La Terre et la Lune

Mars, restée entière

À côté de la Terre tourne un corps qui a cessé de grandir presque aussitôt né. Mars a pris la moitié de sa masse en 1,8 million d'années — entre 0,8 et 2,7 — et l'essentiel du reste en dix à quinze millions, pendant que le gaz du disque était encore là ou juste après son départ ; depuis, elle n'a presque plus grossi. Elle est probablement un de ces corps gros comme elle dont la Terre s'est nourrie, et qui est resté entier.

La future Terre, elle, n'a pas dépassé six dixièmes de sa masse pendant toute la vie du disque. Vers quatre à cinq millions d'années après le t = 0 — la date est celle du champ magnétique que des météorites ont gardé tant que le disque en portait un —, le gaz s'en va, et les quatre dixièmes qui manquent ne peuvent plus venir ni de lui ni des galets qui dérivaient en lui. Le gaz parti, les embryons se heurtent. Le reste de la Terre arrive par chocs entre gros corps, en une suite étalée sur des dizaines de millions d'années ; la différence entre les deux voisines tient au calendrier.

Une planète faite de chocs n'a pas de jour de naissance comme en a un grain de météorite. Chaque grand impact apporte de la masse, fond une part de la planète, mêle des matières venues d'ailleurs, et la question « quel âge a la Terre ? » se défait en quatre — quand son métal a coulé, quand le dernier grand choc a eu lieu, quand sa surface a pris, quand ont cristallisé les premiers grains qui nous sont parvenus —, chacune avec son compte et son objet.

Le tungstène du manteau

Chaque grand choc chauffe la Terre jusqu'à la fondre en grande partie, et dans une planète fondue le fer, plus dense, coule au centre pendant que la roche — les silicates — reste au-dessus : un noyau, un manteau, une croûte mince, la différenciation. L'hafnium 182, qui devient du tungstène 182 avec une demi-vie d'environ 8,9 millions d'années, reste dans le silicate quand le tungstène suit le fer ; l'excès de tungstène 182 que garde le manteau dit quand le métal est parti. Au bout d'une dizaine de demi-vies, quatre-vingt-dix millions d'années, il ne reste presque plus d'hafnium 182, et le compte devient aveugle à ce qui vient ensuite.

Lu sur le manteau terrestre, ce compte donne, dans la synthèse de Tim Lichtenberg et de ses coauteurs, un noyau formé — et donc une accrétion principale achevée — environ trente millions d'années ou plus après le t = 0. Certaines estimations la repoussent jusqu'à 142 millions d'années, à 25 près, en la liant à l'impact qui a fait la Lune. Entre les deux, plus qu'un facteur quatre.

Le calcul suppose que le métal, en coulant, a échangé son tungstène avec la roche qu'il traversait. Or le noyau d'un impacteur peut plonger jusqu'au centre sans rien échanger ; il emporte alors une signature qui n'est pas celle du manteau, et selon la part de métal qui s'est équilibrée, le même excès de tungstène 182 donne un noyau précoce ou un noyau tardif. L'« âge du noyau » est une moyenne pondérée d'épisodes, un métal par choc, et trente millions d'années sont une borne basse : le noyau n'a pas pu finir plus tôt, il a pu finir bien plus tard.

L'âge de 4 567 millions d'années, qu'on donne souvent pour celui de la Terre, est celui des premiers solides du disque, les CAI, lu dans leur plomb. La Terre n'a pas cet âge ; elle achève sa croissance principale au moins trente millions d'années après ces premiers grains. Ces trente millions d'années font moins de 1 % de l'âge du Système solaire, mais ils séparent deux objets, un grain de poussière du disque et une planète.

Un satellite trop gros

La Lune est un satellite trop gros pour sa planète. Depuis une conférence tenue en 1984, l'hypothèse qui domine la fait naître d'un impact géant : un corps de la taille d'une planète heurte la jeune Terre, la roche des deux jaillit, des débris sont projetés en orbite, et de cet anneau de décombres qui tourne autour de la blessure la Lune s'assemble.

Elle s'est imposée parce qu'elle explique quatre faits d'un coup, selon la revue de Robin Canup et de ses coauteurs : la rotation rapide de la Terre primitive, le petit noyau de la Lune, une Lune chaude à sa naissance, et les mêmes isotopes de l'oxygène sur la Terre et sur la Lune. Les isotopes, dont les proportions varient un peu d'une région du disque à l'autre, sont cette signature de provenance qui rangeait au chapitre précédent les météorites en deux familles.

