La Terre a-t-elle eu des anneaux ? Le mystère du halo d’astéroïdes de l’Ordovicien

En septembre 2024, une équipe de l’université Monash a proposé que la Terre ait possédé, au cours de l’Ordovicien, il y a environ 466 millions d’années, un système d’anneaux semblable à celui de Saturne. Voici ce que les preuves montrent, et ce qu’elles ne montrent pas.

Dans la carrière de Thorsberg, au milieu des terres agricoles doucement vallonnées du sud de la Suède, des tailleurs de pierre travaillent depuis plus d’un siècle la même dalle de calcaire rose vieux de 470 millions d’années. Ils fendent la roche pour en faire des carreaux de sol. Parfois, ils trouvent une météorite, prise dans la dalle comme l’empreinte d’un pouce dans l’argile : aplatie, altérée, plus petite qu’un poing. En vingt ans, les carriers en ont extrait plus d’une centaine du calcaire de Komstad et les ont remises à Birger Schmitz, géologue à l’université de Lund, qui a consacré sa carrière aux météorites fossiles de l’Ordovicien.

Schmitz dissout les roches dans l’acide. Ce qui survit, c’est la chromite, un oxyde de fer et de chrome presque indestructible, l’émail dentaire du cosmos. Au microscope, chaque grain luit d’un rouge terne, couleur de bronze à canon. La chimie de la chromite lui raconte, encore et encore, la même histoire : de la chondrite L ordinaire. Une classe de météorites courante, crasseuse, pauvre en fer, qui représente aujourd’hui environ un tiers des chutes. Mais dans le calcaire déposé à l’Ordovicien moyen, la chromite de chondrite L est de deux à trois ordres de grandeur plus abondante que dans toute autre roche de la Terre.

Depuis trente ans, Schmitz et ses collègues soutiennent qu’il s’agit de la signature chimique d’une unique catastrophe survenue dans la ceinture d’astéroïdes. Leur article de 2019 dans Science Advances le formule sans détour : « la désintégration du corps parent des chondrites L (LCPB ; diamètre, ~150 km) dans la ceinture d’astéroïdes, la plus importante désintégration documentée au cours des 3 derniers milliards d’années ». Les âges d’exposition aux rayons cosmiques des météorites suédoises, mesurés atome par atome par Philipp Heck, Matthias Meier et leurs collègues, se regroupent autour de quelques centaines de milliers d’années seulement. C’est extraordinairement court pour des débris de la ceinture d’astéroïdes. Aujourd’hui, les fragments passent généralement des dizaines de millions d’années à dériver dans le système solaire interne, à absorber des rayons cosmiques, avant de finir par tomber. Ces roches, elles, sont tombées presque à l’instant où elles ont été libérées.

Cette anomalie traîne dans la littérature scientifique, comme une démangeaison discrète, depuis une génération.

En septembre 2024, un autre géologue a proposé un autre coupable. Andrew Tomkins, planétologue et pétrologue à l’université Monash de Melbourne, retournait en tous sens une question qui refusait de se tenir tranquille. Pourquoi, lorsqu’il reportait les cratères de l’Ordovicien sur un globe reconstitué d’après la position des continents à cette époque, chacun d’eux se trouvait-il sur l’équateur ou à proximité ?

Tomkins, avec Erin Martin et Peter Cawood, tous trois de la School of Earth, Atmosphere and Environment de Monash, a publié la réponse dans Earth and Planetary Science Letters, volume 646, article 118991, en ligne le 12 septembre 2024. L’article compte quinze pages, quatre figures et un tableau supplémentaire. Il soutient, avec la prudente syntaxe de ceux qui savent qu’ils avancent quelque chose d’extraordinaire, que le corps parent des chondrites L n’avait pas besoin d’être réduit en poussière par un impact lointain dans la ceinture d’astéroïdes. Il lui suffisait de dériver, une seule fois, trop près de la Terre.

Et alors la Terre a porté, brièvement, des anneaux.

L’anomalie : 21 cratères, un seul équateur

L’affaire commence par une liste.

Tomkins, Martin et Cawood ont recensé toutes les structures d’impact terrestres confirmées dont l’âge recoupe ce qu’on appelle le pic d’impacts de l’Ordovicien : cette période d’environ 40 millions d’années, approximativement entre 466 et 425 millions d’années avant le présent, durant laquelle le nombre de cratères et la quantité de chromite météoritique dans les calcaires marins augmentent tous deux d’un à deux ordres de grandeur. La liste est courte et bien connue du petit cercle des stratigraphes de l’impact : 21 structures réparties sur quatre anciens continents.

Dans ce qui est aujourd’hui la Suède, le cratère de Lockne, vieux de 458 millions d’années, un impact marin préservé sous la forêt boréale du Jämtland, où le socle cristallin dénudé et une bordure d’éjectas de 50 mètres reposent sur l’ancienne pénéplaine, et son compagnon Målingen, avec lequel il forme le doublet Lockne–Målingen. Ailleurs en Suède, Tvären dans le Södermanland, Hummeln dans le Småland et Granby dans l’Uppland. De l’autre côté de la Baltique, en Estonie, Kärdla. En Ukraine, Ilyinets. De l’autre côté de l’Atlantique, le Canada en offre sept : Brent en Ontario, les îles Slate dans le lac Supérieur, Charlevoix, East Clearwater, Tunnunik, Pilot, La Moinerie. L’intérieur des États-Unis apporte Decorah dans l’Iowa, Rock Elm dans le Wisconsin, Calvin dans le Michigan, Glasford dans l’Illinois et Ames dans l’Oklahoma. Et dans l’outback australien, Lawn Hill.

Voilà l’inventaire complet. La tectonique des plaques a bousculé ces lieux pendant un demi-milliard d’années ; aujourd’hui, ils s’éparpillent dans tout l’hémisphère Nord, de Stockholm à la Saskatchewan, plus un cas isolé dans le Queensland. Mais la roche sous chaque cratère garde en mémoire l’endroit où elle se trouvait lorsque le ciel s’est abattu.

