monday 9 January, from a study in the scientific revue Nature Geoscience. We return to look at all the theories which have been advanced to explain the birth of the Earth’s natural satellite, 4.5bN years ago.

1La théorie de la co-accrétion. Accretion.

Quelle est l’hypothèse ? L’astronome français Edouard Roche est le premier, en 1873, à avoir développé une théorie scientifique pour tenter d’expliquer la formation de la Lune. Cette théorie de co-accrétion suggère que la Terre et la Lune auraient été formées simultanément, à partir des mêmes matériaux. Une masse importante de débris se seraient agglomérés pour former la protoplanète Terre et une masse plus petite d’objets aurait formé la Lune.

What is the hypothesis? The French astronomer Edouard Roche was the first in 1873 to have developed the scientific theory to attempt to explain the formation of the moon. This theory of co-accretion suggests that the Earth and Moon were formed simultaneously, from the same material. A huge mass of debris coalesced to form the proto-planet Earth and a smaller mass of debris formed the moon.

L’hypothèse se vérifie-t-elle ? Cette théorie laisse des zones d’ombre : elle est notamment incapable d’expliquer pourquoi la rotation de la Lune autour de la Terre ne se fait pas au niveau du plan équatorial. D’autre part, elle est contredite par les compositions de la Terre et de son satellite, qui devraient être à peu près identiques. Or, “il y a beaucoup moins de fer sur la Lune que sur la Terre”, explique Renaud Deguen, maître de conférences à l’université Lyon 1 et chercheur au Laboratoire de géologie de Lyon. “La Lune a certes un noyau métallique, mais il est beaucoup plus petit, proportionnelement, que celui de la Terre ou des autres planètes telluriques.”

Can the hypothesis be verified? This theory leaves some grey areas: it is not capable of explaining why the moon’s rotation around the Earth is not in line with the equator. In another area, there is a contradiction in the composition of the of the Earth and  it’s satellite, who should be somewhat identical. Now, there is lot less iron on the moon than there is on Earth, explained Renaud Deguen, chief of Lyon University 1 conferences and researcher of it’s geology laboratory. The moon has certainly a metal nucleus but it is a lot smaller, proportionally,  than that of the Earth  and other such planets. ”

2La théorie de la fission. Fission.

Quelle est l’hypothèse ? Quelques années après Edouard Roche, en 1878, c’est l’un des fils de Charles Darwin, l’astronome George Howard Darwin, qui propose la théorie de la fission. Selon lui, la Lune se serait détachée de la Terre à cause de la rapidité à laquelle notre planète tournait sur elle-même. Pour Darwin, l’océan Pacifique serait “la cicatrice” de cette fission.

What is the hypothesis? A few years after Edouard Roche, 1878, it was a son of Charles Darwin, the astronomer George Howard Darwin, who proposed the Fission theory. According to him, the Moon detached from the Earth due to the speed of it’s rotation. For Darwin, the Pacific ocean became the “scar” of that fission.

L’hypothèse se vérifie-t-elle ? Cette théorie permet de rendre compte de la quantité de fer moindre sur la Lune : les roches du manteau de la Terre qui se seraient détachées sont en effet appauvries en fer, explique Renaud Guenen. A l’instar de la co-accrétion, cette théorie n’explique pas l’inclinaison de 5 degrés par rapport à l’équateur du plan de rotation de la Lune. D’autre part, il est improbable que la Terre ait jamais tourné assez rapidement pour provoquer un détachement d’une partie de son manteau.

Can the theory be verified? This theory does allow for the small quantity of iron on the Moon: the outer surface of the Earth that detached was weak in iron, explained Renaud Guenen. Following the example of co-accretion on the other hand, this theory does not explain the 5 degree inclination from the equator of the rotation of the Moon. Also, it is improbable that the Earth ever rotated so quickly that it would cause a detachment of part of it’s surface.

La difficulté, c’est la vitesse de rotation que la Terre aurait dû avoir pour permettre cette fission. A priori, la Terre ne tournait pas assez vite. The difficulty, understanding the speed of rotation the Earth would have to achieve to provoke this fission. For a start, the Earth could never turn that fast. 

