Histoire des sciences • L’âge de la Terre : des milliers aux milliards

30/07/2016 | Marcus Dupont-Besnard

La première estimation scientifique précise et crédible de l’âge de la Terre remonte à 1953, date à laquelle Clair Patterson calcule alors cet âge à 4,55 milliards d’années. Jusqu’alors, c’était une notion très floue, qui variait entre « quelques milliers » et « quelques milliards ». Nous reviendrons sur les modalités de la découverte signée Patterson par la suite, car pour en arriver là, il a déjà fallu comprendre que la Terre était ancienne, puis ensuite trouver le bon procédé pour calculer cet âge.

Les précurseurs : la science face à la Bible

L’idée de l’utilisation des lois de la physique et de la biologie, pour aborder le thème de la naissance de la Terre, est une révolution lorsqu’elle apparait. A l’aube des civilisations, dans l’Antiquité, la cosmologie telle qu’énoncée par exemple par Aristote conçoit un monde infini. Il n’y a donc aucun début, et ainsi purement et simplement on ne conçoit aucun âge à calculer.

Au Moyen-Âge et jusqu’à la Renaissance y compris, le contexte religieux empêchait une approche par la datation scientifique, la version biblique faisant autorité. L’âge officiel de la Terre était estimé à 6.000 ans par l’Église, par une déduction en fonction des événements relatés dans la Bible. Les scientifiques cherchaient malgré tout à préciser la question. Simplement, cet âge devait concorder avec le texte biblique. C’est d’autant plus le cas qu’au XVIe siècle, l’Église catholique romaine proclame la Contre-Réforme, qui impose un littéralisme biblique (une lecture de la Bible au mot près, de façon très formelle).

Ce qui va peut-être vous surprendre, c’est que même certains grands noms des sciences n’ont pas dérogé à cette règle.

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Portrait de Isaac Newton

Sir Isaac Newton (1642-1727) est connu pour sa découverte des lois de la gravitation, mais cela n’empêche pas cet éminent scientifique d’être également un grand religieux, très intéressé par la théologie. Se basant sur un mélange entre considérations bibliques et considérations astronomiques, Newton va alors estimer l’âge de la Terre à 3998 avant Jésus Christ. Johannes Kepler (1571-1630), connu quant à lui pour avoir étayé la thèse de l’héliocentrisme (concept de la Terre tournant autour du soleil), estime que notre planète est née en 3993 av.J-C. Parmi les datations célèbres, on notera l’étonnante précision proposée par l’archevêque James Ussher en 1650 : pour lui, la Terre est née à midi le 23 octobre en 4004 av.J-C.

Cette longue période, du Ve au XVIIe siècle, est très marquée par une étroite fusion entre la science et la religion. On considère en effet pendant longtemps que les deux sont liées :

« La gravité explique le mouvement des planètes, mais elle ne peut expliquer ce qui les mit en mouvement. Dieu gouverne toutes choses. » écrivait Isaac Newton.

Pour une datation davantage scientifiquement crédible, il faut attendre un changement d’état d’esprit, qui sera initié par des esprits, tels que René Descartes, qui affirmeront que, si Dieu est à l’origine de la création du monde, la suite de l’Histoire est régie par les lois de la physique. Une nouvelle approche va progressivement émerger : on affirme que la Bible cite certes un « commencement » mais non sa durée, et donc que ce début a pu durer des milliers ou des millions d’années.

Des tentatives variées : les débuts d’une démarche scientifique

Cette nouvelle approche est influencée par le développement de la géologie. On va commencer, au XVIIIe siècle, à s’intéresser à un phénomène étonnant que l’on découvre sur les roches : c’est la stratigraphie, c’est-à-dire l’analyse des différentes couches géologiques, qui sont autant de traces du temps passé.

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Exemple de strates géologiques particulièrement visibles, en Argentine.

Les géologues divisent alors l’Histoire de la Terre en différentes périodes, et c’est ainsi qu’apparaissent par exemple le Jurassique, le Dévonien, etc. Mais si cela permet de structurer l’échelle du temps géologique, cela ne donne aucune mesure de longévité. Cela ne va pas empêcher certains géologues de s’y risquer de façon un peu hasardeuse, en utilisant notamment la règle de trois (si la couche mesure 1 mètre, et qu’il faut 100 ans pour que 1 millimètre se dépose, alors le temps de dépôt est de 100 000 ans). Les résultats sont aussi variés les uns que les autres : quelques milliers à quelques milliards. Ces tentatives provoqueront une sorte de guerre des idées entre « catastrophistes » et « uniformistes », chaque école de pensée ayant sa propre estimation de l’âge de la Terre en fonction de sa conception de l’évolution de la vie géologique sur Terre.