L’équipe de Monash a soumis chaque site à six reconstitutions indépendantes de la tectonique des plaques, dont le modèle MER21, afin de retrouver les paléolatitudes au moment de l’impact. Les 21 cratères, quel que soit le modèle, se situent à moins de 30 degrés de l’équateur de l’Ordovicien. La plupart se regroupent à moins de 20 degrés.

La question évidente est de savoir si ce schéma ne reflète pas simplement l’endroit où la roche a survécu. La croûte continentale n’est pas répartie symétriquement selon la latitude, et l’on ne peut pas trouver de cratère sur un plancher océanique subduit depuis longtemps. Tomkins et Martin ont construit, à l’aide d’un système d’information géographique (SIG), un inventaire de tous les cratons stables plus anciens que l’Ordovicien moyen (le Yilgarn, le craton ouest-africain, le craton des Esclaves, Baltica, une partie de la plate-forme sibérienne), en excluant les terrains ensuite enfouis sous des sédiments, rabotés par les glaces, érodés ou déformés par la tectonique. Ce qui restait, ont-ils raisonné, c’était la surface où un cratère pouvait encore être lu.

Environ 70 % de cette surface se trouvait en dehors de la ceinture équatoriale. Environ 30 % se situait à moins de 30 degrés de l’équateur. Si les impacts d’astéroïdes de l’Ordovicien étaient tirés au hasard dans n’importe quelle direction de l’espace, comme c’est le cas aujourd’hui, comme on le voit sur la Lune, sur Mercure, sur Mars, alors les cratères devraient se répartir partout où se trouve la croûte susceptible d’être préservée. Ils devraient être plus de deux fois plus fréquents aux latitudes élevées que près de l’équateur.

Aucun ne s’y trouve.

L’équipe de Monash a réalisé un test binomial. La probabilité de tirer 21 cratères successifs qui se retrouvent tous dans la bande équatoriale de 30 % ressort à environ 4 × 10⁻⁸. Dans leur résumé pour la réunion 2025 de la Meteoritical Society, les auteurs reformulent le résultat en termes simples : « Notre calcul de probabilité binomiale indique qu’il est très improbable que la distribution observée des cratères ait été produite par des bolides sur des orbites provenant directement de la ceinture d’astéroïdes (de façon prudente, la probabilité est de 1 sur 25 millions). »

Tomkins, s’exprimant auprès de Taylor Nicioli, de CNN, en novembre 2024, a été plus direct encore. « Il est statistiquement inhabituel d’obtenir 21 cratères tous relativement proches de l’équateur. Cela ne devrait pas arriver. Ils devraient être répartis au hasard. » Il affectionne l’analogie d’une pièce à trois faces : imaginez qu’une telle chose existe ; la probabilité d’obtenir 21 fois de suite le côté pile est celle de voir cette distribution de cratères se produire par hasard.

Tomkins, qui écrivait en son nom dans The Conversation le 16 septembre 2024, s’est montré prudent mais direct :

« Dans des circonstances normales, les astéroïdes qui frappent la Terre peuvent la toucher à n’importe quelle latitude, au hasard, comme on le voit avec les cratères de la Lune, de Mars et de Mercure. Il est donc extrêmement improbable que les 21 cratères de cette période se soient formés près de l’équateur s’ils n’avaient aucun lien entre eux. »

Il reste un autre point en suspens. Dans un article de 2022 paru dans Earth and Planetary Science Letters, Anthony Lagain et ses collègues ont comparé les archives de cratères d’impact de la Terre, de la Lune et de Mars sur les 600 derniers millions d’années. Ils n’ont trouvé le pic de l’Ordovicien que sur la Terre. Comme ils l’écrivent : « L’absence d’un tel signal dans les archives de cratérisation lunaires et martiennes soulève des questions sur l’augmentation qualitative observée sur la Terre. » Pour Lagain lui-même, l’anomalie propre à la Terre est un biais de préservation — les cratères équatoriaux de l’Ordovicien se trouvent mieux conservés que les cratères polaires, ce qui fausse les archives. Tomkins inverse l’interprétation : non pas un biais de préservation, mais un véritable anneau. Quelle que soit la cause du pic de l’Ordovicien, elle n’a pas criblé le système solaire interne. Elle n’a harcelé que notre planète.

C’est le crochet empirique auquel est suspendue toute l’hypothèse des anneaux. Tout le reste de l’article est une tentative d’expliquer cette probabilité.

Le pic de chondrites L et un mystère discret dans le calcaire suédois

La liste des cratères est l’une des deux anomalies sur lesquelles repose l’article de Monash. L’autre, c’est la chromite.

À la fin des années 1980, Schmitz et ses collègues de Lund ont commencé à remarquer des météorites fossiles dans le calcaire de Komstad, à Kinnekulle et à Thorsberg. Ils se sont mis à les chercher de façon systématique, dissolvant des kilogrammes et des kilogrammes de cette même pierre rose dans de l’acide chlorhydrique et de l’acide fluorhydrique. Le carbonate a disparu. Ce qui est resté, tamisé dans le résidu, c’étaient des grains de chromite. Chacun était un rescapé, de la taille d’un grain de sable, du projectile qui s’était vaporisé à l’impact dans un bassin marin situé à un tiers du tour de l’océan Iapétus.

La chimie était singulière. La chromite des chondrites L présente un rapport caractéristique entre le titane, le vanadium, le magnésium et le zinc, distinct de celui de la chromite produite dans le manteau terrestre ou dans les autres classes de météorites. En 2003, Schmitz pouvait montrer que le calcaire suédois déposé il y a environ 466 à 467 millions d’années contenait de 100 à 1 000 fois plus de chromite de chondrite L par kilogramme que les carbonates marins plus récents. Le flux de poussière extraterrestre vers la Terre avait bondi, s’était maintenu, puis avait très lentement décliné.

