De quoi est faite la silhouette du lapin sur la Lune ?
― Les zones sombres sont des plaines de lave sorties il y a plus de 3 milliards d’années
« Sur la Lune, un lapin prépare des gâteaux de riz. » Beaucoup d’entre nous l’ont entendu dans leur enfance. Mais que sont donc ces taches sombres ? Ni une ombre, ni de la saleté, ni de l’eau. Il s’agit de lave sortie de l’intérieur de la Lune, puis refroidie et solidifiée.
Un soir de novembre, en rentrant des cours du soir, vous levez les yeux avec votre enfant vers la pleine Lune. Dans le disque blanc et lumineux, on devine des taches sombres.
« Dis, c’est quoi, le noir ? » Vous répondez : « C’est un lapin. » Mais il insiste : « Non, mais c’est quoi, en vrai ? »
Même les adultes esquivent souvent avec « une ombre ? » ou « un creux ? ». Pourtant, cette question renferme 4 milliards d’années d’histoire lunaire.
Deux raisons seulement expliquent ces taches sombres
Les zones blanches sont des roches claires et légères, solidifiées peu après la naissance de la Lune. Les zones sombres sont de la lave sortie plus tard de l’intérieur, puis figée : une roche noire, riche en fer. La différence de couleur vient de la différence de roche.
La « peau » de la Lune serait mince du côté de la Terre et épaisse sur la face cachée. Seul le côté mince a laissé la lave atteindre la surface. Voilà pourquoi les taches se trouvent presque toutes sur la face que nous voyons.
Prenons les choses une à une. D’abord : comment les zones sombres se sont-elles formées ?
Dans d’immenses cuvettes, la lave s’est accumulée pendant des centaines de millions d’années
À sa naissance, la Lune était sans doute recouverte de roche en fusion. En refroidissant, des minéraux légers et blancs sont remontés à la surface et ont formé un sol blanc. C’est ce qu’on voit aujourd’hui en blanc : les « hautes terres ».
Ensuite, de gros astéroïdes ont frappé la Lune à de nombreuses reprises. Des cuvettes géantes (des bassins) de plusieurs centaines de km de diamètre se sont creusées un peu partout.
Plus tard encore, une partie des roches de l’intérieur lunaire a fondu et donné de la lave. Elle est montée par les fissures et s’est accumulée dans les bassins les plus bas. Déplacez le curseur vers la droite sur la figure 1 : vous verrez la scène.
La plus grande partie de la lave serait sortie il y a environ 3,9 à 3,1 milliards d’années. Elle a étendu ses plaines peu à peu, sur des centaines de millions d’années. Depuis, pendant 3 milliards d’années, le visage de la Lune a peu changé. Le lapin que nous regardons est un « visage » bien plus ancien que les dinosaures.
Ces zones paraissent noires parce que la roche de lave solidifiée (le basalte) contient beaucoup de fer. Elle absorbe bien la lumière et n’en renvoie que la moitié environ de ce que renvoient les hautes terres blanches. Plates et peu criblées de cratères visibles, elles forment de loin une surface lisse et sombre.
Les zones sombres portent des noms de mers, comme la « mer de la Tranquillité » ou la « mer des Pluies ». Les anciens astronomes pensaient vraiment qu’il s’agissait de mers pleines d’eau. Ces noms viennent d’un astronome italien du XVIIe siècle, auteur d’une carte de la Lune, et on les utilise encore. En réalité, il n’y a pas une goutte d’eau : ce sont des plaines de lave.
Pourquoi les taches se trouvent-elles surtout du côté tourné vers la Terre ?
La Lune montre toujours la même face à la Terre (la raison est expliquée dans cet article). En 1959, une sonde a photographié pour la première fois la face cachée, et les chercheurs ont été surpris : presque aucune « mer » sombre n’y apparaissait.
Sur la face visible, les mers couvrent environ 30 % de la surface. Sur la face cachée, presque rien. Les deux faces de la Lune sont si différentes qu’on dirait deux astres distincts.
Une raison majeure serait l’épaisseur de la « peau » (la croûte) qui recouvre la Lune. Regardez la figure 2. En mesurant finement la gravité lunaire avec des sondes, on a découvert que la croûte est mince côté visible et épaisse côté caché.
