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La Lune et

l’origine des cratères

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L A L U N E Dossier réalisé Par : -CLENET Antoine -DABRETEAU Pierre Elèves de Terminale Génie Electronique au lycée Léonard De Vinci dans le cadre du club d’astronomie de l’établissement scolaire.

SOMMAIRE

I. Origine de la Lune

II. A la découverte de la Lune

III. Expérimentation

1. Mode opératoire

2. Observations, acquisition et traitement des images

3. Hypothèses

4. Modélisations expérimentales

IV. Conclusions

V. Annexe 1 : Caractéristiques physiques de la Lune

VI. Annexe 2 : Les marées

VII. Annexe 3 : Caractéristiques des films de la Lune

VIII. Annexe 4 : Bibliographie et remerciements

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I- Origine de la Lune 3 théories s’opposent pour expliquer la formation de la Lune.

v La théorie de la Fission : La rotation de la Terre était

10 fois plus élevée qu’aujourd’hui et sous l’effet des marées du Soleil, une partie des couches externes aurait été éjectée et se serait accumulée pour former la Lune.

v La théorie de la Capture : la Lune se serait formée par agglomération de la matière d’un disque protoplanétaire d’où les métaux étaient absents.

v La théorie de la Collision : un astéroïde géant (8 fois plus massif que la Lune) heurte la Terre de côté. Lors du « crash » une partie de la couche externe rocheuse de la Terre et de l’astéroïde éjectée, a formé la Lune, alors que le noyau métallique de l’astéroïde s’est aggloméré avec celui de la Terre par fusion.

La théorie de la collision semble d’autant plus probable car elle justifie l’absence quasi-totale de noyau métallique lunaire (noyau ≈ 1% masse lunaire). De plus contrairement à la composition des roches Terrestres , les roches lunaires ne présentent pas d’oxyde de sodium (Na2O) et d’oxyde de potassium (K2O) qui sont les 2 composés les plus volatiles. Or comme la Lune s’est formée à partir de roches Terrestres élevées à très haute température par une collision cataclysmique, il s’en est forcément suivi la disparition des composés volatiles, ceux-ci se sont volatilisés. De plus, l’étude des marées dans le système Terre-Lune révèle que la Lune était plus proche de la Terre lors de sa formation ce qui valide le « scénario » de la collision. La première observation historique : Le 1er homme ayant réellement observé la Lune est Galilée, car c’est lui qui a observé le ciel en premier avec un instrument d’optique : lunette astronomique, de 30mm de diamètre. En 1610, Galilée lors d’une observation lunaire, remarqua que le relief était accidenté, les zones dépourvues de cratères furent appelées « Mers » car il croyait à tort qu’elles étaient recouvertes d’eau. Les régions les plus brillantes quant à elles furent nommées « Hautes Terres ». Ce sont les régions fortement accidentées qui se composent de cratères. Malgré la

certitude de l’absence d’eau sur le sol lunaire, les appellations de Galilée demeurent toujours en usage.

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II- A LA DECOUVERTE DE LA LUNE Les années 50 à 70 furent très riches pour ce qui est de l’exploration lunaire, les 2 grands concurrents de cette exploration furent les États-Unies et l’URSS, car il ne faut pas oublier que cette période fut affectée par la « guerre froide » dite « guerre de propagande ». La connaissance de l’homme a beaucoup profité des données issues des exploitations directes. La principale d’ent re elles fut quand même appollo-11 en 1969. Grâce aux échantillons rapportés et aux sismographes installés sur le sol lunaire, nous avons pu établir la structure physique générale de notre satellite naturel. Nous avons pu remarquer que du côté de la face cachée de la Lune ( découverte en 1959 par la sonde lunar-3 ) la croûte était plus épaisse ( ≈100 km ) que celle de la face visible ( ≈60 km ) , ce qui explique l’absence de mer sur la face cachée, la croûte lunaire de la face cachée étant trop épaisse pour les percées de lave. La surface lunaire est comme un musée qui préserve les vestiges de l’histoire du système solaire, car en effet : il n’y a pas d’atmosphère et donc il n’y a pas d’érosion. Ce qui signifie que la majeure partie de ses formations (cratères) remonte à l’origine de la formation de notre satellite. Les régions les plus anciennes sont les hautes Terres, car elles témoignent d’un épisode de grands bombardements météoritique se déroulant il y a 3.8 et 4.2 milliards d’années donc avant la formation des mers.

