La datation au Carbone 14, comment ça marche ?

Posté par Antoine BRET
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Introduction

L’âge de l’univers est un élément crucial du débat créationniste jeune terre, puisqu’une lecture littérale de la Genèse donne 6 ou 10 milles ans. Parmi toutes les méthodes qui permettent d’aboutir à un univers bien plus vieux (forage des glaces polaires, anneaux des arbres, objets célestes lointains…), l’une des plus célèbres est peut-être la datation au carbone-14 (C14 dans la suite).

 

Comment ça marche ?

Un certain nombre d’atomes sont « instables ». Si vous en avez 1000 devant vous et que vous attendez un certain temps, il n’en restera plus que 500. Attendez encore, et il n’en restera que 250. Etc. Le C14 (pour les intimes, 6 protons, 8 neutrons) est l’un d’eux. Pour lui, un « certain temps » correspond à environ 5 730 ans. Cette durée est appelée « demi-vie » du C14. Le C14 est l’un de trois types d’atomes de carbone qu’on peut trouver dans la nature, avec le carbone-13 (6 protons, 7 neutrons), et notre bon vieux carbone-12 (6 protons, 6 neutrons). Comment peut-on s’en servir pour dater des objets ?

A l’heure actuelle, dans l’atmosphère terrestre, environ 1 atome de carbone sur 1 trillion (1 suivi de 12 zéros) est un C14. Les plantes fixent le carbone, C14 ou pas, par la photosynthèse. Les herbivores mangent des plantes. Les carnivores mangent des herbivores. Les omnivores mangent des herbivores et des plantes. Moralité, la proportion de C14 dans tout ce beau monde est la même que la proportion atmosphérique.

Tant qu’un arbre, un chien ou un humain sont en vie, leur pourcentage de C14 est identique au pourcentage atmosphérique puisque leur stock de carbone se renouvelle sans cesse, branché qu’il est sur l’atmosphère. Et puis ils meurent. Et là, leur stock de carbone est « gelé ». Il cesse de se renouveler et le nombre d’atomes de C14 est divisé par 2 tous les 5 730 ans. Si le taux de C14 dans l’atmosphère est « y », et que le taux de C14 dans l’os que je viens de trouver en faisant des fouilles est « y/2 », c’est que le propriétaire de cet os est mort il y a 5 730 ans.

La méthode marche avec un os, un bout de bois ou bien de parchemin. Bref, n’importe quoi d’organique. Willard Libby, l’inventeur du procédé, l’inaugura en calculant l’ancienneté d’objets dont l’âge était par ailleurs connu des historiens[1]. Il retrouva ainsi, avec une incertitude de 75 ans, l’âge d’un artéfact d’une pyramide égyptienne historiquement datée de 2 700 avant JC.

 

Questions

Plusieurs questions se posent à ce stade :

1. Comment sait-on que la demi-vie ne change pas ? Question très pertinente à laquelle l’astronomie répond par l’observation, comme discuté récemment dans cet article : La décroissance radioactive, c’était comment “avant”?

2. Si le nombre d’atomes de C14 est divisé par 2 tous les 5 730 ans, comment se fait-il qu’il en reste encore dans l’atmosphère ? On n’en trouve par exemple presque pas dans le pétrole, puisque ce dernier a vécu des millions d’années d’isolation[2]. L’atmosphère ne serait-elle donc pas isolée ? Non, elle ne l’est pas. Elle est en réalité bombardée en permanence par des particules venues de l’espace. Les « rayons cosmiques ». Et ce sont ces rayons cosmiques qui fabriquent le C14 à partir de l’azote, dans les hautes couches de l’atmosphère.

3. La dernière question est liée à la précédente : si le taux atmosphérique de C14 résulte d’un compromis entre sa fabrication par les rayons cosmiques et sa désintégration, comment sait-on que le taux en question est constant dans le temps ?
J’aimerais dédier la fin de cet article à la réponse.

 

Comment sait-on que le taux de C14 est constant dans le temps ?

On se souviendra que quelques lignes plus haut, l’examen d’un os dont la concentration en C14 n’est que « y/2 » permet de dater la mort de son propriétaire à -5 730 ans, si tant est que la concentration atmosphérique au jour de son décès était « y », comme aujourd’hui. Il y a donc là une hypothèse sur la concentration en C14 de l’atmosphère passée. Lorsqu’en 1949, Libby entrepris de dater des échantillons d’âge historiquement connu, il supposa que la concentration du C14 n’avait pas varié dans le passé. Bien que l’hypothèse se soit avérée assez juste, puisque sa datation recoupe tout à fait sa contrepartie historique, il était bien conscient qu’il s’agissait là d’une hypothèse.