Le quatrième fait est aussi le problème. Le modèle dit canonique fait venir, en fin d'accrétion, un impacteur gros comme Mars ; il rend compte de la masse de la Lune et de la rotation du couple, mais la Lune y est faite surtout de l'impacteur, un corps né ailleurs dans le disque, qui devrait porter une autre signature. Les deux astres ont des compositions isotopiques presque identiques, ce qui s'expliquerait le plus simplement si la Lune était sortie de la Terre ; certains ont parlé d'une « crise isotopique » du modèle.

De nombreux scénarios d'impact concurrents cherchent depuis une Lune tirée surtout de la Terre, ou un mélange assez complet pour que les deux corps finissent pareils. Qu'un impact géant ait fait la Lune n'est pas contesté ; lequel reste ouvert. C'est à cet impact que se rattachent les estimations les plus tardives du noyau, vers 142 millions d'années après le t = 0 : le dernier grand choc aurait apporté le dernier métal, et dater la Lune, c'est aussi dater la fin de la construction de la Terre.

Les zircons d'Apollo 14

La Lune ne se date pas sur la Terre. Ses dates viennent des échantillons rapportés par les missions Apollo et des comptes longs qui y tournent encore, l'horloge uranium-plomb d'abord ; et ces comptes ne donnent pas l'instant du choc, mais le moment où un minéral lunaire s'est formé, ou la dernière fois qu'il a été assez chauffé pour que son compte reparte de zéro — une remise à zéro. Avant 2017, les estimations allaient de 4,45–4,47 milliards d'années, une Lune formée une centaine de millions d'années après le t = 0, à 4,35–4,42, un impact tardif, à 150 ou 200 millions d'années : une centaine de millions d'années d'écart, plus de trois fois ce qui sépare le t = 0 du noyau terrestre dans l'estimation basse.

En 2017, Melanie Barboni et ses coauteurs prennent des zircons des échantillons d'Apollo 14 — le zircon, silicate de zirconium, résiste à presque tout et se date par l'uranium-plomb — et y croisent deux lectures : l'uranium-plomb pour l'âge de cristallisation de chaque grain, le lutécium-hafnium pour l'histoire de la matière dont il est issu. La croûte lunaire était déjà séparée en couches à 4,51 milliards d'années, ce qui place la Lune dans les soixante premiers millions d'années après la naissance du Système solaire : il faut qu'elle existe, qu'elle ait fondu et qu'elle se soit séparée en couches avant qu'une croûte cristallise des zircons. Un âge de croûte est un plancher ; la Lune est au moins aussi vieille.

Restait l'amas d'âges lunaires groupés vers 4,35 milliards d'années. En 2024, Francis Nimmo, Thorsten Kleine et Alessandro Morbidelli lui donnent une autre cause : les déformations que la gravité de la Terre impose à la Lune y dissipent de la chaleur, cette chaleur aurait refondu une partie de l'intérieur lunaire vers 4,35 milliards d'années, et la refonte a remis à zéro les comptes d'une partie des roches, qui affichent depuis cette date et non celle de leur première formation. La Lune serait née bien avant, « probablement » entre 4,43 et 4,53 milliards d'années. Une Lune née entre 4,51 et 4,53 satisfait Barboni et Nimmo à la fois ; la tendance penche vers une Lune ancienne, sans consensus.

Un même âge mesuré peut donc dater deux événements. L'amas à 4,35 se lit comme la naissance de la Lune ou comme la remise à zéro tardive d'une Lune déjà vieille, sur les mêmes mesures, et la lecture tardive circule encore : dans sa synthèse de 2025 sur les premières traces de vie, Frances Westall place l'impact qui fait la Lune vers 4,35 milliards d'années. Le même nombre sert ainsi, dans deux publications à un an d'intervalle, à dater la naissance de la Lune et à dater autre chose.

Un océan de roche

Le dernier impact laisse la Terre dans un état dont aucune roche d'aujourd'hui ne garde la trace : de la roche fondue sur une grande profondeur, un océan de magma, sous une atmosphère de vapeur de silicates — la pierre elle-même bout et fait le ciel. Les modèles font prendre à une planète de cette taille de cent mille à cent millions d'années pour se solidifier en entier, trois ordres de grandeur, selon la vitesse à laquelle la chaleur s'échappe vers l'espace à travers cette couverture. Les deux bornes ne racontent pas la même Terre : à cent mille ans, la surface prend presque aussitôt après le choc ; à cent millions, elle reste fondue aussi longtemps que tout ce qui s'est passé depuis le t = 0.