Nom de la mission Année Pays faits saillant Luna-1 1959 U.R.S.S Survol.

Luna-2 1959 U.R.S.S Premier écrasement.

Luna-3 1959 U.R.S.S Photographies de la

faces cachée.

Ranger-7 1964 États-Unies Photos rapprochées de

la surface; écrasement.

Luna-9 1966 U.R.S.S Premier alunissage en

douceur.

Apollo-11 1969 États-Unies alunissage habilité;

retour d'échantillons.

Luna-16 1970 U.R.S.S Retour d'échantillons

automatisé.

Luna-17 1970 U.R.S.S Lunokhod-1:jeep lunaire

téléguidée

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Les mers quant à elles ne sont que de vastes étendues de lave endurcie ayant recouvert les zones les plus basses de la surface lunaire. Contrairement à ce que l’on a pu penser les mers n’ont pas été produites par la violence des impacts du grand bombardement puisque l’étude des mers indique qu’elles se sont formées plus tard. Cela laisse supposer que la Lune aurait connu une ère de volcanisme intense bien après ce grand bombardement. On pense que depuis la formation de ces mers , il y a 3,3 milliards d’années, la surface lunaire n’a subit presque aucun grand changement. On peut affirmer cela par le simple fait que l’on ne retrouve quasiment pas de cratères dans les mers. Quant aux montagnes lunaires, nous pouvons remarquer qu’elles ont toutes une forme semi-circulaire ce qui signifie qu’elles ne sont pas le produit d’une collision de plaques continentales mais plutôt les vestiges de remparts de cratères géants.

III- Expérimentation

1 - Mode opératoire

Après des séances de préparation, nous avons choisi la soirée du 21 octobre 2004 pour réaliser nos images. Toutes les photos ont été prises par nous-même avec l’aide d’un professeur du club d’astronomie (Jean-Jacques Rives). Cette soirée n’a pas été choisie au hasard, car pour faire une bonne étude lunaire le soir, il nous fallait le premier quartier , tout en ayant un ciel dégagé. Ce soir là fut « l’idéale ».

Après avoir descendu le matériel dans la journée, nous avons débuté la soirée d’observation à 19h00, le temps d’installer le matériel, ( un ordinateur, une webcam et un télescope.), nous avons pu commencer les observation a partir de 19h18. Avec comme matériel un télescope Perl Vixen de 150 mm de diamètre et de 750 mm de focale, nous avons observé la Lune. La webcam « toucam pro » a été utilisée pour réaliser les vidéos, plusieurs intermédiaires

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ont été utilisés, comme la lentille de Barlow 2X, le réducteur de focal de 0.5x, un filtre continuum ou un filtre IR-UV,( il coupe les infra-rouge et ultra-violet). Nous avons rencontrés plusieurs difficultés, ce soir là.

Les difficultés :

Du fait que ce télescope soit munit d’une monture motorisée avec suivi automatique il a fallu le mettre en station, c’est à dire aligné correctement l’axe de rotation de la monture avec l’axe de rotation de la Terre. Lors de la première observation nous nous somme rendu compte qu’il y avait beaucoup de turbulences ce qui nous a compliqué la tache pour faire la mise au point. Nous nous sommes aussi aperçus que lorsque l’on faisait la mise au point nous produisions des vibrations qui étaient accentuées sur la vidéo par le grossissement du télescope , et plus le grossissement était intense (utilisation de Barlow) plus ces vibrations étaient fortes. De plus le vent créait aussi des vibrations sur le télescope. Les turbulences ont été d’autant plus forte car, la Lune était basse donc l’atmosphère plus épaisse augmentait ces turbulences.

Nous avons réalisé une vingtaine de films de la Lune qui ont nécessité par la suite une traitement pour pouvoir être exploités.

Le traitement :

Toute la partie traitement fut réalisé a l’aide du logiciel « Registax V1.1béta » qui est gratuit et disponible sur internet. Un traitement d’un film de type avi par ce logiciel se déroule en 4 étapes : alignement des images , recherche de la qualité et tris des images, compilation des meilleures images puis traitement par ondelettes de l’image résultante de la compilation.

