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source : pixabay

glace d'eau, groupes hydroxyles, molécules d'eau. au cours des trente dernières années, alors que les sondes et les atterrisseurs passaient successivement près de la lune, les données et les matières premières étaient continuellement transmises, et les scientifiques ont travaillé sans relâche, et la lune « sèche et sans eau » est progressivement apparue. nous l'autre côté.

quand les choses ont-elles changé ? est-ce l'aperçu de clémentine au-dessus du pôle sud de la lune, ou est-ce l'amélioration de la précision et de la sensibilité de la technologie moderne des sondes ioniques, est-ce le positionnement précis des molécules d'eau par le spectromètre à spectre plus large de sofia aux hautes latitudes de la lune, ou est-ce le fraîcheur de chang'e 5 ? retour d'échantillon ?

article rédigé par lin honglei, chercheur associé, institut de géologie et de géophysique, académie chinoise des sciences

yao professeur agrégé, université de hong kong

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les hauts et les bas de la recherche d’eau de la lune

en 1994, le vaisseau spatial américain « clementine » s'est précipité sur la lune. il s'agissait de la première mission d'exploration lunaire dédiée des états-unis en 21 ans après l'alunissage d'« apollo ».

contrairement aux précédentes missions de retour d'échantillons apollo, cette fois-ci, elle tourne autour de la lune pour une étude mondiale détaillée. il transporte un système d'observation radar conçu pour rechercher des traces d'eau aux pôles lunaires en coopérant avec les récepteurs du deep space network sur terre.

en 1996, le département américain de la défense a annoncé que les données de la mission clementine montraient des dépôts de glace d'eau au fond d'un cratère dans une zone d'ombre permanente au pôle sud de la lune (nozette et al., 1996, the science). le volume de ce gisement était d'environ 6 10 000 à 120 000 mètres cubes, ce qui équivaut à un petit lac d'une superficie de quatre terrains de football et d'une profondeur de 5 mètres. cette découverte a remis l'étude de l'eau lunaire dans le champ de vision des gens.

pourquoi tu dis "ré" ? en fait, les êtres humains ont toujours rêvé sans fin de savoir s’il y avait de l’eau sur la lune. depuis que galilée a inventé le télescope en 1609, capable d'observer la lune plus clairement que l'œil humain, les astronomes ont découvert qu'il existe principalement deux zones distinctes à la surface de la lune, blanche et noire. ils pensent que les zones noires de la lune peuvent être recouvertes d'eau liquide, c'est pourquoi ils utilisent des mots tels que « mer », « océan », « ruisseau » et « baie » pour décrire la forme du système d'eau et nommer les zones noires. sur la lune (wei yong et al., 2024, china proceedings of the academy of sciences). au milieu du xxe siècle, les scientifiques ont utilisé des simulations numériques pour montrer que la vapeur d'eau pouvait être piégée dans des ombres permanentes à des échelles de temps géologiques. les missions américaine « apollo » et soviétique « moon » de 1969 à 1976 ont collecté un grand nombre d’échantillons de la lune et les ont renvoyés sur terre, donnant enfin la possibilité de mesurer directement la teneur en eau des échantillons lunaires. malheureusement, les résultats de l'analyse montrent que le sol lunaire est très sec et que les traces d'eau mesurées ne peuvent exclure la pollution de l'atmosphère terrestre. dans le même temps, les instruments que les astronautes laissaient sur la surface lunaire pour détecter l’atmosphère étaient incapables de détecter l’eau, ce qui semblait faire de « la lune est sèche » un fait. cela a également donné naissance à la théorie de la collision lunaire.

les résultats de détection radar de la sonde spatiale « clémentine » ont sans aucun doute émis un signal positif ! cependant, les observations du radiotélescope au sol d'arecibo ont en outre montré que même dans les zones sans ombres permanentes (que la glace d'eau ne peut pas préserver), il existe des signatures radar similaires, probablement dues à d'autres facteurs tels que la rugosité de la surface (stacy, et al. al., 1997, science). la question de savoir s’il y a de la glace d’eau dans les régions polaires de la lune est une fois de plus entourée de mystère.

l'eau est composée d'hydrogène et d'oxygène. mesurer la teneur en hydrogène de la lune peut être un moyen de détecter l'eau. par conséquent, en 1998, le lunar prospector emportait un spectromètre à neutrons pour mesurer la distribution de l’hydrogène lunaire et a constaté d’importants enrichissements en hydrogène aux pôles (feldman et al., 1998, science). y a-t-il encore de l'eau sur la lune ? le débat sur la présence ou non d'eau sur la lune s'est poursuivi jusqu'en 2008.

