Ce que sera la fin du monde

De tout temps, les hommes ont cherché à percer l’avenir du monde. Sans jamais pouvoir répondre qu’en imagination. Qu’en est-il au juste de notre destin ? Comment tout finira-t-il ? Et y a-t-il une fin ?... A toutes ces questions, les scientifiques apportent désormais des réponses. En établissant les destinées de la Terre, du Soleil et de l’Univers, ils nous disent enfin à quoi l’on peut s’attendre.

I – La fin de la vie sur Terre

Si personne ne peut prédire l’avenir de l’humanité, on sait pourtant que la vie va s’éteindre sur Terre. Un processus inéluctable, que deux chercheurs américains sont parvenus à modéliser. Grand responsable de cette extinction biologique : le Soleil, qui préside pourtant à la vie sur notre planète.

Les continents dérivent et se heurtent. Des montagnes se dressent ; d’autres s’érodent. Des océans s’ouvrent. Ailleurs, des mers se referment. Des volcans surgissent. Les espèces végétales et animales évoluent, certaines s’éteignent, d’autres s’imposent. Le climat change lui aussi. La terre se couvre de glace, de forêts ou de déserts. En accéléré, voilà ce qui attend notre bonne vieille planète… pour les dizaines de millions d’années à venir ! L’espèce humaine dans tout ça ? En fait, ces bouleversements ne la concerneront peut-être déjà plus. Car, à l’échelle du million d’années, l’humanité aura eu mille fois l’occasion de disparaître. Cataclysme climatique ou nucléaire, pollution asphyxiante, virus assassins, collision d’astéroïdes, guerre totale, voire invasion d’ « Aliens » ou révolte de robots… L’homme n’a que l’embarras du choix pour imaginer dès aujourd’hui sa propre fin et spéculer sur sa disparition à la suite de calamités naturelles d’ampleur inédite ou de désastres inouïs résultant de sa propre inconséquence. Autant d’apocalypses toujours possibles, peut-être, mais totalement hypothétiques. Rien ne permet, en effet, d’affirmer qu’elles surviendront ou non. Ce qui nous préoccupe le plus directement est ainsi ce sur quoi on en sait le moins.

Quoi qu’il en soit, Homo sapiens est apparu il y a 100.000 ans environ, c’est-à-dire 3 milliards et demi d’années après les premières formes de vie, 1 milliard d’années après les premiers animaux pluricellulaires, 220 millions d’années après les dinosaures et 65 millions d’années après leur extinction. Et que sont les cent mille ans qui viennent de s’écouler au regard des millions d’années pendant lesquelles la Terre poursuivra tranquillement son évolution de petite planète tellurique ? Si nul le peut dire quand et comment l’humanité disparaîtra, une chose apparaît probable : d’autres espèces lui survivront. Jusqu’à quand ?

Une menace à chercher dans le ciel et à très long terme

Oublions l’avenir incertain de l’espèce humaine et projetons-nous allégrement dans le temps : à l’échelle, cette fois, non de milliers ou dizaines de milliers d’années, mais de millions d’années. Dans cette perspective très large, on l’a dit, tout change sans cesse sur la Terre : continents, reliefs, climat. Autant de bouleversements qui obligent les espèces vivantes à évoluer et à s’adapter. Mais, pas plus que dans le passé, ces mutations ne devraient mettre la vie en danger. En fait, la menace est beaucoup plus lointaine. Cette fois, il faut penser en centaines de millions d’années, voire en milliards d’années. Là, les choses s’éclairent un peu.

Il est, en effet, un facteur dont la science prévoit assez bien l’évolution. Celui qui préside justement à la vie : le Soleil. Notre Terre, avec ses océans et ses animaux, est unique et imprévisible, mais notre Soleil, lui, est banal : on connaît des milliers d’étoiles semblables dans l’Univers, dont les astronomes étudient l’évolution. Ce qui les autorise à nous dire aujourd’hui que le Soleil s’éteindra dans 7 milliards d’années, au terme de transformations tumultueuses. Bien avant cela, son rayonnement, devenu au fil du temps de plus en plus intense, aura provoqué la disparition lente de tous les organismes vivants de la Terre. L’astre qui a permis l’épanouissement de la commandera ainsi son extinction.