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2 - Observations

Lors de notre observation, nous avons pu remarquer qu’il existait différentes sortes de cratères. Certains possèdent un piton central situé au centre du cratère, d’autres ont leur couronne en forme de gradins, il y en a aussi qui ont un fond extrêmement plat… Toutes ces différences laissent supposer qu’il existe une origine différente à tous ces cratères. Nous allons donc soulever quelques hypothèses, que nous expliquerons par la suite en comparant les résultats de nos expériences avec les clichés de la Lune que nous avons pris. Nous avons pus observer que les cratères lunaire avait différentes formes comme par exemple sur ce cliché :

Sur les petits et les grands cratères (fig. 1 et 2 ci-contre ) le diamètre d ou D est proche du diamètre de sa base. De plus, sur les cratères fig. 1 et 2 le diamètre est très nettement plus grand que leur hauteur.

On peut remarquer que le cratère fig.2 a un piton central, on n’en retrouve uniquement sur les cratères de diamètre important.

Nous avons remarqué que certains des cratères possédaient un fond extrêmement plat alors que d’autre sont pourvus d’un fond irrégulier.

D

d

1

2

Piton central

Petits cratères (sans piton central)

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Nous avons aussi observé de longues bandes montagneuses, celles-ci seraient les vestiges d’anciens cratères géants (datant de la formation de la Lune) ayant été immergés par le magma résultant de l’ère de volcanisme lunaire (≈ 3.3Ga). Ce sont les mers.

Voici quelques images traitées :

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L’étude plus approfondie d’un de nos clichés, nous permet de définir la qualité de la définition. La comparaison a été réalisé avec le logiciel « Atlas virtuel de la Lune », logiciel gratuit que nous avons trouvé sur internet.

Nous pouvons ainsi estimer la résolution des images de l’ordre de quelques kilomètres.

Archimède 83km Aritille A

55 km

Aritille B 8 km

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3 - Hypothèses Les cratères lunaires peuvent avoir des origines différentes. Cela se voit par la diversité de leurs formes . Voici quelques hypothèses quant à leur origine : q Origine volcanique : débit de lave produisant par refoulement un dôme, qui celui-ci se

creuse par l’aspiration de la descente du magma. q Origine météoritique : chute de météorites qui par contact au sol lunaire se désintégrèrent

en produisant une violente explosion dévastant une surface beaucoup plus grande que la taille même du météorite.

q Effondrement : une fois l’ère de volcanisme achevée, certaines chambres magmatiques

volumineuses ont pu se reboucher provoquant un effondrement local très important. Cela résulterait d’une baisse considérable du niveau du sol lunaire..

Ces différentes hypothèses sont le fruit de notre imagination. Certaines peuvent paraître plus réalistes que d’autres. Nous allons donc les modéliser et en observer le résultat afin de déduire approximativement l’origine des différents cratères lunaires. 4 Modélisation expérimentale La première expérience consistait à reproduire à petite échelle la formation d’un cratère d’origine volcanique . Nous avons pour cela utilisé un récipient en polystyrène (≈ 8 L) que nous avons doté d’un tuyau en PVC que nous avons chauffé pour lui donner une forme de U (fig. 1). Nous avons ensuite coulé du béton dans ce récipient jusqu’au niveau de la tête du tuyau, puis nous avons laissé sécher pendant une durée d’environ deux jours.

Fig. 1

béton

Ciment liquide

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Ensuite nous avons préparé environ 4 litres de ciment liquide, que nous avons par la suite versé dans la canalisation par le biais d’un entonnoir. Il faut préciser que l’entonnoir était emboîté non pas dans le U mais dans un tuyau intermédiaire relié au U afin de donner de la hauteur pour avoir un meilleur refoulement exercé par le poids du ciment versé. Quelques secondes plus tard, le ciment s’extrait de la canalisation et forme une sorte de dôme, dont le diamètre varie selon la quantité de ciment déversé.