Une proposition assez pertinente scientifiquement était signée Edmond Halley (1656-1742). Il partait du principe que la salinité de l’océan était apportée par les rivières d’eau douce, ce qui n’est pas totalement faux car ces rivières contiennent une faible quantité de sel, provenant des roches érodées. Son modèle de calcul consistait donc à diviser la quantité de sel contenue dans la mer par le débit des rivières d’eau douce, afin d’obtenir l’âge de l’océan et par la même occasion celui de la Terre. Seul obstacle : non seulement le sel présent dans la mer ne vient pas seulement des rivières, mais il était à cette époque impossible de mesurer la quantité de sel présente dans l’océan. Halley ne proposa donc aucun âge, mais sa théorie lui permis d’affirmer que la Terre était plus âgée qu’on ne le pensait jusque là  – ce qui est déjà une bonne étape de franchie.

L’expérience de Buffon

La première « vraie » expérience scientifique de datation de la Terre, au sens où elle était expérimentale, est attribuée à Buffon (1707-1788), et elle est d’ailleurs assez fascinante.

Il va se munir de dix boules en métal, de tailles différentes, puis il va les chauffer à blanc, au fer, avant de mesurer enfin la durée de refroidissement.

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En effet, Buffon avait posé comme postulat que la forme première de la Terre était une boule de matière en fusion, qui a progressivement refroidi jusqu’à pouvoir accueillir la vie. Il pensait donc que calculer la durée de refroidissement des boules chauffées à blanc pouvait, via une extrapolation basée sur la taille de la Terre, donner un âge plus précis. Il aboutit à la conclusion suivante : il y a 75.000 naissait la Terre, et il y a 37.500 ans, elle arrivait à son état favorable à la vie.

C’était bien évidemment en-deçà de la réalité, son extrapolation était fausse car réalisée via de mauvais calculs, mais cette théorie avait le mérite d’être la première basée sur une méthode empirique (testée).

L’équation de chaleur

Plus d’un siècle plus tard, l’expérience de Buffon va être reprise par un dénommé William Thomson (1824-1907), plus connu sous son titre honorifique Lord Kelvin. Il reprend le même postulat de base : la Terre était à l’origine une sphère de roche en fusion, qui s’est progressivement refroidie.

La différence entre Buffon et Kelvin se trouve dans la méthode. Si Buffon s’est contenté d’extrapoler, comme nous l’avons dis, sans plus de rigueur mathématique, Lord Kelvin lui va utiliser une équation bien connue : l’équation de chaleur (ou « équation de Fourier »), qui permet de relier la variation de température d’un objet à l’évolution du temps.

Photographie de Lord Kelvin
Photographie de Lord Kelvin

Il serait difficile d’expliquer simplement la formule mathématique, mais il est en tout cas possible de bien comprendre la démarche entreprise par Kelvin.

Si la Terre était à l’origine une boule de roches en fusion, donc à 3.900°, sa surface s’est rapidement refroidie aux alentours de 20° (température favorable à la vie). En revanche, au coeur de la Terre, la température est la même qu’à l’origine. C’est un « gradient de température » que l’on a alors de la surface vers le coeur. Donc plus on s’enfonce sous Terre, plus cela se réchauffe. Aux origines, sous Terre on passait très rapidement à la température élevée du coeur, mais ce gradient s’est refroidi au fil du temps, il faut davantage se rapprocher du coeur pour obtenir les 3.900°.

Lord Kelvin va donc utiliser l’équation de chaleur afin de relier ce taux de refroidissement au temps. Il aboutit à une (large) fourchette allant de 20 à 400 millions d’années. Par la suite, il va réduire son estimation à une fourchette entre 20 et 40 millions d’années, car entre temps il aura estimé l’âge du Soleil à moins de 100 millions d’années, or la planète bleue était nécessairement plus jeune que son étoile.

Au XIXe siècle, cette estimation de Kelvin va être prise pour parole d’Évangile, et largement acceptée par la communauté scientifique. On parle souvent de la « polémique » opposant alors Kelvin à Darwin. En effet, Charles Darwin (1809-1859) était persuadé que les datations des physiciens ne prenaient pas en compte le temps nécessaire aux espèces pour évoluer. Il estima d’abord que la Terre avait 300 millions d’années, avant de se rétracter et de déclarer qu’elle devait avoir plutôt des milliards d’années.

