GRAIL détecte une réponse inégale de l’intérieur lunaire aux marées

La Lune possède une structure en couches — croûte, manteau et noyau — et présente des différences notables entre l’hémisphère tourné vers la Terre et celui qui se trouve de l’autre côté. Les asymétries connues concernent notamment le relief, l’épaisseur de la croûte, la géologie et la concentration en surface d’éléments radioactifs. Une étude publiée dans Nature a utilisé une autre méthode pour déterminer si ces différences s’étendent aussi aux profondeurs : mesurer la réponse de la gravité lunaire aux marées provoquées par la Terre.

Le résultat central est une estimation de k3 = 0,0163 ± 0,0007, un nombre de Love gravitationnel de degré 3. Les auteurs indiquent qu’il est supérieur d’environ 72 % à la valeur attendue pour un intérieur lunaire sphériquement symétrique. Leur analyse interprète cette réponse comme un indice d’hétérogénéité latérale dans l’intérieur profond. En revanche, la différence de température entre les hémisphères qu’ils suggèrent n’a pas été mesurée directement : elle est déduite à l’aide de modèles.

Comment la gravité permet de sonder l’intérieur

L’orbite lunaire est excentrique et inclinée par rapport à la Terre. L’attraction terrestre produit donc des forçages de marée périodiques. La réponse de la Lune à cette interaction entraîne des variations temporaires de son champ gravitationnel, sensibles à la structure interne du satellite.

Le nombre de Love exprime le rapport entre le potentiel gravitationnel induit par la déformation lunaire et le potentiel imposé par la gravité terrestre. En termes simples, il permet de quantifier la réponse de la Lune à cette traction périodique. Les auteurs indiquent que la gravité statique est particulièrement sensible aux structures de la croûte supérieure, tandis que la gravité variable à grande longueur d’onde est très sensible aux asymétries profondes du manteau. L’analyse des variations associées aux marées constitue donc un outil pour étudier des régions qui ne sont pas observables directement.

Les données d’Ebb et de Flow

L’étude a reconstitué le champ gravitationnel lunaire variable dans le temps à partir de données de suivi radiométrique entre satellites et de données du Deep Space Network (DSN), le réseau de communication et de suivi de la NASA. Les données ont été recueillies par GRAIL — sigle de Gravity Recovery and Interior Laboratory —, une mission composée de deux orbiteurs, Ebb et Flow, qui a comporté une phase principale et une phase prolongée.

L’analyse a intégré les données des deux phases. Les chercheurs attribuent principalement à l’inclusion de données à basse altitude de la mission prolongée le fait que leur estimation de k3 soit supérieure à celles publiées dans des études antérieures : ces données ont amélioré les informations gravitationnelles et réduit les corrélations entre les coefficients du champ et les nombres de Love. À titre de comparaison, en limitant l’analyse aux données de la phase principale, ils ont obtenu k3 = 0,0098 ± 0,0021, un résultat compatible avec les estimations antérieures citées dans l’étude.

Ce que l’estimation indique — et ce qu’elle ne mesure pas directement

La valeur de k3 dépasse d’environ 72 % la prédiction pour une Lune sphériquement symétrique. Pour expliquer cette différence, les auteurs avancent que le module de cisaillement élastique du manteau — une mesure de sa résistance à la déformation — pourrait varier d’environ 2–3 % entre la face visible et la face cachée. Cette explication fait de la mesure gravitationnelle un indice observationnel d’hétérogénéité latérale, mais le pourcentage de variation du module relève d’une interprétation du modèle, et non d’une lecture directe de l’instrument.

L’étude estime également que l’asymétrie pourrait correspondre à une anomalie thermique principalement située dans le manteau de la face visible, d’environ 100–200 K. Selon l’interprétation des auteurs, cette anomalie aurait formé les mers lunaires en surface il y a entre 3 et 4 milliards d’années. Les mers sont de vastes régions sombres associées à d’anciens épisodes d’activité volcanique. La valeur de température doit donc être comprise comme une inférence sur l’intérieur, fondée sur la réponse gravitationnelle et les modèles utilisés, et non comme une mesure directe de la température du manteau.

Un élément supplémentaire dans une question toujours ouverte

Les différences entre les faces lunaires étaient déjà connues, mais leur origine reste débattue. Parmi les hypothèses examinées dans des études antérieures figure l’idée que la répartition inégale des éléments radioactifs producteurs de chaleur aurait entretenu des différences thermiques de longue durée et contribué à la concentration du volcanisme sur la face visible. L’analyse de GRAIL offre un moyen d’évaluer la structure profonde associée à cette asymétrie ; à elle seule, elle ne résout pas toutes les questions sur son origine.

Les auteurs indiquent également que la structure asymétrique pourrait influer sur la répartition spatiale des séismes lunaires profonds. Ils présentent cette possibilité comme une conséquence éventuelle, et non comme un effet établi par l’estimation de k3. Dans son ensemble, le résultat montre comment les variations temporelles de la gravité peuvent renseigner sur le manteau : une mesure obtenue depuis l’orbite fournit des indices de différences internes entre les hémisphères, tandis que leur traduction en température et en histoire géologique dépend de l’interprétation des modèles.