Afin de modéliser le phénomène de rétraction , il nous est venu à l’idée d’utiliser un morceau de tuyau ( utilisé pour l’arrosage domestique ), d’une vingtaine de centimètres, comme pompe. On introduit tout d’abord celui-ci dans le U (après avoir ôté la canalisation intermédiaire) puis on l’enfonce à une certaine profondeur. Pendant cette étape le tuyau ne doit pas être obstrué car l’air doit pouvoir s’y échapper. Ensuite il faut le retirer, mais cette fois-ci en le pliant, pour créer une étanchéité et avoir le phénomène d’aspiration voulu.

Observations : nous avons obtenu un cratère

de très petit diamètre élevé, large sans bords déchiquetés.

La deuxième expérience consistait à modéliser une

chute de météorites et à en observer les résultats. Pour se faire, il nous a fallut reproduire une partie de la croûte lunaire dans un récipient. Nous avons alors utilisé du plâtre que nous avons humidifié afin qu’il ait une consistance idéale : ni trop mou, ni trop dur, pour être le plus proche de la surface de la Lune. Une fois le bon compromis trouvé, nous avons fabriqué des boulettes de ce plâtre, de même consistance, afin de reproduire à échelle réduite les météorites. Nous les avons ensuite propulsées contre la surface de plâtre contenue dans le récipient et c’est alors que des cratères de différentes formes sont apparus.

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Observations : Nous obtenons des cratères de différents aspects mais ils ont dans l’ensemble des bords déchiquetés, une profondeur faible par rapport au diamètre et un fond sans pic central. La troisième expérience consistait quant à elle à reproduire l’effet de l’effondrement d’une cavité souterraine (ex : ancienne chambre magmatique lunaire). Pour cela, nous avons encore utilisé du plâtre sec, ayant une consistance voisine de la farine de blé. Dans ce plâtre, nous avons introduit un petit ballon de baudruche, auquel nous avons monté une vanne pour pouvoir le gonfler et le dégonfler a volonté.

Observations : nous obtenons des cavités circulaires à fond plat mais sans bords

relevés.

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IV- Conclusion Les modélisations expérimentales auxquelles nous avons procédé nous ont permis de déduire l’origine probable de certains cratères. : les plus petits. En effet, ceux dont les diamètres extrêmes (base et tête du cratère) sont presque égaux et dont la hauteur est faible. Leurs caractéristiques observées au télescope correspondent aux caractéristiques des cratères modélisés par des impact de météorites. Ce sont les cratères de « petites tailles » qui sont par ailleurs les plus répandus sur la surface lunaire. Les grands cratères avec piton central furent très difficiles à modéliser. De ce fait nous n’avons en aucun cas pu en produire un. Serait-ce le résultat d’une consistance de notre modèle ne correspondant pas au sol lunaire ? Ou bien peut-être une vitesse de lancé insuffisante ? Notre modélisation est-elle adaptée à la grande échelle de ces cratères ?

De même , pour la modélisation de cratères « d’origine volcanique ». ceux que nous avons modélisé ont une forme de dôme avec un creux central (fig1). Serait-ce la cause encore d’une mauvaise consistance de la matière, ou bien le fait que la rétractation du ciment soit différente que celle du magma lunaire ?

Quant aux cratères hypothétiquement dits d’origine d’effondrement, il n’apparait que par nos modélisations nous n’obtenons que des cratères extrêmement cylindriques dont la profondeur varie (selon le volume du ballon après gonflage).

Nous pensons qu’à grande échelle, un tel effondrement produirait de fortes vibrations qui produiraient probablement des l’éboulement des bords intérieurs des cratères. Le résultat final serait que ce cratère aurait l’intérieur en forme de « gradins » avec une forme globale plus ou moins conique (fig 2 ). Les résultats de ces expériences sont plutôt décevants car ils ne peuvent expliquer qu’une seule sorte de cratères : ceux de taille modeste. Mais la difficulté à modéliser ces phénomènes nous apprend par ailleurs la complexité d’une modélisation et l’importance des effets secondaires de ces phénomènes (vibrations) et tous leurs détails à prendre en compte. Suite à la rencontre avec M Neel, professeur de physique à la retraite, aux sélections de Lyon, celui-ci nous a parlé de l’existence de formations volcaniques sur la lune et nous a autorisé à utiliser une de ses images obtenues avec une webcam et un télescope de 300 mm de diamètre. Cette photo montre une formation qui ressemble à notre modélisation d’un volcan. Nous pouvons fortement supposer l’existence d’activité volcanique passée sur la surface de la Lune.

