Éruption de Santorin : nouveau rebondissement dans la datation

Une vue de la caldera de Santorin, située en mer Égée. Elle provient d'une éruption de type plinien datant du II^e millénaire avant J.-C. qui projeta des pierres ponces et des cendres sur environ 60 m d'épaisseur autour du volcan, et jusqu'à 900 km au sud. Le volume de ponces qui fut éjecté lors de cette explosion est estimé à 30 km³. © Hartmut Inerle, Wikipédia, cc by sa 3.0

Depuis des décennies, on spécule sur l’importance de la fameuse éruption minoenne, celle associée à la formation de la caldera de Santorin, dans l’élaboration du mythe de l’Atlantide de Platon. On peut trouver des points communs entre la civilisation qui s'est développée en Crète et sur l’île de Santorin, dans le sud de la Grèce, de 2700 à 1200 avant J.-C. et celle que décrit le philosophe athénien dans le Timée et le Critias. De plus, le gigantesque tsunami qui a forcément accompagné l’éruption minoenne cadre bien avec la catastrophe décrite par Platon, l’engloutissement de l’Atlantide. Toutefois, il semble difficile d’établir une corrélation avec l’effondrement de la civilisation minoenne vers 1450 avant J.-C., en partie parce que les dates de deux événements ne semblent pas concorder.

On a beaucoup de mal à dater avec précision l’éruption minoenne, et les arguments et les rebondissements se succèdent d’année en année. Pour les archéologues, en se basant sur l’étude des poteries, l’éruption de Santorin se serait produite vers le milieu du XVI^e siècle avant J.-C. Mais il y a quelques années, des études basées sur des datations au carbone 14 et la dendrochronologie avaient conduit à penser que l’événement daterait plutôt du milieu du XVII^e siècle avant J.-C. Des cendres retrouvées dans des carottes glaciaires au Groenland semblaient également aller dans ce sens. Une éruption volcanique majeure se serait donc produite en 1642 avant J.-C. Cependant, des études ultérieures ont conduit à penser que les cendres retrouvées provenaient d’une autre éruption, celle du mont Aniakchak, en Alaska.

Vue aérienne de la falaise intérieure de la caldera de Santorin, avec ses couches de téphras caractéristiques et bien visibles. Une branche d’olivier trouvée sur cette falaise a été utilisée pour dater l’éruption minoenne. © Turi Humbel, WSL, université de Zurich

Une éruption minoenne dont la date est difficile à cerner

Le débat dure toujours et des publications récentes d’une équipe internationale de chercheurs sous la direction de l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) viennent de jeter un nouveau pavé dans la mare.

Des échantillons de bois d’olivier avaient été trouvés dans les cendres volcaniques de Santorin. Or, selon les chercheurs, les datations au carbone 14 de ces morceaux de bois sont problématique à plusieurs titres. Comme l’explique Paolo Cherubini, l’un des auteurs principaux des nouvelles études sur la datation de l’éruption minoenne, « examiner ce type de fragments de bois n’a de sens que si l’on peut prouver avec certitude que les arbres vivaient encore au moment de l’éruption. Or, dans le bassin méditerranéen, les vieux oliviers conservent souvent leurs branches mortes pendant plusieurs décennies ». De plus, les datations au carbone 14 pour les arbres s’appuient aussi sur des âges estimés à partir des cernes de croissance d’arbres vieux de plus de 4.000 ans.

Image et profil de densité du bois obtenus par imagerie neutronique. Sur cette section de branche d’un olivier qui pousse actuellement à Santorin, plusieurs fluctuations intra-annuelles de densité empêchent de distinguer clairement les cernes. © Cherubini et al., Plos One, 2013 ; photo : David Mannes, institut Paul Scherrer

Dendrochronologie incertaine

Malheureusement, comme le précise le chercheur, « dans les régions chaudes comme à Santorin, où les sécheresses estivales sont fréquentes et les hivers plutôt doux, les oliviers forment souvent des cernes très difficiles à distinguer. Ils présentent des fluctuations de la densité du bois à l’intérieur de certains cernes, et qui se forment surtout pendant les périodes de sécheresse ». Il en résulte que même des spécialistes peuvent se tromper pour attribuer une date à des fragments d’olivier.