2008 a été une année extrêmement inhabituelle pour la recherche d'eau sur la lune. cette année, il y a eu deux événements majeurs. la première chose est que le vaisseau spatial indien « chandrayaan-1 » a transporté le « lunar mineralogy mapper » américain en orbite lunaire, qui est le premier spectromètre capable de mesurer directement les molécules d'hydroxyle et d'eau lunaires.

bientôt, l'équipe du professeur carle pieters de l'université brown, responsable de ce spectromètre, a découvert des signaux évidents de molécules d'hydroxyle/eau dans les données, en particulier aux latitudes moyennes et élevées de la lune. cela a rendu l'équipe du professeur carle pieters très enthousiasmée, mais aussi très surprise : comment peut-il y avoir un signal d'eau aussi puissant ? y a-t-il un problème avec l'étalonnage de l'instrument ? ils ont passé plusieurs mois à examiner les données et ont conclu que les signaux étaient valides (pieters et al., 2009, science).

afin de s'assurer davantage que l'eau a bien été détectée, l'équipe a demandé à la sonde deep impact, en route vers la comète, de revenir en arrière et d'effectuer des mesures spectrales sur la lune (sunshine et al., 2009, science), et a creusé la mission cassie vers saturne. les données d'observation spectrale du vaisseau spatial ni lors de son survol de la lune en 1999 ont été réanalysées (clark, 2009, science), ce qui a confirmé que le signal de l'eau lunaire est réel.

dans le même temps, il y a eu une nouvelle avancée majeure sur le terrain, et c’est la deuxième chose.

l'équipe du professeur alberto saal, également de l'université brown, a passé trois ans à utiliser la technologie des sondes ioniques (sims) pour réanalyser le verre volcanique (produit des éruptions volcaniques) dans le sol lunaire d'apollo, et a trouvé jusqu'à 50 ppm d'eau (. saal et al., 2008, nature), remettant en question l'opinion traditionnelle selon laquelle la lune est sans eau avec des preuves concluantes. la technologie des sondes ioniques est apparue depuis les années 1950. elle utilise des faisceaux d’ions à haute énergie pour bombarder la surface de l’échantillon afin de libérer des ions hydrogène, puis effectuer des mesures.

cette technologie a également été utilisée dans l’analyse du sol lunaire primitif, mais la résolution spatiale et la sensibilité sont relativement faibles. grâce aux améliorations apportées à la technologie des sources d'ions et des détecteurs, la technologie sims moderne est capable de détecter une teneur en eau aussi faible que 5 ppm (cinq parties par million) ont permis de mesurer avec précision l'eau dans le sol lunaire.alberto saal étudie principalement la composition interne de la terre. après son arrivée à l'université brown, il a commencé à élargir ses recherches sur la lune et les planètes lorsqu'il a proposé d'étudier le thème « s'il y a de l'eau à l'intérieur de la lune », ont prévenu ses collègues. lui que de la lune existante il est peu probable que de nouvelles informations soient découvertes dans l'échantillon. mais il n'a pas abandonné. avec le soutien de la technologie moderne de pointe, il a finalement obtenu un grand succès. il a attribué ce succès à son manque d'expérience dans le domaine de la science planétaire et à son absence de pensée fixe.

en 2009, la mission américaine lunar crater observation and sensing satellite mission (lcross) a mené une expérience d'impact dans les régions polaires lunaires, et l'observation et l'analyse des projections d'impact ont confirmé l'existence d'eau (colaprete et al., 2010, science ).depuis lors, il est devenu largement admis que la lune contient de l’eau.

