Sur une planète comme la Terre, alors que la roche et l’eau traversent des cycles et des changements, fondant et se refroidissant et s'érodant et s'accumulant, dénudés dans de vastes vallées et empilés dans des montagnes imposantes, les phénomènes naturels du passé laissent des traces dans la croûte. de la planète. En creusant la glace ancienne, par exemple, les scientifiques peuvent étudier les particules piégées et se renseigner sur les conditions atmosphériques il y a des millions d'années. En étudiant les minéraux magnétiques incrustés dans les roches anciennes, les géologues ont appris que le champ magnétique de la planète inverse les pôles, environ une fois tous les 250 000 ans en moyenne.
Les scientifiques peuvent en apprendre beaucoup sur la Terre grâce aux couches géologiques de sa croûte, mais il se peut que davantage d'informations soient cachées dans les archives rocheuses. Selon le géologue et paléontologue Paul Olsen de l'Université de Columbia, les clés de l'histoire de notre planète, mais aussi du système solaire et de la galaxie, se trouvent peut-être sous nos pieds.
Dans une étude publiée aujourd'hui dans les Actes de la National Academy of Science, Olsen et ses collègues affirment que les cycles astronomiques des planètes peuvent être mesurés dans les couches rocheuses terrestres. Des noyaux cylindriques de roches extraites du sol, certains s'étendant sur des milliers de pieds et s'étendant sur des millions d'années d'histoire, peuvent contenir des traces subtiles de l'influence de la gravité des autres planètes, permettant aux scientifiques de déduire les positions historiques de planètes il y a des centaines de millions d'années. .
«Il s'agit d'un nouveau monde de données empiriques qui permet de tester la théorie des systèmes solaires à grande échelle», déclare Olsen. Il appelle son modèle le Geological Orrery, nommé d'après les modèles mécaniques du 18ème siècle du système solaire. Les travaux pourraient non seulement fournir un ensemble de données indépendant pour tester les modèles existants de mouvement des planètes, mais également pour révéler des cycles orbitaux jamais mesurés auparavant. Le Geological Orrery pourrait même être utilisé comme un nouvel outil pour tester certaines des théories les plus fondamentales de la science, telles que la théorie de la relativité générale d'Einstein, l'existence possible de planètes supplémentaires dans l'ancien système solaire et même les influences gravitationnelles de la matière noire. dans la voie lactée, dit Olsen.
Le géologue Paul Olsen, du parc national Petrified Forest, en Arizona, où des roches vieilles de 200 millions d'années aident à révéler les mouvements d'antan des autres planètes. (Kevin Krajick / Earth Institute, Université Columbia) «Ce document tente de résoudre un problème très difficile et déroutant pour les astronomes et les géologues qui s'intéressent à l'histoire du système solaire et à son incidence sur le système terrestre - climat, sédimentation, etc.», déclare Spencer Lucas. géologue et paléontologue du musée d'histoire naturelle et des sciences du Nouveau-Mexique qui n'a pas participé à l'étude. «Ces cycles astronomiques ont évolué pendant des centaines de millions d’années, et cette évolution est quelque peu chaotique. C’est donc toujours un gros défi pour les géologues et les astronomes de tenter de comprendre ce qui est arrivé à ces cycles.»
Les couches de la croûte terrestre représentent un enregistrement des climats passés, et ces climats ont été influencés par des mouvements célestes appelés cycles de Milankovitch. Nommés d'après le géophysicien et astronome serbe Milutin Milankovitch, ces cycles résultent des interactions gravitationnelles de la Terre avec d'autres planètes qui influent sur la trajectoire de la Terre autour du soleil, notamment la forme de son trajet elliptique (excentricité), ainsi que son inclinaison (obliquité) et ses oscillations. (précession) de l'axe de la planète.
Les changements d'orbite terrestre affectent le climat de la planète et, comme Olsen l'a expliqué pour la première fois dans un article de Science en 1986, un enregistrement des climats passés pourrait donc être utilisé pour déduire les positions et les mouvements d'autres planètes.
Mais pourquoi passer par le problème et la dépense de creuser des noyaux de terre pour déterminer les trajectoires des autres planètes? En utilisant les lois de la mécanique orbitale, les scientifiques peuvent créer des modèles mathématiques pour étudier l'histoire de notre petit voisinage solaire dans l'espace.
