Les sondes jumelles GRAIL: cartographier l’intérieur caché de la Lune

Les sondes jumelles GRAIL en orbite lunaire — Les deux sondes jumelles de la mission GRAIL orbitent autour de la Lune en maintenant une distance contrôlée pour mesurer les variations gravitationnelles.
Source image : NASA/JPL (nouvelle fenêtre)

Une mission gémellaire pour sonder la gravité lunaire

La mission GRAIL (gravity Recovery and Interior Laboratory), lancée en 2011 par la NASA (national Aeronautics and Space Administration), avait pour objectif de mesurer les variations du champ gravitationnel lunaire avec une précision inédite. Les deux sondes identiques, Ebb et Flow, ont été placées sur des orbites polaires quasi circulaires afin de détecter les moindres anomalies de densité à l’intérieur de la Lune. Leur fonctionnement reposait sur la mesure ultra-précise de la distance entre elles, grâce à un lien micro-ondes sensible aux variations de l’ordre du micron.

Principe de la mesure gravimétrique différentielle

Lorsque l’une des sondes survole une région lunaire plus dense, elle subit une attraction gravitationnelle légèrement plus forte et accélère. Cette variation relative modifie la distance entre les deux satellites, distance mesurée en continu par interférométrie micro-ondes. En corrélant ces variations de distance avec la position orbitale, les scientifiques ont reconstruit une carte gravimétrique globale de la Lune, révélant la structure interne avec une résolution sans précédent. Le principe repose sur la relation \(\Delta g = \frac{GM}{r^2}\), où \(\Delta g\) représente la variation du champ gravitationnel local.

Résultats et découvertes géophysiques

Les cartes obtenues ont permis d’estimer l’épaisseur de la croûte lunaire entre 34 et 43 km, plus fine que prévu. Elles ont également mis en évidence un réseau complexe de fractures sous les grands bassins d’impact, témoignant d’une croûte rigide et fracturée. Ces données ont fourni des indices essentiels sur la différenciation du manteau et sur la cristallisation du magma lunaire initial, ainsi que sur l’évolution thermique du satellite depuis sa formation.

Tableau des paramètres orbitaux principaux

Paramètres orbitaux et techniques de la mission GRAIL
Paramètre	Valeur	Unité	Commentaire
Altitude moyenne	55	km	Orbites quasi circulaires pour une résolution gravimétrique optimale
Distance moyenne entre sondes	200	km	Mesurée en continu par micro-ondes, variation sensible à <1 µm
Période orbitale	113	minutes	Synchronisation fine pour détecter les gradients gravitationnels locaux
Résolution gravimétrique	≈ 30	km	Limite spatiale de la carte finale produite par GRAIL
Durée de la mission scientifique	9	mois	De mars à décembre 2012, avant impact contrôlé sur la Lune

Source: NASA - Mission GRAIL Overview (nouvelle fenêtre).

Héritage scientifique

Le principe de la mesure gravimétrique différentielle dérive directement du projet GRACE (gravity Recovery and Climate Experiment), développé au début des années 2000 par Byron Tapley (1936-) et ses collaborateurs. Les deux missions ont démontré que la gravité pouvait devenir un outil de sondage interne planétaire aussi puissant que la sismologie.