Bombardement lourd tardif - Late Heavy Bombardment

Vue d'artiste de la Lune pendant le dernier bombardement lourd (ci-dessus) et aujourd'hui (ci-dessous)

Le Late Heavy Bombardment ( LHB ), ou cataclysme lunaire , est un événement supposé s'être produit il y a environ 4,1 à 3,8 milliards d' années (Ga), à une époque correspondant aux ères néohadéenne et éoarchéenne sur Terre. Selon l'hypothèse, au cours de cet intervalle, un nombre disproportionné d' astéroïdes sont entrés en collision avec les premières planètes terrestres du système solaire interne , notamment Mercure , Vénus , la Terre et Mars . Depuis 2018, l'existence du Late Heavy Bombardment est remise en cause.

Les preuves du LHB proviennent d'échantillons lunaires rapportés par les astronautes d' Apollo . La datation isotopique des roches lunaires implique que la plupart des fusions par impact se sont produites dans un intervalle de temps plutôt étroit. Plusieurs hypothèses tentent d'expliquer le pic apparent du flux d'impacteurs (c'est-à-dire les astéroïdes et les comètes ) dans le système solaire interne, mais aucun consensus n'existe encore. Le modèle de Nice , populaire parmi les planétologues , postule que les planètes géantes ont subi une migration orbitale et, ce faisant, ont dispersé des objets dans la ceinture d'astéroïdes , la ceinture de Kuiper ou les deux, sur des orbites excentriques et sur la trajectoire des planètes terrestres. D'autres chercheurs soutiennent que les données de l'échantillon lunaire ne nécessitent pas d'événement de cratère cataclysmique près de 3,9 Ga, et que le regroupement apparent des âges de fusion par impact près de cette heure est un artefact de matériaux d'échantillonnage récupérés dans un seul grand bassin d'impact. Ils notent également que le taux de cratère d'impact pourrait différer considérablement entre les zones externes et internes du système solaire.

Preuve d'un cataclysme

La principale preuve d'un cataclysme lunaire provient des âges radiométriques des roches fondues par impact qui ont été collectées lors des missions Apollo. On pense que la majorité de ces fontes d'impact se sont formées lors de la collision d'astéroïdes ou de comètes de dizaines de kilomètres de diamètre, formant des cratères d'impact de centaines de kilomètres de diamètre. Les sites d'atterrissage d' Apollo 15 , 16 et 17 ont été choisis en raison de leur proximité avec les bassins Imbrium , Nectaris et Serenitatis , respectivement.

Le regroupement apparent des âges de ces fontes d'impact, entre environ 3,8 et 4,1 Ga, a conduit à postuler que les âges enregistrent un bombardement intense de la Lune . Ils l'ont appelé le "cataclysme lunaire" et ont proposé qu'il représentait une augmentation spectaculaire du taux de bombardement de la Lune autour de 3,9 Ga. Si ces fontes d'impact provenaient de ces trois bassins, alors non seulement ces trois bassins d'impact importants se sont formés dans un court intervalle de temps, mais il en a été de même pour beaucoup d'autres sur la base de motifs stratigraphiques . À l'époque, la conclusion était considérée comme controversée.

Au fur et à mesure que de plus en plus de données sont devenues disponibles, en particulier à partir de météorites lunaires , cette hypothèse, bien que toujours controversée, est devenue plus populaire. On pense que les météorites lunaires échantillonnent au hasard la surface lunaire, et au moins certaines d'entre elles devraient provenir de régions éloignées des sites d'atterrissage d'Apollo. La plupart des météorites lunaires feldspathiques provenaient probablement de la face cachée de la Lune, et les fontes d'impact à l'intérieur de celles-ci ont été récemment datées. Conformément à l'hypothèse du cataclysme, aucun de leurs âges ne s'est avéré supérieur à environ 3,9 Ga. Néanmoins, les âges ne "se regroupent" pas à cette date, mais s'étendent entre 2,5 et 3,9 Ga.

