Chaque année depuis 1970, des astronomes, des géologues, des géophysiciens et une foule d'autres spécialistes se réunissent pour participer à la Conférence des sciences lunaires et planétaires (LPCS). Parrainé conjointement par le Lunar and Planetary Institute (LPI) et le Johnson Space Center (JSC) de la NASA, cet événement annuel est l'occasion pour les scientifiques du monde entier de partager et de présenter les dernières recherches planétaires concernant la seule lune de la Terre.
Cette année, l'un des plus gros points d'attention a été les résultats présentés le mardi 17 mars par une équipe d'étudiants de l'Université Purdue. Dirigée par un étudiant diplômé du Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes de l'université, l'étude qu'ils ont partagée indique qu'il pourrait y avoir des tubes de lave stables sur la lune, suffisamment grands pour abriter des villes entières.
En plus d'être une cible pour de futures études géologiques et géophysiques, l'existence de ces tubes pourrait également être une aubaine pour la future exploration de l'espace humain. Fondamentalement, ont-ils soutenu, des tunnels souterrains aussi grands et stables pourraient abriter des établissements humains, les protégeant des rayonnements cosmiques nocifs et des températures extrêmes.
Les tubes de lave sont des conduits naturels formés par la coulée de lave qui se déplace sous la surface à la suite d'une éruption volcanique. Au fur et à mesure que la lave se déplace, ses bords extérieurs se refroidissent, formant une croûte durcie semblable à un canal qui est laissée derrière une fois que la coulée de lave s'arrête. Depuis quelque temps, les scientifiques lunaires spéculent sur la présence ou non de coulées de lave sur la Lune, comme en témoigne la présence de rainures sinueuses à la surface.
Les rainures sinueuses sont des dépressions étroites dans la surface lunaire qui ressemblent à des canaux, et ont des chemins incurvés qui serpentent à travers le paysage comme une vallée fluviale. On pense actuellement que ces rainures sont les restes de tubes de lave effondrés ou de coulées de lave éteintes, ce qui est confirmé par le fait qu'elles commencent généralement à l'emplacement d'un volcan éteint.
Ceux qui ont été observés sur la Lune dans le passé varient en taille jusqu'à 10 kilomètres de largeur et des centaines de kilomètres de longueur. À cette taille, l'existence d'un tube stable - c'est-à-dire qui ne s'était pas effondré pour former une rainure sinueuse - serait suffisamment grande pour accueillir une grande ville.
Pour les besoins de leur étude, l'équipe Purdue a exploré si des tubes de lave de la même échelle pouvaient exister sous terre. Ils ont découvert que la stabilité d'un tube de lave dépendait d'un certain nombre de variables, notamment la largeur, l'épaisseur du toit et l'état de contrainte de la lave refroidie. Les chercheurs ont également modélisé des tubes de lave avec des murs créés par de la lave placée en une couche épaisse et avec de la lave placée en plusieurs couches minces.
David Blair, un étudiant diplômé du Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes de Purdue, a dirigé l'étude qui a examiné si les tubes de lave vides de plus d'un kilomètre de large pouvaient rester structurellement stables sur la lune.
"Notre travail est quelque peu unique en ce sens que nous avons combiné les talents de personnes de divers départements de Purdue", a déclaré Blair à Space Magazine par e-mail. "Grâce aux conseils du professeur Bobet (professeur de génie civil), nous avons été en mesure d'intégrer une compréhension moderne de la mécanique des roches dans nos modèles informatiques de tubes de lave pour voir comment ils pourraient effectivement échouer et se briser sous la gravité lunaire."
Dans l'intérêt de leurs recherches, l'équipe a construit un certain nombre de modèles de tubes de lave de différentes tailles et avec différentes épaisseurs de toit pour tester la stabilité. Cela consistait à vérifier chaque modèle pour voir s'il prédisait une défaillance quelque part dans le toit du tube de lave.