La roche fondue, un peu plus légère que la roche environnante, tend à monter. Mais si la croûte au-dessus est trop épaisse, elle ne peut pas atteindre la surface. Côté mince, elle est arrivée ; côté épais, non. C’est l’explication la plus solide du déséquilibre des taches vers la Terre.
Reste à savoir pourquoi la croûte est mince seulement côté visible. On n’a pas encore la réponse. Certains pensent que les éléments producteurs de chaleur se sont concentrés de ce côté ; d’autres, qu’un gros astre a percuté la face cachée. Les recherches continuent.
On dit que d’autres pays y ont vu un crabe, une femme qui lit, un âne… L’œil humain a tendance à trouver des visages ou des animaux dans des formes désordonnées. Ce qu’on y voit dépend de la culture, mais la roche regardée est la même partout.
En résumé
Les taches sombres de la Lune sont des plaines : la lave venue de l’intérieur a rempli des cuvettes creusées par d’énormes impacts, puis s’est solidifiée. Plus riche en fer que les hautes terres blanches, cette roche renvoie peu de lumière et paraît noire. La lave n’a pu atteindre la surface que du côté où la croûte est mince, face à la Terre. C’est pourquoi les taches se trouvent surtout du côté que nous voyons.
Le lapin de la Lune est une carte de lave solidifiée il y a plus de 3 milliards d’années.
Seul le côté tourné vers la Terre a laissé déborder l’intérieur de la Lune.
Pour savoir pourquoi la Lune montre toujours la même face, lisez « Pourquoi la Lune nous montre-t-elle toujours la même face ? ». Pour les phases de la Lune, voyez « Pourquoi la forme de la Lune change-t-elle chaque jour ? ». Et pour comprendre pourquoi la Lune et la Terre sont rondes, « Pourquoi la Terre est-elle ronde ? ».
- Vers le premier quartier, observez aux jumelles la frontière entre la partie éclairée et la partie sombre de la Lune.
- Côté hautes terres blanches, la frontière est dentelée : de nombreuses ombres de cratères s’alignent.
- Côté mers noires, la frontière est lisse : le sol est plat, formé de lave solidifiée.
À la pleine Lune, il n’y a pas d’ombres, donc le noir des taches ressort le mieux. Pour voir le relief, le premier quartier convient mieux. Pour protéger vos yeux, ne pointez jamais les jumelles vers les abords du Soleil en plein jour.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisé d’université (science planétaire), non vu au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, non considérés comme établis même à l’université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Mer lunaire : plaine sombre de lave solidifiée à la surface de la Lune. Sans eau.
- Hautes terres : régions claires, anciennes et riches en cratères, faites d’une roche blanchâtre appelée anorthosite.
- Basalte : roche volcanique sombre, riche en fer et en magnésium. Les mers lunaires comme les fonds océaniques terrestres en sont faits pour l’essentiel.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle est la surface des taches sombres ?
On calcule la surface de la Lune avec la formule de la sphère, puis on la multiplie par la part occupée par les mers pour obtenir la surface des taches sombres.
| En symboles | S mers ＝ 4 × π × r² × p |
| En mots | surface des mers ＝ 4 × pi × rayon de la Lune au carré × part occupée par les mers |
| D’où vient-elle ? | Le début, « 4 × π × r² », est la formule de la surface d’une sphère. On le multiplie par la part de la surface occupée par les mers. |
| S mers | Surface des mers (taches sombres), en kilomètres carrés |
| r | Rayon de la Lune, en kilomètres |
| p | Part de la surface lunaire totale occupée par les mers (sans unité) |
| Rayon de la Lune | environ 1737 km |
| 4 × pi | environ 12,57 |
| Part des mers sur toute la Lune | environ 16 % (0,16) |
| Part des mers sur la seule face visible | environ 31 % (0,31) |
| Superficie du Japon | environ 378 000 km² |
| Rayon au carré | 1737 × 1737 ＝ 3017169 |
| Surface de la Lune | 3017169 × 12,57 ≒ 37926000 km² |
| Surface des mers (toute la Lune) | 37926000 × 0,16 ≒ 6068000 km² |
| Combien de Japon ? | 6068000 ÷ 378000 ≒ 16 |
| Surface de la face visible (moitié) | 37926000 ÷ 2 ＝ 18963000 km² |
| Mers de la face visible | 18963000 × 0,31 ≒ 5879000 km² |
| Part des mers située sur la face visible | 5879000 ÷ 6068000 ≒ 0,97 |
Les taches sombres couvrent environ 6 millions de km², soit près de 16 fois la superficie du Japon. Et environ 97 % d’entre elles se trouvent sur la face tournée vers la Terre. Les pourcentages varient un peu selon les sources, mais la conclusion « presque tout est sur la face visible » ne change pas.
