Le noyau de la Terre : que se trouve-t-il au centre et comment le savons-nous ?

Lorsque l’écrivain pionnier de la science-fiction Jules Verne a écrit Voyage au centre de la Terre en 1864, il savait probablement que son intrigue était une pure fantaisie. Les personnages de Verne n’ont réussi à descendre que de quelques kilomètres, mais l’idée que quelqu’un puisse même envisager de voyager jusqu’au noyau de la Terre avait été rejetée avant l’époque victorienne.

En fait, même aujourd’hui, le plus loin que nous ayons foré dans la Terre est d’environ 12 km, tandis que la distance jusqu’au centre est plus de 500 fois plus grande, à 6 370 km.

Alors, comment savons-nous ce qui se trouve en dessous ? Comprendre ce qui se trouve au cœur de notre planète a été une magnifique énigme scientifique.

Comment savons-nous que la Terre est ronde ?

L’idée que la Terre a un centre significatif va de pair avec la forme de la planète comme une boule, et nous savons depuis longtemps que nous ne vivons pas sur un disque.

C’est un mythe que les gens du Moyen Âge pensaient que la Terre était plate – cela provient en fait d’un mélange de propagande antireligieuse victorienne, et d’une mauvaise interprétation des cartes stylisées de l’époque.

Il y a plus de 2 200 ans, le polymathe grec Eratosthène a effectué la première mesure de la distance autour de la sphère terrestre, et il est clair depuis lors qu’elle doit avoir un centre.

Cela ne signifie pas pour autant que les premiers philosophes pensaient à la Terre comme nous le faisons aujourd’hui.

La physique grecque ancienne disait que le monde était constitué d’une série de sphères concentriques de quatre éléments fondamentaux : la terre, l’eau, l’air et, enfin, le feu.

Dans cette image scientifique la plus ancienne, le centre de la planète devait être solide, car l’air ne pouvait pas être à l’intérieur de la sphère de la terre.

De toute évidence, la sphère de la terre n’était pas complètement entourée d’eau, sinon il n’y aurait pas de terre sèche, donc on pensait qu’il y avait un peu de la terre qui dépassait – ce qui signifie qu’il ne pouvait y avoir qu’un seul continent.

En conséquence, la découverte des Amériques a été, en fait, l’un des premiers résultats scientifiques expérimentaux, réfutant l’idée d’un seul continent, et marquant une étape importante sur la voie du dépassement de la pensée scientifique de la Grèce antique.

L’idée que la Terre soit entièrement creuse, ou avec de vastes cavernes s’étendant jusqu’au centre comme dans le livre de Verne, a été populaire dans la fiction et la mythologie depuis l’Antiquité, figurant également dans les pseudosciences et les théories du complot.

Cependant, il n’est pas certain qu’un scientifique, à part l’astronome Edmond Halley, qui a proposé une Terre creuse pour expliquer certaines lectures inhabituelles de boussoles en 1692, ait jamais pris cette idée au sérieux.

Et en 1798, un scientifique et excentrique anglais a enfoncé le dernier clou dans le cercueil de l’hypothèse de la « Terre creuse ». Il s’agit d’Henry Cavendish, qui a mis au point une expérience visant à peser la planète avec précision.

Combien pèse la Terre ?

Cavendish était un homme étrange, qui ne communiquait avec ses domestiques que par notes pour éviter de les rencontrer en personne.

Malgré son origine aristocratique, Cavendish a consacré sa vie à la science, travaillant à la fois en chimie et en physique, et a notamment conçu une expérience visant à calculer la densité de la Terre.

Utilisant une simple balance de torsion, qui mesurait la quantité de force de torsion causée par l’attraction gravitationnelle de deux grosses boules sur une paire plus petite, Cavendish a pu calculer l’attraction gravitationnelle faible entre les deux paires de boules.

En comparant cela avec la propre attraction gravitationnelle de la Terre, il a pu calculer la densité de la planète (et, comme la taille de la Terre était déjà connue, sa masse aussi).

Mais le chiffre de la densité a montré que notre planète doit être principalement solide, à moins qu’il y ait des matériaux inconnus extrêmement denses quelque part dans les profondeurs.

Comment savons-nous ce qu’il y a au noyau de la Terre ?

