Plus d’un demi-siècle après le dernier alunissage habité, une nouvelle course à l’espace lunaire est lancée : la mission Artemis II de la NASA a été lancée la semaine dernière et les États-Unis, la Russie et la Chine ambitionnent d’établir des bases permanentes sur la Lune. Contrairement au programme Apollo, lors duquel les astronautes américains ont atterri sur six sites différents à la surface lunaire, les missions du XXIe siècle se concentrent toutes sur un seul endroit : le pôle Sud lunaire. Le pionnier de la conquête spatiale, Robert H. Goddard, a émis l’hypothèse, il y a plus d’un siècle, que des dépôts de glace pourraient exister aux pôles lunaires, et des preuves indirectes recueillies au cours des 20 dernières années ont conforté cette hypothèse.

Dans l’exploration spatiale, la glace est une ressource extrêmement précieuse : elle peut être transformée en eau potable et d’irrigation, fractionnée en carburant pour les voyages spatiaux lointains et même utilisée pour étudier l’histoire des corps célestes. Des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences, en collaboration avec des collègues américains, ont mis au jour de nouvelles preuves scientifiques montrant que la glace s’accumule progressivement aux pôles de la Lune depuis au moins 1,5 milliard d’années. Leur étude identifie d’anciens cold traps à la surface lunaire et les désigne comme des cibles prioritaires pour les futures missions.

Des cratères se refroidissent

Contrairement à la Terre, dont l’axe incliné fait varier la position du Soleil dans le ciel tout au long de l’année, la Lune est presque plate et le Soleil se situe toujours approximativement au-dessus de son équateur. Si on se trouvait à l’un des pôles lunaires, on verrait le Soleil rester près de l’horizon tout au long de son cycle mensuel, au lieu de se lever et de se coucher comme sur Terre. De ce fait, la lumière du soleil ne peut atteindre et réchauffer les cratères profonds et abrupts des pôles lunaires, appelés « régions d’ombre permanente ». Il n’en a pas toujours été ainsi. Dans un passé lointain, l’inclinaison axiale de la Lune était bien plus importante, mais au cours des derniers milliards d’années, elle s’est redressée.

En 2023, des chercheurs ont démontré qu’à mesure que l’inclinaison de la Lune diminuait, un nombre croissant de cratères proches des pôles se retrouvaient plongés dans l’ombre permanente et se refroidissaient considérablement. En calculant la date à laquelle chaque cratère a cessé d’être exposé à la lumière du soleil, ils ont pu déduire l’« âge » de chaque région d’ombre permanente. Dans une nouvelle étude, le Pr Oded Aharonson, du département des sciences de la Terre et des planètes de l’Institut Weizmann, et ses collaborateurs – le Pr Paul Hayne de l’Université du Colorado à Boulder et le Dr Norbert Schörghofer, de l’Institut des sciences planétaires d’Honolulu – ont entrepris d’examiner s’il existe une corrélation entre l’âge d’une région d’ombre permanente et la proportion de sa surface recouverte de glace.

La tendance a débuté il y a au moins 1,5 milliard d’années

La glace réfléchit davantage de lumière ultraviolette à certaines longueurs d’onde que la surface rocheuse de la Lune, ce qui permet de déterminer sa localisation. La lumière ultraviolette présente un avantage car elle provient non seulement du Soleil, mais aussi d’étoiles lointaines, et peut pénétrer dans des zones constamment à l’ombre. Les chercheurs ont analysé les données recueillies par un instrument sensible aux ultraviolets à bord de la sonde Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, qui orbite autour de la Lune et la cartographie depuis 2009. « Nous avons constaté que plus une région est plongée dans l’ombre tôt, plus la surface où la glace a pu s’accumuler est importante », explique le Pr Aharonson.

« Cette tendance a débuté il y a au moins 1,5 milliard d’années et s’est poursuivie au cours des 100 derniers millions d’années. Cela suggère que la glace s’est accumulée sur la Lune à partir d’une ou plusieurs sources quasi continues, plutôt que par un événement unique comme l’impact d’une grosse comète. » Pour que la glace se forme à la surface lunaire et y persiste pendant des centaines de millions, voire des milliards d’années sans s’évaporer, des températures extrêmement basses sont nécessaires, de l’ordre de -160 °C. Les régions qui maintiennent de telles températures toute l’année sont appelées zones d’ombre permanentes (cold trap en anglais ou PSR, Permanently Shadowed Regions). Si de nombreuses régions constamment à l’ombre répondent à cette définition, certaines n’y correspondent pas, car les parois environnantes peuvent rayonner de la chaleur à l’intérieur du cratère. Pour identifier les sites les plus prometteurs pour la recherche de glace lunaire, les chercheurs ont utilisé des calculs géométriques afin de déterminer quelles régions constamment à l’ombre fonctionnent également comme des PSR, et à quel moment de l’histoire lunaire elles ont acquis ce statut.

