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15 mai
2015 |
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Le noyau de la Lune
révélé par la lumière synchrotron |
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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 et de vitesse du son
dans le fer aux pressions et températures existant dans le noyau
lunaire, 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 sismiques, a permis
de modéliser précisément la composition et la structure du noyau
métallique de la Lune.
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 de la Terre, 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 et
température est donc essentiel pour la modélisation des noyaux
planétaires.
Les chercheurs ont mesuré la densité et la vitesse de propagation
des ondes de compression et des ondes de cisaillement dans le fer
cubique à faces centrées aux pressions et températures
caractéristiques des intérieurs des planètes telluriques de petites
dimensions. 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 sur la ligne de lumière ID28 de l'ESRF
(European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble). La
vitesse du son a ainsi été déterminée par mesures de diffusion
inélastique des rayons X, tandis que la structure cristalline et sa
densité ont été déterminées par diffraction des rayons X.
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 de données 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 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 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 ci-dessous montre le modèle proposé du noyau lunaire avec
sa structure, sa composition, ses dimensions et les valeurs de la
densité (ρ) et vitesses (VP – vitesse des ondes de compression; VS –
vitesse des ondes de cisaillement).
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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 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 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. |
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Application du procédé sur Mars en
2016 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
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 par l’IPGP, le CNES et l’Université Paris
Diderot. Les résultats présentés ici et l’ensemble des données
similaires seront essentiels pour interpréter les observations
sismiques.
Sources :
Toward a mineral physics reference model for the Moon’s core.
Daniele Antonangelia, Guillaume Morarda, Nicholas C. Schmerrb,
Tetsuya Komabayashic, Michael Krischd, Guillaume Fiqueta, and
Yingwei Feie - PNAS, 1417490112, 16 mars 2015.
CNRS,
31 mars 2015.
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InSight (Interior
Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat
Transport) est une mission du programme Discovery de la NASA qui
placera un seul atterrisseur géophysique sur Mars pour étudier son
intérieur profond. InSight est bien plus qu'une simple mission
martienne, il s'agit d'un explotateur de planète de type terrestre
qui abordera l'une des questions les plus fondamentales de la
science du système planétaire et l'énergie reçue du Soleil : la
compréhension des processus qui ont façonné les planètes rocheuses
du système solaire interne (y compris la Terre) il y a plus de
quatre milliards d'années.
En utilisant des instruments géophysiques sophistiqués, InSight
plongera profondément sous la surface de Mars, en vue de détecter
les traces laissées par les processus de formation d'une planète
tellurique, ainsi que de mesurer les "signes vitaux" de la planète
comme ses frémissements d'ordre tellurique et sa température
interne. |
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