De tels modèles, cependant, ne sont fiables que jusqu'à un certain point, explique Olsen. Aucune équation mathématique simple ne décrit avec un degré élevé de certitude les mouvements de plus de deux corps en mouvement dans l'espace. Avec huit planètes et le soleil, sans parler de millions de corps plus petits dans le système solaire, les astronomes ne peuvent pas développer de solutions analytiques pour décrire les mouvements exacts des planètes dans le passé lointain. Au lieu de cela, les chercheurs calculent un petit incrément à la fois les anciennes orbites des planètes. Selon les travaux de Jacques Laskar, directeur de la recherche à l’Observatoire de Paris et coauteur du nouveau document, des erreurs s’accumulent à chaque intervalle de temps, de sorte que les prévisions deviennent essentiellement inutiles au-delà de 60 millions d’années, pas très longtemps sur 4, 5 milliards. histoire de l'année du système solaire.
Les modèles informatiques antérieurs de Laskar ont également démontré que les planètes intérieures (Mercure, Vénus, Terre et Mars) peuvent se comporter de manière chaotique. Autrement dit, les positions de ces quatre planètes pourraient être en grande partie déterminées par les conditions initiales, ce qui les rendrait presque impossibles à prédire en se basant uniquement sur les positions et les directions observées aujourd'hui.
«Ces enregistrements rocheux du changement climatique se révèlent être la clé pour comprendre ce que fait réellement le système solaire», déclare Olsen.
Noyau rocheux de sédiments lacustres extraits du bassin de Newark, dans le centre du New Jersey, s'étendant sur environ 40 000 ans. (Paul Olsen) Démontrer la viabilité de son orchestre géologique a été un travail d'amour pour Olsen tout au long de sa vie. Dans son article de 1986, il analysait les noyaux du super-groupe mésozoïque de Newark - un assemblage de roches formées il y a environ 200 à 227 millions d'années - dans le centre du New Jersey. La roche contenait un enregistrement de la montée et de la chute de lacs en phase avec la magnitude des pluies de mousson tropicale, qui fluctuaient en fonction des quantités variées de lumière solaire dans les tropiques, déterminées par l’orbite et l’axe de rotation de la Terre.
«Ce que nous voyons dans les carottes sont des manifestations physiques de la modification de la profondeur de l'eau», explique Olsen par courrier électronique. «Lorsque le lac était au plus profond, peut-être bien plus de 100 mètres de profondeur, des boues noires finement laminées se déposaient et, lorsqu'il était très peu profond et même en saison sèche, des boues rouges avec de nombreuses fissures de dessiccation étaient déposées."
Olsen a utilisé l'analyse de Fourier - une méthode pour représenter des formes d'onde complexes dans des composants sinusoïdaux plus simples - afin de montrer que les changements cycliques du climat de la Terre emprisonnés dans les archives géologiques correspondent aux cycles de Milankovitch de la mécanique céleste. Mais il y avait une bizarrerie.
«L'un des cycles n'était pas directement lié à quoi que ce soit de connu à l'époque des cycles orbitaux», explique Olsen. "Cela a duré environ deux millions d'années, et je ne savais pas ce que c'était."
Après avoir reçu une subvention de la National Science Foundation (NSF) dans les années 1990 pour déterrer et analyser près de 22 600 pieds de noyaux continus provenant de sept sites du super-groupe de Newark, Olsen et ses collègues ont découvert que le cycle mystérieux était un cycle orbital à longue période, causé par: les interactions entre Mars et la Terre. La découverte «fournit la première preuve géologique du comportement chaotique des planètes intérieures», ont écrit Olsen et Dennis Kent, professeur de géologie à l'Université Rutgers et coauteur de la nouvelle recherche, dans un article de 1999 publié par la Royal Society.
Pour explorer davantage ces cycles dans le disque rock, Olsen et son équipe ont lancé le projet de forage dans le Colorado, en 2013, avec une autre subvention de la NSF. Ils ont foré un noyau de plus de 800 mètres de long dans la section triasique de la formation de Chinle, dans le parc national de la forêt pétrifiée de l'Arizona. Le noyau de Chinle contient des couches de cendres volcaniques avec des minéraux de zircon qui peuvent être datés par radiométrie.
Installation pour extraire un noyau de la formation de Chinle dans le parc national de la forêt pétrifiée, en Arizona. (Paul Olsen) En faisant correspondre les traces des inversions de champ magnétique de la Terre dans le noyau de l'échantillon de la Formation de Chinle à celles du noyau de Newark, les chercheurs ont pu déduire les dates exactes des cycles climatiques causées par la gravité d'autres planètes. Leur analyse a révélé un cycle de 405 000 ans de la mécanique céleste causée par Jupiter et Vénus qui existe depuis 200 millions d'années, exactement comme il est aujourd'hui.