Les plus anciennes zones d’ombre permanentes

« Plus une région donnée est une zone d’ombre permanente depuis longtemps, plus elle a accumulé de glace », explique Oded Aharonson. « Dans la plupart des cas, un cratère est devenu à l’ombre et s’est transformé en zones d’ombre permanente simultanément, mais pas toujours. Par exemple, le cratère Shackleton est resté à l’ombre pendant environ 3,5 milliards d’années et était considéré comme un site prometteur pour la recherche de glace lunaire. Nous avons cependant découvert qu’il n’est devenu une zone d’ombre permanente qu’il y a environ 500 millions d’années. Pour identifier les cibles des futures missions, nous avons recherché les plus anciennes zones d’ombre permanentes et découvert plusieurs vastes formations datant de plus de 3,3 milliards d’années près du pôle Sud lunaire ». Ces découvertes sont particulièrement importantes car la localisation et l’échantillonnage de la glace lunaire constituent l’un des principaux objectifs des futures missions habitées Artemis de la NASA, dont le déploiement d’astronautes au pôle Sud lunaire est prévu. La vision à long terme de la NASA inclut l’établissement d’une base lunaire permanente qui servirait de préparation – et éventuellement de station de transit – pour les futures missions habitées vers Mars. « La preuve irréfutable de l’existence de glace sur la Lune serait un échantillon », explique le Pr Aharonson.

« Cela nous permettrait de comparer la composition chimique de l’eau sur la Lune avec celle sur Terre et d’évaluer si – et comment – ​​les missions lunaires habitées pourraient exploiter cette ressource. » L’étude justifie la poursuite des explorations des plus anciennes zones d’ombre permanentes et fournit des indications sur les meilleurs sites à cibler, comme le cratère Haworth, l’un des PSR anciens récemment identifiés. « Les futures missions spatiales pourront collecter des données exhaustives sur la glace à la surface du cratère, et les rovers pourront s’en approcher, y pénétrer et prélever des échantillons des dépôts de glace », explique Hayne. L’origine de la glace lunaire Bien que l’origine de l’eau lunaire demeure un mystère, les chercheurs ont élaboré un modèle mathématique simple pour explorer différentes hypothèses.

L’influence de trois processus

Selon ce modèle, la quantité de glace à la surface de la Lune est influencée par trois processus : l’apport d’eau, l’évaporation et le phénomène de « jardinage d’impact » (impacts d’astéroïdes sur la surface), processus par lequel la perturbation du sol et des roches lunaires redistribue la glace et l’enfouit sous la surface. Le constat de la faible quantité de glace présente dans les cold traps les plus récents, combiné à la lente accumulation de glace sur des centaines de millions d’années, a conduit les chercheurs à conclure que l’apport et la perte d’eau sur la Lune se produisent à un rythme relativement rapide, comme l’ouverture d’un robinet.

Remplir un seau percé

L’une des sources possibles d’eau lunaire est l’eau volatile provenant de l’intérieur de la Lune et atteignant sa surface par le biais de l’activité volcanique. Une autre source potentielle est le vent solaire : un flux d’atomes d’hydrogène capable de participer à des réactions chimiques à la surface lunaire pour former de l’eau. Une troisième option est l’impact d’astéroïdes et de comètes – non pas un événement catastrophique unique, mais de multiples impacts se produisant tous les quelques millions d’années. « Trouver de l’eau au-delà de la Terre sous forme liquide et utilisable est l’un des défis les plus importants de l’astronomie », déclare Oded Aharonson. « Les missions lunaires prévues pourraient nous aider à déterminer l’origine de l’eau sur la Lune, mais elles pourraient aussi nous apprendre bien plus. Satellite naturel de la Terre, la Lune est un excellent laboratoire pour étudier l’histoire de notre planète et de son eau. De plus, nous pourrions mieux comprendre la composition et la répartition de l’eau qui pourrait nous attendre sur des planètes et des lunes plus lointaines que nous n’avons pas encore visitées. »

Le Pr Oded Aharonson dirige le Centre de recherche sur l’eau et le climat de la Fondation Dr. Scholl et le Centre familial Sussman pour l’étude des sciences de l’environnement. La chaire de recherche Stephen et Claire Reich en chimie finance un chercheur au sein de son laboratoire.

Publiée dans la revue Nature Astronomy,

Traduit et adapté par Esther Amar fondatrice de Israël Science Info