En 2017, Anders Lindskog et ses collègues de Lund ont resserré la chronologie. La datation uranium-plomb de haute précision de zircons d’un lit de cendres situé dans l’intervalle contenant les météorites a donné 467,50 ± 0,28 Ma ; combinée aux âges d’exposition aux rayons cosmiques des météorites elles-mêmes, elle leur a permis de dater la fragmentation du corps parent des chondrites L à 468,0 ± 0,3 millions d’années. Une réanalyse de 2020 par Shiyong Liao et ses collègues, fondée sur de nouveaux profils d’hélium 3 et sur des datations supplémentaires de zircons, a révisé la date de la fragmentation à la baisse, à 465,76 ± 0,30 Ma. L’article de Tomkins adopte la valeur de Liao. L’écart de deux à trois millions d’années entre les chronologies de Lindskog et de Liao fait l’objet d’un débat toujours ouvert en géochronologie de l’Ordovicien moyen ; ce n’est pas une chronologie établie.

Dans le schéma établi, la source était une collision dans la ceinture d’astéroïdes : un corps parent d’environ 150 kilomètres, éventré par un autre astéroïde, dispersant des fragments sur des orbites chaotiques d’où ils ont peu à peu fui vers le système solaire interne. C’est le modèle que Schmitz et ses collaborateurs (dont Heck, Meier, Alwmark, Bottke et d’autres) affinent depuis vingt ans. Les âges d’exposition aux rayons cosmiques très courts des météorites fossiles, de quelques centaines de milliers d’années à environ un million d’années seulement, ont été interprétés comme le signe que la Terre avait reçu les premières retombées, avant que les fragments aient eu le temps d’errer.

Tomkins respecte tout cela. Il soutient seulement que le lieu de la collision est erroné.

Si un corps se fragmentait dans la ceinture principale, ses fragments arriveraient sur Terre sur des orbites héliocentriques inclinées par rapport à l’écliptique dans une fourchette à peu près identique à celle du corps parent. Certains arriveraient sur des trajectoires très inclinées, d’autres peu inclinées, mais en entrant dans le puits gravitationnel de la Terre, leurs inclinaisons deviennent aléatoires. Les débris de la ceinture d’astéroïdes frappent la Terre, la Lune et Mars sans préférence de latitude. Les archives de cratères lunaires le confirment, tout comme celles de Mars. Le résultat de Lagain et al. (2022), l’absence de pic ordovicien sur la Lune et sur Mars, est, pour Tomkins, l’indice qui corrobore sa thèse. Ce qui a produit les cratères terrestres se cantonnait au voisinage de la Terre.

Et puis il y a Lockne. En 2007, Carl Alwmark et Schmitz ont signalé, dans Earth and Planetary Science Letters, plus de 75 grains de chromite extraterrestre par kilogramme de brèche de reflux (resurge) provenant du cratère du centre de la Suède. La composition de la chromite rattachait sans ambiguïté l’impacteur à la famille des chondrites L. Des travaux ultérieurs, sur les isotopes de l’oxygène dans la chromite et sur les gaz rares grain par grain, l’ont confirmé. Lockne est le seul cratère ordovicien de la Terre dont l’impacteur ait été identifié chimiquement. C’est une chondrite L.

Si le projectile de Lockne est une chondrite L, si la signature en chromite du pic d’impacts est celle d’une chondrite L, et si les 21 cratères se regroupent à l’équateur, alors l’histoire la plus simple est celle d’un seul corps source, d’un seul événement, d’un seul réservoir de débris. Pour l’équipe de Monash, ce réservoir était en orbite autour de la Terre.

La limite de Roche et la recette d’un anneau

Les anneaux d’une planète n’ont rien d’exotique. Ils sont l’issue par défaut chaque fois qu’un objet autogravitant (une lune, une comète, un astéroïde en tas de gravats) s’aventure à l’intérieur d’une frontière invisible appelée limite de Roche, du nom de l’astronome français du XIXe siècle Édouard Roche, qui l’a calculée le premier. À l’intérieur de cette frontière, l’étirement de marée exercé par la planète dépasse la propre gravité du corps. Le corps se disloque le long de son grand axe. Les morceaux, qui se déplacent toujours à peu près sur la même orbite, s’étalent en un disque équatorial aplati.

Pour un astéroïde dépourvu de cohésion, en tas de gravats, qui croise la Terre, la limite de Roche externe se situe à environ 15 800 kilomètres au-dessus de la surface : bien à l’intérieur de l’altitude de 35 786 kilomètres de l’orbite géostationnaire. Un corps qui s’aventure dans cette région avec la mauvaise trajectoire n’a pas de seconde chance.

Nous l’avons vu se produire.

Le 7 juillet 1992, la comète Shoemaker-Levy 9 est passée à un peu plus de 40 000 kilomètres au-dessus du sommet des nuages de Jupiter, soit moins que le rayon de la planète, de 70 000 kilomètres, et a été disloquée en au moins 21 morceaux. La comète fragmentée a été découverte au mois de mars suivant par Carolyn et Eugene Shoemaker et David Levy à Palomar ; dès mai 1993, des calculs orbitaux prévoyaient que le chapelet de noyaux percuterait Jupiter en juillet 1994. C’est ce qui est arrivé, entre le 16 et le 22 juillet : les fragments se sont écrasés dans l’hémisphère sud à environ 60 kilomètres par seconde, laissant dans la couche nuageuse des cicatrices sombres plus grandes que la Grande Tache rouge. Le télescope spatial Hubble et tous les instruments terrestres capables d’observer Jupiter l’ont vu se produire en temps réel.