La datation des météorites à howardite , eucrite et diogénite (HED) et des météorites à chondrite H provenant de la ceinture d'astéroïdes révèle de nombreux âges de 3,4 à 4,1 Ga et un pic antérieur à 4,5 Ga. Les âges de 3,4 à 4,1 Ga ont été interprétés comme représentant une augmentation de les vitesses d'impact car les simulations informatiques utilisant l'hydrocode révèlent que le volume de fonte d'impact augmente de 100 à 1 000 fois à mesure que la vitesse d'impact augmente de la moyenne actuelle de la ceinture d'astéroïdes de 5 km/s à 10 km/s. Les vitesses d'impact supérieures à 10 km/s nécessitent des inclinaisons très élevées ou les grandes excentricités des astéroïdes sur les orbites des planètes. De tels objets sont rares dans la ceinture d'astéroïdes actuelle mais la population serait considérablement augmentée par le balayage des résonances dû à la migration des planètes géantes.

Des études sur la distribution de la taille des cratères des hautes terres suggèrent que la même famille de projectiles a frappé Mercure et la Lune lors du dernier bombardement intensif. Si l'histoire de la désintégration des bombardements lourds tardifs sur Mercure a également suivi l'histoire des bombardements lourds tardifs sur la Lune, le plus jeune grand bassin découvert, Caloris , est comparable en âge aux plus jeunes grands bassins lunaires, Orientale et Imbrium, et tous les les unités des plaines ont plus de 3 milliards d'années.

Critiques de l'hypothèse du cataclysme

Alors que l'hypothèse du cataclysme est récemment devenue plus populaire, en particulier parmi les dynamiciens qui ont identifié les causes possibles d'un tel phénomène, elle est toujours controversée et basée sur des hypothèses discutables. Deux critiques sont que (1) le "groupe" d'âges d'impact pourrait être un artefact de l'échantillonnage des éjectas d'un seul bassin, et (2) que l'absence de roches fondues à l'impact plus anciennes qu'environ 4,1 Ga est liée au fait que tous ces échantillons ont été pulvérisés. , ou leurs âges étant réinitialisés.

La première critique concerne l'origine des roches fondues par impact qui ont été échantillonnées sur les sites d'atterrissage d'Apollo. Bien que ces fontes d'impact aient été généralement attribuées au fait qu'elles provenaient du bassin le plus proche, il a été avancé qu'une grande partie de celles-ci pourraient plutôt provenir du bassin d'Imbrium. Le bassin d'impact d'Imbrium est le plus jeune et le plus grand des bassins multi-anneaux trouvés sur la face centrale de la Lune, et la modélisation quantitative montre que des quantités importantes d'éjecta de cet événement devraient être présentes sur tous les sites d'atterrissage d'Apollo. Selon cette hypothèse alternative, le groupe d'âges de fusion par impact proche de 3,9 Ga reflète simplement le matériel collecté à partir d'un seul événement d'impact, Imbrium, et non de plusieurs. Des critiques supplémentaires soutiennent également que le pic d'âge à 3,9 Ga identifié dans la datation 40 Ar/ 39 Ar pourrait également être produit par une formation épisodique précoce de croûte suivie de pertes partielles de 40 Ar à mesure que le taux d'impact diminuait.

Une deuxième critique concerne l'importance de l'absence de roches fondues d'impact plus anciennes qu'environ 4,1 Ga. Une hypothèse pour cette observation qui n'implique pas de cataclysme est que d'anciennes roches fondues existaient, mais que leurs âges radiométriques ont tous été réinitialisés par le effets des cratères d'impact au cours des 4 derniers milliards d'années. De plus, il est possible que ces échantillons putatifs aient tous été pulvérisés à des tailles si petites qu'il est impossible d'obtenir des déterminations d'âge en utilisant des méthodes radiométriques standard. La dernière réinterprétation des statistiques sur les cratères suggère que le flux sur la Lune et sur Mars pourrait avoir été plus faible en général. Ainsi, la population de cratères enregistrée peut être expliquée sans aucun pic dans le premier bombardement du système solaire interne.