 

Quid, donc, de la concentration en C14 de l’atmosphère ? On sait en fait très bien qu’elle n’est pas constante car pour pas mal de raisons d’ordre astronomique, le flux de rayons cosmiques n’est pas constant non plus. Le cycle solaire de 11 ans produit par exemple une modulation des rayons cosmiques qui à son tour, engendre[3] une variation de la concentration atmosphérique en C14 d’environ 1%.

Bien conscient du problème, donc, les gens ont cherché des moyens de calibrer la datation au C14. Il s’agit en fait ni plus ni moins que de trouver des moyens de mesurer le taux de C14 atmosphérique dans le passé. Les anneaux de croissance des arbres sont les alliés idéaux. On peut les compter, et donc savoir que tel anneau a tel âge. Reste à mesurer la concentration en C14 de l’anneau en question pour avoir celle de l’atmosphère à cette époque. Coraux et sédiments marins sont également mis à contribution[4]. Evidemment, toutes ces méthodes convergent vers une même solution.

A ce jour, la courbe d’étalonnage[5], qui détermine l’âge d’un artefact en fonction de sa datation en supposant une concentration du C14 constante, remonte à environ 50 000 ans. Pourquoi pas plus loin ? Parce que dans un objet de 57 300 ans, le nombre d’atome de C14 a été divisé 10 fois par 2, c’est-à-dire par 210 = 1024. Résultat : il n’en reste plus beaucoup, et les analyses ne sont plus fiables.

 

Une fois calibrée, la datation C14 donne-t-elle des dates plus anciennes, ou moins anciennes ? Plus ancienne. Si l’os que vous venez de trouver est daté de 10 000 ans en supposant une concentration constante du C14, la vraie datation, calculée en tenant compte de la variation de la concentration, est d’environ 12 000 ans. Le taux de C14 atmosphérique a donc varié durant les 50 000 dernières années. A la hausse, et de manière modérée, puisque l’erreur de datation commise en négligeant cette hausse est de l’ordre de 20% maximum.

 

Le C14 et la théorie d’apparence d’âge

Pour finir, un petit raisonnement qu’il convient de suivre en observant ce graphique :

Imaginons 2 objets pour lesquels la datation C14 donne respectivement 30 000 et 15 000 ans. Pour simplifier, oublions la légère hausse du C14 atmosphérique dans le passé. Rappelons également que l’on sait avec une certitude historique que le taux en question n’a presque pas varié dans les 4 700 dernières années.

Nos deux objets se déconnectent donc de l’atmosphère il y a 30 000 et 15 000 ans, et leur stock de C14 commence à décroître selon les courbes bleues. Les points rouges indiquent le taux de C14 atmosphérique requis il y a 6 000 ans pour que la datation C14 donne un âge apparent de 30 000 et 15 000 ans. Serait-il donc envisageable que la déconnexion ait en réalité eu lieu il y a 6000 ans ? Non, et pour plusieurs raisons :

1. Pour une datation « apparente » de 30 000 ans, le point rouge doit être 18 fois plus bas que ce qu’il devrait être. Il n’est « que » 3 fois plus bas pour une datation apparente de 15 000 ans. De tels écarts au taux de C14 actuel auraient été détectés.

2. Dans tous les cas, le taux de C14 doit rejoindre le taux actuel il y a 4 700 ans. Il faut donc fabriquer à marche forcée du C14 à partir de -6 000, pour retomber sur un taux normal 1 300 ans plus tard. L’afflux soudain de rayons cosmiques nécessaires à la tache aurait laissé d’innombrables traces.

3. Le taux de C14 nécessaire en -6 000 pour produire un âge apparent n’est pas constant. Il est 3 fois moindre que le taux actuel pour 15 000 ans, et 18 fois moindre pour 30 000. Mille objets d’âges différents rendraient nécessaires l’introduction de 1000 taux de C14 atmosphérique différents il y a 6 000 ans, pour que les âges apparents soient les bons. Comment la même atmosphère pourrait-elle supporter 1000 concentrations aussi différentes ? Et 1 million ?

