Du fer gamma intact découvert dans le verre d'impact de Chang'e-6

Un fossile magnétique dans le verre d'impact

Les particules de fer mesuraient de moins de 10 nanomètres à environ 140 nanomètres et contenaient très peu de nickel, selon l'étude. Les chercheurs ont prélevé trois particules contenant du fer dans un échantillon de sol de Chang'e-6 : deux fragments de verre d'impact et un fragment de basalte. Des techniques de faisceau d'ions focalisé ont permis de découper des lames minces pour la microscopie électronique en transmission. Dans les deux fragments de verre, des particules métalliques sphériques de fer étaient enchâssées dans une matrice riche en silice. L'imagerie à haute résolution et la diffraction ont révélé du fer alpha et du fer gamma.

La structure a surpris. Sur 50 particules examinées au hasard dans les deux échantillons de verre d'impact, le fer gamma dominait : il représentait 64 % des particules analysées dans l'un et 76 % dans l'autre. Le fragment de basalte s'est comporté comme prévu. Son grain de fer métallique, bien plus gros, était entièrement constitué de fer alpha, ce qui correspond à une formation lors du refroidissement ordinaire du magma et non à un impact violent.

Le fer gamma pur a une structure atomique cubique à faces centrées et n'est normalement stable qu'entre environ 912 et 1 394 degrés Celsius à basse pression. Lors d'un refroidissement ordinaire, il se transforme en phase alpha cubique centrée. Le trouver intact dans le sol lunaire était donc inattendu. Les particules ont survécu à l'intérieur du verre formé par les impacts.

Comment les impacts ont pu figer la structure

Les chercheurs avancent que deux conditions ont joué ensemble. La première est la présence de petites quantités d'éléments capables de stabiliser la phase cubique à faces centrées. Le nickel peut jouer ce rôle, mais les particules contenaient moins de 0,8 % de nickel en masse, bien en dessous des teneurs typiques de la taénite, un alliage fer-nickel de structure cubique à faces centrées. Le carbone est donc le candidat principal. Des travaux de laboratoire ont montré que de petites quantités suffisent à stabiliser du fer gamma nanométrique à température ambiante, et des matériaux d'impacteur riches en carbone ont déjà été identifiés dans des échantillons lunaires.

La seconde condition est un refroidissement extrêmement rapide. Les impacts de météorites produisent un chauffage intense et bref qui peut faire fondre le sol lunaire. Sur une Lune sans atmosphère, les gouttelettes et les fragments perdent ensuite leur chaleur très vite. La trempe rapide empêche peut-être les atomes de se réorganiser en fer alpha, plus stable. Le verre d'impact environnant peut aussi piéger mécaniquement les particules. Les différences de contraction thermique entre le fer et le verre peuvent laisser les nanoparticules sous tension, ce qui aiderait à stabiliser leur structure et leur comportement magnétique.

Ce que le fer peut montrer, et ce qu'il ne peut pas

L'holographie électronique a montré que les particules de fer gamma les plus grosses peuvent former des états de vortex magnétique stables. Elles pourraient donc conserver des informations magnétiques anciennes aux côtés de minéraux lunaires mieux connus. « Ce minuscule fossile magnétique peut nous aider à mieux comprendre l'histoire magnétique ancienne de la Lune », a déclaré Long Li, membre de l'équipe.

La Lune n'a aujourd'hui pas de champ magnétique global, mais certaines parties de sa croûte restent aimantées et gardent la trace de champs qui existaient il y a des milliards d'années. Les scientifiques se sont traditionnellement appuyés sur le fer alpha métallique et les alliages fer-nickel comme enregistreurs magnétiques dans les roches lunaires. Les chercheurs estiment que le fer gamma pourrait un jour aider à distinguer les signaux magnétiques laissés par l'ancienne dynamo du noyau lunaire de ceux produits lors de grands impacts. Ils précisent aussi que cette possibilité reste à démontrer.

Chang'e-6 a rapporté en 2024 les premiers échantillons jamais prélevés sur la face cachée de la Lune, dans le cratère Apollo, au sein du bassin Pôle Sud-Aitken, l'une des structures d'impact les plus anciennes et les plus profondes de la Lune. La mission a ramené 1 935 grammes de sol. Jusque-là, tous les échantillons lunaires rapportés venaient de la face visible. La découverte, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, est l'œuvre d'une équipe internationale dirigée en partie par des scientifiques du Laboratoire des champs magnétiques intenses de l'Académie chinoise des sciences.