Aujourd’hui, on divise les entrailles de la Terre en trois segments : la croûte, qui est la couche externe, entre 5km et 75km d’épaisseur, le manteau, qui s’étend jusqu’à une profondeur d’environ 2900km, l’épaisseur du noyau – la partie qui nous intéresse ici – s’étendant sur environ 3500km à partir du centre de la Terre, avec deux segments distincts.

Au cœur du noyau se trouve une sphère de nickel-fer extrêmement chaude mais encore solide, d’un rayon d’environ 1 200 km. A environ 5 400°C, ce noyau interne a une température similaire à celle de la surface du Soleil. Le reste est le noyau externe liquide de la Terre, composé principalement de nickel-fer, avec des températures similaires, de plus en plus chaudes vers le centre.

Mais comment pouvons-nous connaître de tels détails sur un endroit aussi inaccessible ?

Vu la quasi-impossibilité de s’approcher ne serait-ce que de mille kilomètres du noyau, toutes nos connaissances sont indirectes et dépendent de la sismologie – la science des tremblements de terre.

Après un tremblement de terre, les ondes sismiques traversent la Terre, changeant de forme et de direction en fonction des matériaux traversés. Les géophysiciens ont utilisé ces informations pour déduire ce qui se trouve au cœur de la Terre.

Leurs sismomètres, dispositifs permettant de mesurer ces ondes, sont l’équivalent de télescopes pour explorer l’intérieur de la Terre.

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Au début du 20e siècle, l’augmentation des températures à mesure que nous creusions plus profondément dans la Terre, combinée à l’analyse des ondes terrestres par les sismologues, a suggéré que les parties internes de notre planète étaient au moins partiellement en fusion – assez chaudes pour transformer la roche et le métal en liquide.

Et les découvertes clés ont été faites par deux scientifiques qui, honteusement, n’ont même jamais été nommés pour un prix Nobel : Le géologue britannique Richard Oldham et la sismologue danoise Inge Lehmann.

Que peuvent nous dire les ondes sur la structure de la Terre ?

Pensez à une onde, et vous penserez probablement à une onde de surface, comme celle que vous verriez sur la mer. Mais de nombreuses ondes – le son, par exemple – se déplacent dans le corps d’un matériau.

Bien que les ondes sismiques qui causent des dommages lors d’un tremblement de terre soient celles qui se déplacent à la surface, il existe également deux types d' »ondes de corps » qui se déplacent dans la Terre. Les ondes P (« P » signifie « primaire ») sont des ondes longitudinales, tout comme le son.

Elles vibrent dans le sens du mouvement, provoquant l’écrasement et l’expansion de la Terre lors de leur passage.

Les ondes P se déplacent rapidement – environ 5 km par seconde dans une roche comme le granit, et jusqu’à 14 km par seconde dans les parties les plus denses du manteau.

Le deuxième type d’ondes corporelles, les ondes S (« S » signifie « secondaire »), sont des ondes transversales plus lentes, qui se déplacent d’un côté à l’autre. Contrairement aux ondes P, elles ne peuvent pas se déplacer dans un liquide, c’est pourquoi ces deux types d’ondes se sont avérés essentiels pour nous aider à comprendre le noyau de la Terre.

Imaginez qu’il y ait un énorme tremblement de terre. Des ondes commencent à se déplacer à travers la Terre.

Les ondes P tirent en avant, tandis que les ondes S suivent derrière à environ la moitié de la vitesse. Les deux types d’ondes seront détectés par les sismomètres, qui servent à mesurer les vibrations du sol, partout sur la Terre.

Mais là où les ondes traversent le noyau pour atteindre une station de mesure éloignée, il y a une zone dite d’ombre. Parcourez environ 104° autour du périmètre de la Terre à partir de l’épicentre du séisme et les ondes disparaissent. Mais à partir de 140°, les ondes P réapparaissent, sans les ondes S qui les accompagnent.

Dès 1906, Richard Oldham a compris les implications de cette ombre étrange. Oldham a passé la majeure partie de sa carrière au sein de la Commission géologique de l’Inde, travaillant souvent dans l’Himalaya.

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Lorsqu’il se retira au Royaume-Uni en 1903, il utilisa les données accumulées au cours des années précédentes pour sonder l’intérieur de la Terre. Il s’est rendu compte que le comportement observé des ondes P et S pouvait s’expliquer si le centre de la Terre était liquide.

