Pendant la majeure partie de l’ère spatiale, la lune a été considérée comme un monde sans eau. Ces dernières années, cependant, un goutte-à-goutte régulier de découvertes a montré qu’au moins certaines parties de la lune – comme les grands cratères ombragés en permanence à ses pôles – contiennent des dépôts importants d’eau. Cette semaine, deux nouvelles études publiées dans Nature Astronomy ouvrent un peu plus le robinet à la perspective d’une lune inopinément arrosée.
Le moment est bien choisi pour la NASA et les autres agences spatiales qui planifient actuellement d’ambitieuses missions humaines d’exploration lunaire, voire de colonisation. Après tout, là où il y a de l’eau, il peut y avoir de la vie – même si cette vie nécessite encore des combinaisons spatiales et des habitats durcis aux radiations.
Un signal possible dans le ciel d’eau chauffée par le soleil
La première nouvelle bouffée d’eau lunaire a émergé des données recueillies par l’Observatoire stratosphérique pour l’astronomie infrarouge (SOFIA) de la NASA. Ce jet Boeing 747SP modifié offre à son télescope de 2,7 mètres une vue au-dessus de 99 % de la vapeur d’eau obscurcissante de l’atmosphère – une capacité unique qui permet des observations agiles dans l’infrarouge sans recourir à des installations spatiales.
À la fin du mois d’août 2018, une équipe dirigée par Casey Honniball, boursier du programme postdoctoral de la NASA au Goddard Space Flight Center de l’agence et chercheur à l’Université d’Hawaï à Manoa, a utilisé des instruments infrarouges à bord de SOFIA pour étudier la surface lunaire éclairée par le soleil. Les observations, qui n’ont duré que 10 minutes, se sont concentrées sur une région située à des latitudes méridionales élevées, près du grand cratère lunaire Clavius, et ont révélé une forte émission infrarouge à une longueur d’onde de six microns (µm) provenant du cratère et du paysage environnant. Réchauffé par le soleil, quelque chose sur la surface lunaire réémettait le rayonnement absorbé tout comme le ferait l’eau moléculaire – H2O ordinaire.
« Nous ne connaissons aucun autre matériau raisonnable pour la Lune qui présente une caractéristique spectrale unique à 6 µm autre que H2O », rapportent Honniball et ses collègues chercheurs dans leur nouvel article. Les auteurs suggèrent que l’eau présumée est très probablement stockée dans du verre volcanique naturel ou prise en sandwich entre des grains microscopiques de poussière de roche. L’un ou l’autre de ces scénarios pourrait fournir une protection contre les températures extrêmes et les conditions de quasi-vide à la surface de la Lune, permettant à l’eau de persister. Quant à savoir comment elle est arrivée là en premier lieu, personne n’est certain, mais l’explication principale est que l’eau pourrait s’être formée à partir d’oxygène et d’hydrogène libres libérés des roches lunaires par des impacts de micrométéorites.
L’utilisation de SOFIA est une approche nouvelle et unique pour la science lunaire, dit Honniball, mais ce n’est pas la première fois que des observations terrestres révèlent une émission de six microns en provenance de la lune. Des observations en ballon réalisées par les astronomes G. R. Hunt et J. W. Salisbury ont montré cette caractéristique spectrale, dit-elle. Mais Hunt et Salisbury n’en ont pas fait mention dans leur article sur ces recherches, publié en 1969. Ils se sont plutôt concentrés sur la caractérisation des minéraux de la surface lunaire. « Peut-être qu’ils ne savaient tout simplement pas qu’ils avaient fait une énorme découverte », spécule Honniball.
Un verre à moitié plein
Honniball et ses collègues ont déjà reçu du temps supplémentaire sur SOFIA pour des observations de suivi. « Nous espérons cartographier une majorité de la lune pour caractériser le comportement de l’eau », dit-elle. « Varie-t-elle à travers la surface lunaire en fonction de l’heure du jour et de la latitude lunaire ? Cela nous aidera à comprendre ses sources et où elle réside. »
Et cela, à son tour, pourrait dire au monde à quel point cette eau nouvellement découverte pourrait un jour se révéler utile. L’extraction sera simple si l’eau existe principalement à la surface des grains de roche : il suffira d’écoper le sol lunaire et de le soumettre à un chauffage modéré. Si, en revanche, l’eau est enfermée dans du verre, il faudra faire fondre le matériau pour libérer l’eau en vue de sa collecte – un processus beaucoup plus gourmand en énergie.
« Actuellement, nous n’avons pas une bonne idée si l’eau que nous voyons avec SOFIA est en quantité telle que la fonte du verre en vaille la peine », explique Honniball. « Cependant, si nous constatons que les abondances sont suffisamment élevées, cela pourrait être une option plus réalisable que l’exploitation de la glace d’eau dans les régions ombragées en permanence, qui sont des environnements extrêmes et difficiles à travailler. »
Jack Schmitt, un géologue qui, en tant que membre de l’équipage d’Apollo 17, reste le seul scientifique professionnel à avoir marché sur la lune, affirme que la mesure de SOFIA pourrait ne pas révéler une véritable eau moléculaire, mais quelque chose de plus fragile et transitoire. « La question que je poserais », dit Schmitt, « est de savoir si les données de SOFIA peuvent être liées à la faible liaison possible de l’hydrogène du vent solaire avec l’oxygène à la surface des grains de verres et de minéraux silicatés dans le régolithe plutôt que d’être de l’eau moléculaire réelle ? »
Un produit de telles réactions pourrait être l’hydroxyle, une molécule juste un atome d’hydrogène en moins de l’eau. Honniball, cependant, dit que l’émission de six microns vue par SOFIA ne correspond pas à de l’hydroxyle.