 

Non, les taux de désintégration ne changent pas dans le temps.
Oui, le contenu en C14 de l’atmosphère est connu pour les dernières dizaines de milliers d’années. Et enfin oui, la datation au C14 est fiable, et ferme sans ambigüité la porte à l’idée d’une Terre jeune.

 

En savoir plus sur l’interprétation d’apparence d’âge

Voir cet article connexe des Haarsma publié dans la section ressources du site.

R_univers_mensonge

L’univers nous raconte-t-il
une histoire détaillée
qui n’a jamais eu lieu ?

 

 


Notes

[1] Age determinations by radiocarbon content; checks with samples of known age. ARNOLD JR, LIBBY WF. Science. 1949 Dec 23;110 (2869):678-80.

[2] The chemical history of 14C in deep oilfields, G. Bonvicini, N. Harris, V. Paolone, http://arxiv.org/abs/hep-ex/0308025

[3] Radiocarbon – A Unique Tracer Of Global Carbon Cycle Dynamics, Ingeborg Levin, Vago Hesshaimer, RADIOCARBON, Vol 42, Nr 1, 2000, p 69–80.

[4] Des dates fiables pour les 50 000 dernières années, Édouard BARD, Guillemette MÉNOT-COMBES et Gilles DELAYGUE, Pour La Science, dossier 42, janvier-mars 2004, 54-59.

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Radiocarbon_dating#mediaviewer/File:Intcal_13_calibration_curve.png

A propos de l’auteur

Antoine Bret est Professeur à l’Université Castilla-La Mancha, en  Espagne. Ses recherches portent sur la physique des plasmas, avec applications en fusion thermonucléaire inertielle ou en astrophysique. Il a aussi été « Visiting Scholar » au département d’astrophysique de l’Université de Harvard en 2012. Ingénieur Supélec et docteur en physique de l’Université d’Orsay, il est auteur ou co-auteur de plus de 80 articles dans des revues à comité de lecture. Il a aussi été pasteur d’une église évangélique à Madrid. Il est l’auteur de « The world is not 6000 years old. So what?” –  chez Wipf&Stock, ouvrage dans lequel il traite de la question de l’âge de l’univers.

Découvrez en davantage sur l’auteur :   antoinebret.com ; Le livre sur Amazon


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12 Commentaires

  1. Benoit Hébert sam 17 Jan 2015 Répondre

    Un grand merci Antoine pour cet article très clair et très pédagogique! Ta conclusion et le dernier graphe que tu proposes sont particulièrement percutants.

    Richard Dawkins dans « La plus grand spectacle du monde » développe des arguments du même genre dans son chapitre « Silence et temps au ralenti ». Il garde son style agressif envers les croyants « négationnistes de l’histoire », mais son exposé est également très convaincant…

  2. Jules sam 17 Jan 2015 Répondre

    Merci pour l’article
    J’avaIs une question : Comment sait-on que c’est il y a « 5730 » ans est la demi-vie d’un atome de C14 ?

    • Benoit Hébert dim 18 Jan 2015 Répondre

      Bonjour Jules,
      En analysant le taux de décroissance radioactive du C14 dans un échantillon, on peut en déduire le temps caractéristique de l’exponentielle (pardonne le jargon) qui modélise cette décroissance, et en déduire la demi-vie qui lui est proportionnelle.

    • Antoine dim 18 Jan 2015 Répondre

      Excellente question!

      Evidemment, personne n’est resté dans un labo pendant 5 730 pour s’assurer que la moitié des atomes de C14 s’était désintégrée. L’idée est que la courbe bleue est connue mathématiquement, et ne dépend que de 2 paramètres : la quantité initiale de C14, et la demi-vie.

      Si donc, dans mon labo, je commence une expérience avec un stock connu de C14, je peux déterminer la demi-vie en observant ce qui me reste de C14 au bout de 24 heures, par exemple.

      Bien sûr, je suppose dans tout cela que la demi-vie ne varie pas avec les temps. Mais comme l’explique l’article auquel il est fait référence au début de ce papier, à la question 1, ce n’est pas qu’une hypothèse. De surcroit, le travail de Libby constitue une autre vérification de cette hypothèse sur des temps historiques.