l’analyse d’échantillons en laboratoire et les observations par télédétection ont fourni la preuve que la lune contient de l’eau, mais il manque un maillon manquant dans la chaîne de preuves : les mesures sur le terrain de la surface lunaire.la sonde chinoise chang'e 5 a atterri avec succès aux latitudes moyennes de la lune le 1er décembre 2020. il s'agit de la deuxième mission de retour d'échantillonnage pour les humains après 1976, et elle transportait un analyseur de spectre minéral lunaire pour obtenir des données pendant le processus d'échantillonnage. le spectre de la surface lunaire est exactement comme celui que nous avons observé dans le "champ" sur la lune. pour la première fois, nous avons détecté le signal de l'eau à une distance aussi proche et avec une haute résolution sur la surface lunaire (lin, li, xu et al., 2022, science advances ; liu et al., 2022, nature communications), fournissant une autre preuve irréfutable que l’eau est largement répandue sur la lune.

après le retour des échantillons chang'e-5 sur terre, ils ont suscité un grand enthousiasme parmi les chercheurs scientifiques, notamment en ce qui concerne l'étude de l'eau dans le sol lunaire. parce que comparé aux précédentes missions d'échantillonnage lunaire (c'est-à-dire "apollo" américain et "lune" de l'union soviétique), le sol lunaire de chang'e 5 provient d'une latitude plus élevée et est plus jeune. il est complètement différent des échantillons de sol lunaire existants. les humains. très précieux. jusqu'à présent, l'administration spatiale nationale a distribué 7 lots de 85,48 grammes d'échantillons de recherche scientifique à 131 équipes de recherche nationales. en moyenne, chaque équipe n'a reçu que quelques centaines de milligrammes d'échantillons. en utilisant une si petite quantité d’échantillons, les chercheurs ont utilisé la technologie des sondes nano-ioniques et la technologie de spectroscopie infrarouge pour trouver une teneur plus élevée en eau dans le sol lunaire (xu, tian et al., 2022, pnas ; zhou et al., 2022, nature communications).

où l’eau est-elle principalement stockée ? après avoir exclu de nombreuses possibilités, les chercheurs ont porté leur attention sur les billes de verre qui se trouvaient dans le sol lunaire de chang'e-5.il s’agit d’un type d’échantillon qui a reçu peu d’attention auparavant, car ce type d’échantillon a une « origine ordinaire » et est le produit de la fonte du sol lunaire par les météorites. ce processus s'accompagne d'une transformation mixte de la roche originale, qui la rend incapable de refléter les informations à l'intérieur de la lune comme le « verre volcanique », si peu de gens s'y intéressaient au début.mais le verre à impact est assez abondant dans le sol lunaire. grâce à l'ultra-haute résolution spatiale de la technologie d'analyse des sondes nano-ioniques, les chercheurs ont obtenu la teneur précise en eau de la perle de verre d'impact sur le sol lunaire chang'e-5, confirmant que la perle de verre d'impact est un réservoir important d'eau lunaire et a la capacité de maintenir l’eau lunaire. capacité et potentiel de circulation des eaux de surface (he et al., 2023, nature geoscience). avec l'approfondissement de la compréhension de l'eau lunaire, l'étude du cycle de l'eau lunaire est progressivement devenue une priorité.

de quelle est cette eau lunaire dont nous parlons ?

lorsqu’on parle d’eau, la première chose à laquelle les gens pensent est : peut-on la boire ? lorsque nous disons qu'il y a de l'eau sur la lune, nous ne faisons pas référence aux océans et aux lacs, mais aux molécules d'eau et aux groupes hydroxyles (oh) qui existent dans la structure particulaire du sol lunaire, ou à la glace d'eau qui existe dans les zones d'ombre permanentes. des régions polaires. parmi eux, la glace d'eau fait référence à un matériau solide composé de nombreuses molécules d'eau, généralement sous forme cristalline hexagonale, tandis que les molécules d'hydroxyle/eau sont généralement combinées avec des minéraux sur la lune et sont présentes dans la structure minérale.

