Carbon-driven iron transition points to a solid lunar inner core
Cette étude résout la controverse concernant l'existence du noyau interne lunaire en démontrant qu'un alliage fer-carbone présentant une phase spécifique à haute pression (fcc-II) correspond aux vitesses sismiques observées, confirmant ainsi un noyau interne solide composé de Fe-C avec des températures probablement inférieures à 1500 K.
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Bien en dessous de la surface de la Lune, cachée des regards et intacte par les mains humaines, repose un mystère qui intrigue les scientifiques depuis des décennies. Bien que nous sachions que la Lune possède un noyau composé principalement de fer, tout comme la Terre, la question de savoir si ce noyau est entièrement liquide ou s'il contient une boule solide intérieure est restée un sujet de débat intense. Pendant des années, les données des missions Apollo, qui ont placé des sismomètres à la surface lunaire, ont suggéré l'existence possible d'un noyau interne solide. Cependant, lorsque les scientifiques ont tenté de faire correspondre ces signaux sismiques à ce qu'ils savaient du fer sous une pression extrême, les chiffres ne concordaient pas. Les ondes sismiques voyageant à travers le noyau interne suspecté se déplaçaient bien plus lentement que ce que le fer pur devrait permettre, ce qui a conduit beaucoup à douter de l'existence même d'un centre solide. Cette divergence a laissé un vide dans notre compréhension de l'histoire de la Lune, de son passé magnétique et de la manière dont elle se refroidit au fil du temps. Pour résoudre cela, les chercheurs devaient trouver un moyen de faire se comporter le fer d'une manière qui corresponde aux vitesses lentes enregistrées par les instruments d'Apollo.
Une équipe de scientifiques a maintenant proposé une solution qui modifie la recette du noyau lunaire. En recréant en laboratoire les conditions de haute pression et de haute température présentes au plus profond de la Lune, ils ont découvert que le fer mélangé à une petite quantité de carbone subit une transformation surprenante. Lorsque le fer pur est comprimé aux pressions présentes dans le noyau de la Lune, il est censé être un métal solide qui transmet les onches sismiques rapidement. Cependant, les chercheurs ont découvert que lorsque le fer est allié à une infime fraction de carbone, il subit un changement structurel qui fait ralentir considérablement les ondes sismiques. Ce changement se produit sans que le fer ne change sa forme cristalline de base, mais l'arrangement interne des atomes se déplace juste assez pour réduire la vitesse du son voyageant à travers lui. Ce comportement spécifique, que les chercheurs appellent une transition de phase isostructurelle, se produit à des pressions comprises entre 4 et 5 gigapascals, une plage qui correspond parfaitement à la profondeur du noyau interne de la Lune.
Les expériences consistaient à synthétiser des échantillons de fer avec des teneurs en carbone allant de 0,2 à 1,7 % et à les soumettre à des pressions allant jusqu'à 7 gigapascals et des températures atteignant 1300 Kelvin. En utilisant la diffraction des rayons X avancée et des mesures de vitesse acoustique, l'équipe a observé qu'à mesure que la pression augmentait, la vitesse des ondes de compression chutait d'environ 1 kilomètre par seconde. Cette chute a ramené la vitesse du son dans l'alliage fer-carbone à environ 4 à 4,5 kilomètres par seconde, un chiffre qui s'aligne presque parfaitement avec les données sismiques collectées à l'époque d'Apollo. Les chercheurs ont également constaté que cette transition est réversible et se produit à la fois dans les formes cubique centrée et cubique à faces centrées du fer, suggérant qu'il s'agit d'une caractéristique robuste des mélanges fer-carbone dans ces conditions. Crucialement, l'étude a écarté l'idée que les vitesses lentes étaient causées par la présence de soufre ou de nickel, des éléments précédemment considérés comme les principaux éléments légers du noyau lunaire, car leurs effets ne correspondaient pas aux données sismiques observées.
Cette découverte suggère que le noyau interne de la Lune n'est pas fait de fer pur, mais plutôt d'un alliage de fer et de carbone. La présence de carbone explique pourquoi les ondes sismiques se déplacent si lentement, résolvant un conflit vieux de plusieurs décennies entre la physique des minéraux et la sismologie. Les résultats permettent également aux scientifiques d'estimer la température du noyau lunaire plus précisément. Parce que la vitesse du son dans ce mélange fer-carbone est sensible à la chaleur, les données indiquent que la température du noyau interne est probablement inférieure à 1500 Kelvin. Si le noyau était nettement plus chaud, les vitesses sismiques seraient encore plus basses que ce qui a été observé. Cette contrainte de température aide à affiner les modèles de la façon dont la Lune a refroidi et évolué depuis sa formation. De plus, l'étude soutient l'idée que le carbone est suffisamment abondant dans le noyau lunaire pour piloter cette transition, une conclusion appuyée par des calculs sur la distribution du carbone entre le noyau interne solide de la Lune et son noyau externe liquide.
Les implications de ce travail s'étendent au-delà de la simple structure de la Lune. En confirmant l'existence d'un noyau interne solide composé d'un alliage fer-carbone, l'étude fournit un nouveau fondement pour comprendre l'histoire thermique de la Lune et son ancien champ magnétique. La présence d'un noyau interne solide est un moteur clé de l'effet dynamo qui génère les champs magnétiques, et connaître sa composition aide à expliquer pourquoi le champ magnétique de la Lune s'est affaibli au fil du temps. Les chercheurs soulignent que leurs résultats sont basés sur des mesures directes de vitesses acoustiques et de diagrammes de diffraction des rayons X, offrant une explication physique concrète aux anomalies sismiques qui ont longtemps dérouté la communauté scientifique. Bien que la distribution exacte du carbone dans l'intérieur de la Lune reste un sujet de recherche ultérieur, les preuves présentées ici pointent fortement vers un noyau interne solide riche en carbone comme la pièce manquante du puzzle lunaire. Cette découverte ne fait pas que combler une lacune dans un modèle ; elle réécrit la description physique du cœur de la Lune, transformant une possibilité théorique en une réalité mesurée.
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