Deux scientifiques américains, spécialistes des atmosphères planétaires et des cycles bio-géochimiques, se sont penchés sur cette mort programmée à très long terme. Au départ, la mort sur Terre les passionnait moins que la vie dans l’espace. Car comprendre comment la vie peut s’éteindre permet justement de préciser les conditions limites et la plage de temps durant laquelle l’activité biologique peut subsister sur une planète semblable à la nôtre, en fonction de l’évolution de son étoile. C’est pourquoi, alors qu’ils travaillaient tous deux à l’université du Pennsylvanie, James Kasting, professeur de sciences de la Terre à l’université du Michigan, et Ken Caldeira, géochimiste au Lawrence Livermore Laboratory, ont pu construire il y a quelques années un modèle simple d’évolution de la Terre à très long terme. Grâce à lui, savons-nous enfin ce qu’il va advenir ?

Avant d’aller plus loin, une question essentielle se pose : l’avenir de la Terre est-il véritablement prévisible ? On n’évoque pas ici l’éventualité d’événements catastrophiques, ni même les énormes approximations, omissions et simplifications inhérentes au modèle. Plus fondamentalement, il s’agit de se demander si la science autorise à faire des projections dans un avenir très lointain. Autrement dit, si les lois scientifiques sont vraiment « déterministes », si elles permettent d’envisager l’avenir de la planète à partir de son passé. Il y a vingt ans, on ne se serait sans doute même pas posé la question. Mais, depuis les astronomes ont découvert que le système solaire, ce parangon de régularité, est en fait soumis au chaos. La position des planètes, leur orbite même, sont imprévisibles à très long terme ! Quel sens ont alors les prévisions d’évolution de la vie ?

La dramatique diminution du CO² dans l’atmosphère

Là encore, tout est affaire d’échelle de temps : selon les estimations des astronomes, le chaos ne se manifesterait en fait qu’au-delà de 1,5 milliards d’années, donc après l’extinction de la vie sur Terre. On a donc le droit de considérer que, pour la période qui nous intéresse, l’orbite terrestre suivra sagement une évolution prévisible… Et l’on peut refermer la parenthèse du chaos.

Les scientifiques ressemblent parfois à cet homme qui, ayant perdu sa clé la nuit, la cherche autour d’un réverbère parce que c’est le seul endroit éclairé. Ainsi, le modèle de Kasting et Caldeira ne prend en compte que les paramètres connus et essentiels – l’évolution du Soleil, le cycle du carbone à long terme, les conditions physico-chimiques nécessaires à la vie telle qu’elle existe actuellement, un volcanisme constant – et omet de nombreux facteurs (action des nuages sur l’effet de serre, modifications éventuelles de la physico-chimie des végétaux et des sédiments, etc.). Le résultat ne prétend pas représenter l’avenir de la Terre – ambition hors de portée de la science -, mais simplement donner une idée des phénomènes et des échelles de temps en jeu.

C’est donc l’évolution du Soleil qui détermine celle de la Terre. A mesure que l’hydrogène se transmute en hélium au centre de l’astre, la fusion thermonucléaire s’accélère, le cœur du soleil devient plus dense et plus chaud et sa luminosité augmente d’environ un pour cent chaque million d’années. Cet accroissement de luminosité, qui se poursuit depuis des milliards d’années, est justement ce qui conditionne l’avenir de la vie. Et pourtant, ce n’est pas la chaleur qui menacera d’abord les espèces biologiques. Dans 400 millions d’années, avec un Soleil de 5 % plus lumineux, la température moyenne à la surface de notre planète atteindra à peine 20° C, contre 15° C aujourd’hui. Si la Terre ne se réchauffe que très lentement, c’est parce que l’accroissement de la luminosité du Soleil fait décroître le taux de CO² (dioxyde de carbone) dans l’air, ce qui réduit l’effet de serre. Ainsi, par un mécanisme de feed-back (ou rétroaction négative). Le rayonnement solaire direct augmente, mais le rayonnement qui se trouve réémis vers la Terre par le CO² de l’atmosphère diminue, si bien que la température ne grimpe que très lentement. Or, cette diminution du CO² est dramatique pour l’activité biologique, puisqu’il est le principal carburant des plantes grâce à la photosynthèse. C’est ainsi le manque de gaz carbonique, bien plus que le réchauffement, qui va tuer à petit feu toutes les espèces végétales et, par suite, les espèces animales.