la technologie des sondes ioniques de laboratoire mesure la teneur en hydrogène et la convertit ensuite en teneur en eau, que l'eau existe sous forme de groupes hydroxyle, de molécules d'eau ou d'hydrogène. les spectromètres de « chandrayaan-1 » et « chang'e-5 » ne peuvent pas non plus faire la distinction entre les molécules d'hydroxyle et d'eau en raison de leur plage de longueurs d'onde étroite.

en 2011, des chercheurs ont combiné des sondes ioniques et la technologie de spectroscopie infrarouge à transformée de fourier pour mesurer directement l'eau hydroxylée dans le sol lunaire d'apollo (liu et al., 2011, nature geoscience). en 2020, l'observatoire stratosphérique d'astronomie infrarouge (sofia) aux états-unis a utilisé un spectromètre à spectre plus large pour détecter l'eau moléculaire qui peut exister de manière relativement stable en dehors de la zone d'ombre permanente, confirmant pour la première fois l'existence d'eau moléculaire sur la surface lunaire. (honniball et al., 2021, nature astronomy), cette nouvelle à succès a suscité l'espoir des gens quant à l'utilisation des ressources en eau lunaires, car l'eau moléculaire est plus facile à utiliser que les groupes hydroxyles. cependant, aucune preuve claire de la présence d’eau moléculaire n’a été trouvée dans les échantillons de sol lunaire. les recherches sur les échantillons chang'e-5 ont révélé que le verre à impact contenait une teneur en eau plus élevée (he et al., 2023, nature geoscience). la probabilité que de l'eau moléculaire existe dans le verre à impact sera-t-elle plus grande ? en gardant cette question à l'esprit, les chercheurs ont effectué des mesures détaillées sur 12 billes de verre à impact de l'échantillon chang'e-5 et ont détecté le signal de l'eau moléculaire. ils ont découvert que 20 à 35 % de l'eau contenue dans le verre à impact était de l'eau moléculaire. (zhou, mo et al., 2024, science advances).

d'où vient l'eau de la lune ? on répond principalement à cette question en s’appuyant sur les isotopes de l’hydrogène.l’hydrogène comprend principalement les isotopes stables du protium (h) et du deutérium (d), et leur masse augmente dans l’ordre. en mesurant le rapport deutérium/protium (d/h) dans un échantillon et en le comparant à d’éventuelles sources cibles, il est possible de déterminer d’où vient l’eau.si la valeur d/h est faible, semblable à celle du soleil, cela signifie que l'eau a été amenée sur la lune par le vent solaire. si la valeur d/h est élevée, semblable à celle d'une comète, cela signifie que la valeur d/h est faible, semblable à celle d'une comète. l'eau peut avoir été amenée sur la lune par l'impact d'une comète ; si d la valeur /h est proche de la terre si l'influence de la terre est exclue, c'est l'eau de la lune elle-même si la valeur d/h est proche de la terre. si sa valeur se situe entre la terre et les comètes, il pourrait être amené sur la lune par un astéroïde aquifère.bien entendu, le rapport d/h mesuré est parfois le résultat d’un mélange de plusieurs sources. dans ce cas, il est nécessaire de combiner d’autres isotopes, tels que le carbone, l’azote, etc., pour déterminer davantage la source de l’eau. grâce aux mesures des isotopes d'hydrogène des particules du sol lunaire, il a été démontré que l'eau provient de sources multiples telles que l'intérieur de la lune, l'injection du vent solaire et les impacts d'astéroïdes/comètes (saal et al., 2008, nature ; greenwood et al., 2011). , nature geoscience ; liu et al., 2011, nature geoscience ; barnes et al., 2016, nature communications), ces sources ont même été trouvées simultanément dans le verre d'impact de l'échantillon chang'e-5 (he et al., 2023). , nature geoscience ; zhou, mo et al., 2024, science advances), augmentant ainsi la complexité de la question de la source d'eau lunaire.