Les chocs n'ont pas seulement fondu la Terre, ils ont emporté son air. Elle a pu avoir très tôt une enveloppe d'hydrogène et d'hélium prise dans le disque ; elle est aujourd'hui très pauvre en néon et en argon, des gaz qui ne se combinent presque à rien et ne peuvent pas se cacher dans les roches, et qu'une planète ayant gardé son atmosphère du disque posséderait en grande quantité. Leur rareté dit que les impacts géants ont arraché ses atmosphères l'une après l'autre. L'air et l'eau d'aujourd'hui sont venus ensuite, de l'intérieur qui dégaze et d'apports dont l'origine se discute ; c'est l'histoire du chapitre suivant.

Le manteau garde trop de fer, d'or et de platine, des métaux qui aiment le fer et auraient dû couler avec lui dans le noyau. L'explication proposée est un placage tardif : après le dernier impact géant, de la matière chondritique, pareille aux météorites non fondues, continue de tomber, au plus 0,5 à 0,8 % de la masse de la Terre, trop tard pour que ses métaux rejoignent un noyau déjà fait. C'est un raisonnement par défaut, qui comble un écart entre ce qu'on mesure et ce que prévoit la séparation du métal, et qui tient tant qu'aucun autre processus ne retient ces métaux dans le manteau. L'or lui-même a été forgé bien avant, dans des collisions d'étoiles à neutrons ; le placage tardif ne dit que la manière dont une part en est restée dans le manteau au lieu de couler au centre.

Des grains, pas des roches

Au Canada, dans le complexe de gneiss d'Acasta, une roche dont la chaleur et la pression ont rangé les minéraux en bandes a 4,02 milliards d'années : c'est la plus vieille roche entière que l'on connaisse avec certitude. Les géologues appellent Hadéen le premier éon de la Terre, d'environ 4,567 à 4,0 milliards d'années, et de sa croûte il ne reste presque rien — refondue, enfouie, érodée ou transformée par une planète restée active, qui a recyclé sa surface. La Lune et les météorites gardent des témoins plus vieux que la Terre elle-même ; Acasta date la fin de l'Hadéen, pas son début.

Pour remonter plus haut, il ne reste que des grains. Dans les collines de Jack Hills, en Australie occidentale, des quartzites d'environ trois milliards d'années tiennent des zircons détritiques : des cristaux arrachés par l'érosion à des roches plus anciennes, roulés, transportés, puis déposés dans un sable qui a durci à son tour. La roche d'où ils venaient a disparu ; les grains ont survécu, parce que le zircon résiste à presque tout, et ils dorment dans une pierre plus jeune qu'eux de plus d'un milliard d'années. Leurs âges uranium-plomb montent jusqu'à 4,4 milliards d'années ; le record est un grain de 4 404 millions d'années, à 8 près, publié en 2001 par Simon Wilde et ses coauteurs.

Un âge pareil sur un grain unique appelait une objection : dans un vieux cristal, le plomb né de l'uranium peut se déplacer et se concentrer par endroits, et une mesure tombée sur un tel amas donnerait un âge trop grand. En 2014, John Valley et ses coauteurs regardent un zircon de 4,4 milliards d'années par tomographie à sonde atomique, qui replace en trois dimensions, un à un, les atomes d'un volume minuscule du cristal. L'âge hadéen tient ; leur titre fait de ce grain un zircon « postérieur à l'océan de magma » ; les zircons sont la seule preuve physique qui reste des premières phases de la Terre, et ce que leur chimie dit de l'eau est l'affaire du chapitre suivant.

Nuvvuagittuq, au Québec, montre ce que coûte l'absence de zircons. Cette ceinture de roches vertes, des laves anciennes transformées, a de 3,75 à 4,32 milliards d'années selon la méthode : 3,75 par l'uranium-plomb sur les zircons de granites qui la traversent et lui sont donc postérieurs, un minimum ; 4,32 par le samarium-néodyme sur les roches elles-mêmes, un compte discuté parce que ces basaltes n'ont presque pas de zircons propres. En 2025, un filon de gabbro, roche magmatique sombre qui recoupe une de ses unités, est daté de 4 157 millions d'années — un minimum lui aussi, qui ne tranche pas entre 4,16 et 4,32 mais relève le plancher de 3,75 à 4,16 et plaide pour l'Hadéen. Si cet âge tient, Nuvvuagittuq est plus vieille qu'Acasta d'au moins cent quarante millions d'années.