Ce que Shoemaker-Levy 9 a démontré, c’est qu’un corps doté d’une cohésion interne modeste n’a pas besoin d’être une lune pour se disloquer lors d’un passage rapproché. Un tas de gravats, du gravier que ne retiennent que de minces liaisons de cohésion, se fragmente aisément. On pense aujourd’hui que la plupart des astéroïdes de plus de quelques centaines de mètres sont des tas de gravats. Ils sont une proie facile pour les marées d’une planète.

Pour Tomkins, le tableau est simple dans ses grandes lignes. Un corps parent, peut-être déjà malmené par une collision antérieure dans la ceinture, a dérivé sur une orbite croisant celle de la Terre. Son inclinaison, pour une raison ou une autre (une résonance antérieure avec Jupiter, une rencontre fortuite), était faible. Lors d’un passage, peut-être il y a 466 millions d’années, il a pénétré de justesse à l’intérieur de la limite de Roche de la Terre. Le calcul de l’équipe, fondé sur la taille des réservoirs de débris nécessaires pour entretenir le pic d’impacts, suggère un diamètre initial de 10,5 à 12,5 kilomètres : assez grand pour alimenter le système pendant des dizaines de millions d’années, assez petit pour être plausiblement disloqué en une seule rencontre.

La suite, dans les propres mots de Tomkins dans The Conversation :

« Lorsqu’un petit corps (comme un astéroïde) passe près d’un gros corps (comme une planète), il est étiré par la gravité. S’il s’approche suffisamment (à l’intérieur d’une distance appelée limite de Roche), le petit corps se brise en une multitude de minuscules fragments et en un petit nombre de morceaux plus gros. Tous ces fragments sont brassés et finissent par évoluer en un anneau de débris en orbite autour de l’équateur du corps le plus gros. Avec le temps, la matière de l’anneau retombe sur le corps le plus gros, où les morceaux les plus volumineux forment des cratères d’impact. Ces cratères se situent près de l’équateur. »

La géométrie équatoriale découle d’un principe de physique que respecte aussi chaque géante gazeuse du système solaire. La Terre est renflée à l’équateur parce qu’elle tourne. Ce renflement crée un gradient du champ gravitationnel qui, en quelques orbites, ramène tout anneau incliné vers le plan équatorial. Les anneaux de Saturne, ceux de Jupiter, ceux d’Uranus et de Neptune partagent tous cette géométrie. Un disque de débris né d’un astéroïde disloqué par les marées se serait circularisé dans le plan équatorial en quelques milliers d’années.

Vient ensuite la lente usure. Les particules d’un anneau de débris échangent continuellement de la quantité de mouvement au fil de petites collisions et de résonances avec le Soleil et la Lune. Certaines sont projetées vers l’extérieur et s’échappent. La plupart perdent de l’énergie et dérivent vers l’intérieur. En traversant la haute atmosphère, elles se désagrègent par ablation ou brûlent. Les plus gros fragments survivent à l’entrée et creusent des cratères à la surface, de préférence sur la croûte continentale qui se trouve par hasard sous l’équateur à ce moment-là. L’équipe de Monash estime que l’anneau a persisté entre 20 et 40 millions d’années avant que le dernier de ses débris ne soit retombé.

C’est l’échelle de temps qui correspond à la fois à la durée du pic d’impacts de l’Ordovicien et à la lente décroissance de la chromite de chondrite L dans les calcaires marins. Dans la lecture de Tomkins, le pic n’est pas un flux venu de la ceinture d’astéroïdes, mais une pluie tombée d’en haut : de la matière qui avait été garée, brièvement à l’échelle des temps géologiques, en orbite terrestre basse.

L’analogie martienne donne à l’hypothèse un point d’appui supplémentaire. Selon la NASA, Phobos, la lune martienne la plus proche, se rapproche de sa planète en spirale d’environ 1,8 centimètre par an, soit environ six pieds par siècle. La plupart des modèles situent sa désintégration à la limite de Roche fluide dans 30 à 50 millions d’années environ. Les travaux de 2017 d’Andrew Hesselbrock et de David Minton, à Purdue, soutenaient que Mars pourrait déjà avoir traversé de trois à sept itérations lune–anneau–lune au cours de son histoire, chaque génération étant plus petite que la précédente ; les débris de ces cycles, retombant sur l’équateur martien, expliqueraient d’énigmatiques dépôts sédimentaires équatoriaux qui ont intrigué les géologues spécialistes des données d’orbiteurs.

Vincent Eke, professeur associé à l’Institute for Computational Cosmology de l’université de Durham, n’a pas participé à l’étude de Monash, mais il a déclaré à CNN que l’article « présente une idée plaisante qui relie entre eux quelques mystères ». À propos du parallèle avec Mars, il a ajouté : « dans les 100 prochains millions d’années environ, Mars devrait acquérir un système d’anneaux lorsque sa lune intérieure, Phobos, descendra en spirale à l’intérieur du rayon de Roche rigide et sera elle-même déchirée. »

Si Mars en est capable, dit l’argument, la Terre le pourrait aussi.

À quoi aurait ressemblé une Terre à anneaux

Imaginez-vous debout sur le rivage de la mer tropicale peu profonde qui, il y a 460 millions d’années, recouvrait ce qui est aujourd’hui l’Iowa. Autour de vous, dans une eau qui vous arrive à la taille, des brachiopodes et des crinoïdes filtrent le courant. Des récifs à stromatoporoïdes construisent le calcaire qui sera un jour exploité en carrière pour fabriquer du ciment. Il n’existe aucune plante terrestre digne de ce nom, tout au plus un mince feutrage de mousses et d’hépatiques aux embouchures des rivières. Le ciel est vide d’oiseaux et d’insectes. Les plus grands prédateurs de la Terre sont les euryptérides, ou scorpions de mer, et les céphalopodes qui sillonnent le large.

Et au-dessus de votre tête, selon l’heure du jour, une arche.