LycéeLycée+Roche blanche, roche noire : quelle différence ?
LycéeL’anorthosite des hautes terres est presque entièrement faite de plagioclase, un minéral blanc et léger. Le basalte des mers contient surtout des minéraux sombres riches en fer, comme le pyroxène et l’olivine. Dans la classification des roches magmatiques, cela correspond à la différence entre roches claires et roches foncées.
Lycée+Avec le programme Apollo, environ 382 kg de roches lunaires ont été rapportés sur Terre entre 1969 et 1972. Leur datation a montré que les roches des hautes terres datent d’environ 4,4 milliards d’années, et que la plupart des basaltes des mers se sont formés il y a environ 3,9 à 3,1 milliards d’années. La méthode qui estime l’âge d’un sol en comptant ses cratères est calibrée sur ces âges.
Univ.Océan de magma et dichotomie de la Lune
Juste après sa formation, la Lune aurait eu un « océan de magma » sur plusieurs centaines de km de profondeur depuis la surface. En refroidissant, le plagioclase léger a flotté et formé la croûte des hautes terres, tandis que les minéraux lourds ont coulé et formé le manteau. Plus tard, la fusion partielle d’une partie du manteau a produit des magmas basaltiques qui ont rempli les bassins d’impact : ce sont les mers lunaires. La grande différence d’épaisseur de croûte et de quantité de mers entre les deux faces s’appelle la « dichotomie lunaire ». Les observations des sondes gravimétriques de la NASA indiquent une épaisseur moyenne de croûte de l’ordre de 30 à 40 km, plus mince côté visible.
📖 Démonstration des formules et approfondissements : Mer lunaire (Wikipédia, en japonais) ／ NASA : présentation des sondes gravimétriques lunaires (en anglais)
RechercheCe qu’on ne sait pas encore clairement
- Pourquoi la croûte est-elle mince seulement côté visible ? Hypothèses : concentration d’éléments radioactifs producteurs de chaleur de ce côté, empilement de croûte après l’impact d’un autre astre sur la face cachée, refroidissement ralenti de la face visible chauffée par la Terre toute jeune et chaude… Rien n’est tranché.
- Jusqu’à quand les volcans lunaires ont-ils été actifs ? Des roches rapportées en 2020 par une sonde chinoise ont été datées d’environ 2 milliards d’années. L’existence de laves plus jeunes est encore à l’étude.
- Les impacts qui ont creusé les bassins se sont-ils concentrés sur une courte période ? Selon une hypothèse, ils auraient fortement augmenté vers 3,9 milliards d’années, mais d’autres y voient un effet apparent dû à un biais d’échantillonnage.
Cet article n’est donc, lui aussi, qu’une « explication dans l’état actuel des connaissances ». Les projets de retour d’échantillons lunaires se poursuivent, et chaque nouvel échantillon réécrit un peu l’histoire du lapin.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « Aspect de la Lune et de Vénus », « Volcans et roches magmatiques » | Taches de la surface lunaire, le basalte |
| Lycée | Sciences de la Terre « Planètes et système solaire », « Classification des roches magmatiques » | Anorthosite et basalte, calcul de la surface des mers |
| Lycée+ | Approfondissement : « Datation radiométrique » | Datation des roches d’Apollo |
| Univ. | Science planétaire, géologie lunaire et planétaire | Océan de magma, fusion partielle, dichotomie lunaire |
| Recherche | Origine de la Lune et histoire thermique | Pourquoi la croûte est mince côté visible, fin du volcanisme |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Fête de la Lune, observation aux jumelles |
- Wikipédia japonais, « 月の海 » (Mer lunaire)
- NASA Science, GRAIL (Ebb and Flow)
- Wieczorek, M. A. et al. (2013) The Crust of the Moon as Seen by GRAIL. Science 339, 671–675.
- Hiesinger, H. et al. (2011) Ages and stratigraphy of lunar mare basalts: A synthesis. Geological Society of America Special Paper 477.
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Annales scientifiques), Maruzen Publishing (valeurs comme le rayon de la Lune)
* Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs données sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les âges lunaires et l’épaisseur de la croûte varient selon les études.