Au fond de l’océan Pacifique, subsistent des couches de roche qui s’épaississent à raison d’un millimètre par millénaire, que l’on appelle une croûte de ferromanganèse. Elle n’a rien de vraiment excitant visuellement, puisqu’elle ressemble à une gangue brunâtre tapissant les abysses à près de cinq kilomètres de profondeur. Toutefois, pour les géochimistes et les astrophysiciens, c’est une archive exceptionnelle : chacune de ces couches emprisonnant les particules qui se sont déposées depuis des millions d’années, y compris celles venues de l’espace, elle est comparable à une capsule temporelle où peut se lire l’histoire cosmique de la Terre.
Selon les travaux d’une équipe internationale de chercheurs, menée par le physicien Dominik Koll, du laboratoire Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Allemagne), cette croûte est le réceptacle d’une pluie radioactive venue des étoiles. Oui, notre planète est encore en train de traverser le nuage de débris radioactifs d’une explosion cosmique monumentale, qui s’est produite bien avant que les dinosaures ne disparaissent de la surface de la Terre. Aujourd’hui, les atomes de plutonium-244 qui ont survécu à ce long voyage se sédimentent toujours au fond du Pacifique. Leurs travaux à ce propos ont été publiés le 15 juin dans la revue Nature Astronomy.
Une horloge radioactive au fond du Pacifique
Le plutonium-244 est un isotope radioactif qui ne se forme que dans les conditions les plus extrêmes de l’univers, et n’a rien à voir avec le plutonium que l’on utilise comme combustible dans nos centrales nucléaires, qui est du plutonium-239 (239Pu). Celui-là ne naît que dans les entrailles des cataclysmes cosmiques les plus violents qui soient : quand deux étoiles à neutrons (des cadavres stellaires si denses qu’une cuillère à café de leur matière pèserait un milliard de tonnes) entrent en collision, leur choc libère une énergie si colossale qu’elle force les noyaux atomiques à avaler des neutrons en rafale.
En quelques fractions de seconde, des éléments de plus en plus lourds se constituent ainsi, jusqu’à forger le plutonium, l’or, le platine ou l’uranium. Ce processus porte un nom : la capture rapide neutronique, ou processus r et la déflagration qui l’accompagne porte un nom à la hauteur de sa puissance : une kilonova, qui libère une énergie totale estimée à environ 1040 ou 1041 joules ; l’équivalent de 2*1024 milliards de bombes nucléaires Tsar Bomba, la plus dévastatrice jamais créée.
Comme tout élément radioactif, le plutonium-244, une fois forgé dans l’enfer d’une kilonova, ne vit pas éternellement. Sa demi-vie, soit le temps qu’il lui faut pour perdre la moitié de sa radioactivité est de 81 millions d’années. À l’échelle de l’univers âgé d’environ 13,8 milliards d’années, c’est très court : le plutonium-244 né avec le Système solaire, il y a 4,5 milliards d’années, a eu le temps de traverser plus de cinquante demi-vies et s’est donc intégralement désintégré.
Que des atomes de cet isotope soient encore détectables dans des sédiments abyssaux ne peut s’expliquer que d’une manière : ils y sont tombés bien après la formation de la Terre, portés depuis l’espace par les débris d’une explosion cosmique plus récente.
Un isotope fantôme qui a trahi l’âge de la kilonova
Du plutonium-244 avait déjà été trouvé dans ces mêmes sédiments, mais les études précédentes avaient rattaché sa présence à des supernovas, plus récentes. Elles avaient laissé derrière elle un autre isotope provenant de l’espace, le fer-60, dont la demi-vie est seulement de 2,6 millions d’années. Comme le fer-60 et le plutonium-244 se trouvaient dans les mêmes couches, les chercheurs avaient conclu qu’ils partageaient la même origine et avaient estimé leur source à un cataclysme cosmique remontant environ 3,5 millions d’années.
Koll et son équipe ont décidé de vérifier cette hypothèse autrement, en cherchant un autre isotope, absent des précédentes recherche : le curium-247. Il est, lui aussi, produit lors de tout processus r, en même temps que le plutonium-244, mais sa demi-vie est de 16 millions d’années, soit six fois plus courte que celle du plutonium-244.
En suivant ce raisonnement, si l’explosion était aussi récente que le suggéraient les études précédentes, des atomes de curium-247 devraient encore être détectables dans la roche, mais ce n’est pas le cas. En 1976, une carotte sédimentaire provenant de la même zone avait été prélevée à 4 830 mètres de profondeur dans le Pacifique et conservée depuis lors. C’est sur cet échantillon que Koll et son équipe ont conduit leurs analyses, sans retrouver de traces de curium-247.
Ainsi, l’équipe de Koll a pu dater l’explosion à partir de son absence : s’il a disparu, c’est que le processus r remonte à bien plus longtemps que les 3,5 millions d’années avancés jusqu’ici, au moins à plusieurs centaines de millions d’années. Mais la demi-vie du plutonium-244 impose une limite dans l’autre sens : si l’explosion était antérieure à 1 milliard d’années, le plutonium-244 serait lui aussi indétectable aujourd’hui.
C’est en jouant sur les périodes radioactives de ces deux éléments que les chercheurs ont réussi à encadrer encore plus précisément l’époque à laquelle la kilonova a détonné : entre 100 millions et 1 milliard d’années. Depuis lors, ses débris se sont disséminés dans le milieu interstellaire, et la Terre les traverse encore aujourd’hui dans son voyage autour du centre galactique. Une pluie radioactive, qui, même si elle est imperceptible, a possiblement influé sur l’histoire de la vie sur Terre. « C’est une question ouverte, à explorer dans de futures recherches », concède Michael Hotchkis, co-auteur de l’étude. Peut-être que certains de nos atomes proviennent de cette kilonova, mais pour l’instant, le mystère reste entier quant au rôle qu’a pu jouer ce nuage interstellaire dans les grands bouleversements biologiques du passé.
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