Résumé :
Lorsqu'une étoile massive atteint la fin de sa vie, elle projette souvent une grande quantité de matière dans l'espace sous la forme d'une explosion de supernova. Ce matériau, créé par la mort d'une étoile, peut parcourir des centaines d'années-lumière pour atteindre des corps proches, notamment la Terre et la Lune. Aujourd'hui, une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université d'Hawaï à Manoa suggère que le sol lunaire à la surface de la Lune pourrait conserver un enregistrement d'explosions de supernova qui s'étend sur 80 à 100 millions d'années, voire plus. Les chercheurs ont établi un ensemble de modèles mathématiques pour réinterpréter cette période de l’histoire cosmique à partir du sol lunaire continuellement remué.
Cette étude a été réalisée par Emily Costello, chercheuse à l'Institut de géophysique et de planétologie de l'Université d'Hawaï, et ses collaborateurs. L'article pertinent a été publié dans "Physical Review Letters". Le cœur de la recherche n’est pas simplement de rechercher de la « poussière d’étoiles » dans le sol lunaire, mais de résoudre un problème plus complexe : une fois que ces matériaux issus de l’explosion d’étoiles lointaines arrivent sur la Lune, ils ne restent pas pour toujours là où ils sont tombés à l’origine. Au lieu de cela, ils sont continuellement impactés par des météorites et des astéroïdes pendant des dizaines de millions d’années, puis sont creusés, enterrés, compactés et à nouveau mélangés. Les chercheurs doivent donc construire des modèles capables de restituer ce « chaos » de longue date dans un enregistrement du temps lisible.
Par rapport à la Terre, la Lune possède un avantage très particulier. Les sédiments marins sur Terre peuvent également préserver les matières radioactives de l'espace interstellaire, mais en raison de l'influence de la sédimentation marine, des activités géologiques et d'autres processus environnementaux, les enregistrements pertinents pouvant être retracés ne remontent qu'à environ 10 millions d'années. La Lune n’a ni atmosphère, ni océans liquides, ni tectonique des plaques active. Bien que les matériaux en surface soient constamment impactés par les météorites, ils ne subissent pas d’érosion et de cycles géologiques similaires à ceux de la Terre. Ainsi, le régolithe lunaire pourrait en réalité agir comme une archive cosmique à long terme, préservant le matériel des explosions d’étoiles lointaines pendant des dizaines de millions d’années.
Les chercheurs se sont concentrés spécifiquement sur un processus connu sous le nom de « labour à impact ». La surface lunaire a longtemps été bombardée par des impacteurs de différentes tailles, allant de minuscules particules de poussière aux gros astéroïdes. Chaque impact peut creuser la surface du sol lunaire et faire basculer les matériaux plus profonds vers le haut. Après des millions, voire des dizaines de millions d'années d'actions répétées, la structure en couches initialement relativement claire est progressivement devenue chaotique. Par conséquent, si les scientifiques forent aujourd’hui une carotte de sol lunaire sur la Lune, même s’ils trouvent un isotope radioactif provenant d’une supernova, ils ne peuvent pas simplement supposer que sa profondeur correspond au moment où il est arrivé sur la Lune.
L'équipe Costello a établi un modèle stochastique unifié pour décrire le processus de transport de matière dans le sol lunaire comme une compétition à long terme entre l'enfouissement et l'excavation. D’une part, le nouveau sol lunaire continue de recouvrir et d’enterrer les matériaux précédemment déposés ; d’un autre côté, les impacts de météorites ré-excaveront les matériaux souterrains et les mélangeront avec le sol lunaire à d’autres profondeurs. Le modèle prend également en compte des facteurs tels que le compactage par impact, l'excavation, le transport de matériaux, l'altération spatiale et la désintégration radioactive, et ajoute en outre la situation dans laquelle les supernovae délivrent de la poussière interstellaire à proximité du système solaire sous forme d'impulsions.
Des études antérieures sur les sédiments des grands fonds marins de la Terre et les échantillons lunaires du programme Apollo ont fourni des preuves importantes que les explosions de supernova à des centaines d'années-lumière ont autrefois livré des isotopes radioactifs à la Terre et à la Lune. Les scientifiques ont découvert qu'il y a eu deux événements de dépôt de matériaux de supernova relativement clairs il y a environ 2,3 millions d'années et il y a 7,3 millions d'années. Après leur arrivée sur la Lune, les signaux isotopiques laissés par ces événements ont été progressivement affectés par le labour à impact et ont été redispersés à différentes profondeurs.
