Un chauffage naturel sous nos pieds
Lorsque vous allumez un radiateur de 1000 watts lors d’une froide nuit d’hiver, le sol situé à des milliers de kilomètres sous vos pieds dissipe lui aussi de la chaleur en permanence. Si l’on répartissait uniformément l’ensemble de l’énergie thermique libérée par l’intérieur de la Terre sur toute sa surface, chaque mètre carré émettrait un flux continu d’énergie vers l’espace. Cette source de chaleur souterraine constitue le moteur fondamental de notre planète active, alimentant la tectonique des plaques et la géodynamo qui génère le champ magnétique terrestre.
Les géophysiciens estiment que la chaleur interne de la Terre provient principalement de deux sources : la chaleur primordiale héritée de la formation de la planète il y a 4,5 milliards d’années, et la chaleur radiogénique issue de la désintégration radioactive d’éléments tels que l’uranium, le thorium et le potassium au cœur du manteau. Sans cet apport thermique continu, l’intérieur de la Terre se serait refroidi et solidifié depuis longtemps, devenant un monde mort semblable à la Lune, privé de volcans, de séismes et de magnétosphère protectrice. La désintégration radioactive représente environ la moitié du bilan thermique interne de la Terre, soit l’équivalent de la puissance de dizaines de milliers de centrales nucléaires fonctionnant simultanément.
Traditionnellement, la géophysique s’appuie sur les ondes sismiques pour explorer les profondeurs terrestres. En mesurant les variations de vitesse des ondes sismiques à travers différents milieux, les chercheurs cartographient la densité et la rigidité du sous-sol, à la manière d’une échographie de la Terre. Cependant, les ondes sismiques sont incapables d’identifier la composition chimique. La quantité exacte d’uranium et de thorium contenue dans le manteau profond restait jusqu’ici impossible à quantifier avec précision.
Des « particules fantômes » capables de traverser la matière
L’outil permettant de franchir cet obstacle provient d’une particule microscopique étudiée à l’origine en astrophysique. Les neutrinos — des particules subatomiques d’une masse infime, sans charge électrique et n’interagissant presque pas avec la matière ordinaire, dont des milliers de milliards traversent votre corps chaque seconde — possèdent une capacité de pénétration phénoménale. Lorsque l’uranium et le thorium se désintègrent dans le manteau, ils émettent une catégorie spécifique de neutrinos : les géoneutrinos (des neutrinos libérés lors de la désintégration d’éléments radioactifs naturels tels que l’uranium, le thorium et le potassium au cœur de la planète).
Les géoneutrinos agissent comme des signatures chimiques directes émises depuis les profondeurs du manteau. Sans être arrêtés par les roches denses ou la croûte terrestre, ils traversent en ligne droite les 2900 kilomètres de manteau et de croûte pour s’échapper dans l’espace. En capturant ces particules à la surface, les scientifiques peuvent calculer directement la concentration réelle d’éléments radioactifs dans le sous-sol.
Comme l’explique Ryan Bayes, chercheur de l’expérience SNO+ à l’Université Queen’s, il s’agit de la seule étude sur les neutrinos axée spécifiquement sur la Terre elle-même, alors que les autres observatoires traquent des signaux venus des profondeurs du cosmos. Capturer ces particules fantômes offre à la géologie un instrument capable de mesurer directement la composition chimique interne du globe.
Une sphère géante à deux kilomètres sous terre
Détecter les géoneutrinos relève du défi extrême. Ces particules n’interagissant que très rarement avec la matière, la communauté scientifique internationale n’a capturé que quelques centaines de géoneutrinos au cours des dernières décennies, contre des centaines de milliers de neutrinos cosmiques ou solaires. Pour s’affranchir du bruit de fond des rayons cosmiques de surface, les détecteurs doivent être installés très profondément sous terre.
En novembre 2025, l’expérience SNO+, installée à 2 kilomètres de profondeur dans la mine Creighton près de Sudbury au Canada, a réussi à capturer des géoneutrinos. C’est la première fois que des signaux de neutrinos issus des profondeurs de la Terre sont enregistrés dans l’hémisphère ouest, apportant une cinquantaine d’événements précieux au registre mondial. Le détecteur SNO+ contient 780 tonnes de scintillateur liquide (un fluide chimique spécial émettant de très faibles étincelles lumineuses lors des collisions avec des particules de haute énergie), entouré de près de 10 000 tubes photomultiplicateurs ultra-sensibles fixés sur une paroi sphérique.