«Ce que nous avons trouvé était surprenant», a poursuivi Blair, «dans la mesure où des tubes de lave beaucoup plus grands sont théoriquement possibles que ce que l'on pensait auparavant. Même avec un toit de seulement quelques mètres d'épaisseur, les tubes de lave d'un kilomètre de large peuvent rester debout. La raison pour laquelle, cependant, est un peu moins surprenante. Le dernier ouvrage que nous avons pu trouver sur le sujetApollon ère, et a utilisé une approximation beaucoup plus simple de la forme du tube de lave - une poutre plate pour un toit.
L'étude à laquelle il fait référence, «Sur l'origine des rainures lunaires sinueuses», a été publiée en 1969 dans la revue Géologie moderne. Dans ce document, les professeurs Greeley, Oberbeck et Quaide ont avancé l'argument selon lequel la formation de rainures sinueuses était liée à l'effondrement des tubes de coulée de lave, et que des tubes stables pouvaient encore exister. Calculant pour un toit à poutres planes, leur travail a trouvé une taille maximale de tube de lave d'un peu moins de 400 m.
"Nos modèles utilisent une géométrie plus similaire à ce que l'on voit dans les tubes de lave sur Terre", a déclaré Blair, "une sorte de forme semi-elliptique avec un toit arqué. Le fait qu'un toit en arc permet à un tube de lave plus grand de rester debout a du sens: les humains savent depuis l'antiquité que les toits en arc permettent aux tunnels ou aux ponts de rester debout avec des portées plus larges.
L'étude Purdue s'appuie également sur des études antérieures menées par la JAXA et la NASA où des images de «lucarnes» sur la Lune - c'est-à-dire des trous dans la surface lunaire - ont confirmé la présence de cavernes d'au moins quelques dizaines de mètres de diamètre. Les données du laboratoire lunaire de récupération de la gravité et d’intérieur de la NASA (GRAIL) - qui ont montré de grandes variations dans l’épaisseur de la croûte de la Lune sont encore en cours d’interprétation, mais pourraient également être une indication de grandes cavités souterraines.
En conséquence, Blair est convaincu que leur travail ouvre de nouvelles explications réalisables pour de nombreux types d'observations qui ont été faites auparavant. Auparavant, il était insondable que de grandes cavernes stables puissent exister sur la Lune. Mais grâce à l’étude théorique de son équipe, on sait maintenant que dans les bonnes conditions, c’est le moins possible.
Un autre aspect passionnant que ce travail est les implications qu'il offre pour l'exploration future et même la colonisation sur la Lune. Déjà, la question de la protection contre les radiations est importante. Étant donné que la Lune n'a pas d'atmosphère, les colons et les exploitations agricoles n'auront pas de protection naturelle contre les rayons cosmiques.
«Les tubes de lave géologiquement stables seraient absolument une aubaine pour l'exploration de l'espace humain», a commenté Blair. «Une caverne comme celle-ci pourrait être un endroit vraiment idéal pour construire une base lunaire, et généralement pour soutenir une présence humaine soutenue sur la Lune. En allant sous la surface, même sur quelques mètres, vous atténuez soudainement beaucoup de problèmes en essayant d'habiter la surface lunaire. »
Fondamentalement, en plus de protéger contre les radiations, une base souterraine contournerait les problèmes des micrométéorites et les changements extrêmes de température qui sont communs sur la surface lunaire. De plus, des tubes de lave souterrains stables pourraient également faciliter la mise sous pression d’une base pour l’habitation humaine.
«Les gens ont étudié et discuté de toutes ces choses auparavant», a ajouté Blair, «mais notre travail montre que ce genre d'opportunités pourrait potentiellement exister - maintenant, nous n'avons plus qu'à les trouver. Les humains vivent dans des grottes depuis le début, et cela pourrait aussi avoir du sens sur la Lune! »
En plus de Melosh, Blair et Bobet, les membres de l'équipe comprennent Loic Chappaz et Rohan Sood, étudiants diplômés de l'École d'aéronautique et d'astronautique; Kathleen Howell, professeur Hsu Lo de Purdue en génie aéronautique et astronautique; Andy M. Freed, professeur agrégé de sciences de la terre, de l'atmosphère et des planètes; et Colleen Milbury, associée de recherche postdoctorale au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes.
