Une étude, dont les résultats intitulés «Toward a mineral physics reference model for the Moon’s core» ont été publiés dans la revue PNAS, a permis, grâce à la détermination des propriétés physiques du fer à haute pression et température au moyen de la lumière synchrotron, de modéliser précisément la composition et la structure du noyau métallique de la Lune.

Le fer, qui «est le constituant principal du noyau des planètes de type tellurique (dont la structure globale est similaire à celle de la Terre)», adopte «une structure hexagonale compacte (hc) dans les conditions du noyau interne de la Terre, tandis qu’une structure cubique à faces centrées (cfc) est attendue aux pressions plus modérées de corps planétaires plus petits, comme la Lune, Mercure ou Mars».

En ce qui concerne la Lune, les enregistrements sismiques obtenus grâce au programme spatial Apollo (Apollo Lunar Surface Experiments Package), qui «fournissent des informations très précieuses» sur sa structure interne, ne suffisent cependant pas à déterminer les propriétés de son noyau.

En vue «de mieux interpréter les différentes propriétés sismiques», l'étude ici présentée a effectué des mesures de «la densité et la vitesse de propagation des ondes de compression et des ondes de cisaillement dans le fer cubique à faces centrées aux pressions et températures caractéristiques des intérieurs des planètes telluriques de petites dimensions».

Ces expériences, «effectuées sur des échantillons de fer comprimés jusqu’à 19 GPa et chauffés jusqu’à 1150 K dans des cellules à enclume de diamant sur la ligne de lumière ID28 de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble)», ont conduit à la détermination de la vitesse du son «par mesures de diffusion inélastique des rayons X, tandis que la structure cristalline et sa densité ont été déterminées par diffraction des rayons X».

Il est ainsi apparu «que la vitesse sismique actuellement proposée pour le noyau interne de la Lune est bien inférieure à celle du fer-cfc ainsi que des alliages de fer plausibles». Grâce aux données recueillies, qui apportent «de très fortes contraintes sur les modèles sismiques du noyau lunaire et des noyaux des petites planètes telluriques», un modèle direct de la composition, structure, densité et vitesse du noyau de la Lune a pu être élaboré.

Il en découle que «la Lune semble posséder un noyau interne solide d’environ 250 km de rayon constitué de fer en structure cfc, entouré par une enveloppe relativement fine, d’environ 80 km d’épaisseur, d’un alliage liquide de fer et de soufre». Ainsi, la structure globale du noyau lunaire serait «similaire à celui de la Terre avec un noyau externe liquide beaucoup plus petit en proportion».

Comme l'approche adoptée dans cette étude pour comprendre les propriétés du noyau de la Lune, «peut être étendue à d'autres planètes, comme Mars», ce travail sera certainement bien utile pour interpréter les observations sismiques qui seront réalisées dans le cadre de la prochaine mission Insight du NASA Discovery Program, dont l'objectif premier «est d’installer une station sismique pour l'étude de l'intérieur de Mars».