La canne à sucre, dernière survivante des espèces végétales

Ironie de l’histoire : aujourd’hui, on parle beaucoup de l’accroissement du CO² d’origine humaine dans l’atmosphère, qui menace de créer un important réchauffement climatique par effet de serre en quelques décennies. Quand on compare en millions d’années le rôle du CO² est toujours aussi déterminant, mais dans un sens inverse. Et ce n’est plus l’action de l’homme qui joue : c’est celle du Soleil…

Comment l’accroissement de la luminosité du Soleil conduit-elle à une diminution du CO² ? Il faut savoir que le cycle du CO² est extrêmement complexe, entre océan, atmosphère, végétaux, sédiments marins, etc. mais à l’échelle des temps géologiques, on peut considérer que la seule source véritable de CO² est le volcanisme, tandis que son seul « puits » est l’érosion des roches silicatées. Quand le CO² atmosphérique est dissout par les précipitations, il donne de l’acide carbonique, qui dissout les minéraux des roches, produisant des ions bicarbonate. Ceux-ci, entraînés par les rivières, précipitent partiellement sous forme de carbonate de calcium qui tombe au fond des océans. Sur le long terme, un équilibre s’établit entre les émissions de CO² dans l’atmosphère par les volcans, et sa fixation au fon des mers, via l’érosion des silicates.  Mais les études des climats du passé et la géologie montrent que l’accroissement de température accélère beaucoup l’altération des roches, et par suite accroît la capture du CO² de l’atmosphère. Ainsi, l’augmentation de l’activité solaire devrait se traduire par un accroissement de l’érosion des roches silicatées, conduisant à une baisse du CO² atmosphérique.

Le modèle de Kasting et Caldeira prévoit une diminution importante du taux de CO² atmosphérique au bout de quelques centaines de millions d’années, conduisant à une véritable chute de l’activité biologique. Dans 500 millions d’années, la teneur en CO² de l’atmosphère aura en effet baissé jusqu’à 150 ppm (parties par million), contre 370 ppm de CO² aujourd’hui. Or, 150 ppm est considéré comme le seul à partir duquel la plupart des végétaux ne peuvent plus assurer leur photosynthèse. La plupart, mais pas toutes : une petite proportion des espèces végétales utilise en effet un autre mécanisme de photosynthèse, plus économe en CO², appelé C4 (c’est le cas du maïs, de la canne à sucre, ainsi que d’autres espèces d’origine tropicale, qui constituent environ 5 % de la masse végétale). Ces espèces, ou plutôt leurs lointaines descendantes, pourront peut-être subsister avec des teneurs atmosphériques en CO² plus faibles. Mais, quand le taux de CO² dans l’atmosphère tombera en dessous de 10 ppm – d’ici à 900 millions d’années selon le modèle -, les plantes C4 disparaîtront aussi, et seules subsisteront des organismes aquatiques microscopiques.

Le temps d’un long soupir

A partir d’un milliard d’années, la température augmente plus vite ; l’évaporation s’accroît, et l’effet de serre de la vapeur d’eau accélère encore le réchauffement, qui détruit les dernières formes de vie. Dans 1,4 milliard d’années, la température dépasse 50° C. Moins de 200 millions d’années plus tard, elle atteint 100° C. Les océans s’évaporent, la Terre est définitivement stérilisée. Puis la vapeur d’eau est dissociée dans l’atmosphère par l’effet du rayonnement, et l’hydrogène s’évanouit dans l’espace.

