La décroissance radioactive, c’était comment “avant”?


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L’âge de la terre, ou de l’univers
, est un élément central du débat science et foi puisqu’une lecture littérale de la Genèse donne une réponse variant entre 6 000 et 10 000 ans. Un certain nombre d’observations conduisent cependant à la conclusion que le monde est beaucoup plus ancien que cela. L’analyse des glaces de l’Antarctique ou du Groenland a par exemple permit de reconstituer le climat sur le dernier million d’années. L’observation d’objets célestes distants de bien plus de 6 ou 10 000 années-lumière permet de déduire qu’ils existaient déjà il y a bien plus de 10 000 ans[1].

Au-delà de ces méthodes, nombre de techniques de datations reposent sur la décroissance radioactive d’atomes instables. Si par exemple j’ai devant moi 1000 atomes du célèbre Carbone 14, il n’en restera que 500 après 5 730 années d’attente. Attendons 5 730 ans de plus, et je n’en aurai plus que 500/2=250. Bref, tous les 5 730 ans, le nombre d’atomes est divisé par 2. Ceux qui se sont désintégrés se sont transformés en atomes d’Azote. On dit que le C14 a une « demi-vie » de 5 730 ans.

Sans entrer dans les détails, on peut imaginer que ce phénomène permet la datation absolue d’un certain nombre de substances. Pour le C14, la longueur de sa demi-vie fait qu’il est difficile de l’employer pour des datations supérieures à environ 50 000 ans. En effet, si l’on divise par 2 le nombre d’atomes tous les 5 730 ans, on l’aura divisé par 2 environ 8 fois après 50 000 ans. Ceci revient donc à avoir divisé par 28 = 256 le nombre d’atomes de C14. Et comme il n’y en avait déjà pas beaucoup au début, il devient difficile de les détecter.

Heureusement, il existe une foule d’atomes dont les demi-vies sont bien plus longues, permettant ainsi des datations plus anciennes. Le Fer 60, par exemple, se désintègre en Cobalt 60, avec une demi-vie de 2,6 millions d’années. Il faut donc bien plus longtemps pour en diviser la population par 2, ce qui logiquement, permet des datations bien plus anciennes.

A ce stade de l’histoire se pose une question parfaitement légitime :

comment sait-on que les demi-vies ne varient pas avec le temps ?

Supposons par exemple que l’analyse d’un squelette m’ait permis de conclure que son stock de C14 a été divisé par 8=23 depuis la mort de son propriétaire. En supposant que la demi-vie du C14 n’a pas varié dans le passé, j’en déduis qu’il est mort il y a 3*5 730=17 190 ans. Mais cette conclusion est clairement fausse si la demi-vie du C14 n’était que 1 000 ans il y a 6 millénaires.

 

Quid, donc, de la stabilité temporelle des demi-vies ? Il se trouve que les demi-vies dépendent des lois de la physique nucléaire. Tout comme les orbites des planètes dépendent des lois de la gravitation, ou la lumière qu’émet un atome d’hydrogène dépend des lois de la mécanique quantique, les demi-vies des atomes radioactifs dépendent des lois de la physique nucléaire. La question de la stabilité temporelle des demi-vies ramène donc à celle, bien plus générale, de la stabilité temporelle des lois de la physique nucléaire.

Quid, re-donc, de la stabilité temporelle des lois de la physique nucléaire ? Une réponse sans ambiguïté nous est fournie par l’astronomie, qui permet littéralement d’observer le passé. Un coup d’œil au soleil, par exemple, ne nous le montre pas tel qu’il est maintenant, mais tel qu’il était il y a environ 8 minutes, temps qu’il a fallu pour que sa lumière rejoigne la terre. Selon strictement le même principe, si j’observe une étoile située à 10 000 années-lumière, je ne la vois pas telle qu’elle est aujourd’hui. Je la vois telle qu’elle était il y a 10 000 ans.

