L’hypothèse de l'impact géant propose que la Lune a été créée à partir de la matière éjectée par une collision entre la jeune Terre et un corps planétoïde (protoplanète) de la taille de Mars nommé Théia.
Élaborée dans les années 1970, cette hypothèse demeure la plus robuste pour expliquer la formation de la Lune.
Cet impact se serait produit 100 millions d’années après la naissance du Système solaire, soit il y a 4,468 milliards d’années.
Il y a 4,468 milliards d'années — soit environ 100 millions d'années après la formation de la Terre — le planétoïde Théia, de la taille de Mars soit 6 500 kilomètres de diamètre, aurait heurté la Terre à la vitesse de 40 000 kilomètres par heure sous un angle oblique, détruisant l'impacteur et éjectant ce dernier ainsi qu'une portion du manteau terrestre dans l'espace, en orbite autour de la Terre, avant de s'agglomérer pour donner naissance à la Lune. Des simulations informatiques d'un tel événement, ont suggéré qu'environ 2 % de la masse originelle de l'impacteur aurait produit un anneau de débris en orbite. Par accrétion, entre un et cent ans après l'impact, la moitié de ces débris aurait donné naissance à la Lune.
L'hypothèse de l'impact géant a été confortée en 2004 grâce à des simulations numériques réalisées par Robin M. Canup (en), de l'Université du Colorado à Boulder (États-Unis), et est la seule capable de rendre compte de la dynamique du système Terre-Lune. Mais ce scénario implique que la Lune devrait être composée d'un mélange de 80 % de l'impacteur Théia et de 20 % du manteau terrestre, or il existe une stricte similitude géochimique entre les deux astres,.
Quatre hypothèses sont proposées en 2017 pour résoudre le paradoxe de la similitude géochimique de la Terre et de son satellite :
Ainsi, aucune hypothèse ne permet de lever totalement l'incertitude sur l'époque et les modalités de formation de la Lune. Pour aller au-delà des scénarios proposés, il faudrait avoir plus d'informations sur Théia (si elle a effectivement existé) et sur la jeune Terre pour pouvoir effectuer, à partir de nouvelles données, une meilleure simulation numérique qui rendrait mieux compte de la réalité.
Le modèle standard de la formation de la Lune proposé par simulation numérique fait donc intervenir la collision de la Terre avec une petite planète de la taille de Mars — qui fait 15 % de la masse de la Terre actuelle —, générant une Lune dont les matériaux seraient issus à 80 % de l'impacteur.
En 2012, en analysant des échantillons provenant des missions du programme Apollo, des chercheurs ont montré que la Lune avait la même composition en isotopes de titane que la Terre, ce qui s'oppose à l'hypothèse de l'impact géant dans la mesure où il serait raisonnable de trouver des matériaux distincts provenant des deux sources : la Terre et l'objet hypothétique Théia. Cependant, en octobre de la même année, des chercheurs de l'Université Washington à Saint-Louis et de l'Institut d'océanographie Scripps publient un article dans Nature appuyant l'hypothèse de l'impact géant par l'analyse d'isotopes de zinc,,, puis en 2014, c'est au tour d'une équipe allemande de conforter cette théorie, cette fois-ci en consacrant son étude à la proportion relative en isotopes d'oxygène dans les échantillons lunaires rapportés par les missions Apollo.
Une modélisation en 2015 conforte cette hypothèse en montrant que l'impacteur aurait eu une composition chimique voisine de celle de la Terre, ce qui explique que la Lune et la Terre partagent des similitudes surprenantes de composition chimique, notamment au niveau des isotopes de tungstène, chrome, silicium et oxygène.
Selon une hypothèse concurrente, émise pour la première fois dans les années 1980 et reprise par une équipe de chercheurs israéliens du Weizmann Institute of Science, la Lune pourrait être née des suites de plusieurs collisions de moindre puissance, qui auraient généré une agglomération de plusieurs petites lunes ayant finalement fusionné en une seule.
Les conséquences de la collision entre Théia et la Terre auraient été majeures pour notre planète et seraient à la base du développement de la vie sur notre planète. Théia serait donc responsable d'une chaîne d'évènements complexes favorables à la vie sur Terre.
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