Datation au carbone 14 : le principe, et ses limites

Au fond de la grotte Chauvet, des charbons de bois tombés de torches préhistoriques ont permis d’affirmer que des humains sont passés là il y a 37 000 ans. Aucun témoin, aucun document : seulement un atome rare qui se désintègre à un rythme connu, et des appareils capables de le compter un par un. Voici le mécanisme de cette horloge, jusqu’où elle remonte, et les deux ou trois choses qu’elle ne sait pas faire.

Un atome rare, fabriqué en permanence au-dessus de nos têtes

Le carbone qui nous entoure est presque entièrement du carbone 12 : six protons et six neutrons dans le noyau. Mais dans la haute atmosphère, une petite fabrique tourne sans arrêt. Les rayons cosmiques qui percutent l’air y libèrent des neutrons, lesquels frappent des noyaux d’azote et les transforment en noyaux de carbone à huit neutrons : le carbone 14. Chimiquement, c’est du carbone comme un autre, logé dans la même case du tableau périodique des éléments ; la différence est dans le noyau, qui n’est pas stable.

Il est rarissime : le CEA rappelle qu’il existe 1 atome de carbone 14 pour 1 000 milliards d’atomes de carbone 12. Ce carbone 14 s’oxyde en gaz carbonique, se mélange à l’atmosphère, passe dans les plantes puis dans les animaux qui les mangent : tout être vivant contient donc la même proportion infime de carbone 14 que l’air du moment. Ce flux cosmique n’est pas constant pour autant : il dépend en partie de l’activité du Soleil, celle-là même qui nous vaut les aurores boréales — et c’est ce qui compliquera la lecture du résultat.

L’horloge se déclenche à la mort de l’organisme

Tant qu’un organisme vit, il renouvelle son carbone et reste calé sur l’atmosphère. À sa mort, les échanges s’arrêtent net : le stock de carbone 14 n’est plus réapprovisionné et ne fait que décroître, chaque noyau se désintégrant en azote 14 — ce comportement spontané du noyau qu’on ne soupçonnait pas avant Marie Curie.

Cette décroissance suit un rythme remarquablement régulier. La demi-vie, ou période radioactive, du carbone 14 est de 5 730 ans : au bout de ce temps, la moitié des atomes a disparu. Le laboratoire de mesure du carbone 14 de Saclay le décline simplement : après 11 460 ans, soit deux périodes, il n’en reste qu’un quart. Mesurer ce qui subsiste revient à lire l’heure sur ce cadran.

C’est aussi ce qui fixe la limite de la méthode. Au bout de quatre ou cinq périodes, le signal devient trop faible pour être distingué du bruit : on date jusqu’à 50 000 ans environ, pas davantage. Un os de dinosaure n’en contient plus un atome exploitable : à ces échelles, d’autres couples d’isotopes prennent le relais.

Attendre les désintégrations, ou compter les atomes

La méthode a été mise au point par le chimiste américain Willard Libby à la fin des années 1940, travaux qui lui ont valu le prix Nobel de chimie en 1960, rappelle le service d’archéométrie de l’Institut français d’archéologie orientale. À l’origine, on guettait les désintégrations avec un compteur : il fallait plusieurs grammes de matière, et de la patience.

Les laboratoires comptent aujourd’hui les atomes directement, par spectrométrie de masse couplée à un accélérateur de particules — celui du LMC14, à Saclay, s’appelle Artemis. Quelques microgrammes suffisent, ce qui change tout : un éclat de charbon, un fil de tissu, une graine carbonisée se mesurent sans mutiler l’objet, après avoir été débarrassés de leurs contaminants, brûlés, puis réduits en graphite.

Pourquoi un âge brut n’est pas encore une date

Le chiffre qui sort de l’accélérateur n’est pas une année du calendrier. La quantité de carbone 14 dans l’atmosphère ayant varié au cours des millénaires, l’âge brut doit être traduit à l’aide d’une courbe de calibration internationale, bâtie sur des archives datées par ailleurs — les cernes des arbres en premier lieu. L’IFAO précise que les résultats sont donnés avec une probabilité de 95,4 % : une datation honnête s’écrit comme un intervalle, jamais comme une année unique. C’est aussi pourquoi on multiplie les mesures sur un même site. Pour la grotte Chauvet, le CEA indique que plus de 350 datations, toutes méthodes confondues, ont été nécessaires pour dégager les deux périodes de fréquentation humaine.

Reste l’erreur classique, qui n’est pas dans la physique mais dans l’objet. Le carbone 14 ne date que de la matière organique : il ne dira rien d’une lame de silex ni d’un pigment minéral. Et il date la mort de l’organisme, pas la fabrication : un bois de récupération donne un âge plus vieux que le meuble. La question à se poser avant d’envoyer un échantillon n’est donc pas « quel âge a cet objet », mais « de quel être vivant provient ce carbone, et quand est-il mort ».