Les chercheurs ont d'abord testé le modèle en utilisant des carottes de sol lunaire collectées par les missions Apollo. Les résultats montrent que le modèle peut reproduire de manière relativement précise la distribution réelle des isotopes radioactifs tels que le fer 60 dans le sol lunaire, à mesure qu'elle change avec la profondeur. Les âges des isotopes pertinents ont déjà été limités de manière indépendante par les traces de rayons cosmiques et d’autres références de radionucléides, fournissant ainsi une base importante pour valider le modèle.
Une fois le modèle vérifié, les chercheurs ont ensuite intégré la chronologie établie des événements de supernova sur Terre dans le modèle afin de simuler la distribution en profondeur de ces matériaux issus d'explosions stellaires après des millions d'années d'impact et de labour dans le sol lunaire. L’équipe de recherche a ensuite étendu le modèle à des éléments plus lourds ayant une valeur potentielle pour la recherche, notamment le plutonium-244, l’iode-129, l’hafnium-182 et le curium-247, etc., afin de prédire quel type de signaux chimiques cosmiques les scientifiques pourraient trouver après avoir obtenu des échantillons plus profondément dans la Lune à l’avenir.
Parmi eux, le plutonium-244 a attiré une attention particulière en raison de sa longue demi-vie, qui pourrait théoriquement aider les scientifiques à suivre des explosions stellaires plus lointaines. L’apport de matière interstellaire provenant de différentes sources et à différentes échelles de temps peut former différentes courbes de concentration dans le sol lunaire. Si des carottes de sol lunaire suffisamment profondes et bien préservées peuvent être obtenues, les scientifiques pourraient avoir l'occasion de faire la distinction entre une explosion brève et concentrée de supernova et un apport soutenu et à long terme de matière interstellaire.
Cela signifie également que la Lune peut non seulement préserver l'histoire géologique lunaire que les humains connaissent, mais également conserver les enregistrements des activités stellaires que la région du système solaire a connues au cours des dizaines de millions, voire des centaines de millions d'années. En d’autres termes, certains atomes du sol lunaire pourraient provenir d’étoiles disparues depuis longtemps, et les explosions de ces étoiles se sont produites avant l’apparition des humains ou même d’une grande partie de la vie moderne sur Terre.
Les chercheurs pensent que les futures missions d'exploration lunaire seront la clé pour vérifier davantage cette idée. Artemis prévoit d'envoyer à nouveau des astronautes sur la Lune à l'avenir et devrait collecter des échantillons de sol lunaire plus profonds et plus systématiques qu'à l'époque d'Apollo. Si ces missions parviennent à obtenir des carottes d'une profondeur suffisante, les chercheurs peuvent utiliser le modèle éprouvé de « labour à impact » pour décoder à l'envers la distribution perturbée des isotopes dans le sol lunaire, récupérant ainsi un historique plus long d'activité de supernova.
Costello a déclaré que de nouveaux échantillons obtenus de la Lune dans le futur, s'ils sont combinés avec ce modèle, pourraient révéler l'histoire des supernovae dans l'univers à proximité des humains qui n'a jamais été enregistrée auparavant. Pour les scientifiques, ce qui est vraiment précieux n'est pas seulement de découvrir un certain élément d'une étoile, mais aussi d'utiliser les lois de profondeur, de concentration et de désintégration radioactive de ces éléments pour déterminer quand ils sont arrivés sur la lune, de quel type d'événements stellaires ils sont issus et quel type d'environnement galactique le système solaire a connu au cours des dernières années.
Cette recherche a également provoqué un changement assez unique dans la valeur de la lune. Les roches sur Terre sont constamment remodelées par l’altération, la sédimentation, la fonte et les mouvements des plaques. Bien que les sédiments océaniques puissent préserver une partie de la matière interstellaire, il est difficile de fournir un enregistrement continu sur plus de dizaines de millions d'années. La surface lunaire, qui semble être constamment frappée par des météorites et qui est en désordre, pourrait en réalité n'être qu'une archive naturelle qui a été « désordonnée ». Tant que les scientifiques maîtriseront les lois physiques correctes, il sera possible de récupérer des informations temporelles sur ce chaos.
Si l'échantillonnage lunaire en profondeur réussit à l'avenir, les humains pourront peut-être utiliser une carotte de sol lunaire pour retracer les traces laissées par d'anciennes explosions de supernova et étudier plus en détail les changements dans l'environnement stellaire subis par le système solaire au cours de son long fonctionnement dans la Voie Lactée. Pour la Lune, ces matériaux laissés sur place lors de la mort d’étoiles lointaines y dormaient peut-être depuis des centaines de millions d’années, et les humains commencent tout juste à maîtriser la méthode de lecture de ces archives cosmiques.
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