Fig2

Fig1

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Cette image nous donne envie d’approfondir et de poursuivre le projet avec aussi l’idée d’étudier l’impact d’une goutte d’eau à la surface d’un liquide.

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Annexe 1

CARACTERISTIQUES PHYSIQUES Position : - Satellite naturel unique de la Terre Mouvement autour de la Terre : - Distance moyenne à la Terre est de 384400km soit environ 0.0026UA - Excentricité orbitale : 0.0549 - Période de révolution : 27.32 jours (1 moi sidéral) - Inclinaison de l’orbite : 5.1° par apport à l’orbite Terrestre Mouvement de rotation : - la période de rotation est de 27.32 jours soit la même que sa période

de révolution - aplatissement relatif est de 0.0006 - inclinaison de l’équateur par rapport a l’orbite : 2.6° Masse, taille, par rapport a la Terre gravité, densité : - diamètre équatorial : 3476km → 27%

- volume : 2.20*10-3 km2 → 2% - masse : 7.35*1022kg → 1.2% - champs gravitationnel : 1.57N/kg → 16% - vitesse de libération : 2.4km/s → 21%

- densité réelle : 3.36 → 61% - densité décomprimée : 3.35 → 74%

- pesanteur a l’équateur 1.62m/s

Température à la surface : - extrême : jour 127°C(400°K) nuit -173°C(100°K) - moyenne : 0°(273°K) Atmosphère : - aucune Albédo : - 0.07 Champ magnétique : - nul Renseignement touristique : - délai de transmission radio avec la Terre est d’environ 1.3s

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Annexe 2 LES MARÉES

-Les marées comptent parmi les variations de hauteur de mer les plus importantes.

L'attraction combinée de la Lune et du Soleil, est à l'origine de ce phénomène et de ses variations. La Lune et le Soleil, attirent la Terre et ses océans qui se déforment. L'eau va s'accumuler là ou l'attraction est maximale, c'est-à-dire au point du globe situé le plus près de l'astre. En outre, grâce à la vitesse du mouvement, une force centrifuge opposée à l'attraction maintient la Terre sur son orbite. Cette force centrifuge repousse l'eau, qui va donc s'accumuler à l'opposé de l'astre, de plus on sait que la Lune est rarement dans le plan équatorial de la Terre donc, pour une même latitude, l'amplitude ne sera pas la même pour les deux marées quotidiennes. Il arrive même qu'il n'y ait qu'une marée par jour.

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Annexe 3 Descriptif des films réalisés par la webcam au télescope : Jeudi 21 Octobre 04 Série 1 :

durée des films : 45s début des films : 19h18 ; 19h22 ; 19h25 ; 19h28 ; 19h32 ; 19h35

fréquence des images : 20 images/s montage : au foyer sans filtre. Série 2 :

durée des films : 60s début des films : 19h38 ; 19h41 ; 19h44 ; 19h50 ; 19h53 19h54 ; 19h57 ; 19h59 ;

20h03 ; 20h06. fréquence des images : 20 images/s montage : avec barlow 2x Série 3 :

durée des films : 60s début des films : 20h09/20h13/20h15/20h17

fréquence des images : 15images/s montage : utilisation du filtre continuum. Série 4 :

durée des films : 60s début des films : 20h25

fréquence des images : 15 images/s montage : utilisation du filtre « U.V- I.R cut ». Série 4 :

durée des films : 60s début des films : 20h31 ; 20h34

fréquence des images : 15 images/s montage : utilisation du réducteur de focale 0,5x.

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Annexe 4 bilbliographie « astronomie et astrophysique » Seguin et Villeneuve. « astronomie et webcam » Christophe Béthune. sites internet :

www.r.aberlin.free.fr/lune.html www.astronomie.caplain.net/lune.htm www.membre.lycos.fr/solaire/html/sys_solaire/terre/lune/lune.htm www.nineplanets.org remerciements : Nous tenons à remercier M. Rives Jean-Jacques et M. Hugon Jean, professeurs de physique-chimie du lycée Léonard de Vinci, qui nous ont accompagné dans notre projet.