Pourquoi les scientifiques veulent retourner sur la Lune

Les reports successifs du lancement de la mission Artemis I de la NASA mettent au premier plan les défis techniques et technologiques liés à un retour des humains sur la Lune et aux multiples étapes pour y parvenir.

Au-delà de ces difficultés et des enjeux politiques d'une reconquête de la surface lunaire, les récentes publications des premiers résultats obtenus sur les échantillons de notre satellite naturel rapportés par la mission chinoise Chang'e-5 rappellent que des avancées scientifiques majeures sont attendues concernant l'origine de la Lune et son évolution géologique.

La mission chinoise Chang'e-5

Le site d'alunissage de Chang'e-5, atteint le 1er décembre 2020, a permis un échantillonnage de la surface de Lune au nord de Oceanus Procellarum, l'« Océan des Tempêtes ». Cette zone est une mare lunaire, c'est-à-dire une tache sombre à la surface de la Lune couverte de basaltes, située à l'ouest de la face visible. Elle est le témoin d'une activité volcanique tardive et est donc susceptible d'apporter des informations importantes sur les derniers stades d'évolution de la Lune.

L'échantillonnage réalisé par Chang'e-5 est essentiellement constitué de particules fines du sol lunaire, le « régolithe », et de quelques clastes basaltiques, des petits morceaux de laves partiellement cristallisées. L'analyse détaillée de ces échantillons permet aujourd'hui d'améliorer nos connaissances de la géologie lunaire.

Les clastes de basaltes lunaires rapportés par Chang'e-5 ont été datés à environ 2 milliards d'années. Ce sont les basaltes les plus récents rapatriés sur Terre : ils sont plus jeunes d'environ 800-900 millions d'années que ceux des précédentes missions lunaires.

Ces âges nouvellement obtenus permettent de proposer une nouvelle chronologie de la surface de la Lune, basée sur le lien entre l'âge des roches et la densité de cratères dans la zone d'échantillonnage. Cette méthode, qui est simplement basée sur le concept qu'une surface planétaire plus ancienne a été plus abondamment impactée, prend pour référence les données lunaires et est appliquée plus largement pour la datation des surfaces des planètes terrestres du système solaire, comme Mars et Mercure.

L'histoire de la Lune et son contenu en eau

Ces échantillons ramenés par Chang'e-5 révèlent aussi des informations importantes sur l'intérieur de la Lune.

En effet, la région de Oceanus Procellarum est reconnue comme étant enrichie en potassium, terres rares et phosphore, ou « KREEP », en référence aux éléments qu'il contient en plus forte abondance que les autres roches lunaires. Cet enrichissement en éléments dits « incompatibles » car ils ne veulent pas entrer dans les cristaux formés au cours du refroidissement est l'héritage de l'époque où la Lune était un océan de magma, un état primitif de notre satellite, qui était complètement fondu après son accrétion.

Cependant, les basaltes récoltés par Chang'e-5 dans cette région ne contiennent que peu de ces éléments chimiques. Cela implique que le « KREEP » n'est pas nécessaire au processus de fusion tardive de l'intérieur de la Lune (ce que l'on pensait jusqu'à présent). La Lune aurait plutôt subi un refroidissement prolongé, qui a permis une activité magmatique relativement récente.

Enfin, les analyses précises de certains minéraux, des apatites, dans les roches de Chang'e-5 ont aussi révélé la présence de quantité non négligeable d'eau sous forme d'ions hydroxyle OH⁻. Ceci corrobore les résultats de nouvelles analyses des échantillons collectés par les missions Apollo par des chercheurs américains, alors qu'auparavant, la Lune était considérée comme complètement « sèche ».

Artemis III et l'exploration du pôle sud

La mission Artemis III de la NASA, prévue en 2025, sera la première mission avec équipage à destination de la surface de la Lune depuis la mission Apollo 17 en 1972. Elle vise à atteindre le pôle sud et une série de sites potentiels a déjà été identifiée.

Les objectifs scientifiques en lien avec la géologie de la Lune sont focalisés sur la compréhension des processus d'impact et sur les dépôts et l'origine d'éléments « volatils » aux pôles, et notamment de l'eau sous forme de glace. Ces régions contiennent des zones qui ne sont jamais exposées au soleil et peuvent donc agir comme des pièges froids pour le dépôt de volatiles, émis par exemple lors d'une éruption volcanique à la surface de la Lune.

Et l'Europe ?

L'agence spatiale européenne a aussi des ambitions lunaires à travers des collaborations avec les autres agences spatiales et ses propres initiatives. Le programme d'utilisation de ressources in situ ISRU a pour objectif d'extraire et utiliser les ressources naturelles disponibles à la surface de la Lune, notamment dans un but de construction d'une base lunaire et de production de certaines ressources comme de l'eau.

Dans un premier temps, il s'agira de prouver que la production d'eau, d'oxygène ou encore d'hydrogène sur la Lune est possible. Les applications viseraient évidemment à maintenir la vie sur la Lune au sein de bases-vie, ainsi que de produire du carburant pour la propulsion de navettes.

Toutes ces questions scientifiques et les défis technologiques nécessaires pour y parvenir sont aujourd'hui des moteurs de la recherche. Les programmes des agences spatiales sont des sources d'inspiration pour une jeune génération. Ces développements pourraient aussi trouver des applications concrètes sur Terre, notamment dans l'extraction de ressources, la robotique, les systèmes de communication ou encore bien d'autres applications comme la prédiction des risques, le monitoring de la pollution terrestre et le développement de techniques de livraison autonome.

Par Bernard Charlier, Associate research scientist and Associate Professor, Université de Liège

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.