Le noyau de la Lune révélé par la lumière synchrotron
Publié par Isabelle le 02/04/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSU
Les enregistrements sismiques obtenus grâce au programme spatial Apollo (Apollo Lunar Surface Experiments Package) fournissent des informations très précieuses sur la structure interne de la Lune. Cependant, ces données ne suffisent pas à déterminer la structure ainsi que les propriétés de son noyau. Afin de mieux interpréter les différentes propriétés sismiques, des mesures de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps...) et de vitesse (On distingue :) du son dans le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou...) aux pressions et températures existant dans le noyau lunaire (Pour les homonymes, voir Pierrot lunaire, une œuvre de musique vocale d'Arnold Schönberg.), ont été obtenues par des chercheurs de l'équipe Minéralogie des intérieurs planétaires de l'IMPMC (CNRS, UPMC, IRD, MNHN) et présentées dans la revue PNAS. Ce travail qui fournit de nouvelles clés pour comprendre les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) sismiques, a permis de modéliser précisément la composition et la structure du noyau métallique de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de...).

Le fer est le constituant principal du noyau des planètes de type tellurique (dont la structure globale est similaire à celle de la Terre). Il adopte une structure hexagonale compacte (hc) dans les conditions du noyau interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et...), tandis qu'une structure cubique à faces centrées (cfc) est attendue aux pressions plus modérées de corps planétaires plus petits, comme la Lune, Mercure ou Mars. Déterminer les propriétés physiques du fer à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et...) est donc essentiel pour la modélisation des noyaux planétaires.

Les chercheurs ont mesuré la densité et la vitesse de propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de...) de compression et des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de cisaillement dans le fer cubique à faces centrées aux pressions et températures caractéristiques des intérieurs des planètes telluriques de petites dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.). Les expériences ont été effectuées sur des échantillons de fer comprimés jusqu'à 19 GPa et chauffés jusqu'à 1150 K dans des cellules à enclume de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est le plus dur...) sur la ligne de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) ID28 de l'ESRF (European Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) Facility, Grenoble). La vitesse du son a ainsi été déterminée par mesures de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...) inélastique des rayons X, tandis que la structure cristalline et sa densité ont été déterminées par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion...) des rayons X.


Vue schématique de l'intérieur de la Lune et zoom sur le modèle de noyau proposé. Ce modèle résulte de la comparaison des observations sismiques par les missions Apollo et la densité et la vitesse de propagation du son mesurées en fonction de la pression et de la température sur le fer solide et sur les alliages liquides de fer-soufre. La densité moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) du noyau interne solide est estimée à environ 7700 kg/m3, la vitesse de propagation des ondes de compression (VP) est elle entre 4750 et 5700 m/s, tandis que la vitesse de propagation des ondes de cisaillement (VS) est entre 2150 et 3450 m/s. Pour le noyau externe liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) la densité moyenne est de 6750 kg/m3 et la vitesse de propagation des ondes de compression (VP) est entre 3500 et 4100 m/s. Les ondes de cisaillement ne se propagent pas dans le noyau liquide.

Les résultats indiquent que la vitesse sismique actuellement proposée pour le noyau interne de la Lune est bien inférieure à celle du fer-cfc ainsi que des alliages de fer plausibles. Cet ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) apporte donc de très fortes contraintes sur les modèles sismiques du noyau lunaire et des noyaux des petites planètes telluriques et a permis de construire (Le permis de construire ou permis de construction est un document officiel qui autorise la construction ou la rénovation d'un bâtiment à usage d'habitation, industriel ou autre.) un modèle direct de la composition, structure, densité et vitesse du noyau de la Lune. Plus précisément, la Lune semble posséder un noyau interne solide d'environ 250 km de rayon constitué de fer en structure cfc, entouré par une enveloppe relativement fine, d'environ 80 km d'épaisseur, d'un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) liquide de fer et de souffre. La structure globale du noyau lunaire est donc similaire à celui de la Terre avec un noyau externe liquide beaucoup plus petit en proportion.

La figure montre le modèle proposé du noyau lunaire avec sa structure, sa composition, ses dimensions et les valeurs de la densité (?) et vitesses (VP - vitesse des ondes de compression; VS - vitesse des ondes de cisaillement).

L'approche, ici employée pour comprendre les propriétés du noyau de la Lune, peut être étendue à d'autres planètes, comme Mars. L'objectif premier de la mission Insight du NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des...) Discovery Program, dont le lancement est prévu en mars 2016, est d'installer une station sismique pour l'étude de l'intérieur de Mars, mise au point (Graphie) par l'IPGP, le CNES et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...) Diderot. Les résultats présentés ici et l'ensemble des données similaires seront essentiels pour interpréter les observations sismiques.
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