Cette section de la branche d’un olivier qui pousse actuellement à Santorin comporte des cernes très difficiles à distinguer et à dater. © Turi Humbel, WSL, université de Zurich

Pour le prouver, Cherubini a fourni des morceaux de bois d’olivier poussant actuellement à Santorin à dix experts membres de cinq laboratoires dans le monde. Les résultats ont été spectaculaires. Le nombre de cernes évalués pouvait varier de plus de 44 % selon les estimations. Ainsi, un fragment d’olivier pouvait avoir un âge estimé à 72 ans par un groupe d’experts, alors que son âge réel était de 30 ans. Les repères chronologiques construits à partir des datations au carbone 14 combinés à la dendrochronologie étaient donc beaucoup trop imprécis pour pouvoir affirmer que l’éruption minoenne datait en réalité du XVII^e siècle avant notre ère, et pas du XVI^e siècle comme l’indiquait l’étude des céramiques.

Ce travail va certainement réjouir plus d’un archéologue, car l’éruption minoenne est un marqueur clé de l'archéologie de l’âge du bronze de la Méditerranée orientale. Elle fournit un point fixe pour aligner l'ensemble de la chronologie du deuxième millénaire avant notre ère dans la mer Égée. Les datations au carbone 14 étant en désaccord avec les dates archéologiques, elles avaient donc des implications importantes pour la chronologie acceptée des cultures de la Méditerranée orientale.

Record du monde de courant dans un supraconducteur du Cern

Le tube noir est le cryostat semi-flexible qui assurera le refroidissement des câbles MgB₂ du tunnel du LHC jusqu'à la surface où se trouveront les alimentations électriques des aimants supraconducteurs du HL-LHC. Ce cryostat mesure 20 m de long pour un diamètre d'environ 16 cm. © Cern

Pour découvrir des processus rares dans le monde de la physique des hautes énergies, il faut disposer de faisceaux de particules particulièrement intenses, donc avec une forte « luminosité », comme disent les physiciens. En augmentant le nombre de collisions par seconde, ils permettent de découvrir plus rapidement de nouvelles particules. Ainsi, une augmentation d’un facteur dix de la luminosité des faisceaux de protons du LHC permettrait de découvrir en une année au lieu de dix certains événements rares issus d’une physique au-delà du modèle standard.

Mais augmenter la luminosité de ces faisceaux, c’est aussi augmenter les rayonnements auxquels sont soumises les alimentations électriques des aimants supraconducteurs guidant les paquets de protons circulant dans le LHC. Pour bien faire, il faudrait éloigner ces alimentations des aimants. Cela permettrait aussi aux techniciens de pouvoir intervenir sans risque sur ces alimentations en cas de problème.

Une vidéo de présentation du Cern.© Cern, YouTube

Le LHC va redémarrer l’année prochaine et devrait rapidement atteindre son énergie et sa luminosité nominale. Mais déjà il est prévu à l’horizon des années 2020 d’en faire un High Luminosity LHC (HL-LHC) avec une luminosité amélioré d’un facteur 10. Ce sera peut-être nécessaire pour découvrir des traces de la supersymétrie.

Des câbles supraconducteurs pour le HL-LHC

Le HL-LHC est à l’étude depuis un moment déjà et les ingénieurs savaient que pour éloigner les alimentations électriques des aimants supraconducteurs, il fallait développer des longs câbles reliant les deux dispositifs. La section Supraconducteurs et Dispositifs supraconducteurs, au sein du groupe Aimants, Supraconducteurs et Cryostats du département Technologie du Cern, s’est alliée en 2008 avec le fabricant Columbus Superconductors, à Gênes, pour relever le défi.

En effet, les aimants du LHC consomment jusqu’à 1,5 million d’ampères et il était hors de question de les relier sur de longues distances à leurs alimentations électriques. Les câbles supraconducteurs au niobium-titane (Nb-Ti), déjà utilisés pour transférer le courant aux aimants, posant de trop gros problèmes de cryogénie avec de l’hélium liquide sur de longues distances, il a fallu innover.

