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Ce qui se passe sur et dans le soleil ne peut être observé qu'indirectement. Les taches solaires, par exemple, révèlent le degré d'activité solaire - plus il y a de taches solaires visibles à la surface du soleil, plus notre étoile est active à l'intérieur. Même si les taches solaires sont connues depuis l'Antiquité, elles n'ont été documentées en détail que depuis l'invention du télescope, il y a environ 400 ans. Grâce à cela, nous savons maintenant que le nombre de taches varie selon des cycles réguliers de onze ans et que, de plus, il existe des périodes de longue durée d'activité solaire forte et faible, ce qui se reflète également sur le climat terrestre.
Cependant, il est difficile jusqu'à présent de reconstituer comment l'activité solaire s'est développée avant le début des enregistrements systématiques. Une équipe de recherche internationale dirigée par Hans-Arno Synal et Lukas Wacker du Laboratoire de physique des faisceaux d'ions de l'ETH Zurich, qui comprenait l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire de Göttingen et l'Université de Lund en Suède, a retracé le cycle de onze ans du soleil jusqu'à l'année 969 en utilisant des mesures de la concentration de carbone radioactif dans les anneaux de croissance des arbres. En même temps, les scientifiques ont ainsi créé une importante base de données pour une détermination plus précise de l'âge à l'aide de la méthode du carbone 14 (C14). Leurs résultats ont récemment été publiés dans la revue scientifique Nature Geoscience.
L'activité solaire dans les anneaux de croissance des arbres
Pour reconstituer l'activité solaire sur un millénaire avec une résolution temporelle extrêmement bonne d'un an seulement, les scientifiques ont utilisé les archives contenues dans les cercles de croissance d'arbres d'Angleterre et de Suisse. Dans ces anneaux d'arbres, dont l'âge peut être déterminé avec précision en comptant les anneaux, il y a une infime fraction de carbone C14 radioactif, un seul atome sur 1000 milliards étant radioactif. De la demi-vie connue de l'isotope C14 - environ 5700 ans - on peut alors déduire la concentration de carbone radioactif présent dans l'atmosphère lors de la formation de l'anneau de croissance. Comme le carbone radioactif est principalement produit par les particules cosmiques, qui à leur tour sont plus ou moins éloignées de la Terre par le champ magnétique du soleil - plus le soleil est actif, mieux il protège la Terre - il est possible de déduire l'activité solaire d'une modification de la concentration de C14 dans l'atmosphère.
De meilleurs résultats grâce aux techniques de détection modernes
La mesure précise d'un changement dans cette concentration déjà très faible, cependant, ressemble à la recherche d'un grain de poussière sur une aiguille dans une énorme botte de foin. «Les seules mesures de ce type ont été effectuées dans les années 1980 et1990», explique Lukas Wacker, «mais seulement au cours des 400 dernières années et en utilisant la méthode de comptage extrêmement laborieuse.» Avec cette méthode, les événements de désintégration radioactive du C14 dans un échantillon sont directement comptés à l'aide d'un compteur Geiger, ce qui nécessite une quantité relativement importante de matériel et, en raison de la longue demi-vie du C14, encore plus de temps. «Grâce à la spectrométrie de masse moderne par accélérateur, nous avons pu mesurer la concentration de C14 à 0,1 % près en quelques heures seulement avec des échantillons d'arbres mille fois plus petits», ajoute le doctorant Nicolas Brehm, responsable de ces analyses.
Dans la spectrométrie de masse par accélérateur, les atomes de C14 et de C12 (le carbone «normal», non radioactif ; le C14, en revanche, contient deux neutrons supplémentaires dans son noyau) contenus dans les anneaux de croissance des arbres sont d'abord chargés électriquement puis accélérés par un potentiel électrique de plusieurs milliers de volts, après quoi ils sont envoyés à travers un champ magnétique. Dans ce champ magnétique, les deux isotopes du carbone, qui ont des masses différentes, sont déviés à des degrés différents et peuvent donc être comptés séparément. Pour obtenir les informations souhaitées sur l'activité solaire à partir de ces données brutes, les scientifiques doivent effectuer une analyse statistique complexe et traiter les résultats à l'aide de modèles informatiques.
Cycle régulier de onze ans sur un millénaire
Cette procédure a permis aux scientifiques de reconstituer sans faille l'activité solaire de 969 à 1933. À partir de cette reconstruction, ils ont pu confirmer la régularité du cycle de onze ans ainsi que le fait que l'amplitude de ce cycle (de combien l'activité solaire monte et descend) est également plus petite pendant les minima solaires de longue durée. De telles connaissances sont importantes pour une meilleure compréhension de la dynamique interne du soleil. Les résultats des mesures ont également permis de confirmer l'événement protonique de l'énergie solaire de 993. Dans un tel événement, les protons hautement accélérés qui atteignent la Terre lors d'une éruption solaire provoquent une légère surproduction de C14. De plus, l'équipe de recherche a également trouvé des preuves de deux autres événements, encore inconnus, en 1052 et 1279. Cela pourrait indiquer que de tels événements - qui peuvent gravement perturber les circuits électroniques sur Terre et dans les satellites - se produisent plus fréquemment qu'on ne le pensait auparavant.
Une datation plus précise par la méthode du C14
Comme les archives des cernes des arbres existent depuis 14 000 ans, les scientifiques veulent utiliser leur méthode dans un avenir proche pour déterminer les concentrations annuelles de C14 jusqu'à la fin de la dernière période glaciaire. Comme une sorte de «supplément», les données de la nouvelle étude peuvent être utilisées pour dater la matière organique de manière beaucoup plus précise en utilisant la méthode du C14 et ont déjà été incluses dans la dernière édition des courbes d'étalonnage du carbone radio (IntCal), reconnues au niveau international. «L'ETH Zurich n'avait jamais été impliquée dans cette base de données de référence auparavant», déclare Lukas Wacker, «mais avec nos nouveaux résultats, nous avons maintenant contribué à un tiers des mesures en une seule fois.»