La plomberie d'un gâteau de couche de roche sédimentaire vieux de 90 millions d'années dans le Colorado, une équipe de scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison et de l'Université Northwestern a trouvé des preuves confirmant une théorie critique du comportement des planètes de notre système solaire sur leurs orbites autour du soleil.

La découverte, publié le 23 février 2017 dans la revue La nature , est important car il fournit la première preuve tangible de ce que les scientifiques appellent le "système solaire chaotique, " une théorie proposée en 1989 pour expliquer les petites variations des conditions actuelles du système solaire. Les variations, se déroulant sur plusieurs millions d'années, produisent de grands changements dans le climat de notre planète, des changements qui peuvent être reflétés dans les roches qui enregistrent l'histoire de la Terre.

La découverte promet non seulement une meilleure compréhension de la mécanique du système solaire, mais aussi un bâton de mesure plus précis pour le temps géologique. De plus, il offre une meilleure compréhension du lien entre les variations orbitales et le changement climatique aux échelles de temps géologiques.

À l'aide de preuves provenant de couches alternées de calcaire et de schiste déposées pendant des millions d'années dans une voie maritime nord-américaine peu profonde à l'époque où les dinosaures régnaient sur Terre, l'équipe dirigée par le professeur de géosciences UW-Madison Stephen Meyers et le professeur de sciences de la Terre et des planètes de la Northwestern University Brad Sageman ont découvert la signature vieille de 87 millions d'années d'une "transition de résonance" entre Mars et la Terre. Une transition de résonance est la conséquence de "l'effet papillon" dans la théorie du chaos. Il joue sur l'idée que de petits changements dans les conditions initiales d'un système non linéaire peuvent avoir des effets importants au fil du temps.

Dans le contexte du système solaire, le phénomène se produit lorsque deux corps en orbite se tirent périodiquement l'un sur l'autre, comme cela se produit lorsqu'une planète dans sa trajectoire autour du soleil passe à proximité relative d'une autre planète sur sa propre orbite. Ces petites mais régulières tiques sur l'orbite d'une planète peuvent exercer de grands changements sur l'emplacement et l'orientation d'une planète sur son axe par rapport au soleil et, par conséquent, modifier la quantité de rayonnement solaire qu'une planète reçoit sur une zone donnée. Où et combien de rayonnement solaire une planète reçoit-elle est un facteur clé du climat.

"L'impact des cycles astronomiques sur le climat peut être assez important, " explique Meyers, prenant comme exemple le rythme des périodes glaciaires de la Terre, qui ont été adaptés de manière fiable aux changements périodiques de la forme de l'orbite terrestre, et l'inclinaison de notre planète sur son axe. "La théorie astronomique permet une évaluation très détaillée des événements climatiques passés qui peuvent fournir un analogue pour le climat futur."

Pour trouver la signature d'une transition de résonance, Meyers, Sageman et Chao Ma, étudiant diplômé de l'UW-Madison, dont il s'agit du travail de thèse, se sont penchés sur les archives géologiques de ce qu'on appelle la formation de Niobrara au Colorado. La formation s'est déposée couche par couche sur des dizaines de millions d'années au fur et à mesure que les sédiments se sont déposés au fond d'une vaste voie maritime connue sous le nom de voie maritime intérieure occidentale du Crétacé. L'océan peu profond s'étendait de ce qui est maintenant l'océan Arctique au golfe du Mexique, séparant les parties est et ouest de l'Amérique du Nord.

"La formation de Niobrara présente une stratification rocheuse rythmique prononcée en raison de changements dans l'abondance relative d'argile et de carbonate de calcium, " note Meyers, une autorité en astrochronologie, qui utilise des cycles astronomiques pour mesurer le temps géologique. "La source de l'argile (déposée sous forme de schiste) provient de l'altération de la surface terrestre et de l'afflux d'argile dans la voie maritime via les rivières. La source du carbonate de calcium (calcaire) est la coquille des organismes, surtout microscopique, qui vivait dans la colonne d'eau."

Meyers explique que si le lien entre le changement climatique et la sédimentation peut être complexe, l'idée de base est simple :"Le changement climatique influence la livraison relative d'argile par rapport au carbonate de calcium, l'enregistrement du signal astronomique dans le processus. Par exemple, imaginez un état climatique très chaud et humide qui pompe de l'argile dans la voie maritime via les rivières, produire une roche ou un schiste riche en argile, alternant avec un climat plus sec et plus frais qui pompe moins d'argile dans la voie maritime et produit une roche ou un calcaire riche en carbonate de calcium."

La nouvelle étude a été financée par des subventions de la National Science Foundation. Il s'appuie sur un enregistrement stratigraphique méticuleux et d'importantes études astrochronologiques de la Formation de Niobrara, ce dernier réalisé dans le travail de thèse de Robert Locklair, un ancien élève de Sageman à Northwestern.

Datation de la transition de résonance Mars-Terre trouvée par Ma, Meyers et Sageman a été confirmé par datation radioisotopique, une méthode pour dater les âges absolus des roches en utilisant les taux connus de désintégration radioactive des éléments dans les roches. Dans les années récentes, des avancées majeures dans l'exactitude et la précision de la datation radioisotopique, conçu par le professeur de géosciences UW-Madison Bradley Singer et d'autres, ont été introduites et contribuent à la datation de la transition de résonance.

Les mouvements des planètes autour du soleil ont fait l'objet d'un intérêt scientifique profond depuis l'avènement de la théorie héliocentrique - l'idée que la Terre et les planètes tournent autour du soleil - au 16ème siècle. Dès le XVIIIe siècle, la vision dominante du système solaire était que les planètes tournaient autour du soleil comme sur des roulettes, ayant des orbites quasi-périodiques et hautement prévisibles. En 1988, cependant, les calculs numériques des planètes extérieures ont montré que l'orbite de Pluton était "chaotique" et l'idée d'un système solaire chaotique a été proposée en 1989 par l'astronome Jacques Laskar, maintenant à l'Observatoire de Paris.

Suite à la proposition de Laskar d'un système solaire chaotique, les scientifiques ont cherché sérieusement des preuves définitives qui soutiendraient l'idée, dit Meyers.

"D'autres études ont suggéré la présence de chaos sur la base de données géologiques, " dit Meyers. " Mais c'est la première preuve sans ambiguïté, rendu possible par la disponibilité de produits de haute qualité, les dates radio-isotopiques et le fort signal astronomique conservé dans les roches."