afin de déterminer la principale source d'eau avec plus de signification statistique, les chercheurs ont effectué une analyse spectrale granulaire sur un grand nombre d'échantillons de chang'e-5, démontrant que le vent solaire est la principale source d'eau du sol lunaire (lin et al. , bulletin scientifique , 2024). les modèles changeants de la teneur en eau de la surface lunaire obtenus sur la base des spectres de télédétection indiquent également différentes sources d'eau. la teneur en eau sur la surface lunaire présente des variations diurnes, étant plus élevée le matin et le soir et plus faible à midi, ce qui indique la source d'eau du vent solaire, car seul le vent solaire peut rapidement reconstituer l'eau perdue en raison des températures élevées à midi (li & milliken, 2017, science advances ; wöhler et al., 2017 , science advances ); il existe certaines zones où la teneur en eau est anormalement élevée et, en combinaison avec les caractéristiques de la topographie et du relief, l'existence d'eau à l'intérieur de la lune a été déterminée ( klima et al., 2013, nature geoscience ; milliken et li, 2017, nature geoscience). la glace d'eau polaire peut également être causée par la diffusion et la migration de l'eau provoquée par le vent solaire, et finalement se condenser et se former dans la zone d'ombre permanente des régions polaires de la lune (pieters et al., 2009, science). l'analyse des données élémentaires du lcross indique que l'impact d'une comète est également une source raisonnable (mandt et al., 2022, nature communications).

bien entendu, étant donné que la lune passe près d'un tiers de chaque mois dans la magnétosphère terrestre, la contribution du vent terrestre à l'eau lunaire ne peut être exclue (wei et al., 2020, geophysical research letters ; wang et al., 2021 , lettres du journal astrophysique ; li et al., 2023, astronomie de la nature).la question de la source de l’eau lunaire est extrêmement complexe et nécessite des échantillons provenant de davantage de zones, davantage d’observations et des analyses plus approfondies pour mieux comprendre.il convient de souligner que le vent solaire et le vent terrestre ne sont pas seulement la source de l'eau lunaire, mais aussi l'environnement de rayonnement spatial auquel nous devons directement faire face lors de missions d'exploration habitées et non habitées sur la lune. les caractéristiques et les mécanismes de changement sont la clé des missions lunaires. l'une des garanties importantes, elle mérite également une attention particulière.

la quantité d'eau disponible et la question de savoir si elle peut être utilisée sont des questions qui préoccupent davantage les humains lorsqu'ils établissent une base lunaire et y restent longtemps dans le futur. cette question peut être envisagée sous deux aspects basés sur l’existence d’eau sur la lune. la première est la région polaire, qui stocke théoriquement une teneur en eau plus élevée que les autres régions en raison de sa basse température, sous forme de glace sale (mélangée au sol lunaire) dans la région constamment ombragée. la mission lcross a analysé le panache produit par l'impact en impactant la zone d'ombre permanente du pôle sud lunaire et a détecté que le site d'impact contenait environ 5,6 % en poids de glace d'eau (colaprete et al., 2010, science). la détection du spectre infrarouge a également obtenu des résultats similaires et a révélé que dans certaines zones où le signal de glace d'eau est relativement pur, la teneur en glace d'eau peut même atteindre 30 % en poids (li et al., 2018, pnas). la glace d'eau dans les régions polaires est actuellement la ressource lunaire ayant le plus grand potentiel et fait actuellement l'objet d'explorations dans le monde entier. les chercheurs ont proposé de chauffer l'exploitation minière, de chauffer le forage et d'autres idées pour extraire la glace d'eau.cependant, en raison de la complexité des environnements tels que les basses températures, la faible gravité et l’absence de lumière, il reste encore un long chemin à parcourir pour atteindre cet objectif. après l’exploitation minière, des questions telles que la séparation, la purification et le stockage doivent également être prises en compte.

