En 2022, un article du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) relatait l'histoire d'une saisie de plusieurs toiles prétendument de deux artistes de la fin du XIXe et du début du XXe siècle, peintures qu'il convenait donc d'authentifier. Un fait courant pour le marché de l'art, certes, mais passionnant sur le plan scientifique. La supercherie ne fut pas mise en évidence à l'aide des techniques « classiques » d'authentification dans ce domaine, notamment la radiographie X, l'imagerie multispectrale et l'analyse chimique. C'est là que la datation au carbone 14 entre en jeu, une méthode qui repose sur les propriétés d'un isotope particulier du carbone.
Le principe de la datation au carbone 14
Le carbone 14 est une variété particulière de carbone utilisée pour dater des échantillons anciens, notamment pour l’archéologie. Le principe de la datation au carbone 14 est simple : on mesure la proportion de carbone 14 dans l’échantillon à dater, et on en déduit son âge.
Comme tous les éléments chimiques, le carbone existe sous différentes variantes, qu’on appelle des isotopes. L’isotope le plus courant du carbone s’appelle le carbone 12, et c’est à lui qu’on pense quand on parle du carbone sans plus de précision. À l’état naturel, on ne rencontre sur Terre que trois isotopes du carbone : le carbone 12, qui en constitue 99%, suivi du carbone 13 pour 1%, le carbone 14 étant présent seulement à l’état de traces. Ces quantités très différentes s’expliquent par la stabilité des différents isotopes. Le carbone 12 et le carbone 13 sont stables, ce qui signifie qu’ils resteront du carbone 12 et 13 aussi longtemps qu’on les observera.
Le cycle du carbone 14 : production, répartition et désintégration
Le commencement de ce cycle est la production de carbone 14 dans la haute atmosphère par l’action du rayonnement cosmique en provenance du Soleil sur l’azote. Cette réaction nucléaire est l’inverse de celle de la désintégration. Ensuite, le carbone 14 ainsi produit se répartit sur Terre, en se mêlant au cycle du carbone, dont la description serait bien trop vaste pour cet article. Ce cycle inclut par exemple l’intégration du carbone dans les plantes via le dioxyde de carbone, puis l’ingestion de plantes par des animaux, la vie de ces animaux, puis leur mort et l’intégration de leur carbone au sol ou retour de celui-ci dans l’atmosphère. Enfin, au fur et à mesure, le carbone 14 disparaît par désintégration radioactive. Une fois désintégré, le carbone 14 est devenu de l’azote.
Les trois grandes étapes du cycle du carbone 14 sont sa production, sa répartition et sa désintégration, qu’il faut donc connaître pour être capable d’utiliser le carbone 14 comme moyen de datation précis. La désintégration est bien connue, c’est ce que nous présentons dans la section suivante.
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La désintégration radioactive du carbone 14
Puisqu’il se transforme spontanément en azote, le carbone 14 dans un échantillon a tendance à disparaître, lentement mais sûrement… sauf s’il est renouvelé au cours du cycle du carbone. Cette désintégration est une réaction nucléaire au cours de laquelle le carbone 14 se transforme en azote et émet une radiation particulière : on dit que le carbone 14 est radioactif.
S’assurer que l’échantillon a été isolé pendant des centaines, voire des milliers d’années n’est pas évident du tout. L’isolement de l’échantillon est une hypothèse très importante, puisque autrement il est impossible d’utiliser correctement les lois régissant la décroissance radioactive. La vitesse de la décroissance radioactive dépend de l’atome radioactif considéré. Comme pour tous les éléments radioactifs, la vitesse de décroissance du carbone 14 est mesurée à l’aide de la demie-vie.
Le rapport isotopique C14/C12
On s’intéresse en général plutôt à la quantité de carbone 14 relativement à tout le carbone présent dans un échantillon qu’à la quantité absolue de carbone 14. En effet, la quantité absolue de carbone 14 dépend de la taille de l’échantillon et de la quantité de carbone par rapport aux autres éléments. Exprimer les quantités en pourcentage permet de s’abstraire de toutes ces relations de proportionnalité. On peut même se contenter du rapport des quantités de carbone 14 par rapport au carbone 12, ce qu’on appelle le rapport isotopique C14/C12.
En effet, si on connaît la concentration de carbone 14 initialement présente dans l’échantillon, on peut voir depuis quand cet échantillon a été isolé : il suffit de se placer à la quantité correspondante en ordonnée, puis de lire la date en abscisse.
La nécessité de la calibration
Les valeurs du rapport isotopique C14/C12 des dernières décennies sont connues. On pourrait penser que ce rapport était relativement constant avant d’être bouleversé par les humains, mais ce n’est pas le cas. Il a donc fallu se rendre à l’évidence que la concentration entre carbone 14 de l’atmosphère varie sensiblement au cours du temps, et qu’il faut prendre cela en compte pour obtenir une datation précise.
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Il n’est malheureusement pas possible de déterminer précisément l’activité solaire et les flux de carbone dans le passé. On procède donc indirectement, en cherchant la correspondance entre des datations carbones « conventionnelles », établies par rapport à une concentration standard (celle de 1950) et des datations obtenues par d’autres moyens.
Les courbes de calibration IntCal
Plusieurs études ont permis de collecter des données en différents endroits du globe. Les données de calibration de référence sont celles dites « IntCal » (la dernière version étant IntCal20) qui compilent différentes études, en particulier des arbres de l’hémisphère Nord. Ces études se basent sur la dendrochronologie, c’est-à-dire dire l’estimation de l’âge des arbres à partir de leurs cernes de croissance. À la fin, on obtient une courbe où, pour chaque datation au carbone 14, on peut déduire la vraie datation.
Comme la courbe de calibration (ligne bleue) est dessous la bissectrice (ligne orange), cela signifie que la datation au carbone non calibrée est systématiquement plus vieille que l’âge véritable obtenu par calibration.
Méthodes de mesure du carbone 14
Pour effectuer une datation au carbone 14, la première étape est de se doter d’un échantillon. Une fois cela fait, il s’agit de mesurer la proportion de carbone 14 dans cet échantillon et surtout la marge d’erreur associée. Pour mesurer cette proportion, il existe deux techniques principales. La première consiste à mesurer la radioactivité de l’échantillon, mais c’est une technique longue, relativement imprécise et qui nécessite un échantillon assez gros. La deuxième consiste à utiliser un spectromètre de masse ; c’est une technique très précise et rapide, qui permet aussi d’utiliser de très petits échantillons.
Interprétation des résultats calibrés
Pour obtenir l’âge calibré à partir de l’âge non calibré, il faut se servir de la courbe de calibration. Le zigzag vert au milieu est la courbe de calibration avec les marges d’erreur. Ensuite, on a une jolie gaussienne sur l’axe des ordonnées, qui correspond à la datation carbone non calibrée avec les marges d’erreurs. Enfin, on a une courbe toute cabossée sur l’axe des abscisses. C’est le résultat de la calibration ! On voit que l’interprétation des datations peut être délicate, avec des traitements statistiques à effectuer et des plages d’incertitudes biscornues.
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Précautions et limites de la datation au carbone 14
Au-delà des considérations de cet article, de nombreux écueils existent en pratique. En effet, on ne date que le moment à partir duquel le carbone a cessé de se renouveler dans l’échantillon. Dans un contexte archéologique, par exemple, cela peut conduire à des interprétations fausses sans autres précautions. Par exemple, on peut vouloir dater une construction ancienne en bois, mais on date en fait la date à laquelle le bois a été coupé.
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