L’énigme de l’augmentation de la distance Terre-Lune est résolue

En 1755, le philosophe Immanuel Kant a publié un remarquable opuscule intitulé Histoire naturelle universelle et théorie des cieux : Essai sur la constitution et l’origine mécanique de toute la structure de l’univers basé sur les principes newtoniens. Non seulement il y exposait ce qui allait devenir le modèle de Kant-Laplace pour la cosmogonie du Système solaire, théorisait un cosmos peut-être infini mais surtout rempli de galaxies similaires à la Voie lactée, des « Univers-îles » selon les mots de Kant, mais il prédisait également que la distance entre la Lune et la Terre devait augmenter avec le temps.

De Kant à Darwin

Parfaitement maître des concepts de la physique newtonienne, à défaut des mathématiques newtoniennes développées au même moment par des Leonhard Euler et d’Alembert, Kant comprend que la loi de conservation du moment cinétique et l’existence de frottements des océans déformés par les forces de marée de la Lune, en raison de la rotation de la Terre, conduisent à dissiper l’énergie cinétique de rotation sur elle-même de notre Planète bleue. Le ralentissement de la rotation de la Terre faisant diminuer son moment cinétique, il doit conduire à une augmentation de celui de la Lune autour de la Terre pour assurer la conservation du moment cinétique total Terre+Lune et donc une augmentation de la distance entre les deux corps célestes — sur toutes ces notions élémentaires de mécaniques, on pourra consulter les cours de physique de deux prix Nobel Feynman et Landau. 

Une Lune née il y a 1,4 milliard d’années ?

Toutefois, en insérant dans les équations de la théorie de Darwin des mouvements de Lune et de la Terre la valeur mesurée par télémétrie laser, on trouve que la Lune et la Terre devaient être en contact il y a environ 1,4 milliard d’années. Ce résultat est bien en accord qualitatif avec la théorie qui fait naître la Lune d’une collision entre la Terre et une planète de la taille de Mars, la fameuse Théia, mais quantitativement, cela ne va pas du tout car on sait bien que la Lune est âgée de plus de 4 milliards d’années et qu’elle serait née de la collision Terre-Théia il y a environ 4, 4 milliards d’années.

On est donc depuis environ 50 ans devant un paradoxe que l’on a baptisé événement de Gerstenkorn, c’est-à-dire un contact entre la Terre et la Lune il y a 1,4 milliard d’années, contact qui ne s’est certainement pas produit à ce moment-là.

Une équipe de recherche de l’Observatoire de Paris-PSL au sein de l’Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE) s’est penchée sur ce problème et elle vient de faire savoir qu’elle avait résolu l’énigme dans un article publié dans A&A Letters mais dont on peut trouver une version en accès libre sur arXiv.

Des tentatives précédentes pour résoudre la contradiction en améliorant la théorie des marées, notamment les modèles océaniques de Webb (1982) qui avaient représenté des progrès fondamentaux en montrant l’apparition de résonances mécaniques (similaire à celles qui font osciller une balançoire lorsque la fréquence d’excitation est bonne) entre les ondes océaniques et le forçage des forces de marée, conduisant à une forte augmentation de la dissipation de l’énergie de rotation de la Terre, n’avaient toujours pas permis de rendre compte ni du taux de marée actuel ni de l’âge de la Lune.

Des continents en interaction avec des ondes de marée

En fait, la comparaison avec l’expérience n’est pas simple et, jusqu’à présent, il y avait un risque de raisonnement circulaire. En effet, en ce qui concerne l’histoire des mouvements du système Terre-Lune, il existe aussi des archives cyclostratigraphiques dans les sédiments en relation avec les dépôts associés aux rythmites de marée, liées à la variation du dépôt des marées entre les mortes-eaux et les vives-eaux, ainsi qu’aux fameux cycles climatiques de Milankovitch. Mais, pour interpréter ces données, il faut aussi disposer d’une modélisation de ces mouvements en rapport avec la mécanique céleste jusqu’à un certain point.

De sorte que les modèles empiriques de l’histoire Terre-Lune qui sont largement utilisés aujourd’hui par les géologues sont problématiques. Enfin, comme l’explique un communiqué de l’IMCCE, les modèles empiriques ne permettent pas de déduire des informations physiques sur le système Terre-Lune.

Pour contourner ces difficultés, les astronomes et géophysiciens de l’IMCCE ont raffiné leur modélisation en tenant compte au cours des millions et des milliards d’années de la dérive des continents. Les mouvements des blocs continentaux non seulement changent le moment d’inertie de la Terre au cours du temps, ce qui influe sur la rotation de la Terre et les mouvements de son axe de rotation, mais en modifiant aussi la forme des océans, ils conduisent à des ondes de propagation des marées et des dissipations d’énergie plus complexes qu’initialement prises en compte.

Finalement, les chercheurs non seulement ont éliminé la contradiction que représentait l’événement de Gerstenkorn mais ils ont également obtenu une remarquable cohérence entre les prédictions de la nouvelle modélisation et l’histoire de l’évolution de la distance Terre-Lune.

Le communiqué de l’IMCCE exposant cette découverte se conclut par les commentaires suivants :

« Cette étude est interdisciplinaire et aura un impact très large dans plusieurs domaines (géophysique, géologie, astronomie). Elle fournit le premier modèle physique de l’évolution du système Terre-Lune qui concorde parfaitement avec la dissipation actuelle de marée et l’âge de la Lune, résolvant un paradoxe vieux de cinquante ans. De plus, ce modèle s’ajuste très bien aux données géologiques disponibles. Il deviendra ainsi très probablement la référence standard pour les études géoscientifiques. Cette étude démontre clairement que l’approche cyclostratigraphique est très pertinente pour retrouver l’état de rotation passé de la Terre. Elle consolide même l’ensemble du champ cyclostratigraphique. Ce modèle diffère de ceux précédemment publiés en permettant des résonances de plus grandes amplitudes. Ceci est essentiel dans l’ajustement du taux de dissipation actuel. Ces résultats vont donc également consolider la théorie des marées océaniques, montrant l’effet important de ces résonances océaniques. De plus, ils peuvent être généralisés aux marées océaniques des planètes extrasolaires ».