Dans ce cas, les ondes P seraient réfractées par le liquide, se courbant comme la lumière le fait lorsqu’elle passe de l’eau à l’air, laissant une ombre distinctive. Les ondes S, en revanche, seraient entièrement arrêtées par un noyau liquide.

La percée d’Oldham a conduit à une image largement acceptée d’un noyau en fusion, mais 30 ans plus tard, Inge Lehmann a réalisé que l’idée d’Oldham était trop simple.

La réfraction des ondes P par le liquide dense au centre de la Terre aurait dû produire une ombre totale.

En fait, les mesures effectuées avec les sismomètres plus sensibles disponibles à l’époque de Lehmann ont montré que de faibles ondes P arrivaient encore dans la zone d’ombre.

En étudiant les données traversant la planète à partir d’un tremblement de terre de 1929 en Nouvelle-Zélande, Lehmann a proposé que ces ondes étaient réfléchies sur la frontière entre un noyau solide interne et le liquide externe.

Ses résultats, publiés en 1936, ont été confirmés deux ans plus tard par Beno Gutenberg et Charles Richter, qui ont modélisé avec précision les effets d’un noyau solide.

Les mesures directes de ces ondes sismiques réfléchies sont finalement arrivées en 1970.

De quoi est fait le noyau de la Terre ?

Des études ultérieures ont capté des ondes encore plus subtiles qui, du fait de leur arrivée tardive, ont dû traverser le noyau externe liquide sous forme d’ondes P, avant d’être converties en ondes S transversales dans le noyau interne, puis de redevenir des ondes P à la sortie.

Cette découverte, qui n’a été confirmée qu’en 2005, a été une preuve supplémentaire de l’existence d’un noyau solide.

Même ainsi, la nature exacte du noyau interne fait l’objet d’un débat important. Les températures, par exemple, ne peuvent être élaborées qu’à partir d’études expérimentales sur la façon dont les matériaux fondent et se solidifient sous pression.

En fait, l’hypothèse selon laquelle le noyau est principalement constitué de fer et de nickel provient d’une combinaison de la fréquence à laquelle différents éléments sont présents dans notre région locale de la Voie lactée, et de notre compréhension de la façon dont notre planète s’est formée.

Sous l’immense pression au centre de la Terre – plus de trois millions de fois la pression atmosphérique – les matériaux peuvent agir très différemment des conditions normales.

Si le prétendant le plus évident pour le noyau interne est un alliage nickel-fer solide, il est possible qu’un plasma extrêmement dense – l’état de la matière que l’on trouve dans une étoile – ait des propriétés similaires. L’une des difficultés ici est de savoir comment les matériaux se comportent dans des environnements aussi extrêmes.

Entrez dans la cellule de l’enclume de diamant.

Dans ce dispositif remarquable, les pointes de deux diamants, d’une fraction de millimètre de diamètre, sont pressées l’une contre l’autre.

Appliquer une force sur une petite surface produit plus de pression que de l’appliquer sur une large surface – c’est pourquoi être foulé par un talon aiguille est beaucoup plus douloureux qu’une semelle plate.

L’enclume en diamant crée des pressions jusqu’à deux fois supérieures à celles du noyau terrestre, et le chauffage est appliqué à l’aide de lasers.

Lorsque des échantillons métalliques sont écrasés et chauffés dans des conditions semblables à celles du noyau, les résultats suggèrent un solide cristallin au centre de la Terre.

Dans les faits, nous ne nous approcherons jamais du noyau de la Terre.

Les niveaux de chaleur, de pression et de radioactivité (l’une des principales sources de chauffage interne) sont si élevés que même si nous pouvions percer plus de 6 000 km de roche et de métal, une sonde ne pourrait pas survivre.

Par rapport à l’atteinte du noyau, voyager aux confins du système solaire est trivial.

Mais les vibrations propres à notre planète, produites par les tremblements de terre et interprétées par des scientifiques aussi ingénieux qu’Inge Lehmann, nous donnent les moyens d’explorer avec notre esprit des endroits que nous ne visiterons jamais en personne.

• Cet article est apparu pour la première fois dans le numéro 304 de BBC Focus