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Artémis et ses précieux indices

A partir d'un petit os calciné par le temps, le carbone 14 vous donne l'âge de son propriétaire : 23 000 ans ! Artémis, installé sur le plateau de Saclay est capable de fournir de précieux indices sur quelque 4 500 échantillons par an. Quelles autres surprises nous réserve Artémis ?

Peintures préhistoriquesL’analyse au Carbone 14 trouve de nombreuses applications, et notamment dans la datation des peintures préhistoriques.
© CEA

Il lui arrive souvent de bouleverser des idées reçues. Il affirme, par exemple, que les peintures de la grotte Chauvet à Pont-d'Arc (Ardèche) remontent à 31 000 ans ! Le carbone 14 bouleverse les notions admises jusqu'à présent sur l'apparition de l'art et de son développement.
Les domaines d'application de l'analyse au Carbone 14 sont nombreux : archéologie, climatologie, océanographie, volcanologie… Mesurer la teneur en Carbone 14 de peintures préhistoriques, d'ossements, de poteries, de coraux ou de sédiments permet de déterminer leur âge jusqu'à 50 000 ans.
Si la datation est, de loin, l'application la plus fréquente, ce n'est pas la seule. “Le Carbone 14 peut également servir de traceur”, souligne Michel Fontugne, chercheur au laboratoire des sciences du climat et de l'environnement de Gif-sur-Yvette. “Mesurer la teneur de cet élément dans la biosphère est un moyen de suivre l'impact des installations nucléaires dans l'environnement et sur l'homme. Pour l'anecdote, cette technique est aussi utilisée en répression des fraudes ! Elle permet, par exemple, d'authentifier le millésime d'un alcool ou de contrôler l'origine naturelle d'un arôme.

Artémis : 4500 analyses par an !

Le CNRS, le CEA de Saclay, l'Institut de Recherche et de Développement (IRD), l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et le Ministère de la Culture et de la Communication se sont dotés d'un nouvel appareil de mesure du Carbone 14 : Artémis (Accélérateur pour la recherche en sciences de la Terre, environnement, muséologie installé à Saclay). Une petite révolution : il peut traiter plus de 4500 échantillons par an contre 900 pour son prédécesseur, installé à Gif-sur-Yvette depuis les années 80.
Le Carbone 14 est une forme radioactive de l'atome de Carbone. Autrement dit, son noyau est instable : il se libère spontanément de son trop plein d'énergie pour revenir à un état stable. Formé et diffusé dans la haute atmosphère sous forme de CO2, le Carbone 14 -par échange avec l'atmosphère- est présent dans toutes les matières vivantes et les océans. Sa production et sa destruction sur terre sont continues et un équilibre finit par s'établir. L'isolement d'une matière, ou la mort d'un organisme stoppent immédiatement les échanges établis et la teneur en Carbone 14 diminue régulièrement. “La quantité de Carbone 14 est divisée par deux tous les 5 730 ans” précise Evelyne Cottereau, responsable du laboratoire de mesure du Carbone 14. Connaître la teneur en Carbone 14 d'un échantillon permet de le dater; grâce à la formule classique en radioactivité. Cette dernière donne l'âge d'un échantillon, en fonction de la teneur résiduelle d'un élément radioactif (en l'occurrence le Carbone 14). Moins il y a de Carbone 14 dans un échantillon, plus celui-ci est vieux.
Fabriqué aux Etats-Unis, Artémis est arrivé à Saclay il y a un an. "Mais ses activités n'ont commencé que très récemment, précise Evelyne Cottereau, le temps de prendre en main la machine".

01.Un appareil de mesure du Carbone 14

Artémis, le nouvel appareil de mesure du Carbone 14 installé au commissariat à l'énergie atomique (CEA) de Saclay analysera tous les ans plus de 4500 échantillons, contre 900 pour son prédécesseur (installé à Gif-sur-Yvette depuis les années 80). Financé par le CNRS, le CEA, l'Institut de Recherche et de Développement (IRD), l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et le Ministère de la Culture et de la Communication, ce nouvel appareil doit répondre aux attentes des chercheurs “qui veulent des résultats toujours plus rapides pour des échantillons toujours plus petits” assure Evelyne Cottereau, responsable du laboratoire de mesure du Carbone 14.
Le Carbone 14 est une forme radioactive de l'atome de Carbone. Traduction : le noyau de l'atome est instable, il possède un trop plein d'énergie dont il se libère spontanément pour revenir à un état stable.

