La lune est sous-estimée – Nautilus

Earth sans sa lune est comme des macaronis sans fromage, Bert sans Ernie, Batman sans Robin. La lune est au centre du chronométrage depuis des millénaires. Elle est à l’origine de nos mois (anciennement « lunes »), et certains calendriers sont encore basés sur la lune. De plus, la lune a un fort effet gravitationnel sur Terre. Les marées de l’océan sont principalement dues à la lune. Et l’inclinaison de l’axe de rotation de notre planète, responsable des saisons, est stabilisée par la lune. C’est donc un gros problème : sans une lune aussi grande que la nôtre, il est possible que la Terre n’ait pas le type d’environnement idéal pour que la vie se développe et évolue.

D’ici sur Terre, nous tenons souvent la lune pour acquise. Notre lune est la lune la plus massive de toutes les planètes du système solaire par rapport à sa planète mère (le rapport de masse entre la Terre et la lune est d’environ 80:1). Mars a deux lunes mais chacune est chétive. Certaines des géantes gazeuses ont des lunes plus massives (comme la lune Ganymède de Jupiter et la lune Titan de Saturne), mais celles-ci sont des centaines de fois moins massives par rapport à leur planète hôte. Oui, Pluton a une lune (Charon) qui est 1/8^e de sa masse, mais est-ce une planète ?

L’origine de la lune est un sujet très étudié en sciences planétaires. En 1879, George Darwin, fils de Charles, a proposé la théorie de la fission selon laquelle la lune représente un morceau de la Terre qui a vomit au début de l’histoire de la Terre en raison de sa rotation très rapide. Cette théorie a péri dans les analyses de la mission Apollo. Une théorie concurrente affirmait que la Lune était sa propre petite planète flottant autour du Soleil, mais qu’elle avait été capturée en orbite par la jeune Terre espiègle. Cette théorie n’a pas complètement disparu, mais personne n’a trouvé un moyen pour que le mécanisme de capture fonctionne correctement. (En revanche, on pense en effet que la grande lune Triton d’Uranus a été capturée, mais la vitesse orbitale beaucoup plus lente d’Uranus autour du Soleil rend la capture plus efficace).

Actuellement, la théorie dominante est que la lune s’est formée comme un sous-produit d’un impact colossal. Les derniers stades de la formation des planètes telluriques ont été caractérisés par des collisions entre une bande itinérante d’une ou deux douzaines de roches rocheuses de la taille approximative de Mars. embryons planétaires. On pense que l’impact géant final sur la Terre a créé un disque de débris et de roche vaporisée, à l’intérieur duquel la lune s’est fusionnée. Il y a encore un débat sur la manière exacte dont tout cela s’est passé – l’énergie de cet impact final et la masse de la proto-Terre et de l’impacteur, de quoi ils étaient faits et à quoi ressemblait le disque de formation de la lune. Néanmoins, l’hypothèse de l’impact géant est devenue le paradigme de la formation de la lune (bien qu’un modèle alternatif propose une série d’impacts plus petits).

Quelles sont les chances qu’une planète ait une belle grosse lune comme la nôtre ? Aborder cette question fait l’objet d’une nouvelle étude publiée dans Communication Nature dirigé par Miki Nakajima, scientifique planétaire à l’Université de Rochester. Les chercheurs ont utilisé une suite de simulations informatiques d’impacts géants pour évaluer la probabilité de formation de grandes lunes. Ils ont testé des planètes de tailles différentes et avec deux compositions différentes, opposant des planètes rocheuses à des planètes riches en glace.

