Le 17 décembre 1908, Willard Frank Libby est né dans une ferme de Grand Valley, dans le Colorado. Libby, un physico-chimiste, a remporté le prix Nobel de chimie de 1960External pour son développement de la technique connue sous le nom de datation au radiocarbone. Cette technique utilise la désintégration d’un isotope instable du carbone, le carbone 14 radioactif (C14), pour déterminer l’âge des matériaux organiques – tout ce qui est composé de matière autrefois vivante. Les éléments datables au carbone, dont l’âge varie généralement de quelques centaines à 60 000 ans, peuvent être aussi variés que la semelle d’une sandale ancienne, des carottes de glace glaciaire, les manuscrits de la mer Morte ou les momies de la tombe d’un pharaon égyptien. La datation au radiocarbone a eu un impact si profond sur de nombreuses branches des sciences humaines – y compris l’archéologie, la géologie, l’histoire, la géophysique et la préservation – que sa découverte a été appelée « la révolution du radiocarbone ».
Dans les années 1940, les chercheurs savaient déjà que lorsque le rayonnement cosmique pénètre dans la haute atmosphère terrestre, il entre en collision avec les gaz qui y sont présents pour produire des pluies de neutrons. Ils savaient également que quelques-uns de ces neutrons flottant librement sont à leur tour absorbés par des atomes d’azote, qui se transforment alors en C14 (l’isotope le plus courant est le carbone 12). Le C14 est instable et se désintégrera à nouveau en azote avec le temps – l’émission de particules bêta au cours de cette seconde transformation est le processus qui le rend radioactif.
L’exploit de Libby a été de reconnaître que le C14 passe de l’atmosphère à la biosphère par une série d’étapes supplémentaires :
- le C14 nouvellement produit s’oxyde pour former du dioxyde de carbone (CO2), un composant commun de l’atmosphère;
- les plantes absorbent les molécules de dioxyde de carbone par photosynthèse, convertissant les atomes de carbone en sucre tout en libérant l’oxygène dans l’air;
- les plantes, directement ou indirectement, sont digérées par tous les organismes vivants.
Donc, concluait Libby, tous les organismes vivants contiennent une petite quantité de C14. Mais il a également reconnu que l’absorption de carbone cesse lorsqu’un organisme meurt. Comme le C14 se désintègre avec le temps, les éléments organiques qui ne sont plus vivants contiennent des pourcentages de C14 de plus en plus faibles à mesure qu’ils vieillissent. Libby a pu comparer la quantité de C14 restant dans un élément à la quantité initialement trouvée dans l’atmosphère pour déterminer l’âge de cet élément.
Dans les années 1950, Libby et d’autres ont construit des compteurs Geiger de plus en plus sensibles pour mesurer la radioactivité des objets organiques. Les calculs d’âge étaient basés sur la demi-vie du C14 : après 5 730 ans, environ 50 % de la quantité initiale de C14 sera encore présente dans un objet. Parmi les objets que Libby a testés et datés avec succès figurent des excréments de paresseux préhistoriques, du charbon de bois provenant de Stonehenge et les enveloppes de parchemin des manuscrits de la mer Morte. Libby a pu vérifier davantage sa théorie en effectuant des tests au radiocarbone sur des objets dont la date était déjà connue par d’autres sources.
Willard Libby a reçu un doctorat en chimie de l’Université de Californie, Berkeley, en 1933 et y est resté pour enseigner jusqu’à ce qu’il rejoigne le Projet Manhattan lorsque les États-Unis sont entrés dans la Seconde Guerre mondiale. Après la guerre, Libby est devenu professeur de chimie à l’université de Chicago, où il a mené ses recherches révolutionnaires ; son livre Radiocarbon Dating a été publié en 1952. Libby a été nommé par le président Dwight Eisenhower à la Commission de l’énergie atomique en 1954. Peu avant de remporter le prix Nobel, il retourna à l’enseignement et à la recherche à l’UCLA ; il mourut en 1980.
Avec des recherches supplémentaires, les scientifiques ont continué à affiner les techniques de datation au radiocarbone. En réalité, les niveaux de C14 dans l’atmosphère ont été similaires, mais pas totalement constants, au fil du temps. Les changements dans les champs magnétiques de la terre et du soleil peuvent affecter l’intensité du rayonnement cosmique, tandis que les niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère fluctuent également de manière naturelle ou en raison de la combustion de combustibles fossiles. Les essais d’armes nucléaires effectués dans les années 1950 et au début des années 1960 ont porté la quantité de C14 dans l’atmosphère à un niveau presque deux fois supérieur à son niveau naturel. Pour tenir compte de ces fluctuations, des courbes d’étalonnage basées sur la dendrochronologie (datation des cernes des arbres) ont été créées, remontant à des milliers d’années.
Développée dans les années 1980, la spectrométrie de masse par accélérateur externe (AMS) est une méthode qui sépare les atomes d’un échantillon de carbone par poids atomique. Cela signifie que le pourcentage de C14 dans un échantillon peut être mesuré directement, plutôt que sur la base de la désintégration radioactive. L’AMS permet de mesurer de très petits échantillons, ce qui permet de dater des objets de musée et de bibliothèque sans les détruire.