Renaud Deguen

à franceinfo

3La théorie de la capture. Capture.

Quelle est l’hypothèse ? Selon cette théorie développée en 1910 par Thomas Jefferson Jackson See, un planétoïde déjà formé serait passé à proximité de la Terre et se serait fait capturer dans son champ gravitationnel. En franchissant la limite de Roche (la distance théorique en dessous de laquelle un satellite se disloque), le planétoidïde se serait peut-être désintégré et ses débris se seraient ré-agglomérés pour former la Lune.

What is the hypothesis? According to this theory developed in 1910 by Thomas Jefferson Jackson, an already formed planetoid passed in the proximity of the Earth and was captured in it’s gravitational field. Adopting Roche’s theory above (that of a dislocated satellite), the planetoid perhaps disintegrated and its debris regathered to form the Moon.

L’hypothèse se vérifie-t-elle ? Une première interrogation soulevée par cette hypothèse est la capacité de la Terre à “capturer” un corps aussi massif que la Lune dans son champ gravitationnel, de sorte que celui-ci ait une orbite stable. D’autre part, cette théorie peine elle aussi à expliquer le peu de fer présent dans la Lune. “Les chondrites [les météorites les plus primitives] ont beaucoup plus de fer que ce qu’il y aurait dans la Lune”, explique Renaud Deguen.

Can the hypothesis be verified? The first question raised by this hypothesis is the capacity of the Earth to “capture” a massive body like the Moon in it’s gravitational field, and keep it in a stable orbit. On the other hand, this theory suffers to explain the small amount of iron present in the Moon. “Chondrites (the oldest and most primitive meteorites) have a lot more iron within them than would be in the Moon,” explained  Renaud Deguen.

4La théorie d’un impact géant. The theory of a huge impact.

Quelle est l’hypothèse ? Face aux limites des trois théories précédentes, deux équipes de scientifiques proposent une nouvelle théorie à la fin des années 1970. Une théorie selon laquelle une planète à peu près de la taille de Mars serait entrée en collision avec la Terre. Tandis qu’elle aurait été réduite en débris, elle aurait arraché de gros fragments du manteau terrestre. Portés à très haute température par le choc, les débris se seraient accrétés pour former la Lune.

What is the hypothesis? Faced with the limitations of the three previous theories, two scientific teams proposed a new theory at the end of 1970s. That a planet close to the same size as Mars came into a collision with the Earth. It would have been reduced to debris, and would have torn off large fragments of the earth’s surface. The shock of the collision would have yielded very high temperatures and the mixtures of debris would have coalesced to form the Moon.    

L’hypothèse se vérifie-t-elle ? Cette théorie permet d’expliquer les différentes proportions de fer observées dans la composition de la Lune et de la Terre, puisque l’impact aurait uniquement arraché des roches mantelliques, pauvres en fer. Elle apporte aussi des réponses sur une autre particularité du système Terre-Lune, qu’aucune théorie précédente n’avait pu justifier : leurs vitesses de rotation. “La Terre et la Lune tournent sur elles-mêmes très rapidement par rapport aux autres planètes telluriques, remarque Renaud Deguen. “La théorie de l’impact géant permet d’expliquer cela ; elle explique l’accélération du système.

” Can the hypothesis be verified? This theory helps to explain the different proportions of iron in the compositions of the Moon and the Earth, when the impact would have ripped off metallic rock, poor in iron. It carries also the answers to another specific of the Earth-Moon system, that no previous theory has justified: their speeds of rotation. “The Earth and the Moon rotate at the same high speed when compared to other planets, remarked Renaud Deguen. “The high impact theory helps explain this: the accelerations of the system”.  