Dans 2,5 milliards d’années, il n’y a plus trace de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Mais les volcans continuent à émettre du CO², qui s’accumule, puisque l’altération des roches et la capture du CO² ont cessé avec l’arrêt des précipitations. Enfermée dans sa serre brûlante, la Terre morte ressemble désormais à sa sœur Vénus.

Si le modèle de Kasting et Caldeira dit vrai, la vie, apparue sur Terre il y a environ 3,5 milliards d’années, pourrait disparaître en moins d’un milliard d’années. Un soupir, peut-être, à l’échelle astronomique, mais qui nous laisse encore un bon moment devant nous, simples mortels.

Chronologie fatidique

● + 400 millions d’années : à cette date, la Terre baigne dans une luminosité solaire plus forte de 5% qu’aujourd’hui. Et il y règne désormais une température moyenne de 20° C. Mais surtout, le taux de CO² dans l’atmosphère a tellement diminué que plus de 60 % de la végétation et des animaux ont disparu, ceux restant ayant dû évoluer pour s’adapter.

● + 800 millions d’années : à la surface de la Terre, la luminosité du Soleil a maintenant augmenté de 8 %. Le taux de CO² est devenu si bas (de 10 à 20 ppm) que seuls survivent quelques végétaux (et quelques rares animaux). Mais la température est encore raisonnable : moins de 25° C en moyenne.

● + 1,6 milliard d’années : à cette date, plus aucune trace de vie ne subsiste sur Terre. Ayant dépassé les 100° C, la température a fait s’évaporer les fleuves et les océans. La vapeur d’eau qui charge l’atmosphère va disparaître, dissociée par les rayons solaires, en quelques centaines de millions d’années, l’hydrogène s’évanouissant dans l’espace.

L’avenir de notre planète livrée au chaos ?

La ronde des planètes a longtemps symbolisé la régularité de la nature, ainsi que la puissance de la science, capable de calculer les trajectoires des astres. Illusions ! Si le Soleil seul attirait les planètes, elles suivraient des ellipses parfaitement régulières. Mais la gravitation s’exerce aussi entre les planètes, et ces faibles attractions compliquent le problème : les équations de Newton ne sont pas solubles quand trois corps (ou plus) s’attirent. Les astronomes calculent donc les trajectoires planétaires en partant d’orbites idéales et en ajoutant les perturbations des autres planètes. Ces calculs approximatifs aboutissent à des orbites stables. Mais en simulant le système solaire sur de très longues durées, l’astronome Jacques Laskar, s’est aperçu en 1989 que la Terre, Mars, Mercure et Vénus ont des trajectoires chaotiques, donc imprévisibles à long terme. Une imprécision de 15 mètres sur leur position actuelle conduit à un écart de 150 millions de kilomètres dans 100 millions d’années. Pire : la forme même des orbites et l’inclinaison de l’axe des planètes (obliquité) peuvent subir des fluctuations imprévisibles. De fait, la vitesse de rotation de la Terre diminue lentement, en raison d’effet de marées et de friction entre le noyau et le manteau internes. Si la rotation de la Terre devenait assez lente, des résonances se produiraient avec d’autres mouvements périodiques, et son axe se mettrait à osciller de façon désordonnée. Ainsi, l’obliquité de la Terre pourrait devenir chaotique d’ici de 1,5 à 5 milliards d’années. Donc probablement après la disparition de toute vie sur Terre. Ouf !

II – Dans 8 milliards d’années la fin du système solaire

Comme tous les astres, le Soleil mourra un jour. Et son agonie plongera le système solaire dans un enfer de feu, engloutissant une à une les planètes les plus proches de lui. La Terre survivra-t-elle à la fin cataclysmique de son étoile ?

Projetons-nous dans un milliard d’années. Toute forme de vie a vraisemblablement disparu de la surface de la Terre. Dans le ciel, la luminosité du Soleil n’en finit pas d’augmenter au fur et à mesure qu’il brûle en son centre ses réserves d’hydrogène, réchauffant toujours plus la surface de notre planète. A tel point que les océans se sont évaporés et que l’atmosphère elle-même s’est dissipée dans l’espace. Désormais, notre planète n’est plus qu’une masse de roche stérile et nue.