Observer des phénomènes nucléaires loin dans l’espace revient donc à les observer loin dans le temps. Si la physique nucléaire que je vois dans le cosmos coïncide avec celle que je vois dans mon laboratoire, c’est que les lois qui la régissent étaient les mêmes dans le passé que maintenant[2]. Pour n’en citer que certaines, voici quelques observations qui confirment que la physique nucléaire n’a pas changé récemment. Désole, c’est un peu technique :

  • Le Titane 44 est radioactif et se désintègre en Calcium 44. Ce faisant, il émet un type de lumière très spéciale du nom un peu barbare de « photon gamma à 1 160 keV ». Cet élément ainsi que le « photon gamma » attendu, sont couramment détectés sur le lieu de l’explosion d’une ancienne Supernova, comme par exemple « Cassiopeia A », située à environ 11 000 années-lumière.
  • L’Aluminium 26 se désintègre en Magnésium 26 en émettant un « photon gamma » à 1 808,6 keV. Ce phénomène nucléaire a été détecté en provenance du centre de notre galaxie, ainsi que dans tout le reste d’icelle. Le centre de la voie lactée est à environ 20 000 années-lumière.
  • La désintégration du Fer 60 en Cobalt 60 a elle aussi été détecté au centre de notre galaxie.
  • Pour des raisons qui seraient trop longues à expliquer, un certain type de Supernova (type « Ia ») relâche dans le cosmos des quantités énormes de Nickel 56. Celui-ci se désintègre en Cobalt 56 (demi-vie 6 jours), qui à son tour se désintègre en Fer 56 (demi-vie 77 jours). La présence de ces 3 éléments a été détectée dans ces Supernovas, et on peut tout-à-fait mesurer les demi-vies correspondant aux désintégrations Nickel 56 -> Cobalt 56 et Cobalt 56 -> Fer 56. Résultat ? 6 et 77 jours respectivement. La plupart de ces explosions ont lieu dans d’autres galaxies que la nôtre, ce qui implique une ancienneté de plusieurs millions d’années.

 

Ces observations n’ont rien d’exceptionnel. Le satellite NuSTAR a été lancé en Juin 2012. NuSTAR signifie « Nuclear Spectroscopic Telescope Array » et comme son nom l’indique, sa mission est d’explorer les phénomènes nucléaires dans le cosmos. A ce jour, plus de 200 articles scientifiques dans des revues à comité de lecture ont été publiés à partir de ses observations. Plus généralement, l’astrophysique « nucléaire » est une discipline dynamique dont l’objet est précisément l’étude des phénomènes nucléaires en astrophysique.

Les Supernovas de type Ia n’ont rien non plus d’exceptionnel. Un coup d’œil à une base de données recensant toutes les Supernovas détectées à ce jour[3] montre que rien que dans les 4 dernières années, 643 ont été observées. Environ 3 par semaines. La plus lointaine/ancienne connue, « SN 1997ff », est à plus de 11 milliards d’années-lumière.

On ne saurait dont dire que l’on dispose de « quelques » indices qui « laisseraient supposer » que « probablement », les demi-vies radioactives n’ont pas varié récemment. Bien au contraire. Nous disposons d’un prodigieux volume d’observations, sans cesse en expansion, qui prouve sans ambiguïté que les lois de la physique nucléaire et les demi-vies qui en dépendent, n’ont pas varié depuis des milliards d’années.

A propos de la méthode de datation par la radioactivité :

Notes


[1] Voir la note plus loin dans le texte au sujet de la constance de la vitesse de la lumière.

[2] Notons en passant que l’invariance de la vitesse de la lumière, qui sous-tend tout le raisonnement, s’établit de la même manière. Elle dépend des lois de la physique (plus précisément, des « équations de Maxwell »), et l’observation astronomique permet d’affirmer que ces lois n’ont pas changé dans le passé.

[3] http://www.cbat.eps.harvard.edu/lists/Supernovae.html

 

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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