  3. Guy mar 27 Déc 2016 Répondre

    Merci à Antoine pour cette brève mais claire explication.
    Peut-on affirmer de façon dogmatique le postulat d’Ernest Rutherford comme quoi la désintégration ne varie pas ?
    Certains semblent remettre en question ce postulat… voir :
    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927650512001442
    https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1301/1301.3754.pdf

    Center for Space Science and Astrophysics, Stanford University,
    Department of Physics, Purdue University

    Le commentaire d’Antoine serait apprécié.

    • Antoine sam 31 Déc 2016 Répondre

      Salut Guy,

      Il y a 1/ Les variations du taux de désintégration attendues par la théorie, et 2/ les possibles variations, qui ne sont pas prévues par la théorie.

      Les articles que tu cites entrent dans la seconde catégorie. Je les mentionne au Ch, V de mon bouquin. Ils font état d’une possible variation de 0.1%, inexpliquée. Les résultats sont assez débattus [1,2,3].

      La première catégorie n’est pas vide. Pour les désintégrations qui impliquent l’émission d’un électron ou bien d’un positron (beta + ou -), le taux de désintégration peut être affecté par le nuage électronique autour du noyau. Le « record » est à ma connaissance détenu par le Rhenium-187. Nanti de ses 75 électrons, sa demi-vie est de 42.3 milliards d’années. Si on lui enlève tous ses électrons, le noyau qui reste a une demi-vie de 33 ans ! La manip fut faite pour tester la théorie [4].
      Je ne crois pas que l’on ait détecté, ni que la théorie prévoit, un changement possible des taux de désintégration « alpha », dans lequel un noyau d’hélium est éjecté. La raison en est que le taux en question ne dépend que du potentiel nucléaire (voir « modèle de Gamow »).

      Joyeux 2017

      [1] E. Bellotti, et al. Search for time dependence of the 137Cs decay constant. Physics Letters B, 710:114, 2012.
      [2] J. C. Hardy, et al. Do radioactive half-lives vary with the Earth-to-Sun distance? ArXiv:1108.5326, 2011.
      [3] E. B. Norman, et al. Evidence against correlations between nuclear decay rates and earth sun distance. Astroparticle Physics, 31:135, 2009.
      [4]F. Bosch, et al. Observation of bound-state β- decay of fully ionized Re187: Re187/Os187 cosmochronometry. Physical Review Letters, 77:5190, 1996.

  4. Antoine mar 27 Déc 2016 Répondre

    Très bonne question. Je suis en vacances, très mal connecté. Je reviens début 2017.
    Un chapitre de mon bouquin parle de cela, peut-être même est-il visible avec Google Books.
    Bonnes vacances, et à bientôt!

  5. Guy mar 27 Déc 2016 Répondre

    Merci Antoine pour cette réponse ultra-rapide. Je ne manquerai pas de lire ton livre. Bonne vacance et, avec mes meilleurs vœux.

  6. Letué jeu 11 Mai 2017 Répondre

    Bonjour, j’ai une question qui porte sur des aspects pratiques. Je me demandais comment est-ce qu’on mesure concrètement la datation au carbone, avec quels « outils » et comment est-ce que ça se déroule?

    • Antoine ven 12 Mai 2017 Répondre

      L’idée générale est de tirer parti de la différence de masse entre le C12 et le C14. On ionise les atomes de l’échantillon à analyser, ce qui permet de les accélérer puisqu’une fois chargés, on peut les manipuler par un champ électrique.
      On fait ensuite passer le tout dans un champ magnétique. Les atomes chargés y suivent une trajectoire circulaire, mais le rayon du cercle parcouru par les C14 est plus grand que celui des C12. On arrive ainsi à les séparer, puis à compter la proportion respective des uns et des autres.
      L’article Wikipedia sur le sujet est très bien https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectrom%C3%A9trie_de_masse

      • Letué mar 16 Mai 2017 Répondre

        Merci beaucoup de m’avoir répondu aussi rapidement et merci pour le lien .
        Mais je me demandais aussi à quoi ressemblait les « machines » utilisés pour faire ces expériences car j’ai du mal à m’imaginer sans avoir vu le déroulement de celle-ci et j’aimerais savoir si il y a des journées où il est possible de pouvoir assister à ce genre d’expériences( même si je doute qu’il puisse en avoir).

  7. Antoine mar 16 Mai 2017 Répondre

    Voici le web d’une entreprise qui fait des datations C14: http://www.ciram-art.com/en/archaeology/carbone-14_2.html

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