Recherche d'évenements cosmiques passés par analyse du radiocarbone des cernes d'arbre.

Past cosmic events revealed by radiocarbon in tree rings

• Auteur / Autrice : Kara Labidi
• Direction : Christine Hatté, Thierry Stolarczyk
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géochrononologie Traceurs Archéométrie (GEOTRAC)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)

Mots clés

Mots clés libres

Géochronologie 14C

Évènements cosmiques

Supernovae

Cernes d'arbres

14C geochronology

Cosmic events

Supernovae

Tree-ring

Résumé

Les isotopes radioactifs, dont la teneur diminue exponentiellement avec le temps, se prêtent a priori parfaitement à la quantification du temps qui passe. Avec le carbone, présent dans le vivant et presque toutes les composantes du système terrestre, la mesure du temps pourrait semblée maitrisée . Toutefois, la perception du temps telle que rendue par l'échelle 14C est distordue du fait de la variabilité de la production du 14C dans l'atmosphère. Pour pallier cette inconsistance, la « calibration 14C » a alors été mise en place pour transcrire directement les mesures de teneurs en 14C résiduel en années calendaires . Pour les derniers 15,000 ans, cette courbe repose sur la détermination de teneurs en 14C résiduel de cernes d'arbres, dont l'âge absolu a été établi précisément par la dendrochronologie. Les premières versions de la « calibration 14C » ont été construites en analysant des tronçons de 5 à 10 années. Elles ont conduit à une vision lissée des fluctuations des teneurs en 14C atmosphérique au cours du temps. Depuis une dizaine d'années, des séries à résolution annuelle sont produites. Elles ouvrent sur une nouvelle classe de variabilité liée aux fluctuations abruptes de production du 14C qui permettent de sonder la fréquence et l'intensité d'événements solaires exceptionnels et l'occurrence de supernovæ galactique ou extragalactique. Elles mettent également au jour une zonalité géographique en connexion avec le cycle du carbone qui révèle notamment l'influence de l'océan et des échanges atmosphériques entre les deux hémisphères. Cependant, les connaissances sur la variabilité spatiale et temporelle de la production de 14C sont encore très parcellaires. En effet, à l'échelle planétaire, seulement 16% des enregistrements ont été acquis à une résolution annuelle, sur des cernes d'arbres. Pour l'hémisphère nord, ces séries sont assez nombreuses mais se concentrent sur certaines périodes (notamment les « Miyake events »). De longues portions de temps ne sont représentées que par un seul enregistrement, qui plus est, lissé. Pour l'hémisphère sud, la situation est encore plus critique. En effet, la courbe de calibration de cet hémisphère, SHCal20 , n'est, à 70%, qu'une projection de celle de l'hémisphère nord, IntCal20 . Par ailleurs, l'émission de flux de rayons gamma de haute énergie par des supernovæ dans les semaines ou les mois qui suivent l'explosion n'a jamais été observée (mesurée); le flux émis est faible. Aucune explosion de supernova dans la galaxie n'a été observée (vue) depuis 1604 (supernova observée par Kepler). Les supernovæ des autres galaxies sont trop éloignées pour être détectables. Les modèles laissent espérer une détection dans la nouvelle génération de télescope Tcherenkov au sol (CTA), mais en attendant la prochaine supernova, hypothétique, La caractérisation d'excès dans les données de radiocarbone correspondant aux événements historiques observés, permettra d'obtenir des limites sur les flux attendus et donc de contraindre les modèles théoriques existants. Le projet de thèse vise à contribuer à combler cette lacune en produisant des chronologies de teneurs en 14C dans les deux hémisphères au cours des derniers millénaires. Il s'agira : - de réaliser des séries de 14C pluri-centenaires contemporaines dans les deux hémisphères en analysant la cellulose de cernes de cyprès, Fitzroya cupressoides, du Sud de l'Argentine, et de chêne, Quercus Robur, de France, - d'analyser statistiquement ces séries afin de pointer d'éventuelles excursions en 14C, - d'évaluer la possibilité de relier les éventuelles excursions avec des événements solaires ou des explosions de supernovæ, - d'apporter des contraintes sur les scénarios de flux d'émission de rayons gamma lors d'explosion de supernovæ.

Radioactive isotopes, whose content decreases exponentially with time, are a priori perfectly qualified for quantifying the running time. With carbon, present in living organism and almost all components of the Earth system, the measurement of time might seem to be mastered . However, the perception of time rendered by the 14C scale is distorted by the variability of 14C production in the atmosphere. To compensate for this original inconstancy, the “14C calibration” makes it possible to transcribe the 14C activity measurements obtained with accelerator mass spectrometers into calendar years . For the last 15,000 years, the calibration is based on the determination of residual 14C content in tree rings, the absolute age of which has been precisely established by dendrochronology. The first calibration curves were constructed by analysing sections of 5 to 10 years. They have led to a smoothed view of the fluctuations of atmospheric 14C contents over time. Over the last ten years, annual resolution series have been produced, which have replaced the smoothed curves. A new variability is appearing, that of abrupt fluctuations in 14C production, which allow to investigate the frequency and intensity of exceptional solar events and the occurrence of galactic supernovae. They also reveal a geographical zonation in connection with the carbon cycle, which highlights the oceanic influence and the atmospheric exchanges between both hemisphere. However, knowledge of the spatial and temporal variability of 14C production is still very patchy. Indeed, on a global scale, only 16% of tree ring records have been acquired at annual resolution. For the Northern Hemisphere (NH), these series are fairly numerous but are concentrated on specific periods (notably the “Miyake events” ). Portions of time are thus represented by a single, smoothed record. For the Southern Hemisphere (SH), the situation is even more critical. The calibration curve for this hemisphere, SHCal20 , is 70% a projection of the NH curve, IntCal20 . On the other hand, the emission of high-energy gamma-ray fluxes by supernovae in the weeks or months following the explosion has never been directly observed (measured); the emitted flux is weak. No supernova explosion in the galaxy has been reported (seen) since 1604 (supernova observed by Kepler). Supernovae in other galaxies are too distant to be detectable. The models let us hope for a detection in the new generation of ground-based Cherenkov telescope (CTA), but while waiting for the next supernova, hypothetical, the characterization of excesses in the radiocarbon data corresponding to the observed historical events, will make it possible to obtain limits on the expected fluxes and thus to constrain the existing theoretical models. The thesis project aims to contribute to filling this gap by producing chronologies of 14C levels in the two hemispheres over the last millennia. The thesis will consist in: - producing multi-century 14C series, contemporary in both hemispheres, by analysing the cellulose of rings of cypress, Fitzroya cupressoides, from southern Argentina, and oak, Quercus Robur, from France, - statistically analysing these series to identify possible 14C excursions - evaluating the possibility of linking these potential excursions with solar events or supernova explosion, - bring constraints on the scenarios of gamma-ray emission fluxes during supernova explosion.