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Les géoneutrinos : une nouvelle fenêtre sur l'intérieur de la Terre !

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Partis à la chasse aux neutrinos venus des étoiles, armés de détecteurs enterrés comme celui de Borexino, les astrophysiciens se muent en géophysiciens. Pour la première fois, le flux d'antineutrinos issu d'éléments radioactifs à l'intérieur de la Terre a été observé et mesuré. L'observation réfute la théorie du géo-réacteur de Marvin Herndon.

Une photo de l'intérieur du détecteur Borexino lorsqu'il était en cours d'installation. Crédit : Virginia Polytechnic Institute & State University

Depuis quelques dizaines d'années, il existe une astronomie neutrino. Cette nouvelle fenêtre d'observation a donné des renseignements précieux sur l'intérieur du Soleil et sur l'explosion d'une étoile en supernova. Aujourd'hui, c'est l'intérieur de notre planète qui se révèle par l'étude de ces particules fantomatiques.

Très peu de temps après la découverte de la radioactivité, les physiciens ont commencé à spéculer sur la possibilité d'expliquer le flux de chaleur issu de l'intérieur de la Terre par la désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches. Les progrès de la géochimie et de la géophysique aidant, un modèle de l'origine de la chaleur faisant de la Terre une planète vivante avec sa dérive des continents ne tarda pas à s'imposer. La désintégration de noyaux de potassium K, d'uranium U et de thorium Th devait maintenir le manteau à une température suffisante pour que les courants de convection y soient toujours actifs après plus de quatre milliards d'années.

Cette explication laissait toute fois subsister quelques problèmes. L'essentiel de ces noyaux radioactifs devaient se trouver concentré dans la croûte. Ce sont en effet des éléments dits lithophiles et il était donc logique de les retrouver dans la croûte suite à la différentiation de la Terre peu après sa formation à partir d'un matériau chondritique. Or, les mesures indiquaient que le compte n'y était pas. Bien que cette source installée dans la croûte puisse expliquer un bon tiers du flux de chaleur de la Terre, une autre devait être impliquée.

Nécessairement, du potassium, du thorium et de l'uranium devaient se trouver dans le manteau. Cependant, les incertitudes sur le flux de chaleur de la Terre et la quantité d'éléments radioactifs sont telles que l'on ne pouvait exclure qu'une fraction non négligeable de la chaleur contenue dans la planète soit un résidu du processus d'accrétion gravitationnel de matière.

Une carte du flux de chaleur mesuré à la surface de la Terre. Du bleu au rouge son intensité croit. Crédit : University of Oklahoma

Potassium, thorium et uranium : des émetteurs de neutrinos

Le manteau n'est pas seul à être animé de mouvements de convection. On sait en effet que c'est également le cas pour le noyau, sa part liquide en fait, dont les mouvements de convection expliquent l'origine de la géodynamo. Là encore, une source d'énergie doit être trouvée pour maintenir le champ magnétique de la Terre dont on sait qu'il était déjà là il y a au moins 3,5 milliards d'années. L'explication la plus communément admise fait intervenir la chaleur latente libérée par la cristallisation lente de l'alliage fer-nickel dans la partie liquide du noyau. Cette cristallisation ferait croître la graine, la partie solide du noyau découverte par la Danoise Inge Lehmann.

Il y a quelques années, Marvin Herndon a créé une polémique en proposant que le mécanisme de cristallisation n'était pas valable et que la nature exacte de la composition chimique de la graine n'était pas celle à laquelle la communauté scientifique souscrivait.

Ses études sur les météorites et des simulations par logiciels décrivant les phénomènes à l'intérieur d'un réacteur de centrale nucléaire l'avaient conduit à affirmer que la graine était enrichie en éléments radioactifs. Pour Herndon , il doit y exister un véritable réacteur nucléaire naturel, un géo-réacteur, produisant de la chaleur.

Toujours selon lui, un tel réacteur naturel était une bonne explication au fait que les planètes géantes rayonnent davantage de chaleur qu'elles n'en reçoivent du Soleil et qu'elles n'en peuvent produire par contraction gravitationnelle selon le mécanisme de Kelvin-Helmholtz.

Clairement, déterminer la nature et la répartition des réactions de désintégrations radioactives à l'intérieur de la Terre est donc un enjeu important pour un géophysicien. Mais comment s'y prendre puisqu'on ne peut pas aller extraire des échantillons de roches du noyau ?

La réponse, en fait, a été donnée depuis des dizaines d'années. Pour la comprendre, il faut se tourner vers la physique nucléaire et même des particules élémentaires. Les noyaux de potassium, thorium et uranium se désintègrent en émettant des antineutrinos électroniques. Bien que de faibles énergies par rapport à ceux en provenance des explosions de supernovae ou du cœur du Soleil, ces particules sont très pénétrantes et traversent des milliers de kilomètres de couches de roches sans être arrêtées.

En utilisant plusieurs détecteurs de géoneutrinos, il doit être possible de reconstituer de véritables images de la répartition des éléments radioactifs principaux au sein de la planète. Sur cette représentation, on voit ce que donneraient deux structures différentes de répartition du potassium radioactif. Dans le premier cas, le potassium manquant dans la croûte se trouve surtout dans le manteau et dans le second surtout dans le noyau (core). Crédit : Brian Fields-Kathrin Hochmuth

La chaleur interne de la Terre mieux expliquée

Des détecteurs de flux de neutrinos suffisamment sensibles pourraient capter les neutrinos issus de la planète, des géoneutrinos, donc. Il deviendrait alors peut-être possible de tester les différentes théories sur la répartition et la concentration des éléments radioactifs à l'intérieur de la Terre.

La volonté de résoudre l'énigme des neutrinos solaires et d'étudier les oscillations entre familles de neutrinos a poussé à la réalisation de tels détecteurs. En particulier, KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) et Borexino sont précisément conçus pour étudier des flux de neutrinos de basses énergies.

En 2005, les membres de la collaboration KamLAND ont effectivement annoncé avoir observé un excès de neutrinos constituant un bruit de fond par rapport aux neutrinos solaires qui pouvait être interprété comme le rayonnement de géoneutrinos. Malheureusement, il existe trop de réacteurs nucléaires au Japon pour que l'on soit sûr de l'origine du flux élevé d'antineutrinos détecté.

En Italie, Borexino n'est pas dans le même environnement. Surtout, les chercheurs ont amélioré la pureté des matériaux utilisés dans le détecteur, ce qui les a appauvris en éléments radioactifs générateurs de signaux parasites. Au final, le bruit de fond a été réduit d'un facteur 100 par rapport à celui de KamLAND.

Des géoneutrinos ont enfin été observés sans ambiguïté et, de plus, il se confirme qu'une portion significative du flux de chaleur de la Terre doit bien être produite par la désintégration d'éléments radioactifs dans le manteau et la croûte. En revanche, le flux d'antineutrinos est trop faible pour être compatible avec la théorie du géo-réacteur de Marvin Herndon. On pourra trouver plus de détails sur cette découverte dans une publication sur arXiv de la collaboration Borexino.

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