Conséquences géologiques sur Terre

Si un événement cataclysmique de cratère s'était réellement produit sur la Lune, la Terre aurait également été affectée. L'extrapolation des taux de cratères lunaires à la Terre à cette époque suggère que le nombre suivant de cratères se serait formé :

  • 22 000 cratères d'impact ou plus avec des diamètres > 20 km (12 mi),
  • environ 40 bassins d'impact d'un diamètre d'environ 1 000 km (620 mi),
  • plusieurs bassins d'impact d'un diamètre d'environ 5 000 km (3 100 mi),

Avant la formulation de l'hypothèse LHB, les géologues supposaient généralement que la Terre restait en fusion jusqu'à environ 3,8 Ga. Cette date pouvait être trouvée dans la plupart des roches les plus anciennes connues du monde entier, et semblait représenter un fort « point de coupure » au-delà duquel les roches plus anciennes n'ont pas pu être trouvées. Ces dates sont restées assez constantes même à travers diverses méthodes de datation, y compris le système considéré comme le plus précis et le moins affecté par l'environnement, la datation uranium-plomb des zircons . Comme aucune roche plus ancienne n'a pu être trouvée, on a généralement supposé que la Terre était restée en fusion jusqu'à cette date, qui définissait la frontière entre les éons hadéens antérieurs et archéens ultérieurs . Néanmoins, en 1999, la plus ancienne roche connue sur Terre était datée de 4,031 ± 0,003 milliard d'années et fait partie du gneiss d'Acasta du craton des Esclaves dans le nord-ouest du Canada.

Des roches plus anciennes pourraient cependant être trouvées sous la forme de fragments d' astéroïdes qui tombent sur Terre sous forme de météorites . Comme les roches sur Terre, les astéroïdes présentent également un point de coupure fort, à environ 4,6 Ga, qui est supposé être le moment où les premiers solides se sont formés dans le disque protoplanétaire autour du Soleil alors jeune. L'Hadéen, alors, était la période de temps entre la formation de ces premières roches dans l'espace et la solidification éventuelle de la croûte terrestre, quelque 700 millions d'années plus tard. Ce temps inclurait l'accrétion des planètes du disque et le refroidissement lent de la Terre dans un corps solide alors que l'énergie potentielle gravitationnelle d'accrétion était libérée.

Des calculs ultérieurs ont montré que le taux d'effondrement et de refroidissement dépend de la taille du corps rocheux. L'échelle de ce taux à un objet de masse terrestre suggérait un refroidissement très rapide, ne nécessitant que 100 millions d'années. La différence entre la mesure et la théorie présentait une énigme à l'époque.

Le LHB offre une explication potentielle à cette anomalie. Selon ce modèle, les roches datant de 3,8 Ga ne se sont solidifiées qu'après qu'une grande partie de la croûte a été détruite par le LHB. Collectivement, le gneiss Acasta dans le bouclier cratonique nord-américain et les gneiss dans la partie Jack Hills du Narryer Gneiss Terrane en Australie occidentale sont les fragments continentaux les plus anciens sur Terre, mais ils semblent postérieurs au LHB. Le plus ancien minéral jamais daté sur Terre, un zircon de 4,404 Ga provenant de Jack Hills, est antérieur à cet événement, mais il s'agit probablement d'un fragment de croûte d'avant le LHB, contenu dans une roche beaucoup plus jeune (environ 3,8 Ga).

Le zircon de Jack Hills a conduit à une évolution dans la compréhension de l'éon Hadéen. Des références plus anciennes montrent généralement que la Terre Hadéenne avait une surface en fusion avec des volcans proéminents . Le nom « Hadéen » lui-même fait référence aux conditions « infernales » supposées sur Terre pour l'époque, du grec Hadès . La datation au zircon suggérait, bien que de manière controversée, que la surface d'Hadéen était solide, tempérée et recouverte d'océans acides. Cette image provient de la présence de rapports isotopiques particuliers qui suggèrent l'action de la chimie à base d'eau à un certain moment avant la formation des roches les plus anciennes (voir Cool early Earth ).