Afin d’éviter toute contamination par des impuretés de surface, la procédure d’accès au laboratoire souterrain est draconienne. Tout le personnel doit se doucher minutieusement et revêtir une combinaison étanche à la poussière. Le technicien du détecteur Matt Depatie rappelle souvent aux visiteurs que les douches répondent à une exigence scientifique stricte : la radioactivité d’une simple poussière apportée de la surface suffirait à fausser l’expérience. Auparavant, seules les expériences KamLAND au Japon et Borexino en Italie avaient réussi à capturer des géoneutrinos ; le succès de SNO+ marque une étape majeure pour le réseau mondial d’observation.
Photo : Des techniciens sous le détecteur sphérique géant à 2 km de profondeur dans l’expérience canadienne SNO+. Crédit : Leo Duquette / SNOLAB
Le puzzle hétérogène du manteau terrestre
Avec la publication des données de SNO+, la comparaison des résultats entre les trois observatoires mondiaux a révélé un phénomène inattendu. Borexino en Italie enregistre le flux de géoneutrinos le plus élevé, KamLAND au Japon le plus faible, tandis que les mesures de SNO+ au Canada se situent entre les deux.
Cette variation régionale remet en cause les modèles théoriques établis. Dans la vision traditionnelle, le manteau était considéré comme un fluide en convection constante et intense, où la circulation à long terme homogénéisait totalement la composition chimique. Or, les données démontrent de nettes disparités chimiques dans le manteau situé sous les différents continents.
Des analyses comparatives révèlent que les zones présentant un flux de géoneutrinos plus élevé correspondent dans l’ensemble à deux structures géantes situées à la base du manteau : les grandes provinces à faible vitesse de cisaillement (LLSVP, des blocs rocheux de taille continentale, extrêmement chauds et denses, situés à la frontière noyau-manteau). L’une se trouve sous le continent africain et l’autre sous l’océan Pacifique. Mark Chen, directeur de la collaboration SNO+, souligne qu’il s’agit peut-être de la première preuve directe d’une hétérogénéité chimique profonde du manteau, suggérant l’existence de structures enrichies en éléments encore mal comprises.
Photo : À l’intérieur du détecteur italien Borexino, des techniciens posent devant la paroi couverte de tubes photomultiplicateurs. Crédit : Volker Steger / LNGS-INFN
L’« ère haute définition » du géant de Jiangmen en Chine
Au cours des vingt dernières années, l’ensemble des détecteurs du globe n’a accumulé que quelques centaines de géoneutrinos — l’équivalent d’une faible lampe de poche éclairant une vaste caverne souterraine. Pour cartographier précisément la distribution de la chaleur radiogénique du manteau, des instruments plus grands et plus sensibles sont indispensables.
Cette percée est portée par l’Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), situé à Kaiping dans la province du Guangdong en Chine. Fort de 20 000 tonnes de scintillateur liquide, JUNO est entré en service en août 2025 et prévoit de publier ses premiers résultats de flux au cours de l’année 2026. Sa taille monumentale permettra de capturer, en une seule année de fonctionnement, davantage de géoneutrinos que l’ensemble des détecteurs mondiaux sur plusieurs décennies.
William McDonough, géochimiste à l’Université du Maryland et chercheur invité à l’Académie chinoise des sciences, indique que la masse de données de JUNO permettra enfin d’élaborer une véritable carte chimique en 3D de l’intérieur de la Terre. Les scientifiques envisagent même de déployer à l’avenir des détecteurs à plusieurs milliers de mètres sous les océans afin de s’affranchir de la croûte continentale et de mesurer directement les neutrinos émis par le manteau.
Photo : À l’intérieur du détecteur chinois JUNO, dont la paroi sphérique est couverte de photomultiplicateurs dorés. Crédit : JUNO Collaboration / Quanta Magazine
Écouter le véritable pouls des profondeurs de la Terre
La maturation de la détection des géoneutrinos fait passer l’étude du manteau (à 2900 km de profondeur) de la déduction indirecte à la mesure géochimique directe. Si l’humanité devait autrefois se fier aux réfractions sismiques pour deviner la structure interne, elle peut désormais déchiffrer le code élémentaire du manteau grâce à ces particules fantômes traversant la croûte terrestre.
La chaleur de désintégration de l’uranium et du thorium dans le manteau détermine la vitesse de refroidissement interne du globe et régit l’évolution de la dérive des continents et du bouclier magnétique. Cartographier le flux de géoneutrinos permet de redécouvrir la source d’énergie qui anime notre planète.
À mesure que les données de particules affluent vers le réseau mondial d’observation, une carte chimique souterraine complète se dessine. En se tenant à la surface de la Terre, l’humanité tient désormais entre ses mains la clé de son histoire la plus profonde grâce à la trajectoire de ces particules microscopiques.
Liens de référence :
- Reportage de Quanta Magazine
- Rapport de recherche de la collaboration SNO+
- Données publiées par la collaboration JUNO