La radioactivité

La première datation scientifique réellement précise de la Terre, encore admise aujourd’hui, date finalement de 1953. Après toutes ces mésaventures, polémiques et théories variées (et encore, cet historique n’est pas à 100% exhaustif), on a vraiment envie de s’exclamer « enfin » ! Mais la mesure de l’âge de la Terre fait partie de ces processus qui nous montrent bien que la science est en perpétuelle évolution, et que pour aboutir à des résultats précis il faut souvent un temps très long d’expérimentations et d’idées.

D’ailleurs, le point de départ qui a permis cette nouvelle datation est venu d’une découverte qui, étonnement, ne concernait pas du tout l’âge de la Terre : la découverte de la radioactivité. Ce moment scientifique sera plein de conséquences, et permettra notamment à Patterson de déduire les plus de 4 milliards d’années aujourd’hui attribuées à la Terre.

En 1896, Henri Becquerel découvre par hasard que les sels d’uranium émettent un rayonnement, sans même être exposés à la lumière du soleil : ce matériau émet donc son propre rayonnement, sans source externe. Ce phénomène est alors baptisé hyperphosporescence, jusqu’à ce que Pierre et Marie Curie approfondissent, et découvrent les éléments chimiques liés, clarifiant un nouveau concept : la radioactivité.

En 1900, Ernest Rutherfold (1871-1937) et Frederick Soddy (1877-1956) découvrent pourquoi les éléments radioactifs sont si instables : ils se désintègrent en d’autres éléments, tout en émettant des rayonnements alpha, beta et gamma. Rutherfold découvre alors quelques années plus tard que les rayonnements alpha sont constitués de noyaux d’hélium. Rajoutons à cela que ces deux scientifiques vont également découvrir qu’il existe une « période » des éléments : le temps est toujours le même pour qu’un élément radioactif se désintègre de moitié, c’est-à-dire qu’à chaque intervalle « T » l’élément se divise en deux. Cela constitue une horloge extrêmement fiable.

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Se basant sur l’hélium présent dans les roches, Rutherfold va alors mesurer un âge de 497 millions d’années, mais il sait que ce résultat est faussé, une quantité d’hélium s’étant forcément échappée.

Pour plus de précision, Clair Patterson (1922-1995) va utiliser un autre élément provenant de la déinstégration de l’uranium : le plomb. Dans les années 50, la « spectrométrie de masse » permet de mieux évaluer la composition isotopique des roches. Patterson va alors analyser la proportion en isotopes de plomb présente dans des fragments de météorite. Il démontre que les éléments du système solaire (des météorites à la Terre) se sont formés en même temps, à partir d’un même matériau, il y a 4,55 milliards d’années. Ce qui donne une estimation plutôt précise de l’âge de la Terre.

Cette date fera autorité pendant des décennies. Depuis quelques années, de nouvelles méthodes ont permis de préciser encore davantage ce chiffre, par exemple grâce à la tomographie atomique, ultra précise, permettant de trouver la nature chimique de chaque atome et son état d’origine dans le matériau analysé. Aujourd’hui, l’âge officiel est de 4,54 milliards. En se penchant sur le zircon, le plus vieux matériau minéral ayant composé la Terre, une équipe de l’Université du Wisconsin obtient en 2014 l’âge de 4,374 milliards d’années.

Le long cheminement de cette démarche permet de saisir que, même avec nos outils modernes très précis, l’âge de la Terre reste une estimation.

Un commentaire

  1. Joli article, très instructif. Il est surprenant de voir que l’âge de la Terre ait commencé à être « réaliste » seulement à partir des années 50. Cela dit, c’est grâce à un « C’est pas Sorcier » que j’ai appris que la tectonique des plaques et la Théorie de Wegener n’avait été admise qu’à la fin des années 60 !D’ailleurs, j’ai un vieux livre scientifique qui appartenait à ma mère, et qui date des années 50 (le livre, pas ma mère !!!) et dans lequel la formation des montagnes est expliquée par la « théorie de la pomme flétrie » !

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Reporter, chroniqueur scientifique et littéraire. Étudiant en science politique et en histoire. Présentateur de "Eurêka" sur Radio Laser, émission dédiée aux livres de littérature de l'imaginaire, de vulgarisation scientifique et de récit de voyage. Passionné par la vulgarisation et la SF.