Appareil de datation ArtemisCet appareil, baptisé Artemis, est, a priori, peu parlant. Et pourtant, à partir d’un morceau de bois, d’un os, d’un coquillage, il fournit de précieux renseignements !
© CEA

Découvert par W.F Libby, en 1946, il est formé et diffusé dans la haute atmosphère sous forme de CO2. Par échange avec l'atmosphère il est présent dans toutes les matières vivantes ainsi que dans les océans. Naturellement, sa production et la destruction du Carbone 14 sur terre sont continues et un équilibre finit par s'établir. L'isolement d'une matière (ou la mort d'un organisme) rompt immédiatement les échanges établis et la teneur en Carbone 14 diminue régulièrement. “La période, ou demi-vie de ce radioélément, c'est-à-dire l'intervalle de temps au bout duquel la moitié des atomes s'est désintégrée est de 5 730 ans” précise Evelyne Cottereau. Connaître la teneur en Carbone 14 d'un échantillon permet de le dater; grâce à la formule classique en radioactivité. Cette dernière donne l'âge d'un échantillon, en fonction de la teneur résiduelle d'un élément radioactif (en l'occurrence le Carbone 14). “Au bout de deux périodes soit 11 400 ans, il ne restera plus qu'un quart du nombre initial d'atomes. Au bout de trois périodes, un huitième et ainsi de suite. Moins il y a de Carbone 14 dans un échantillon, plus celui-ci est vieux”, précise Michel Fontugne.

02.Des applications multiples : archéologie, climatologie, volcanologie…

Artémis (Accélérateur pour la Recherche en sciences de la Terre, Environnement, Muséologie Installé à Saclay) est un spectromètre de masse par accélérateur (SMA). Il identifie les molécules et détermine la proportion relative des isotopes. Le SMA sépare les constituants d'un composé, puis en mesure l'abondance. Pour le Carbone, il sépare le Carbone 12, 13 et 14 puis mesure l'abondance de chacun de ces isotopes. Des géologues, des climatologues ou des océanographes envoient au laboratoire de mesure du Carbone 14 de Saclay des échantillons très variés : de l'eau, du charbon de bois, de la terre, des os, des coquillages, de l'herbe…“Une fois arrivés ici, les échantillons sont traités chimiquement pour enlever tous polluants éventuels” explique Evelyne Cottereau. “Puis ils sont transformés en dioxyde de Carbone”. La matière organique est chauffée sous vide à 900°C pendant plusieurs heures avec de l'oxyde de cuivre en présence de fil d'argent. Les carbonates sont dissous dans de l'acide phosphorique (H3PO4) après avoir été dégazés. Le CO2 ainsi obtenu est ensuite graphité, c'est-à-dire qu'il est réduit en Carbone par du dihydrogène en présence de poudre de fer à 650°C. “Enfin, les échantillons sont pastillés avant d'être introduits dans le spectromètre de masse par accélérateur” poursuit Evelyne Cottereau. A l'intérieur du spectromètre, les échantillons sont accélérés et subissent plusieurs analyses magnétiques et électrostatiques. A la sortie il ne reste alors que les atomes de Carbone 14.

Nouveau schéma d'ArtémisSchéma d'Artémis, appareil de mesure du Carbone 14.
© CEA

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Les domaines d'application sont très nombreux : archéologie, climatologie, océanographie, volcanologie… Mesurer la teneur en Carbone 14 de peintures préhistoriques, d'ossements, de poteries, de coraux ou de sédiments permet de déterminer l'âge de ces derniers jusqu'à 50 000 ans. Par exemple, des analyses ont permis d'affirmer que les peintures rupestres de la grotte de Chauvet remontaient à 31 000 ans, bouleversant les notions admises jusqu'à présent sur l'apparition de l'art et de son développement. Ils sont la preuve qu'Homo sapiens a acquis très tôt la maîtrise du dessin. Cette technique peut aussi donner accès à une chronologie précise de l'enchaînement des événements climatiques passés, grâce au prélèvement “ d'archives naturelles ” que sont les sédiments marins et lacustres, les stalagmites, les coraux ou les arbres. Elle a permis, par exemple, de dater le maximum (-18 000 ans) de la dernière grande glaciation et les étapes de son recul jusqu'à -10 000 ans, à partir des troncs d'arbres fossilisés trouvés dans les moraines successives, laissées par les glaciers lors de leur retrait. Autre exemple, en mesurant la teneur en Carbone 14 contenant du matériel volcanique, il est possible de connaître la fréquence des éruptions volcaniques et des glissements de terrain associés. Sans être lui-même d'origine organique, l'objet à dater peut être associé, sur le site, à des objets qui le sont. Ainsi, une statuette de pierre du musée de Saint-Germain-en-Laye, la Vénus de Tursac, a pu être datée à 23 000 ans (avec une précision de 1 500 ans) grâce à un os calciné découvert dans la même couche.

