Malgré de nombreuses études géophysiques et géochimiques, les propriétés du noyau de la Lune, et en particulier sa densité, restent mal connues. Or la densité du noyau est étroitement liée à sa composition, une information cruciale pour comprendre l'origine et l'évolution de la Lune. Des chercheurs de l'IMPMC (Sorbonne Université) et de l'ISTerre (Université Grenoble Alpes) ont utilisé des techniques de diffraction et d'absorption des rayons X pour mesurer la densité des alliages liquides Fe-C-S, un alliage ternaire composé d'éléments considérés comme des composants potentiels du noyau lunaire. Grâce aux capacités uniques de la ligne de lumière PSICHE, ces mesures ont été réalisées dans les conditions de pression et de température élevées existant dans le noyau de la Lune. Le modèle thermodynamique ainsi construit sur la base des données obtenues constitue un outil précieux pour discuter de la composition du noyau de la Lune, mais aussi des noyaux d'autres petits corps planétaires terrestres.
La Lune est le seul corps planétaire, en dehors de la Terre, pour lequel de nombreuses données sismiques, géodésiques et électromagnétiques ont été acquises. Mais malgré cette richesse d'informations, des questions majeures restent ouvertes concernant ses régions les plus profondes, et, notamment la composition exacte de son noyau liquide qui demeure inconnue. On sait que le fer est présent, mais le fer pur est trop dense et son point de fusion trop élevé pour être le seul élément composant le noyau de la Lune. Compte tenu de leur abondance cosmochimique et de leur affinité chimique avec le fer, il a été suggéré que le carbone et le soufre soient des éléments légers incorporés avec le fer dans le noyau lunaire, mais les études actuelles se limitent aux systèmes binaires Fe-S et Fe-C, qui ne peuvent pas rendre compte individuellement des propriétés du noyau lunaire. Par conséquent, l'étude du système Fe-C-S et la détermination de la densité du liquide ternaire dans des conditions de pression et de température pertinentes devraient permettre de mieux comprendre la composition du noyau de la Lune et son évolution depuis sa formation. Cependant, la mesure de la densité des liquides à haute pression et à haute température est extrêmement difficile en raison de la complexité des techniques requises.
Grâce à l'instrumentation disponible sur la ligne de lumière PSICHE et en établissant un protocole permettant des mesures multi-techniques dans ces conditions extrêmes, des chercheurs de l'IMPMC (Sorbonne Université) et de l'ISTerre (Université Grenoble Alpes), en collaboration avec le personnel de la ligne, ont récemment réalisé des avancées significatives en mesurant pour la première fois la densité d'échantillons de Fe-C-S liquides. L'équipe a mené des expériences à l'aide d'une presse Paris-Edinburgh, un dispositif de laboratoire capable de créer des conditions de haute pression allant de 1 à 7 GPa, soit l'équivalent de 10 000 à 70 000 fois la pression atmosphérique terrestre, et des températures aussi élevées que 2 000 K, soit environ 1 725 °C. Dans cette presse, ils ont étudié une série d'échantillons à différentes teneurs en carbone et en soufre. Les analyses ont été réalisées à l'aide de techniques de diffraction et d’absorption des rayons X. Il s'agit des premières données de ce type pour des alliages ternaires Fe-S-C dans les conditions existant dans le noyau de la Lune (pression de l'ordre de 4 à 5 GPa et températures estimées entre 1600 et 1900 K). Les densités déterminées expérimentalement ont ensuite été utilisées pour construire un modèle thermodynamique décrivant la densité des alliages Fe-C-S liquides en fonction de la pression, de la température et de la teneur en éléments légers (C et S).
Figure 1 : Représentation schématique de la technique de diffraction des rayons X dite CAESAR (Combined Angle and Energy Dispersive Structure Analysis and Refinement) (en haut) permettant l’obtention d'un signal de haute qualité dans la gamme étendue d'énergie et de 2θ (en bas) nécessaire pour déterminer la structure locale et la densité des échantillons liquides.
Ce nouveau modèle de densité a des implications significatives pour la compréhension des propriétés et du comportement des liquides Fe-C-S, fournissant de nouvelles informations sur la composition du noyau de la Lune. En se référant à trois des plus récents modèles de la densité de la Lune - dérivés de données sismiques, électromagnétiques, géodésiques et géochimiques, proposant des noyaux partiellement ou totalement fondus - ce nouveau modèle thermodynamique permet de déduire les teneurs potentielles en carbone et en soufre dans le noyau. Cependant, en raison de divergences relativement importantes entre les trois modèles lunaires, les teneurs en soufre et en carbone varient considérablement d'un modèle à l'autre. La mission Farside Seismic Suite (FSS) de la NASA livrera en 2025 deux des sismomètres les plus sensibles jamais construits, prêts à être déployés dans le cratère Schrödinger, sur la face cachée de la Lune. Les observations géophysiques à venir nous permettront de mieux contraindre la densité du noyau lunaire, qui à son tour, et grâce au modèle thermodynamique développé ici, sera corrélé avec une composition plus étroitement contrainte.
Figure 2 : Diagramme ternaire montrant la gamme des teneurs possibles en soufre et en carbone dans le noyau liquide (externe) de la Lune, supposé à 5 GPa et 1600 K, avec une densité fixée selon trois des modèles lunaires les plus récents : (i) G19 - noyau entièrement fondu avec une densité dans la gamme 4200-5200 kg/m3 correspondant à une teneur en S dans la gamme 27-36 wt% et à une teneur en C entre 2 et 0 wt% ; (ii) V19 - noyau entièrement fondu d'une densité de 5560-6070 kg/m3 correspondant à une teneur en S de 17-23 % en poids et à une teneur en C comprise entre 4,5 et 0 % en poids ; (iii) K21 - noyau interne solide composé de Fe (+C à la limite de solubilité) entouré d'un noyau liquide d'une densité de 6200-7000 kg/m3 correspondant à une teneur en S de 6-13 % en poids et à une teneur en C comprise entre 2,3 et 0 % en poids.
Le triangle ombré indique la gamme de composition dans laquelle la phase Fe solide (+C à la limite de solubilité solide) devrait coexister avec le liquide Fe-C-S. La ligne pointillée représente le domaine d’immiscibilité à 5 GPa pour les alliages liquides Fe-C-S. Les compositions eutectiques pour les systèmes binaires Fe-S et Fe-C à 5 GPa sont également marquées par des demi-cercles en noir sur les axes.