D'un intérêt particulier, Manfred Schidlowski a soutenu en 1979 que les rapports isotopiques du carbone de certaines roches sédimentaires trouvées au Groenland étaient une relique de matière organique. Il y a eu beaucoup de débats sur la datation précise des roches, Schidlowski suggérant qu'elles avaient environ 3,8 Ga d'âge, et d'autres suggérant un plus "modeste" 3,6 Ga. Dans les deux cas, l' abiogenèse a eu lieu en très peu de temps , et si Schidlowski avait raison, sans doute trop peu de temps. Le dernier bombardement lourd et la « refonte » de la croûte qu'il suggère fournissent une chronologie sous laquelle cela serait possible : la vie s'est formée immédiatement après le dernier bombardement lourd, ou plus probablement y a survécu, ayant surgi plus tôt pendant l' Hadéen . Des études récentes suggèrent que les roches trouvées par Schidlowski appartiennent en effet à l'extrémité la plus ancienne de la tranche d'âge possible à environ 3,85 Ga, suggérant que cette dernière possibilité est la réponse la plus probable. Des études de 2005, 2006 et 2009 n'ont trouvé aucune preuve des ratios de carbone isotopiquement léger qui étaient à la base des allégations originales. Il a été suggéré que la vie aurait pu être transportée hors de la Terre en raison d'impacts et de retour et de « réensemencement » de la vie après que le monde se soit rétabli après un impacteur global, non seulement en redémarrant l'évolution, mais en conférant également potentiellement un effet biologique particulier qui augmente le stress capacité des organismes microbiens collectés et donc leur capacité de survie.

Plus récemment, une étude similaire des roches de Jack Hills montre des traces du même type d'indicateurs organiques potentiels. Thorsten Geisler de l'Institut de Minéralogie de l' Université de Münster a étudié des traces de carbone piégé dans de petits morceaux de diamant et de graphite dans des zircons datant de 4,25 Ga. Le rapport du carbone 12 au carbone 13 était inhabituellement élevé, normalement un signe de " traitement" par la vie.

Des modèles informatiques tridimensionnels développés en mai 2009 par une équipe de l' Université du Colorado à Boulder postulent qu'une grande partie de la croûte terrestre et des microbes qui y vivent auraient pu survivre au bombardement. Leurs modèles suggèrent que bien que la surface de la Terre ait été stérilisée, les cheminées hydrothermales sous la surface de la Terre auraient pu incuber la vie en offrant un sanctuaire aux microbes thermophiles . En avril 2014, des scientifiques ont rapporté avoir trouvé des preuves du plus grand événement d'impact de météore terrestre à ce jour près de la ceinture de roches vertes de Barberton . Ils ont estimé que l'impact s'était produit il y a environ 3,26 milliards d'années et que l'impacteur mesurait environ 37 à 58 kilomètres (23 à 36 miles) de large. Le cratère de cet événement, s'il existe toujours, n'a pas encore été retrouvé.

Causes possibles

Migration de la planète géante

Plus d'informations: Beau modèle
Simulation montrant les planètes extérieures et la ceinture planétésimale : (a) Configuration initiale, avant que Jupiter (vert) et Saturne (orange) n'atteignent une résonance de 2: 1 ; (b) La diffusion des planétésimaux dans le système solaire interne après le déplacement orbital de Neptune (bleu foncé) et d'Uranus (bleu clair); (c) Après éjection des planétésimaux par les planètes.