03.La datation, mais pas seulement !

Si la datation est -de loin- l'application la plus fréquente, ce n'est pas la seule. “Le Carbone 14 peut servir de traceur” souligne Michel Fontugne, chercheur au laboratoire des sciences du climat et de l'environnement de Gif-sur-Yvette (LSCE). Bouteille de vin millésiméLa mesure du Carbone 14 permet entre autres d’authentifier le millésime d’un alcool.
© DR
La mesure du Carbone 14 dans la biosphère est indispensable pour mener des études radioécologiques hors et sous influence des installations nucléaires. Elle est un des moyens d'étudier et de suivre l'impact de leur fonctionnement sur l'environnement et sur l'homme. “Pour l'anecdote, poursuit le chercheur, la mesure du Carbone 14 est aussi utilisée en répression des fraudes”. Elle permet par exemple d'authentifier le millésime d'un alcool ou de contrôler l'origine naturelle d'un arôme.

“Toutes ces mesures pour avoir des âges faux !” lance Michel Fontugne. “Ou plutôt un âge qui n'est pas calendaire. C'est-à-dire qui ne correspond à un âge réel ” corrige Evelyne Cottereau. Pour chaque échantillon, lorsque cela est possible, il faut effectuer une opération de calibrage. En effet, les formules de calcul qui permettent d'obtenir l'âge en fonction du taux de Carbone, mesuré dans un échantillon, sont basées sur les données de Libby. Ce dernier considérait que le Carbone 14 atmosphérique avait peu changé au cours des âges et prenait comme référence pour ses calculs la valeur de 1950. Or la concentration atmosphérique en Carbone 14 n'a pas été constante tout au long des cinquante derniers millénaires. Elle a varié dans d'importantes proportions pour diverses raisons dont l'activité solaire, l'intensité du champ magnétique mais aussi les activités humaines. Par exemple le dégagement massif de gaz carbonique provenant de la combustion du charbon (un Carbone fossile débarrassé depuis très longtemps de son Carbone 14) a entraîné une baisse de la concentration de Carbone 14 au cours du XIXe siècle. Au contraire, depuis 1950, les essais nucléaires dans l'atmosphère ont fait remonter de manière significative cette concentration.

04.Il existe bien d'autres méthodes, mais…

Plus généralement, dans l'état actuel des connaissances de géophysique, il n'est pas possible de trouver la ou les lois qui régissent les variations de la teneur atmosphérique du Carbone 14 au cours des âges. Seule une méthode expérimentale de mesure d'échantillons carbonés, datés par une autre méthode que le radioCarbone permet de remonter aux teneurs originelles en Carbone 14. Datation au carbone 14Artemis, le nouvel appareil de datation au Carbone 14, est en mesure d’analyser 4500 échantillons par an, contre 900 pour son prédécesseur.
© CEA
Des laboratoires sont en train de calculer ces concentrations atmosphériques pour toutes les périodes de notre histoire ” explique Evelyne Cottereau. “Jusqu'à 25 000 à peu près, on sait où l'on en est, précise Michel Fontugne ; ensuite on est dans la poésie ! Mais on va s'en sortir” promet-il. En effet, pour l'instant, seuls les échantillons des 20 derniers millénaires peuvent être convertis en âges calendaires. De la fin du paléolithique aux civilisations qui lui ont succédé jusqu'à nos jours, l'opération de datation par le radioCarbone se poursuit par une calibration. Pour les autres, les dates obtenues restent en âge radioCarbone.

La méthode de datation au Carbone 14 reste cependant très précieuse” affirme Evelyne Cottereau. L'élément étant présent presque partout. “Mais il faut faire très attention aux résultats obtenus. Autrement dit, il faut les replacer dans un contexte global, les confronter à d'autres données, historiques ou culturelles” ajoute t-elle. “Churchill disait que “ la démocratie est le pire système de gouvernance si l'on fait exception de tous ceux expérimentés jusqu'ici.” Je crois que la datation au Carbone 14 est la pire des méthodes à l'exception de toutes les autres” résume Michel Fontugne.

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