Passe le temps. Au centre du Soleil, l’hydrogène, ce précieux carburant qui lui a permis de briller depuis sa naissance – il y a 4,5 milliards d’années – se fait de plus en plus rare. Pour compenser ce manque de combustible, le cœur de l’astre se contracte, provoquant, par réaction, le gonflement des couches extérieures de l’étoile. Le Soleil grossit de plus en plus, ce qui fait chuter sa température de surface, lui donnant ainsi des reflets orangés, puis franchement rougeoyants. Dans sept milliards et demi d’années, c’est un grand Soleil rouge qui éclairera ce qu’il restera de notre planète. Un astre deux fois plus brillant que celui que nous connaissons aujourd’hui, et dix fois plus large, puisque son rayon atteindra 7 millions de kilomètres, il sera alors devenu ce que les astronomes appellent une géante rouge.

Cette fois, la vie du Soleil touche à sa fin, il ne lui reste plus que deux cents millions d’années à vivre. Une broutille comparée aux douze milliards d’années pendant lesquelles il a inondé de lumière toutes ses planètes. Si aucune autre étoile de la galaxie n’est venue, entre-temps, frôler le système solaire et perturber son bel équilibre gravitationnel, toutes les planètes doivent encore y être à leurs places respectives, y compris la Terre. D’après le physicien Fred Adams, qui a étudié l’évolution du système solaire et des objets astrophysiques à l’université du Michigan (Etats-Unis), il n’y a pas plus d’une chance sur 100.000 pour qu’une étoile se soit suffisamment rapprochée du Soleil pour éjecter la Terre de son orbite. Ce qui lui aurait évité le pire…

Gigantesque baudruche de feu

Car tout s’accélère maintenant. La mort du Soleil est imminente. Elle va être cataclysmique. L’hydrogène ne brûle plus que dans une fine couche à la périphérie du noyau de l’astre et, comme s’emballant, l’étoile se met à gonfler dans des proportions gigantesques, véritable baudruche de feu qui va avaler tout ce qui se trouve à sa portée. En une soixantaine de millions d’années seulement, le rayon du Soleil dépasse l’orbite de Mercure (58 millions de kilomètres), et la petite planète est engloutie par le monstre brûlant. Puis c’est au tour de Vénus (à 108 millions de kilomètres du centre de l’étoile) de disparaître dans les entrailles du Soleil. La Terre est la prochaine sur la liste.

A ce moment, à l’intérieur du Soleil, les réserves d’hydrogène sont complètement épuisées. Tout a été transformé en hélium. L’étoile n’a désormais plus que ce carburant à sa disposition qu’elle transforme alors en carbone et en oxygène. Ce brutal changement de régime la fait subitement se dégonfler. Le rayon du Soleil rétrécit jusqu’à ne plus mesure qu’une petite dizaine de millions de kilomètres. La Terre est sortie d’affaire… du moins pour une centaine de millions d’années. Car, au bout de ce court répit, la combustion s’emballe de nouveau. L’astre se remet à enfler. Et encore plus vite que la première fois.

C’est véritablement ici que se joue le destin de notre planète. Certes, nous ne serons plus là depuis très longtemps. Mais peut-être nos lointains descendants contempleront-ils ce spectacle depuis une autre planète sur laquelle ils auront réussi à migrer… Que verront-ils alors ? La Terre disparaître et, avec elle, toutes les traces de la vie qui l’a façonnée pendant plus de quatre milliards d’années ? Ou bien réussira-t-elle à se soustraire à la fin apocalyptique du Soleil, comme cette planète miraculée que des astronomes viennent de découvrir autour d’une géante rouge.