Dans le modèle de Nice, le Late Heavy Bombardment est le résultat d'une instabilité dynamique dans le système solaire externe. Les simulations originales du modèle de Nice par Gomes et al. a commencé avec les planètes géantes du système solaire dans une configuration orbitale étroite entourée d'une riche ceinture transneptunienne . Les objets de cette ceinture s'égarent dans des orbites de croisement de planètes, provoquant la migration des orbites des planètes sur plusieurs centaines de millions d'années. Les orbites de Jupiter et de Saturne s'écartent lentement jusqu'à ce qu'elles croisent une résonance orbitale 2:1 , provoquant une augmentation des excentricités de leurs orbites. Les orbites des planètes deviennent instables et Uranus et Neptune sont dispersés sur des orbites plus larges qui perturbent la ceinture extérieure, provoquant un bombardement de comètes lorsqu'elles entrent sur des orbites de croisement de planètes. Les interactions entre les objets et les planètes entraînent également une migration plus rapide des orbites de Jupiter et de Saturne. Cette migration provoque le balayage des résonances à travers la ceinture d'astéroïdes, augmentant les excentricités de nombreux astéroïdes jusqu'à ce qu'ils pénètrent dans le système solaire interne et impactent les planètes terrestres.

Le modèle niçois a subi quelques modifications depuis sa première publication. Les planètes géantes commencent maintenant dans une configuration multirésonante en raison d'une migration précoce induite par les gaz à travers le disque protoplanétaire. Les interactions avec la ceinture transneptunienne permettent leur évasion des résonances après plusieurs centaines de millions d'années. Les rencontres entre les planètes qui suivent incluent une entre une géante de glace et Saturne qui propulse la géante de glace sur une orbite traversant Jupiter, suivie d'une rencontre avec Jupiter qui pousse la géante de glace vers l'extérieur. Ce scénario Jumping-Jupiter augmente rapidement la séparation de Jupiter et de Saturne, limitant les effets de balayage de résonance sur les astéroïdes et les planètes telluriques. Bien que cela soit nécessaire pour préserver les faibles excentricités des planètes telluriques et éviter de laisser la ceinture d'astéroïdes avec trop d'astéroïdes à haute excentricité, cela réduit également la fraction d'astéroïdes retirés de la ceinture d'astéroïdes principale, laissant une bande interne presque épuisée. des astéroïdes comme source principale des impacteurs du LHB. Le géant de glace est souvent éjecté suite à sa rencontre avec Jupiter, ce qui conduit certains à proposer que le système solaire ait commencé avec cinq planètes géantes . Des travaux récents ont cependant montré que les impacts de cette ceinture intérieure d'astéroïdes seraient insuffisants pour expliquer la formation d'anciens lits de sphérules d'impact et des bassins lunaires, et que la ceinture d'astéroïdes n'était probablement pas la source du dernier bombardement lourd.

Formation tardive d'Uranus et de Neptune

Selon une simulation planétésimale de l'établissement du système planétaire, les planètes ultrapériphériques Uranus et Neptune se sont formées très lentement, sur une période de plusieurs milliards d'années. Harold Levison et son équipe ont également suggéré que la densité relativement faible de matière dans le système solaire externe lors de la formation des planètes aurait considérablement ralenti leur accrétion. La formation tardive de ces planètes a donc été suggérée comme une raison différente du LHB. Cependant, des calculs récents de flux de gaz combinés à une croissance galopante planétésimale dans le système solaire externe impliquent que les planètes joviennes se sont formées extrêmement rapidement, de l'ordre de 10 Ma, ce qui ne supporte pas cette explication pour le LHB.