Quoi qu’il en soit de la substance qui se cache derrière le signal de SOFIA, Schmitt note que la chimie de base devrait permettre d’arracher de l’humidité même à un matériau lunaire sec comme un os. « Le chauffage à plusieurs centaines de degrés d’un régolithe contenant de l’hydrogène entraînerait la réaction d’une partie de l’hydrogène avec l’oxygène des silicates pour produire de l’eau presque partout sur la lune », dit-il.
Petites ombres, immenses possibilités
Un autre article publié parallèlement à l’étude SOFIA dans Nature Astronomy met en lumière une augmentation de la distribution des zones d’ombre permanente sur la lune – des endroits peu lumineux connus sous le nom de pièges froids – dans lesquelles des températures extrêmement basses pourraient geler et séquestrer l’eau essentiellement indéfiniment, lui permettant de s’accumuler en dépôts importants au cours du temps géologique.
Les scientifiques étudient depuis des décennies de telles régions lunaires pour leur potentiel de rétention d’eau, mais les travaux précédents se concentraient sur les grands pièges froids à l’intérieur d’énormes cratères aux pôles de la lune. En revanche, ce dernier résultat élargit la gamme des tailles de pièges à froid envisagées jusqu’à un centimètre de diamètre. En analysant les images à haute résolution de la sonde Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, une équipe dirigée par le planétologue Paul Hayne, de l’Université du Colorado Boulder, a découvert que ces « micro » pièges à froid sont beaucoup plus répandus que les grands pièges bien étudiés à proximité des pôles lunaires. Cette nouvelle comptabilisation porte la surface totale ayant la capacité de piéger l’eau à environ 40 000 kilomètres carrés – une région pan-lunaire qui, collectivement, ferait deux fois la taille du pays de Galles.
« Les micro-pièges froids nouvellement découverts sont les plus nombreux sur la lune, des milliers de fois plus abondants que les pièges froids précédemment cartographiés », explique Hayne. « S’ils sont tous remplis de glace, cela pourrait représenter une quantité substantielle, peut-être plus d’un milliard de kilogrammes d’eau. »
Hayne ajoute cependant que des prélèvements in situ par des robots ou des astronautes sont nécessaires pour évaluer correctement leur contenu réel en glace. « Ce qui est vraiment passionnant avec les micro-pièges à froid, c’est qu’ils sont beaucoup plus accessibles, ce qui pourrait permettre une extraction et une utilisation plus efficaces à des fins scientifiques et d’exploration », ajoute-t-il. En effet, cette prolifération de minuscules réservoirs de glace potentiels pourrait être beaucoup plus accessible aux futures missions, selon Hayne, car ils existent dans des zones où un astronaute baigné de soleil pourrait confortablement et en toute sécurité utiliser un outil pour atteindre une ombre dangereusement froide afin de déterrer toute glace.
Pour l’instant, afin de mieux juger de la valeur des micro-pièges à froid, Hayne et ses collègues utiliseront une caméra de haute technologie baptisée Lunar Compact Infrared Imaging System, qui se rendra sur la Lune à bord de la première mission d’atterrisseur polaire sud du programme Commercial Lunar Payload Services de la NASA dès 2022. La caméra prendra pour la première fois des photos en gros plan de micro-pièges à froid et mesurera leurs températures.
Ground Truthing
D’un côté, SOFIA et les études sur les micro-pièges à froid sont des nouvelles bienvenues. Néanmoins, le tableau d’ensemble reste le même, déclare Ian Crawford, expert lunaire à Birkbeck, Université de Londres.
C’est clair, dit-il, plus il y a d’eau facilement accessible sur la lune, plus les possibilités de l’extraire sur place et de l’utiliser pour soutenir les efforts d’exploration immédiats sont grandes. À terme, le développement de l’eau lunaire en tant que ressource pourrait déclencher toute une économie extraterrestre dans laquelle la substance deviendrait une matière première lucrative pour le carburant de fusée et d’autres consommables précieux. Pour l’instant, cependant, » des mesures de ‘vérité au sol’ sont requises de toute urgence pour confirmer les déductions faites sur la base des mesures de télédétection « , déclare Crawford.
Angel Abbud-Madrid, directeur du Centre des ressources spatiales de l’École des mines du Colorado à Golden, dans le Colorado, signale également que les mesures directes sont la prochaine étape la plus importante à suivre à partir des nouvelles découvertes. « Ce qu’il faut maintenant, c’est toucher la surface lunaire et recueillir des informations détaillées sur le terrain », dit-il. « La confirmation non seulement de l’existence de la glace d’eau, mais aussi de sa morphologie, de sa concentration, de sa distribution et de son abondance est indispensable pour poursuivre les plans d’exploration et d’utilisation des ressources existants. »