L'un des événements les plus marquants de l'histoire primitive de la Terre est la formation de son satellite naturel exceptionnellement grand, la Lune, il y a environ 4,5 milliards d’années.

L'hypothèse dominante pour expliquer son origine est celle de l'impact géant.  

Cette hypothèse postule qu'environ 30 à 175 millions d'années après le début de la formation du Système solaire, alors que la Terre avait atteint une grande partie de sa masse finale, elle est entrée en collision avec un autre corps planétaire de la taille de Mars que l’on nomme Théia, mère de Séléné (la Lune) d’après la mythologie grecque.

 

La collision aurait été extrêmement violente, probablement un impact oblique plutôt qu'une collision frontale. Selon les simulations numériques, le noyau métallique dense de Théia aurait fusionné avec celui de la proto-Terre, tandis que d'énormes quantités de matériaux silicatés provenant principalement des manteaux des deux corps auraient été éjectées en orbite autour de la Terre. Ces débris, formant un disque chaud et partiellement vaporisé, se seraient ensuite rapidement accrétés sous l'effet de leur propre gravité pour former la Lune. Des simulations récentes suggèrent même que cette accrétion lunaire aurait pu être extrêmement rapide, se produisant en quelques heures seulement après l'impact.

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Plusieurs caractéristiques clés du système Terre-Lune soutiennent fortement l'hypothèse de l'impact géant :

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• Moment Cinétique Élevé : Le système Terre-Lune possède un moment cinétique total (lié à la rotation de la Terre, à la rotation de la Lune et à l'orbite de la Lune) anormalement élevé par rapport aux autres systèmes planète-satellite telluriques. Un impact géant oblique est un mécanisme efficace pour injecter une telle quantité de moment cinétique dans le système.  
   

• Petit Noyau Lunaire : La Lune a une densité globale plus faible que la Terre et possède un noyau métallique proportionnellement beaucoup plus petit (seulement quelques pourcents de sa masse, contre ~30% pour la Terre). Ceci est cohérent avec une formation à partir de débris mantelliques, le noyau de l'impacteur ayant majoritairement fusionné avec celui de la Terre.  
   

• Appauvrissement en Volatils : Les roches lunaires sont significativement appauvries en éléments volatils (comme l'eau, le potassium, le zinc) par rapport aux roches terrestres. Les températures extrêmement élevées atteintes lors de l'impact et de l'accrétion du disque de débris auraient vaporisé ces éléments, qui se seraient ensuite échappés plus facilement du champ gravitationnel plus faible de la Lune en formation.  
   

• Preuves d'un Océan de Magma Lunaire : L'analyse des roches lunaires, en particulier les anorthosites de la croûte, indique fortement que la Lune primitive était recouverte d'un océan de magma global. L'énergie colossale libérée par l'impact géant et l'accrétion subséquente des débris fournit une explication naturelle à cette fusion initiale.  
   

Malgré ces succès, l'hypothèse de l'impact géant est confrontée à un défi majeur connu sous le nom de "crise isotopique". Les analyses de haute précision des échantillons lunaires (rapportés par les missions Apollo et issus de météorites lunaires) ont révélé une similarité isotopique quasi parfaite entre la Terre et la Lune pour de nombreux éléments, notamment l'oxygène, le titane, le tungstène et le silicium. Or, les modèles "canoniques" d'impact géant prédisent que la majorité (jusqu'à 80%) du disque de débris formant la Lune devrait provenir du manteau de l'impacteur Théia, et non de la Terre. Comme les corps planétaires formés à différentes distances du Soleil ont généralement des signatures isotopiques distinctes (considérées comme des "empreintes digitales" chimiques), on s'attendrait à ce que Théia ait eu une composition isotopique différente de celle de la Terre, et donc que la Lune soit isotopiquement différente de la Terre. Cette similarité observée est donc difficile à expliquer.  

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Cette apparente contradiction n'a pas conduit à l'abandon de l'hypothèse, mais a stimulé d'intenses recherches et le développement de scénarios alternatifs ou raffinés :

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• Composition Similaire de Théia : Une possibilité est que Théia se soit formée dans la même région orbitale que la Terre, à partir du même réservoir de matériaux, et ait donc eu une composition isotopique intrinsèquement très similaire. Des études sur la composition des derniers corps accrétés par la Terre semblent d'ailleurs indiquer qu'ils étaient isotopiquement proches de la Terre. Une autre hypothèse, basée sur les isotopes du molybdène, suggère que Théia aurait pu venir du Système solaire externe, ce qui soulèverait d'autres questions.  
   

• Équilibration Post-Impact : Une autre explication majeure est que les conditions extrêmes de température et de pression dans le disque de débris post-impact, potentiellement sous la forme d'une structure étendue et éphémère de roche vaporisée appelée "synestia", auraient permis un mélange et une homogénéisation isotopique très efficaces entre les matériaux terrestres et ceux de Théia avant que la Lune ne se solidifie.  
   

• Scénarios d'Impact Différents : Des simulations explorant des impacts plus énergétiques, des collisions frontales, ou une proto-Terre en rotation rapide avant l'impact, montrent qu'il est possible d'éjecter une plus grande proportion de matériaux terrestres dans le disque, ou de mélanger plus intimement les composants.  
   

L'hypothèse de l'impact géant illustre ainsi parfaitement la nature évolutive des théories scientifiques. Confrontée à des données observationnelles de plus en plus précises (la "crise isotopique"), elle n'a pas été rejetée car elle continue d'expliquer de manière robuste des caractéristiques fondamentales du système Terre-Lune (moment cinétique, noyau lunaire, volatils). Au lieu de cela, le défi posé par les isotopes a conduit à une exploration plus approfondie de la physique des impacts à haute énergie, des processus d'équilibration dans des conditions extrêmes, et des conditions initiales possibles (origine de Théia), enrichissant et affinant notre compréhension de cet événement cataclysmique.

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Au-delà de la formation de la Lune, l'impact géant a eu des conséquences profondes sur la Terre elle-même. Il a très probablement refondu une grande partie de la surface terrestre, potentiellement en recréant un océan de magma. Il a contribué à l'apport final de masse à la Terre et a pu jouer un rôle dans les dernières étapes de la formation du noyau. L'impact a également pu influencer la composition de l'atmosphère primitive et potentiellement livrer une partie des éléments volatils essentiels à la vie, bien que l'appauvrissement en volatils de la Lune suggère que l'impact a aussi pu en éjecter. L'impact a sans doute aussi déterminé l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre et sa vitesse de rotation initiale rapide (une journée durait peut-être 5 heures juste après l'impact). Par la suite, la présence de la Lune a joué un rôle crucial en stabilisant l'obliquité de la Terre sur de longues échelles de temps, prévenant des variations climatiques chaotiques qui auraient pu être défavorables à l'évolution de la vie complexe.  
 

Enfin, la Lune elle-même constitue un témoin précieux des premiers âges du Système solaire. Contrairement à la Terre, dont la surface est constamment remodelée par la tectonique des plaques, l'érosion et le volcanisme, la Lune est un corps géologiquement beaucoup plus calme. Sa surface et ses roches, dont certaines datent de plus de 4,4 milliards d’années, conservent donc une mémoire des conditions et des événements de l'Hadéen, tels que l'impact géant lui-même et le bombardement météoritique intense qui a suivi (comme le Grand Bombardement Tardif). L'étude de la Lune offre ainsi une fenêtre unique sur l'histoire primitive de la Terre, une histoire largement effacée sur notre propre planète.