Une équipe de recherche scientifique dirigée par l'Université Brown aux États-Unis a récemment annoncé les derniers résultats de ses recherches : elle a ouvert des échantillons de carottes lunaires qui ont été correctement scellées depuis leur retour sur Terre par Apollo 17 en 1972, et y a découvert un signal isotopique de soufre sans précédent. Ce résultat remet en question la compréhension traditionnelle de la formation et de l’évolution interne de la Lune. Le document de recherche a été publié dans le Journal of Geophysical Research : Planets.

En 1972, lorsque les derniers astronautes du programme Apollo sont revenus de la Lune, certains des échantillons collectés ont été scellés et conservés, dans l'espoir de les laisser à l'avenir pour une analyse approfondie par des scientifiques dotés d'une technologie plus avancée. Plus de cinquante ans plus tard, cette vision est enfin devenue réalité. Une équipe dirigée par James Dottin, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l'environnement et des planètes de l'Université Brown, a réanalysé une section de noyau de sol lunaire collecté par Apollo 17 dans la région de Taurus-Littrow et a identifié une composition isotopique de soufre anormale.

Le soufre contenu dans ces matériaux volcaniques est considérablement appauvri en soufre 33 (33S), l'un des quatre isotopes stables du soufre. L’équipe a noté que ces valeurs diffèrent considérablement des rapports isotopiques du soufre généralement mesurés dans les roches terrestres. Dans les études sur la Terre et d'autres planètes, le rapport isotopique d'un élément est considéré comme une « empreinte digitale » qui reflète son origine et la manière dont il s'est formé : si deux échantillons ont le même profil isotopique, cela signifie généralement qu'ils proviennent du même « parent mère ».

Depuis longtemps, la communauté scientifique confirme que la Terre et la Lune ont des caractéristiques très similaires en termes d'isotopes de l'oxygène. On suppose donc généralement que la composition isotopique du soufre dans le manteau de la Lune devrait également être proche de celle de la Terre. Cependant, les résultats de cette étude étaient très différents. Doting a déclaré qu'il s'attendait à l'origine à voir des valeurs similaires à celles de la Terre, mais qu'il s'est retrouvé avec des résultats "très différents de tout échantillon connu sur Terre". À tel point que lorsqu’il a vu les données pour la première fois, sa réaction a été : « C’est impossible, nous avons dû faire quelque chose de mal quelque part ». Après des contrôles répétés, l'équipe a confirmé que le processus expérimental était correct et n'a pu qu'accepter qu'il s'agissait d'un signal réel « très surprenant ».

L'échantillon analysé cette fois-ci provenait d'un « tube à double entraînement » : les astronautes d'Apollo 17 Gene Cernan et Harrison Schmitt ont inséré ce tube métallique creux à environ 60 centimètres dans la surface lunaire pour obtenir un profil de sol lunaire relativement in situ et non perturbé. Après le retour des échantillons sur Terre, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) les a scellés dans un environnement d'hélium dans le cadre du « Programme d'analyse d'échantillons Apollo Next Generation » (ANGSA) afin de réserver les matériaux lunaires « les plus propres » pour de futures recherches.

Ces dernières années, la NASA a mis ces précieux échantillons à la disposition des équipes de recherche scientifique grâce à une sélection compétitive. Avec le soutien du LunaSCOPE du Consortium de recherche lunaire de l'Université Brown, Doting a utilisé la technologie de spectrométrie de masse des ions secondaires (spectrométrie de masse des ions secondaires) pour effectuer des mesures de haute précision des isotopes du soufre dans les échantillons - une méthode qui n'était pas disponible lorsque les échantillons d'Apollo ont été ramenés pour la première fois. Il a spécifiquement sélectionné les parties du noyau qui étaient déterminées comme provenant de matériaux volcaniques situés au plus profond de la Lune, en se concentrant sur la recherche des phases soufrées formées lors de l'éruption des roches, plutôt que d'être introduites ultérieurement par d'autres processus.

Pour ces signaux 33S inattendus, l’équipe de recherche propose actuellement deux pistes d’explication principales. L’une est liée à l’environnement initial de la surface de la Lune : dans la fine atmosphère, si le soufre participe à des réactions photochimiques spécifiques sous l’action du rayonnement ultraviolet, il peut former les caractéristiques du 33S appauvri. La communauté scientifique estime généralement que la première Lune a eu brièvement une atmosphère mince et que la signature isotopique du soufre pourrait cette fois être une relique des processus chimiques de surface de cette période. Si cette explication est vraie, cela signifie que ces matières soufrées initialement situées à la surface ont été transportées profondément dans le manteau lunaire par un mécanisme quelconque.

Dotting a souligné que cela constituerait une preuve d'un « échange de matériaux surface-intérieur » au début de la Lune. Sur Terre, la tectonique des plaques peut subducter et recycler les matériaux de surface dans le manteau, mais il n’existe pas de système tectonique des plaques similaire sur la Lune. Par conséquent, s’il existe effectivement un mécanisme capable d’envoyer des matériaux de surface vers la première lune, il sera très important et intéressant pour comprendre son processus dynamique interne.

Une autre explication ramène la perspective à l’origine de la lune elle-même. La théorie dominante est que la Terre primitive a eu une énorme collision avec Theia, un corps céleste de la taille de Mars, et que les débris projetés se sont rassemblés en orbite et ont finalement formé la Lune. Si Theia elle-même avait une composition isotopique du soufre très différente de celle de la Terre, sa matière persistant profondément dans le manteau lunaire pourrait également être détectable dans les échantillons lunaires d'aujourd'hui.

À l’heure actuelle, les données disponibles ne sont pas suffisantes pour prendre une décision claire entre les deux explications. Doting espère qu'à l'avenir, grâce à une comparaison systématique avec les données isotopiques d'autres échantillons lunaires et d'autres corps planétaires du système solaire, la véritable source de ce « signal de soufre hétérogène » pourra être davantage clarifiée. Les chercheurs pensent qu’une analyse approfondie de ces empreintes isotopiques aidera non seulement à reconstruire l’histoire de la formation et de l’évolution de la lune elle-même, mais fournira également de nouveaux indices sur la distribution précoce des matériaux et le processus de formation des planètes dans l’ensemble du système solaire.