Les chercheurs ont simulé l’impact à haute énergie de deux proto-planètes massives, en se concentrant sur des scénarios qui ont créé un disque autour de la planète survivante. Le disque était composé de vapeur et de liquide : vapeur de roche et gouttelettes de magma dans le cas des planètes rocheuses (ressemblant à la Terre), ou vapeur et magma ou gouttelettes d’eau liquide dans le cas des planètes riches en glace. Un élément clé de l’analyse consistait à déterminer la quantité relative de vapeur par rapport au liquide dans différents impacts, car elle est essentielle à la taille des lunes qui peuvent se former. Dans les disques dominés par la vapeur, le liquide ressent un fort vent contraire de la vapeur qui le fait entrer en spirale et tomber sur la planète avant qu’il n’ait la chance de se solidifier et de croître. Cela finit par former de petites lunes, car les gouttelettes de liquide sont essentiellement les graines des lunes. Dans les disques avec peu de vapeur, l’effet de vent contraire est beaucoup plus faible, de sorte qu’une fraction beaucoup plus importante du liquide dans le disque peut survivre, se solidifier et se transformer en grandes lunes.

Le principal résultat de l’étude est que les grandes lunes sont moins susceptibles de se former autour de grandes planètes. Lorsque les impacts sont trop énergiques, le disque finit toujours par être riche en vapeur. Les lunes massives ne se sont pas formées dans les simulations des chercheurs autour de planètes rocheuses plus massives que 6 fois la masse de la Terre, ou autour de planètes riches en glace plus massives que la Terre. La différence entre les planètes rocheuses et riches en glace vient principalement du simple fait qu’il faut moins de chaleur (et donc moins d’énergie d’impact) pour vaporiser l’eau que la roche.

La recherche de lunes autour d’exoplanètes, ou « exomoons », bat son plein. Deux candidats exomoons, Kepler-1625b I et Kepler-1708b I, ont été identifiés à ce jour à partir de l’analyse des formes détaillées et de la synchronisation des variations de luminosité lorsque les planètes géantes passent devant leurs étoiles hôtes (voir ici pour en savoir plus). Chaque candidat représente une lune potentielle de la taille d’une géante de glace en orbite autour d’une géante gazeuse, un scénario fondamentalement différent de celui étudié dans les simulations d’impact de Nakajima et ses collègues.

Les chercheurs ont recherché des lunes autour d’une centaine de planètes plus proches de la taille de la Terre (mais beaucoup plus proches de leurs étoiles que la Terre ne l’est du Soleil). Aucun bon candidat exomoon n’a été trouvé. La raison de ce manque apparent d’exolunes n’est pas claire. Une possibilité est que les fortes marées ressenties par les planètes proches de leurs étoiles agissent pour déstabiliser les orbites des grandes lunes. Il est également possible que les grandes lunes ne se forment tout simplement pas aussi facilement que prévu, et l’extrapolation des conditions de l’impact de la formation de la lune sur la Terre ne capture pas le résultat typique de la formation d’exoplanètes.

Sur une note philosophique, il est intéressant de noter que les deux exomoons candidats sont si différents de ceux trouvés dans notre système solaire. Lors de la recherche d’un signal faible, ce sont souvent les valeurs aberrantes faciles à repérer qui sautent en premier. Les premières exoplanètes découvertes étaient des “Jupiters chauds” – des géantes gazeuses en orbite très proche de leurs étoiles – mais nous savons maintenant que celles-ci sont rares parmi les exoplanètes. De même, les lunes de type Neptune autour des exo-Jupiters peuvent être un résultat anormal de la formation des planètes, mais celui que nous pouvons voir.

Au cours de la prochaine décennie, nous devrions avoir des tas de nouvelles données à filtrer pour les exomoons qui ressemblent davantage aux nôtres. Selon Najakima et ses collègues, nous ne devrions nous attendre à trouver les grandes lunes qu’autour de planètes plus petites. Toute personne vivant sur les plus grandes planètes devra trouver un moyen différent de suivre ses lunes.

Sean Raymond est un astrophysicien américain travaillant au Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux en France. Il tient également un blog à l’interface de la science et de la fiction (planetplanet.net) et a récemment publié un livre de poèmes d’astronomie.

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• Jean-Raymond

  Publié le 14 février 2022