Vers 4,4 milliards d'années, on date des minéraux, pas des roches, et dire que « la plus vieille roche a 4,4 milliards d'années » confond un grain survivant et la roche disparue dont il est tombé. La plus vieille roche entière sûre a 4,02 milliards d'années ; une autre en a peut-être 4,16 ou plus ; entre ces âges et la formation de la Terre, il n'y a que des grains et, plus haut encore, des pierres venues d'ailleurs.

Le cachet de la poste

Chaque date de cette histoire se lit sur un objet : le t = 0 dans les CAI des météorites, la fin du gaz dans leur magnétisme, le noyau dans le tungstène 182 du manteau terrestre entier, la Lune dans des zircons rapportés d'un autre astre, les premiers grains de Terre dans des zircons australiens, la première roche entière dans un gneiss canadien. Deux pierres tombées du ciel, le manteau tout entier, un autre astre, deux morceaux de croûte : aucune ne date « la Terre » en bloc. Chacune date un moment où un système chimique s'est fermé — un grain qui cristallise, un métal qui se sépare, une roche qui refroidit —, car le compte ne commence que lorsque l'isotope fils ne peut plus sortir ni l'isotope père entrer, et il repart si le système se rouvre, comme l'a fait la refonte pour l'amas lunaire à 4,35 milliards d'années.

Sur la face visible de la Lune s'ouvre le bassin d'Imbrium, un cratère d'impact immense, et une partie des pierres d'Apollo pourrait en être les éclats. De leurs âges on avait déduit un Grand Bombardement tardif, un pic d'impacts sur la Terre et la Lune entre 4,1 et 3,8 milliards d'années. L'hypothèse est aujourd'hui contestée pour deux raisons. L'horloge : ces âges viennent de l'argon-argon, qui date la dernière fois que la roche a été assez chaude pour laisser fuir son argon, et ils posent problème. L'objet : Imbrium a pu projeter ses débris sur une grande partie de la surface et contaminer les échantillons. Si beaucoup de pierres datent un seul et même choc, leur regroupement dans le temps signale un biais d'échantillonnage plutôt qu'un pic, et un déclin graduel des impacts suffirait à rendre compte du relevé.

Le Grand Bombardement tardif ne dit pas que les dates étaient fausses ; il dit que la question « de quoi cet âge est-il l'âge ? » n'avait pas été assez posée, et le même avertissement vaut pour la Lune et pour Nuvvuagittuq. Une date lue sans l'objet qui la porte ni l'événement qui a fermé son compte est un cachet de la poste sans la lettre qu'il a timbrée.

La première quinzaine de septembre

Sur l'année cosmique, où un jour vaut 37,8 millions d'années, le t = 0 est tombé le 2 septembre vers 4 h 45 et le gaz du disque est parti vers 7 ou 8 h. La Terre achève son noyau vers minuit, à la fin de cette même journée, dans l'estimation basse — ou le 5 septembre vers 23 h, à un jour et demi près, si le dernier métal est venu avec le choc qui a fait la Lune.

La Lune naît entre le 3 septembre vers 4 h et le 5 vers 20 h, et sa croûte datée sur les zircons d'Apollo 14 existe dès le 3 en fin d'après-midi. L'océan de magma de la Terre prend en quelques minutes cosmiques ou en deux jours et demi, selon le modèle. Le plus vieux zircon des Jack Hills cristallise le 6 septembre vers midi et demi ; les marées refondent la Lune à minuit entre le 7 et le 8 ; le filon de Nuvvuagittuq se met en place le 13 vers 1 h, le gneiss d'Acasta se forme le 16 dans l'après-midi, et le Grand Bombardement tardif, s'il a eu lieu, s'étendrait du 14 au 22.

Tout ce qui fait la Terre et la Lune tient dans les quatre premiers jours de septembre : un fer qui coule, un choc, un océan de pierre qui prend, un air arraché. Les plus vieux grains de Terre qu'une main puisse tenir arrivent le sixième, et les plus vieilles roches entières attendent la deuxième quinzaine.