L’article de Monash n’estime pas précisément la luminosité de l’anneau ; il y a trop de paramètres libres : taille des particules, albédo, épaisseur de l’anneau, profondeur optique. Mais Tomkins, interrogé par Taylor Nicioli, de CNN, sur l’aspect qu’aurait eu la structure vue depuis la surface, a donné une réponse de journaliste plutôt que de modélisateur :

« Si vous étiez du côté nuit de la Terre, en train de regarder vers le haut, et que la lumière du Soleil éclairait les anneaux mais pas vous, ils seraient probablement visibles de façon assez intéressante, ce serait assez spectaculaire. »

Aux basses latitudes équatoriales, l’anneau se serait étendu d’un horizon à l’autre sous la forme d’un arc lumineux, plus brillant lorsqu’il est éclairé par le Soleil et observé depuis la face nocturne de la Terre, une géométrie analogue à celle que verrait un observateur hypothétique situé sur Saturne en regardant ses anneaux. Plus près de l’équateur, les observateurs auraient regardé dans l’axe longitudinal de l’anneau et vu une bande relativement étroite passer au zénith. En allant vers les tropiques, la bande se serait élargie et inclinée. Aux pôles terrestres, l’anneau aurait été entièrement sous l’horizon.

À cette époque, la Lune était un peu plus proche qu’aujourd’hui et un peu plus brillante. L’anneau, à son opacité maximale, a pu rivaliser avec la luminosité de surface de la pleine Lune dans certaines zones étroites ; ailleurs, ce devait être un voile faible et structuré. Les anneaux de Saturne, observés au télescope depuis la Terre, s’étendent sur environ neuf minutes d’arc d’étendue angulaire apparente, soit environ un tiers du diamètre de la Lune. L’hypothétique anneau ordovicien de la Terre, vu de l’intérieur, aurait couvert des dizaines de degrés de ciel.

Soyons honnêtes. Aucun organisme capable de lever les yeux ne comprenait ce qu’il regardait. Il n’existait aucun œil capable de résoudre la structure de l’anneau. Les trilobites avaient des yeux composés de centaines de facettes, mais leur acuité visuelle au-delà de quelques centimètres était médiocre. Les yeux des céphalopodes étaient meilleurs, mais les céphalopodes étaient surtout des créatures des eaux troubles de la zone photique. Quel que fût le spectacle suspendu au-dessus de la Terre de l’Ordovicien, il se jouait devant une salle vide.

Qu’il ait occupé le ciel pendant dix millions d’années ou pendant quarante, c’est l’une des nombreuses questions que l’article laisse ouvertes. Le groupe de Tomkins travaille maintenant avec des modélisateurs en astrophysique pour encadrer la profondeur optique et la durée de vie de l’anneau. La prochaine étape, a-t-il déclaré à Eos, consiste à déterminer quelle opacité l’anneau devait avoir pour produire l’effet climatique qu’il lui prête.

Le lien avec le refroidissement hirnantien

C’est ici que l’article passe d’une argumentation géologique serrée à un terrain plus spéculatif. Tomkins le dit lui-même. L’anomalie de la concentration des cratères et l’hypothèse des anneaux sont étroitement liées. Le lien avec le climat est suggestif, et n’est explicite qu’en tant qu’hypothèse méritant d’être explorée.

L’Ordovicien supérieur était froid. Pas en totalité : pendant la majeure partie de l’Ordovicien, les teneurs de l’atmosphère en dioxyde de carbone étaient de 8 à 20 fois supérieures aux niveaux préindustriels, et les températures de surface des mers tropicales de 32 à 37 °C, une chaleur étouffante selon les normes actuelles. La croissance de calottes glaciaires sur le Gondwana, le supercontinent austral alors à cheval sur le pôle Sud, a pu commencer dès le Darriwilien, il y a environ 460 millions d’années, d’après les travaux de modélisation du système Terre d’Alexandre Pohl, Yannick Donnadieu et leurs collègues (2016, Paleoceanography). Mais la plongée de la Terre dans une glaciation profonde est survenue tard. L’Hirnantien, dernier âge de l’Ordovicien, daté par la Commission internationale de stratigraphie de 445,2 ± 1,4 Ma à 443,8 ± 1,5 Ma, fut le coup de froid qui a tout achevé.

Les simulations couplées climat–calotte glaciaire de Pohl et de ses collègues montrent une unique calotte de taille continentale s’étendant sur le Gondwana au maximum glaciaire de l’Hirnantien, dans le prolongement d’un début de glaciation qu’ils placent dès le Darriwilien moyen. Seth Finnegan et ses coauteurs, en recourant à la paléothermométrie par isotopes agglomérés (clumped isotopes) sur des carbonates de l’Hirnantien (Science, 2011), ont constaté que les températures de l’océan tropical avaient brièvement baissé d’environ 5 °C, et en ont déduit des volumes de glace qui « égalaient probablement, voire dépassaient, ceux du dernier maximum glaciaire (pléistocène) ». Le niveau de la mer a chuté, selon les estimations, de 80 à 100 mètres lorsque la glace continentale a piégé l’eau. L’Afrique du Nord était ensevelie sous les glaciers ; les tillites sont encore visibles en Mauritanie et en Libye.

Et puis la vie s’est effondrée.

L’extinction de masse de l’Ordovicien supérieur (Late Ordovician Mass Extinction), abrégée classiquement en LOME, est la deuxième en importance des « Big Five » du Phanérozoïque. Elle a éliminé 49 à 60 % des genres marins et près de 85 % des espèces marines. L’extinction comporte deux pulsations, LOMEI-1 et LOMEI-2, la première coïncidant avec le début de la glaciation de l’Hirnantien, la seconde avec sa fin. Les causes (refroidissement, anoxie marine, peut-être une succession de changements redox pulsés) font encore débat. Des travaux récents fondés sur les isotopes du thallium, menés par Nevin Kozik, Seth Young, Jeremy Owens et leurs collègues (Science Advances, 2022, DOI 10.1126/sciadv.abn8345), montrent de rapides oscillations des teneurs en oxygène des océans coïncidant avec les effondrements d’espèces. Le refroidissement et l’anoxie ont probablement agi de concert.

