Magnétisme lunaire Jérôme Gattacceca, Pierre Rochette, Cécile Cournède, Yoann Quesnel CEREGE, Aix-en-Provence congrès PNP, Paris, 1/10/2014

Intérêt du magnétisme lunaire Les champs magnétiques actuels peuvent être interprétés en terme d’activité géologique La connaissance des champs magnétiques anciens permet de contraindre notre compréhension de l’intérieur de la Lune et de son évolution au cours du temps Les contraintes issues de l’observation de ces champs magnétiques doivent être pris en compte dans les modélisations de la dynamo lunaire et alimente ainsi la théorie de génération des dynamos Gravitational energy released from formation of a planet > 2000 km (Mars, Earth) in radius more than enough to melt entire body  should lead to early magma ocean  heavy things settle light things float – fe is one of the most abundant heavy elements and so iron core forms overlain by light silicate mantle and crust For a body like an asteroid r < 500 km, grav energy is not enough to melt much of anything.  many asteroids thought to just be piles of space dust and rock that never melted What about the Moon? R = 1700 km—intermediate. Not clear if it melted and differentiated… Why should you care if the Moon formed a core? 1.You should care since global differentiation/core formation is perhaps the single most significant historical event following planet formation. 2. Also determining whether the moon has a core is obviously critical for understanding the present-day large scale radial structure of the Moon.

Le magnétisme en pointe Luna 1 (1959) No global dipole field today First object to leave Earth’s gravity. The first planetary science mission. No cameras, but a magnetometer. This fit with a view that the Moon is cold. Luna 1 (1959) et Explorer 35 (1967): champs indétectables, au moins 10 000 fois plus faibles que le champ terrestre. Pas de champ global aujourd’hui. Lune trop petite pour avoir un champ de dynamo ?

Données magnétiques lunaires Magnétomètres de surface Apollo Magnétomètres des subsatellites Apollo Magnétomètre Lunar Prospector Réflectométrie d’électrons Echantillons Apollo météorites lunaires Champ magnétique Hood : need 1 A/m to account for Antipodal anomaly (with a several km thick source) Maximum surface field is 300 nT at Apollo 16 site (Fuller&Ciswoski, 1987) in agreement with ER data (Mitchell et al., 2008) : il faut 0.24 A/m for a vertically magnetized plate Aimantation Propriétés magnétiques

Les basaltes lunaires sont aimantés La surprise du programme Apollo Les basaltes lunaires sont aimantés Basalte Apollo 11 (#10069)

Champ crustal face visible face cachée Champs de surface faibles et localisés (2 to 300 nT) Pas de champ globlal Origine rémanente Pas de corrélation évidente avec la géologie La comparaison avec Mars (champ rémanent de surface jusqu’à plusieurs centaines de µT) est trompeuse 200 km altitude Lillis et al. 2008 Icarus Le contenu ferromagnétique de la plupart des roches lunaires est si faible qu’elles ne créent pas de signal magnétique mesurable à l’altitude des satellites même si elles sont aimantées Mécanisme d’aimantation ? Origine du paléochamp ? There is no doubt the moon is magnetized. In fact, contrary to popular thought, the Moon is very efficiently magnetized. Although the strongest magnetic anomalies on the surface are two orders of magnitude less magnetic than those on Mars, lunar rocks have 4-5 orders of magnitude lower saturation magnetization (an indicator of their intrinsic ability to become magnetized). Therefore it is extremely difficult to account for the strong observed anomalies using indigneous lunar materials even for a magnetizing field of 100 microtesla (twice earth strength!).

Origine du paléochamp Noyau métallique et dynamo ? Champs générés par impact ?