Hypothèse de la planète V

Article détaillé : Planète V

L'hypothèse de la planète V postule qu'une cinquième planète terrestre a causé le bombardement lourd tardif lorsque son orbite méta-stable est entrée dans la ceinture intérieure d'astéroïdes. La cinquième planète terrestre hypothétique, la planète V, avait une masse inférieure à la moitié de celle de Mars et tournait à l'origine entre Mars et la ceinture d'astéroïdes. L'orbite de la planète V est devenue instable en raison de perturbations des autres planètes intérieures, l'amenant à croiser la ceinture intérieure d'astéroïdes. Après des rencontres rapprochées avec la planète V, de nombreux astéroïdes sont entrés sur des orbites terrestres, provoquant le Late Heavy Bombardment. La planète V a finalement été perdue, plongeant probablement dans le Soleil. Dans les simulations numériques, une distribution inégale des astéroïdes, avec les astéroïdes fortement concentrés vers la ceinture d'astéroïdes interne, s'est avérée nécessaire pour produire le LHB via ce mécanisme. Une version alternative de cette hypothèse dans laquelle les impacteurs lunaires sont des débris résultant de l'impact de la planète V sur Mars, formant le bassin Boréalis , a été proposée pour expliquer un faible nombre de bassins lunaires géants par rapport aux cratères et un manque de preuves d'impacteurs cométaires.

Perturbation de l'astéroïde traversant Mars

Une hypothèse proposée par Matija Ćuk postule que les derniers impacts de formation de bassin étaient le résultat de la perturbation par collision d'un grand astéroïde traversant Mars. Cet astéroïde de la taille de Vesta était un vestige d'une population qui était initialement beaucoup plus grande que la ceinture d'astéroïdes principale actuelle. La plupart des impacts pré-Imbrium auraient été dus à ces objets traversant Mars, le premier bombardement s'étendant jusqu'à il y a 4,1 milliards d'années. Une période sans beaucoup d'impacts de formation de bassin a ensuite suivi, au cours de laquelle le champ magnétique lunaire s'est détérioré. Puis, il y a environ 3,9 milliards d'années, un impact catastrophique a perturbé l'astéroïde de la taille de Vesta, augmentant considérablement la population d'objets traversant Mars. Beaucoup de ces objets ont ensuite évolué sur des orbites terrestres, produisant un pic du taux d'impact lunaire au cours duquel les derniers bassins d'impact lunaire se sont formés. Ćuk souligne le magnétisme résiduel faible ou absent des derniers bassins et un changement dans la distribution taille-fréquence des cratères qui se sont formés au cours de ce bombardement tardif comme preuves étayant cette hypothèse. Le moment et la cause du changement dans la distribution taille-fréquence des cratères sont controversés.

Autres sources potentielles

Un certain nombre d'autres sources possibles du dernier bombardement lourd ont été étudiées. Parmi ceux-ci figurent d'autres satellites terrestres en orbite indépendante ou en tant que chevaux de Troie lunaires, des planétésimaux laissés par les formations des planètes telluriques, des co-orbitales Terre ou Vénus, et l'éclatement d'un grand astéroïde de la ceinture principale. D'autres satellites terrestres sur des orbites indépendantes se sont avérés être rapidement capturés dans des résonances au cours de l'expansion orbitale de la Lune entraînée par les marées et ont été perdus ou détruits en quelques millions d'années. La Lune a atteint 27 rayons terrestres. Les planétésimaux restants de la formation des planètes telluriques se sont avérés épuisés trop rapidement en raison de collisions et d'éjections pour former les derniers bassins lunaires. La stabilité à long terme des co-orbitales primordiales de la Terre ou de Vénus (troyens ou objets avec des orbites en fer à cheval) en conjonction avec le manque d'observations actuelles indiquent qu'il était peu probable qu'elles aient été assez communes pour contribuer au LHB. La production du LHB à partir de la perturbation par collision d'un astéroïde de la ceinture principale s'est avérée nécessiter au moins un corps parent de 1 000 à 1 500 km avec les conditions initiales les plus favorables. Les débris produits par les collisions entre les planètes intérieures, maintenant perdus, ont également été proposés comme source du LHB.

Exosystème avec possible bombardement lourd tardif

Article principal : Eta Corvi

Des preuves ont été trouvées pour des conditions de type bombardement lourd tardif autour de l'étoile Eta Corvi .

Voir également

Les références

Liens externes