Pourquoi le climat a-t-il basculé ? C’est la question vers laquelle l’article de Monash avance sur la pointe des pieds. Le CO₂ atmosphérique était élevé. L’activité volcanique, malgré des affirmations antérieures, semble avoir été relativement faible à l’Hirnantien. La plupart des explications exigent une baisse du CO₂ provoquée par l’altération des silicates à mesure que le Gondwana dérivait vers des zones plus humides, ou par un enfouissement accru de carbone organique. Elles fonctionnent, plus ou moins, mais supposent que le climat commence par se refroidir ; des rétroactions positives emballent ensuite le refroidissement.

Un anneau, suggère l’équipe de Monash, aurait pu donner l’impulsion initiale.

Le mécanisme est simple dans son principe. Un anneau en orbite autour de l’équateur terrestre projette une ombre. L’inclinaison de l’axe de la Terre, d’environ 23,5 degrés (l’obliquité de l’Ordovicien elle-même est incertaine à quelques degrés près), fait que l’ombre se déplace sur la surface au fil des saisons. Dans l’hémisphère qui connaît l’hiver, l’ombre de l’anneau tombe plus profondément dans les régions subtropicales ; en été, elle se retire. L’effet annuel net, intégré sur un anneau entièrement opaque, serait une baisse significative du rayonnement solaire incident aux latitudes moyennes, précisément les latitudes où croissaient les calottes glaciaires du Gondwana.

Tomkins, dans The Conversation, a pris soin de signaler qu’il s’agissait là de l’étape spéculative :

« L’anneau aurait entouré l’équateur. Et comme l’axe de la Terre est incliné par rapport à son orbite autour du Soleil, l’anneau aurait fait de l’ombre à certaines parties de la surface terrestre. Cet ombrage aurait à son tour pu provoquer un refroidissement global, puisque moins de lumière solaire atteignait la surface de la planète. »

Et :

« Il y a environ 465 millions d’années, notre planète a commencé à se refroidir de façon spectaculaire. Il y a 445 millions d’années, elle était dans la glaciation de l’Hirnantien, la période la plus froide du dernier demi-milliard d’années. Un anneau faisant de l’ombre à la Terre était-il responsable de ce refroidissement extrême ? La prochaine étape de notre enquête scientifique consiste à élaborer des modèles mathématiques de la façon dont les astéroïdes se brisent et se dispersent, et de la façon dont l’anneau qui en résulte évolue au fil du temps. Cela préparera le terrain pour une modélisation climatique qui explorera l’ampleur du refroidissement que pourrait imposer un tel anneau. »

Cette modélisation climatique n’a pas encore été réalisée. Personne n’a fait tourner un modèle de circulation générale avec un anneau équatorial opaque dans les conditions aux limites de l’Ordovicien. Tant que personne ne l’aura fait, le lien avec l’Hirnantien reste une hypothèse emboîtée dans une autre hypothèse. L’anneau aurait aussi réfléchi la lumière du Soleil vers l’hémisphère d’été, compensant en partie l’ombrage ; que l’effet net refroidisse ou réchauffe, et dans quelle mesure, dépendra de la profondeur optique et de détails de la rétroaction nuageuse qui restent incertains, même pour la Terre actuelle.

Pourtant, la chronologie est suggestive. Le pic de chondrites L commence il y a environ 466 millions d’années. Le refroidissement tropical devient détectable dans les enregistrements de proxys à peu près au même moment, et s’accélère. À l’Hirnantien, l’anneau aurait eu vingt millions d’années et se serait désagrégé, ses derniers gros fragments creusant des cratères dans la Laurentia équatoriale et chargeant la haute atmosphère en poussières. Le système d’anneaux, selon l’interprétation de Monash, serait à son maximum d’activité climatique au moment précis où la planète entre dans son gel le plus profond.

Les sceptiques

Birger Schmitz, dont trois décennies de travaux sur les météorites fossiles suédoises fournissent l’essentiel de l’échafaudage empirique de l’article de Monash, n’est pas convaincu. Il a déclaré à James Woodford, de New Scientist, que l’étude est « une idée nouvelle et créative qui explique certaines observations ». Puis vient la restriction : « Mais les données ne sont pas encore suffisantes pour affirmer que la Terre a bel et bien eu des anneaux. »

Schmitz a identifié le test. Si les 21 cratères ont tous été produits par des débris d’un seul anneau, leurs projectiles devraient partager une chimie commune : la signature de chondrite L établie à Lockne, ainsi que des empreintes comparables en éléments traces et en isotopes. Jusqu’ici, seul l’impacteur de Lockne a été identifié avec certitude. Les vingt autres ne sont pas caractérisés. Les brèches de reflux de Tvären, Hummeln, Granby, Kärdla et Ilyinets ont été étudiées de manière fragmentaire, mais n’ont pas encore été soumises à l’analyse systématique de la chromite et des isotopes que le groupe de Schmitz a mise au point pour Lockne. Si une campagne d’analyses révélait que certains des vingt autres cratères ont été produits par des impacteurs qui ne sont pas des chondrites L (une météorite de fer, une chondrite H, un corps carboné de type CM), l’hypothèse de l’anneau unique serait en difficulté. La concentration de cratères pourrait alors refléter autre chose qu’un réservoir unique de corps en cours de désorbitation.