Dans leur dernier article, Olsen et son équipe ont ajouté des mesures supplémentaires à leurs modèles, en utilisant une échelle de couleur stratigraphique pour étudier le carottes ainsi que des mesures géophysiques du trou de carottes (radioactivité naturelle, densité de la roche et vitesse sonique). ). L’équipe a également balayé le cœur des données de fluorescence X pour analyser soigneusement tous les cycles astronomiques visibles dans la formation de Newark.
Quelles que soient les mesures utilisées, les mêmes influences planétaires ont été identifiées dans la roche. «C'est vraiment excitant de voir que ces choses marchent quand elles marchent. Cela vous donne une idée de la réalité… lorsque tant de choses improbables se réalisent », déclare Olsen. "C'est vraiment assez incroyable."
Bien que la géologie ait des implications potentielles de recherche de grande portée, l'idée audacieuse d'Olsen a suscité un certain scepticisme. Ses modèles tentent de prendre en compte un nombre extraordinaire de facteurs afin de lier l’enregistrement de la roche à l’influence d’autres planètes sur le climat de la Terre (un système complexe en soi).
Lucas appelle le projet «un château de cartes très complexe qui ne repose pas sur une base scientifique solide». Il dit qu'il y a des lacunes dans la formation de Newark, ce n'est donc pas une chronologie complète de la période de 25 millions d'années que dure Olsen. groupe étudié. (Olsen et Kent, cependant, ont utilisé la datation au plomb-uranium dans une étude l'année dernière et ont constaté que l'enregistrement géologique de la séquence de Newark était complet pour la période considérée.) L'enregistrement de Chinle est également incomplet, dit Lucas, car il a été déposé par les rivières et les taux de sédimentation sont «extrêmement différents» entre deux sections, ce qui rend difficile l’utilisation de Chinle pour calibrer de manière fiable les dates dans le rocher de Newark.
Même Charles Darwin a déploré le caractère incomplet des enregistrements géologiques et les géologues admettent généralement que celui-ci contient des lacunes ou, selon le langage scientifique, des "incohérences". La question fondamentale est de savoir quelle quantité d'informations peut être extraite de manière fiable d'un enregistrement géologique imparfait.
«Beaucoup de géologues partent du point de vue qu'il faut tout voir avant de tout comprendre», explique Olsen. "Mon modus operandi est de pousser ce qui est utile dans le disque rock et le disque paléontologique aussi loin que vous pouvez le pousser pour obtenir des choses hors de l'histoire que vous ne pouvez pas obtenir autrement."
Une peinture de Paul Olsen représentant une vue imaginaire de la Terre depuis l’espace et orientée vers l’est la nuit, à New York, avec les principales planètes utilisées dans l’or géologique. De bas en haut: Jupiter, Mars (rougeâtre), Vénus et la Lune, tous ensemble. (Paul Olsen) Même avec des lacunes dans le record de rock, certains scientifiques pensent qu'Olsen est sur quelque chose. «Ces données sur lesquelles Paul Olsen travaille depuis de nombreuses années constituent actuellement l'une des meilleures données jamais collectées», explique Linda Hinnov, géologue à la George Mason University en Virginie, qui n'a pas participé à l'étude.
Hinnov dit que le défi consiste maintenant à combler l'écart entre il y a environ 50 et 200 millions d'années. Actuellement, les données géologiques et les modèles astronomiques sont appariés depuis 0 à 50 millions d’années, et entre 200 et 225 millions d’années. Pour étendre le champ géologique, le fossé entre ces deux périodes "doit être comblé avec des données au moins aussi bonnes que celles présentées ici", explique Hinnov.
Bien qu'il soit sceptique à propos de certaines des conclusions de l'équipe d'Olsen, Lucas reconnaît que ce type de travail, reliant le disque de rock aux corps célestes dans le ciel, va devenir critique pour résoudre l'un des plus gros problèmes scientifiques actuels: comprendre ce qui contrôle Le climat de la terre. «Nous ne comprenons pas assez la relation entre ces cycles astronomiques, les climats passés et la façon dont les cycles ont changé au fil du temps», a-t-il déclaré. «Tout ce qui contribue à notre compréhension du système climatique de la Terre a le potentiel de nous aider à mieux comprendre le climat futur, ce qui est vraiment ce que nous parlons de prédire.»
L'orrery géologique peut être incomplet et, à l'instar des modèles informatiques des systèmes planétaires, il ne peut être précis que jusqu'à un certain point. Mais parmi les merveilles du cosmos, nous commençons à comprendre comment les mouvements des corps célestes, situés à des millions de kilomètres de distance et il y a des millions d'années, ont façonné le monde dans lequel nous marchons.