La lune a un noyau métalliqe (sismique, moment inertie, champ induit...) A fundamental aspect of planets is their radially layered structure-metallic core overlain by rocky mantle and crust, which forms inevitably as a consequence of early planetary melting. In my mind, this is what distinguishes a planet from small bodies (asteroids and comets) which are typically unmelted rubble piles without any history following formation. Surprisingly, although the Moon is our closest neighbor, we are not sure whether it is fully differentiated. In particular, until recently we were unsure whether it formed a metallic core. Today I am going to describe to you a variety of new measurements from laboratory analyses of lunar rocks to in situ spacecraft observation whose goal was to establish if and when the Moon formed a core and furthermore whether it generated a magnetic field. This is a question of central importance in lunar science and today I am going to describe to you how a variety of new measurements from returned samples and recent spacecraft are allowing us to finally resolve this question mais a-t-elle une dynamo ?

Répartition des anomalies magnétiques Mitchell et al., 2008 +60 250 Orientale Latitude (°) Serenitatis Crisium Imbrium Noir = antipode âge des cratères Imbrium 3.95 Ga; Orientale 3.85 Ga, ( Imbrien) ; Serenitatis (4.26 Ga) Crisium :4.05 Ga ( Nectarian) -60 B (nT) 90 E 180 90 W Longitude (°) Anomalies essentiellement antipodales aux bassins d’impact

PAS BESOIN DE DYNAMO Modèle d’aimantation antipodale Lon Hood University Arizona Expansion d’un nuage de plasma compresse et amplifie le champ ambiant aux antipodes champ La convergence des ondes sismiques et la concentration des éjectats permet d’aimanter (par choc ou chauffe) mécanisme d’aimantation Est-ce bien raisonnable ? after Hood and Huang, 1991 t=0 s t=120 s t=2400s t=3600s numerical modeling Artemieva et al. 2008 PAS BESOIN DE DYNAMO

Can the lunar crust be magnetized by shock: Experimental groundtruth Gattacceca et al. 2010 EPSL financé à 100% par le PNP Données préliminaires sur un basalte jusqu’à 0.05 GPa seulement [Nagata et al., 1972] Expériences sur les sols : lithification et aimantation par choc jusqu’à 20 GPa [Fuller et al., 1974] Pas de données sur l’acquisition d’aimantation par choc des roches lunaires Acquisition of shock remanent magnetization (SRM) is an « orthodox » process [Pohl et al., 1975; Gattacceca et al., 2008, 2010] SRM parallel to the ambient field SRM proportional to the intensity of the ambient field SRM homogeneous at sub-mm scale

Simulation expérimentale : chocs laser basaltes Apollo 14053, 15555, 15556, 70215 (cubes ~1 cm3) Pression 0.2 - 1 GPa, champ magnétique 100 - 400 µT non destructif: 50 tirs (24 sur 70215) Laser basalte 12

15556 avant le choc 70215 après choc à 2.5 GW/cm2

jusqu’à 2 GPa en cellule de pression non magnétique Expériences hydrostatiques jusqu’à 2 GPa en cellule de pression non magnétique 2 basaltes Apollo 2 météorites (Highland rocks) Ø30 mm

modèle d’acquisition d’aimantation en fonction du champ magnétique et de la pression

Can the lunar crust be magnetized by shock? Nos expériences imposent une condition sur les propriétés magnétiques intrinsèques des roches lunaires : aimantation rémanente à saturation Mrs > 2.5 10-2 Am2/kg Très peu de roches Apollo satisfont cette condition ... mais 40% des météorites lunaires le font : brèches d’impact et de régolite. common amongst meteorites whose sampling is more representative than Apollo sampling

Can the lunar crust be magnetized by shock? Hood et Artemieva, 2008 2500 km Ø Oui si les roches aux antipodes sont des brèches d’impact ou de régolite common amongst meteorites whose sampling is more representative than Apollo sampling Mais attention, cela ne peut expliquer que certaines anomalies magnétiques et pas les aimantations mesurées dans les échantillons Apollo !

Paléomagnétisme lunaire Apollo era now Lawrence et al. 2008 convection? precession impacts core crystallization? limite théorique modèles

100 échantillons mesurés (35 kg) traitement des données en cours => AGU 2014

projet MagLune financé par l’ANR 2015-2019 CEREGE + MIT IPGP ISTerre (Gattacceca + Weiss) IPGP (Wieczorek) ISTerre (Cébron) champ magnétique modélisation dynamo paléomagnétisme