Un second test de falsification est paléomagnétique. Les paléolatitudes utilisées dans l’article de Monash découlent de reconstitutions de la tectonique des plaques qui reposent elles-mêmes sur des données paléomagnétiques : l’inclinaison de l’aimantation rémanente des roches anciennes indique la latitude à laquelle elles se sont formées. Six modèles différents donnent des résultats cohérents, mais les incertitudes formelles sur les paléolatitudes individuelles restent de plusieurs degrés. De nouvelles données paléomagnétiques sur des roches directement associées aux sites des cratères (les carbonates encaissants de Lawn Hill, la brèche de reflux de Lockne) pourraient affiner le tableau et, éventuellement, repousser un ou plusieurs cratères en dehors de la ceinture équatoriale. Cela ne tuerait pas l’hypothèse (vingt sur vingt et un resterait anormal), mais affaiblirait sa force statistique.

Elizabeth Catlos, géologue à l’université du Texas à Austin, a exprimé à Eos une réserve plus conceptuelle. Elle a fait remarquer que les données « pourraient être tout aussi compatibles avec un unique gros astéroïde fragmenté, dont plusieurs morceaux seraient tombés sur la Terre à des moments différents au cours d’un segment du temps de l’Ordovicien ». Autrement dit : le même corps parent, mais pas de réservoir orbital. Les fragments auraient simplement traîné dans le système solaire interne sur des orbites chaotiques et seraient tombés au compte-gouttes. Cela n’expliquerait pas, a priori, la concentration équatoriale (les orbites deviennent aléatoires lorsqu’elles entrent dans le puits gravitationnel de la Terre), mais cela montre que l’anneau n’est pas la seule architecture capable de produire, à partir d’un seul corps parent, un schéma d’impacts étalé dans le temps.

Il y a aussi la question du biais d’échantillonnage. Les 21 cratères sont ceux que nous avons trouvés. Les continents de la Terre ont été rudement malmenés par la tectonique, la glace et l’érosion. Le craton australien, le Bouclier canadien, Baltica et certaines parties de la Laurentia conservent bien les surfaces anciennes ; une grande partie du sud du Gondwana, non. Si la préservation favorise systématiquement les paléolatitudes équatoriales pour des raisons que nous n’avons pas totalement prises en compte (une interaction subtile entre milieu de dépôt et climat tropical, peut-être), alors la concentration apparente pourrait être en partie un artefact. L’analyse SIG de l’équipe de Monash tente de corriger cela en excluant les terrains ensuite enfouis, érodés ou déformés, mais les critères d’exclusion sont eux-mêmes des choix.

Aaron Cavosie, spécialiste des cratères d’impact à l’université Curtin, à Perth, s’est montré plus enthousiaste lorsqu’il s’est exprimé auprès de New Scientist. « C’est une brillante fusion des archives sédimentaires des débris de météorites, des archives de cratères d’impact de l’Ordovicien, de la paléogéographie et de la dynamique du système solaire », a-t-il déclaré. Cavosie a fait remarquer que le scénario du disque pouvait rendre compte à la fois de la durée de 40 millions d’années du pic d’impacts, de la chromite sédimentaire et de la distribution équatoriale des cratères : une explication à trois volets plutôt que trois coïncidences indépendantes.

C’est là, au fond, l’attrait le plus profond de l’argument : une seule tige causale d’où partent trois branches. Les hypothèses à événement unique séduisent précisément parce qu’elles sont économes. Elles ont aussi plus de chances d’être fausses, parce que la nature est rarement aussi ordonnée. La prudence de Schmitz est la bonne. L’hypothèse est une bonne explication, pas encore un fait démontré.

Ce qui permettrait de trancher

Qu’est-ce qui ferait passer cette histoire du statut d’hypothèse frappante à celui de quelque chose que l’on pourrait appeler établi ? Trois choses, à peu près dans cet ordre.

Premièrement, une campagne géochimique systématique sur les projectiles des 20 autres cratères. La technologie existe. Alwmark, Schmitz, Heck et leurs collègues montrent depuis vingt ans comment extraire la chromite des dépôts de reflux (resurge), mesurer les éléments traces, effectuer des analyses isotopiques de l’oxygène sur des grains individuels et extraire les gaz rares de la chromite par chauffage par paliers. Le travail est patient et lent. Mais les carottes et les échantillons existent ; les protocoles sont normalisés. Si, d’ici dix ans, douze ou quinze des autres cratères de l’Ordovicien livrent de la chromite de chondrite L, et qu’aucun ne livre d’impacteur nettement différent, l’hypothèse de l’anneau se renforce. Si seulement trois ou quatre présentent une chimie différente, elle s’affaiblit nettement.

Deuxièmement, un modèle paléoclimatique. Un modèle de circulation générale (CESM, IPSL, HadCM3, n’importe lequel des outils standard) exécuté avec les conditions aux limites de l’Ordovicien, en imposant un anneau équatorial opaque comme couche d’ombrage au sommet de l’atmosphère, nous dirait si un ombrage de l’ampleur envisagée par Tomkins peut raisonnablement provoquer un refroidissement de l’ampleur de celui que Pohl, Finnegan et d’autres ont déduit. La simulation doit inclure l’opacité de l’anneau, la diffusion, l’asymétrie hémisphérique due à l’inclinaison de l’axe, ainsi que les rétroactions via la glace de mer et la circulation océanique. C’est un projet considérable. Il n’a pas encore été mené.

Troisièmement, davantage de cratères. La liste connue de 21 n’est pas close. Tous les quelques ans, une nouvelle structure d’impact ordovicienne fait surface : Decorah n’a été confirmé qu’en 2013, l’âge ordovicien de Lawn Hill qu’en 2016. Des structures d’impact anciennes, enfouies ou marines, d’âge approprié, pourraient s’ajouter, et si elles tombent systématiquement dans la bande équatoriale, l’argument statistique se renforce. Si de nouvelles apparaissent à de hautes paléolatitudes, l’argument s’affaiblit. Dans les deux cas, le jeu de données n’est pas figé.