Mais cette théorie n’en reste pas moins imparfaite. “Pour avoir le bon taux de rotation Terre-Lune, il faut que l’impacteur arrive de manière tangentielle à la Terre et dans ces conditions, une grosse proportion du matériel de l’impacteur reste en orbite”, note le chercheur lyonnais. Seulement voilà, il n’est pas possible de penser qu’une part importante de la planète venue percuter la Terre se soit agglomérée avec des débris terrestres pour former la Lune. Il existe en effet trop de similitudes dans la composition isotopique des roches terrestres et lunaires. “On trouve par exemple la même relation de proportionnalité entre l’oxygène 17 et l’oxygène 18 sur la Terre et sur la Lune, alors que dans le reste du système solaire, elle varie de manière importante”, illustre Renaud Deguen. Et la communauté scientifique a du mal à croire à une coïncidence.

But this theory is not perfect. “To have a good rate of Earth-Moon rotation, it is necessary for the impact to have been at a tangent to the Earth and given those conditions, a large proportion of the debris material would stay in orbit, noted the Lyon research. Only then, it is not possible to think that a big part of a planet (meteorite) came and hit the Earth then the mixture of debris from both the Earth and the striking planet came together to form the Moon. In effect it is too much of a co-incidence the similarity of the isotopic composition of the Earth and Lunar rocks. “We find for example almost the same proportional relationship between the Earth and Lunar oxygen, although in the rest of the solar system it varies much more,” illustrated Renaud Deguen. And the scientific community doesn’t believe in the co-incidence. 

5La théorie des impacts multiples. Multiple collisions.

Quelle est l’hypothèse ? Dans l’étude publiée par la revue Nature Geoscience, une équipe de chercheurs israéliens suppose que la Lune a été formée non pas à partir d’une collision géante, mais d’une succession de plus petits impacts, qui auraient chacun donné naissance à des mini-lunes. Celles-ci auraient ensuite fusionné pour former notre Lune actuelle. Et selon ce scénario, la Lune serait principalement composée par des éléments terrestres. L’idée avait été émise pour dès les années 1980, fait valoir Renaud Deguen, mais “ces 30 dernières années, on s’est surtout concentrés sur l’hypothèse d’un impact géant et on l’avait un peu laissé de côté”.

What is the theory?: In a  study published by the Nature Geo-science Review, a team of Isrealie researchers proposed that the Moon was formed, not by one giant collison, but by a succession of smaller impacts, which gave birth to many mini-moons. These fused to form our current Moon. And according to this scenario, the Moon is principally composed by the Earth’s elements. This idea was published  in the 1980s, but Renaud Deguen qualified this theory; “these last 30 years, we are above all concentrating and leaning towards the theory of one giant impact and leaving other theories to one side”.

L’hypothèse se vérifie-t-elle ? “Au début du système solaire, les collisions étaient très courantes, il est donc plus naturel que plusieurs impacteurs assez communs soient à l’origine de la Lune plutôt qu’un seul”, estime Raluca Rufu, l’une des auteurs de cette étude. Can the theory be verified? “From the beginning of the Solar System, collisions were very regular, it is therefore natural to assume that many impacts formed the Moon rather than just one. estimated Raluca Rufu, one of the authors of the study.

Le fait d’envisager que la Lune résulte de plusieurs impacts plutôt que d’un seul augmente le nombre de paramètres libres du modèle, ce qui permet de plus facilement satisfaire toutes les contraintes observables. In imaging that the Moon resulted from many impacts as opposed to only one, raises many diverse ideas about the model, allowing the easy satisfaction of observations by default and by dismissing other possibilities. 

Renaud Deguen

franceinfo

Dans un commentaire publié par la revue, Gareth Collins de l’Impérial College de Londres note que “cette dernière étude a ravivé le scénario jusqu’alors largement abandonné qu’une série d’impacts plus petits et plus communs seraient à l’origine de la formation de la Lune, plutôt qu’un énorme choc unique”. Et si l’origine de notre satellite est encore sujet à débat, les tâtonnements et interprétations scientifiques nous rapprochent, à force de logique, des conditions de son apparition.

In public discussion from information in the Review, experts have noted that “this last study revives the scenario, that had been largely abandoned, that a series of smaller regular impacts, would have formed the Moon, rather than one big collision” If the origin of our Lunar satellite is again the subject of debate, trial and error (les tâtonnements), and scientific interpretations are being revisited by us, it is good that it forces our logic and understanding of known conditions surrounding our Moon!