La Lune garde un secret qui a troublé les planétologues pendant des décennies : sa composition isotopique est presque identique à celle de la Terre. Selon le modèle canonique de l'impact géant, la Lune aurait dû hériter de la majeure partie de la matière de l'impacteur Théia, une planète de la taille de Mars qui a percuté la jeune Terre. Mais les analyses des échantillons lunaires rapportés par les missions Apollo ont montré le contraire : les isotopes de l'oxygène, du titane et du tungstène correspondent à ceux de la Terre à quelques millionièmes près. Ce paradoxe a été baptisé la crise isotopique lunaire, et il a remis en cause toute l'histoire de la naissance de notre satellite. Une nouvelle étude propose une issue inattendue : plutôt que de modifier la dynamique de l'impact, il suffirait de revoir la composition de Théia et de laisser l'océan de magma lunaire se stratifier, comme un cocktail.
Imaginez un cocktail stratifié : le sirop lourd tombe au fond, tandis que la couche légère reste au-dessus. Dans les premières heures qui ont suivi la catastrophe, la Lune était recouverte d'un océan de roche en fusion profond de plusieurs centaines de kilomètres. L'auteur du modèle a supposé que le manteau de Théia contenait plus de fer que celui de la proto-Terre, ce qui est cohérent avec les données sur Mars et Vesta. Les calculs effectués avec le programme alphaMELTS ont montré qu'à une pression de 0 GPa et une température de 2000 °C, la densité du magma de Théia était de 2.78 g/cm³, tandis que celle de la proto-Terre était de 2.67 g/cm³. Une différence de seulement 4 %, mais dans les conditions de gravité lunaire, cela a suffi pour que la matière de Théia commence à couler. Les gouttes de magma d'un rayon de 1 km s'enfonçaient à une vitesse d'environ 20 m/s, atteignant le fond en 23 heures. Le mélange par diffusion aurait pris 3000 ans, de sorte que les couches sont restées séparées.
Ensuite, la cristallisation est entrée en jeu. À mesure que l'océan refroidissait, des minéraux ont commencé à se former à la frontière entre les couches : orthopyroxène, clinopyroxène et olivine. Les calculs avec le code pMELTS ont montré qu'à des pressions de 1.5 à 3 GPa (profondeur jusqu'à 420 km), ces cristaux remontaient vers le magma sus-jacent, formant une barrière isolante. Dans l'intervalle de températures de 1549 °C à 1240 °C, environ 27 % de la masse de la couche supérieure à la frontière se présentait sous forme de cristaux flottants qui bloquaient le mélange. En conséquence, l'enveloppe solide supérieure de la Lune s'est formée à partir de la matière de la proto-Terre, tandis que le manteau inférieur provenait de la matière de Théia. Cela explique pourquoi la croûte lunaire a une composition isotopique terrestre, même si la majeure partie de la masse du satellite provient peut-être de l'impacteur.
Cette étude ne se contente pas de résoudre un vieux paradoxe, elle ouvre une nouvelle façon d'envisager la formation des planètes. Auparavant, les scientifiques tentaient d'expliquer la similitude isotopique en modifiant l'énergie de l'impact ou en supposant que Théia et la Terre étaient presque identiques en composition. Désormais, il suffit d'admettre que le manteau de Théia était légèrement plus riche en fer, et la stratification de l'océan magmatique fera tout le travail. Cela déplace l'attention de la dynamique de l'impact vers la thermodynamique des magmas, ouvrant ainsi toute une classe de nouveaux modèles. À l'avenir, ces modèles pourront être testés avec des données sismiques : si le manteau inférieur de la Lune est réellement composé de matière de Théia, cela se manifestera dans les vitesses des ondes sismiques. Peut-être comprendrons-nous enfin de quoi la Lune est réellement faite, et pourrons-nous entrevoir les premières heures de la vie de la Terre.
Le temps de descente d'une goutte de magma de Théia de rayon 1 km dans l'océan de magma lunaire n'a été que de 23 heures, soit moins d'un jour terrestre. En revanche, le mélange des couches par diffusion aurait pris environ 3000 ans.
L'idée de la stratification d'un corps céleste en fusion fait écho au roman d'Arthur C. Clarke « Rendez-vous avec Rama », où la structure interne d'un cylindre géant présente des couches distinctes aux propriétés différentes. Dans le cas de la Lune, la stratification de l'océan de magma a déterminé la composition isotopique de sa surface.