Ce que Tomkins, Martin et Cawood ont fait reste raisonnablement circonscrit. Ils n’ont pas prétendu prouver que la Terre a eu un anneau. Ils ont affirmé que 21 cratères de l’Ordovicien se regroupent à l’équateur avec une probabilité de un sur 25 millions sous l’hypothèse nulle, qu’une dislocation par effet de marée à proximité de la Terre explique ce regroupement de façon parcimonieuse, et qu’un tel anneau aurait été compatible avec l’étrangeté climatique qui clôt la période, voire peut-être causalement en amont d’elle. Chaque maillon de la chaîne est testable. Aucun n’a encore cédé.

Schmitz, pour sa part, continue d’extraire des grains de chromite du calcaire suédois. Dans la carrière de Thorsberg, les dalles remontent au même rythme lent que depuis vingt ans. Quelque part, sur l’un de ces carreaux, se trouve peut-être un grain qui ne vient pas d’une longue chute à travers la ceinture d’astéroïdes, mais d’un bref séjour dans un anneau au-dessus de l’équateur de l’Ordovicien : l’ultime reste d’un halo bref et brillant que rien de vivant n’a jamais vraiment vu.

La Terre a peut-être porté des bijoux, un jour. L’idée n’est plus absurde.

Questions fréquentes

La Terre a-t-elle déjà eu des anneaux comme Saturne ?

C’est possible. En septembre 2024, les géologues Andrew Tomkins, Erin Martin et Peter Cawood, de l’université Monash, ont publié dans Earth and Planetary Science Letters une étude évaluée par des pairs, selon laquelle la Terre aurait probablement possédé un système d’anneaux temporaire il y a environ 466 millions d’années. L’hypothèse reste une hypothèse, et non encore un consensus scientifique, mais elle explique plusieurs particularités autrement déroutantes des archives géologiques de façon plus nette que les explications concurrentes.

Quand le système d’anneaux terrestre proposé aurait-il existé ?

L’équipe de Monash situe la formation de l’anneau il y a environ 466 millions d’années, durant l’Ordovicien moyen. Elle estime que l’anneau a persisté pendant 20 à 40 millions d’années avant que ses débris ne finissent de retomber sur la surface de la Terre. Cela situe la durée de vie de l’anneau globalement entre 466 et environ 430 à 425 millions d’années avant le présent, ce qui recoupe la glaciation et l’extinction de masse de la fin de l’Ordovicien.

Pourquoi les scientifiques pensent-ils que la Terre a eu un anneau ?

Deux anomalies, prises ensemble. Premièrement, les 21 cratères d’impact connus du pic d’impacts de l’Ordovicien se situent tous à moins de 30 degrés du paléo-équateur, alors qu’environ 70 % de la croûte propice à l’époque se trouvait à des latitudes plus élevées ; la probabilité que ce schéma soit dû au hasard est d’environ une sur 25 millions. Deuxièmement, les âges d’exposition aux rayons cosmiques des météorites fossiles du calcaire suédois de l’Ordovicien moyen sont exceptionnellement courts, de quelques centaines de milliers d’années seulement, ce qui est cohérent avec de la matière garée en orbite proche de la Terre plutôt que dérivant depuis la ceinture d’astéroïdes pendant des dizaines de millions d’années. La désintégration, à la limite de Roche, d’un astéroïde en tas de gravats de passage produirait ces deux signatures. Le fait que le pic d’impacts de l’Ordovicien n’apparaisse que sur la Terre, et non sur la Lune ni sur Mars, d’après Lagain et al. (2022), va dans le même sens.

L’anneau a-t-il provoqué la glaciation de l’Hirnantien ?

Il a peut-être contribué, mais cette partie de l’histoire est spéculative. Tomkins et ses collègues font remarquer qu’un anneau en orbite autour de l’équateur terrestre aurait projeté une ombre qui, combinée à l’inclinaison de l’axe de la Terre, aurait ombragé les latitudes moyennes de façon saisonnière. Cet ombrage aurait pu aider à déclencher un refroidissement qui, une fois lancé, aurait été amplifié par la rétroaction glace–albédo et par la baisse du CO₂, pour culminer avec la glaciation de l’Hirnantien, survenue il y a 445,2 à 443,8 millions d’années. Aucun modèle de circulation générale n’a encore testé cette idée de façon quantitative, et le lien avec le climat est la partie la plus incertaine de l’hypothèse.

La Terre pourrait-elle de nouveau avoir des anneaux ?

En principe, oui, mais seulement dans des circonstances extraordinaires. Un astéroïde en tas de gravats devrait passer à l’intérieur de la limite de Roche de la Terre (à environ 15 800 kilomètres au-dessus de la surface) sur une trajectoire suffisamment rasante pour être capturé plutôt que de passer son chemin ou de s’écraser directement sur la planète. C’est une fenêtre orbitale étroite, et Tomkins estime qu’un tel événement ne se produit probablement qu’une fois tous les quelques centaines de millions d’années pour une planète comme la Terre. À titre de comparaison, Mars est soumise à un compte à rebours bien plus court : sa lune intérieure Phobos se rapproche en spirale d’environ 1,8 centimètre par an et franchira probablement la limite de Roche martienne pour former un système d’anneaux dans les 50 à 100 prochains millions d’années.

L’hypothèse d’un anneau terrestre est-elle acceptée par les scientifiques ?

Elle est prise au sérieux, mais elle n’est pas encore établie. Des spécialistes comme Birger Schmitz, de l’université de Lund, dont les propres travaux sur les météorites fossiles fournissent des données essentielles, ont qualifié l’idée de « nouvelle et créative » mais ont averti que les données ne sont pas encore suffisantes. Les tests décisifs seront géochimiques : confirmer que les impacteurs de la plupart ou de la totalité des 21 cratères de l’Ordovicien partagent une signature de chondrite L, comme celui de Lockne. Tant que cette campagne systématique ne sera pas terminée, l’hypothèse de l’anneau restera une conjecture solide et réfutable plutôt qu’une affaire classée.