Des traces radioactives dans les cernes des arbres révèlent l’histoire de la Terre des «tempêtes de rayonnement» inexpliquées

Une histoire écrite dans les cernes des arbres

Lorsque le rayonnement à haute énergie frappe la haute atmosphère, il transforme les atomes d’azote en carbone 14 radioactif, ou radiocarbone. Le radiocarbone filtre ensuite à travers l’air et les océans, dans les sédiments et les tourbières, en vous et moi, dans les animaux et les plantes – y compris les bois durs avec leurs cernes annuels.

Pour les archéologues, le radiocarbone est une aubaine. Après sa création, le carbone 14 se désintègre lentement et régulièrement en azote, ce qui signifie qu’il peut être utilisé comme une horloge pour mesurer l’âge d’échantillons organiques, dans ce qu’on appelle la datation au radiocarbone.

Pour les astronomes, c’est tout aussi précieux. Les cernes des arbres donnent un enregistrement année par année des particules de haute énergie appelées « rayons cosmiques » remontant à des millénaires.

Les champs magnétiques de la Terre et du Soleil nous protègent des rayons cosmiques traversant la Galaxie. Plus de rayons cosmiques atteignent la Terre lorsque ces champs magnétiques sont plus faibles, et moins lorsque les champs sont plus forts.

Cela signifie que la montée et la chute des niveaux de carbone 14 dans les cernes des arbres codent l’histoire du cycle de 11 ans de la dynamo solaire (qui crée le champ magnétique du Soleil) et les inversions du champ magnétique terrestre.

Mais les cernes des arbres enregistrent également des événements que nous ne pouvons actuellement pas expliquer. En 2012, le physicien japonais Fusa Miyake a découvert un pic dans la teneur en radiocarbone des cernes des arbres à partir de 774 après JC. Il était si grand que plusieurs années ordinaires de rayons cosmiques ont dû arriver d’un coup.

Alors que de plus en plus d’équipes ont rejoint la recherche, des preuves d’anneaux d’arbres ont été découvertes d’autres « événements Miyake »: de 993 après JC et 663 avant JC, et d’événements préhistoriques en 5259 avant JC, 5410 avant JC et 7176 avant JC.

Celles-ci ont déjà conduit à une révolution dans l’archéologie. Trouver l’une de ces pointes courtes et pointues dans un échantillon ancien fixe sa date à une seule année, au lieu des décennies ou des siècles d’incertitude de la datation au radiocarbone ordinaire.

Entre autres choses, nos collègues ont utilisé l’événement de 993 après JC pour révéler l’année exacte du premier établissement européen dans les Amériques, le village viking de L’Anse aux Meadows à Terre-Neuve : 1021 après JC.

D’énormes impulsions de rayonnement pourraient-elles se reproduire ?

En physique et en astronomie, ces événements Miyake restent un mystère.

Comment obtenez-vous une telle impulsion de rayonnement? Une multitude d’articles ont mis en cause les supernovae, les sursauts gamma, les explosions d’étoiles à neutrons magnétisées et même les comètes.

Cependant, l’explication la plus largement acceptée est que les événements de Miyake sont des « super éruptions solaires ». Ces éruptions hypothétiques du Soleil seraient peut-être 50 à 100 fois plus énergétiques que la plus grande enregistrée à l’ère moderne, l’événement Carrington de 1859.

Si un événement comme celui-ci se produisait aujourd’hui, il dévasterait les réseaux électriques, les télécommunications et les satellites. Si ceux-ci se produisent au hasard, environ une fois tous les mille ans, cela représente une chance pour cent par décennie – un risque sérieux.

Notre équipe de l’UQ a entrepris de passer au crible toutes les données disponibles sur les cernes des arbres et d’extraire l’intensité, le moment et la durée des événements Miyake.

Pour ce faire, nous avons dû développer un logiciel pour résoudre un système d’équations qui modélisent la façon dont le radiocarbone filtre à travers l’ensemble du cycle mondial du carbone, pour déterminer quelle fraction se retrouve dans les arbres en quelles années, par opposition aux océans, aux tourbières ou à vous et moi.

En collaboration avec des archéologues, nous venons de publier la première étude reproductible et systématique des 98 arbres de données publiées sur les événements Miyake. Nous avons également publié un logiciel de modélisation open source comme plate-forme pour les travaux futurs.

Nos résultats confirment que chaque événement délivre entre une et quatre années ordinaires de rayonnement en une seule fois. Des recherches antérieures ont suggéré que les arbres plus proches des pôles de la Terre enregistraient un pic plus important – ce à quoi nous nous attendrions si les super éruptions solaires étaient responsables – mais notre travail, portant sur un plus grand échantillon d’arbres, montre que ce n’est pas le cas.

Nous avons également constaté que ces événements peuvent arriver à n’importe quel moment du cycle d’activité de 11 ans du Soleil. Les éruptions solaires, en revanche, ont tendance à se produire au plus fort du cycle.

Plus déroutant, quelques pics semblent prendre plus de temps que ce qui peut être expliqué par le lent fluage du nouveau radiocarbone à travers le cycle du carbone. Cela suggère que soit les événements peuvent parfois prendre plus d’un an, ce qui n’est pas prévu pour une éruption solaire géante, soit les saisons de croissance des arbres ne sont pas aussi régulières qu’on le pensait auparavant.

Pour mon argent, le Soleil est toujours le coupable le plus probable des événements Miyake. Cependant, nos résultats suggèrent que nous assistons davantage à une tempête d’éruptions solaires qu’à une énorme super éruption.

Pour déterminer exactement ce qui se passe dans ces événements, nous aurons besoin de plus de données pour nous donner une meilleure image des événements que nous connaissons déjà. Pour obtenir ces données, nous aurons besoin de plus de cernes d’arbres – et aussi d’autres sources telles que des carottes de glace de l’Arctique et de l’Antarctique.

C’est vraiment une science interdisciplinaire. Normalement, je pense à des télescopes magnifiquement propres et précis : il est beaucoup plus difficile de comprendre la Terre complexe et interconnectée.