d’un autre côté, il y a de l’eau dans le sol lunaire. cette eau existe dans la structure minérale. la teneur en eau n’est que de quelques dizaines à quelques centaines de ppm (il y a des dizaines à des centaines de grammes d’eau dans une tonne de sol lunaire), ce qui représente une quantité importante d’eau. c'est pire que ça dans le désert. en prenant comme exemple la zone d'échantillonnage de chang'e-5, une tonne de sol lunaire contient jusqu'à 120 grammes d'eau (lin, li, xu et al., 2022, science advances), mais cela est également lié à la latitude, et peut même atteindre 500 à 750 grammes à des latitudes plus élevées (li & milliken, 2017, science advances). l'eau du sol lunaire provient principalement de l'injection du vent solaire. étant donné que la surface spécifique du sol lunaire à grains fins est plus grande, la teneur en eau sera supérieure à celle des particules grossières.le tamisage granulaire pourrait être un moyen d’exploiter l’eau du sol lunaire aux latitudes moyennes et basses.108 kilogrammes d'eau peuvent être extraits de 1 000 mètres cubes de sol lunaire à grains fins (moins de 45 microns). si elle peut être tamisée encore plus finement, 840 kilogrammes d'eau peuvent être extraits de 1 000 mètres cubes de sol lunaire inférieur à 10 microns. (lin et al., bulletin scientifique, 2024). de plus, les zones pyroclastiques de la lune préservent une grande quantité d'eau, qui peut atteindre 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). cependant, extraire cette eau du sol lunaire nécessite des températures de chauffage plus élevées, et comment obtenir efficacement le rapport entrée-sortie maximal constitue un défi.

bien que l'utilisation de l'eau lunaire présente de nombreuses difficultés, des prototypes de principe pertinents ont déjà commencé à être développés. grâce aux progrès de la technologie, on pense que les astronautes seront capables de boire de l'eau lunaire dans un avenir proche, et même du carburant pour fusée. être fabriqué à partir de l'eau lunaire.

où aller

l'eau est la source de la vie et son importance est évidente. l’eau a également joué un rôle très important dans l’évolution de la lune. le nouveau cycle d'exploration lunaire est passé d'une exploration purement scientifique à une attention égale à la recherche et aux applications scientifiques, et a proposé des plans futurs tels que des « villages lunaires » et des « stations de recherche scientifique lunaire ». reçu plus d’attention. l'eau de la lune jouera un rôle important dans l'exploration spatiale future et jettera une base importante pour que la civilisation humaine puisse aller dans l'espace.il existe encore une controverse sur la distribution spatio-temporelle de l'eau lunaire. l'obtention d'une teneur et d'une distribution d'eau de haute précision et à haute résolution sur la lune est au centre des explorations futures.

les « chang'e-7 » et « chang'e-8 » de chine mèneront une exploration détaillée du pôle sud lunaire, en particulier la détection des ressources en eau dans les régions polaires vers 2030, le cadre de base d'une recherche scientifique lunaire internationale. une station de recherche sera construite. l'exploration lunaire habitée a également été mise à l'ordre du jour. le « projet artemis » des états-unis réalisera une fois de plus un atterrissage habité sur la lune après la mission « apollo », mènera des enquêtes, des expériences et collectera des échantillons au pôle sud lunaire, et construira une base pour soutenir les activités humaines à long terme sur la lune. surface lunaire. les états-unis prévoient également de lancer une petite mission d'exploration "lunar pioneer" pour étudier spécifiquement la répartition de l'eau sur la lune grâce à la détection orbitale. en outre, l'europe, le japon, l'inde, la corée du sud et d'autres pays considèrent également la détection de l'eau lunaire comme un contenu important. pour utiliser l’eau lunaire, nous devons d’abord la comprendre plus clairement, ce qui nécessite des données d’observation plus précises. la lune a l'avantage de n'avoir pas d'atmosphère et une orbite propice à une approche rapprochée et à un fonctionnement continu.les chercheurs ont proposé un plan de « constellation d'orbites proches de la lune » pour obtenir des mesures continues à haute résolution des orbites proches de la lune (inférieures à 30 kilomètres), ce qui nous aidera à maîtriser des informations précises sans précédent sur l'eau lunaire (wei yong et al., 2024, actes de l'académie chinoise des sciences).