La ligne de transmission électrique de 20 m contenant deux câbles constitués de MgB₂. Ce matériau existe depuis les années 1950, mais ses propriétés supraconductrices n’ont été découvertes qu’en 2001. © Cern

Une solution a été trouvée : des câbles supraconducteurs en diborure de magnésium (MgB2) ayant une température critique de 39 K. Ils permettent d'utiliser de l’hélium gazeux et même de l’hydrogène liquide à basses températures. En bonus, Le MgB₂ est nettement moins coûteux que les supraconducteurs niobium-titane.

Des lignes électriques supraconductrices refroidies à l'hydrogène liquide

Le Cern vient d’annoncer qu’il avait obtenu une preuve de principe de la pertinence de ce concept en réalisant tout d’abord deux câbles de 20 m de longueur en MgB₂. Refroidis de façon uniforme à 24 kelvins (environ -249 °C) avec un flux d’hélium gazeux, ces câbles ont transmis sans problème une intensité électrique de 20 kA. Il s’agit d’un record du monde pour un courant dans un supraconducteur.

La technologie mise au point par le Cern et la société Columbus Superconductors pourrait bien déborder le cadre de la recherche fondamentale. Selon le prix Nobel de physique Carlo Rubbia, avec ce genre de câbles, de longues lignes de transmission électrique souterraines refroidies à l’hydrogène liquide pourraient voir le jour.

Des matériaux hydrophobes plus forts que la feuille de lotus

La feuille de lotus est superhydrophobe. Les chercheurs ont voulu créer des surfaces qui repoussent à la fois l’eau et les huiles. © Thomas Brown, Flickr, cc by sa 2.0

Certaines structures biologiques repoussent l’eau, comme les feuilles de lotus ou les ailes de papillon. À l’échelle microscopique, ces surfaces ne sont pas lisses mais ont une texture rêche, ce qui permet de piéger de l’air sous une gouttelette de liquide. Des chercheurs de Singapour ont réussi à imiter en partie ce principe afin de créer des revêtements qui repoussent l’eau. Ils ont même fait mieux en leur permettant d'éloigner aussi les huiles. Leurs résultats paraissent dans le Journal of the American Chemical Society.

Un revêtement est dit superhydrophobe lorsque l’angle de contact avec l’eau est supérieur à 150°. C'est ce qu'on observe dans la nature sur les feuilles de lotus. Certaines surfaces, quant à elles, peuvent repousser efficacement les huiles. Lorsqu’un matériau repousse à la fois l'huile et l'eau, il est dit « omniphobe ». Ce sont de telles surfaces que les chercheurs ont essayé de mettre au point. Ces matériaux résistent aux taches ; ils restent secs et toujours propres, ce qui permet de nombreuses applications.

Une difficulté avec les huiles est qu'elles présentent une tension de surface moindre que l’eau et ont tendance à s’étaler. Les chercheurs ont utilisé ici un processus chimique simple pour fabriquer leurs interfaces omniphobes.

Sur cette image de microscopie électronique, on observe des microchampignons à la surface du revêtement créé par les chercheurs. De telles structures rendent ce matériau omniphobe : il repousse à la fois l’eau et les huiles. © Jia Min Chin, IMRE

Matériaux omniphobes avec des microchampignons en surface

La surface créée présente des cristaux métallo-organiques en forme de champignons. Pour arriver à ce résultat, les chercheurs ont utilisé des MOF (metal-organic frameworks), des structures organométalliques poreuses, qui connectent des ions métalliques dans des structures multidimensionnelles en utilisant des liens hydrocarbonés.

Tout d’abord, ils ont fabriqué des films avec un MOF en mélangeant un précurseur de MOF et une membrane d’oxyde d’aluminium ; les scientifiques ont appliqué des conditions de haute température et de haute pression, ce qui a conduit à la formation d’aiguilles alignées perpendiculairement des deux côtés de la membrane. Ensuite, ils ont courbé ces aiguilles pour rendre le matériau capable de repousser l’huile en mettant la membrane en suspension dans une solution aqueuse de précurseur du MOF.

Les revêtements omniphobes ainsi créés repoussent les huiles à longue chaîne. Pour Jia Min Chin, auteur de ces travaux, ce processus chimique produit des résultats auparavant limités à des équipements coûteux. « Notre but était de développer des techniques simples pour fabriquer des structures intéressantes accessibles aux scientifiques du monde entier. »