Pulvérisées par le Soleil

Pour les astrophysiciens, la cause paraissait entendue depuis longtemps : la Terre finirait engloutie par son étoile. Sur le papier, leurs calculs ne lui laissaient aucune chance : le Soleil, au maximum de son hypertrophie, devrait dépasser les 350 millions de kilomètres de rayon, pulvérisant au passage l’orbite de la Terre, qui ne se trouve qu’à 150 millions de kilomètres. Même Mars (230 millions de kilomètres) ne survivrait pas. Seules les planètes les plus reculées du système, à commencer par Jupiter (780 millions de kilomètres), puis Saturne, Uranus, Neptune et Pluton, étaient assurés de s’en sortir indemnes. Mais en 1993, trois astrophysiciens, Juliana Sackmann, du California Institute of Technology, à Pasadena, Arnold Boothroyd de l’université de Toronto, et Kathleen Kraemer, de l’université de Boston, ont attiré l’attention de leurs confrères sur un phénomène crucial, qui bouleversa le scénario : la perte de masse du Soleil.

Pour comprendre, il faut savoir qu’en même temps que grossit le Soleil, il expulse dans l’espace ses couches superficielles. Et plus il gonfle, plus cette fuite de matière s’accentue, car les couches externes ressentent d’autant moins l’attraction gravitationnelle du cœur de l’étoile. Si cette hémorragie de gaz solaire est très importante, on peut en déduire que le Soleil ne  gonflera pas autant que prévu. Parallèlement, la Terre, qui ressentira moins l’attraction gravitationnelle de son étoile, pourrait s’éloigner petit à petit, jusqu’à se retrouver finalement hors de danger.

Seulement voilà : évaluer le débit de cette fuite de matière solaire est loin d’être évident. « La perte de masse est l’un des problèmes qui irritent le plus les astrophysiciens, car nous n’avons pas encore de bonne théorie pour l’expliquer, confirme Jean-Paul Zahn, spécialiste du Soleil à l’observatoire de Paris-Meudon. Malgré ce que l’on pourrait croire, le fonctionnement du Soleil est encore assez mal compris. »

A 17 millions de kilomètres près

Ces difficultés n’ont pas empêché trois astronomes britanniques de l’université du Sussex, à Brighton, de s’atteler à la tâche. Et, en décembre2001, Peter Schröder, Robert Smith et Kevin Apps ont finalement annoncé la bonne nouvelle : la Terre devrait réchapper de justesse aux derniers soubresauts du Soleil. Si leurs calculs sont justes, le Soleil devrait perdre environ 20 % de sa masse durant son premier gonflement ; son rayon atteindra alors 168 millions de kilomètres, tandis que, dans le même temps, l’orbite de notre planète reculera de 150 à 185 millions de kilomètres. Dix-sept petits millions de kilomètres devrait donc séparer, in extrémis, la surface du Soleil de la Terre. Suffisant ? Car il fera bougrement chaud sur notre planète. « Probablement autour de 1800° C », indique Peter Schröder. Mais la Terre devrait y résister. Sa surface, en grande partie fondue, ressemblera alors probablement à de la lave solidifiée. Il n’empêche ! Même mal en point, notre planète sera toujours là. Et elle devrait s’en sortir encore mieux lors du second gonflement du Soleil, quand son rayon atteindra cette fois 172 millions de kilomètres. En effet, l’étoile devrait avoir perdu le tiers de sa masse et, du coup, l’orbite de la Terre avoir reculé à 220 millions de kilomètres.

Comment les scientifiques britanniques ont-ils réussi à obtenir des chiffres aussi précis sur le comportement futur de notre étoile ? « Nous nous sommes basés sur l’observation d’étoiles situées au sein de vieux amas globulaires, ainsi que sur l’étude de géantes rouges plus proches de nous, et mieux connues », révèle Peter Schröder. En modélisant sur ordinateur la perte de masse des étoiles, il a suffi ensuite d’appliquer cette modélisation au cas du Soleil. Simple. Trop ? Les travaux de Peter Schröder et de ses collègues, pourtant très rigoureux, n’ont en effet pas convaincu Lee Anne Willson, une astrophysicienne de l’université de l’Iowa, aux Etats-Unis, qui étudie la question de la perte de masse du Soleil depuis une trentaine d’années : « Les conclusions de Peter Schröder reposent sur des observations d’étoiles, et non pas sur la compréhension du phénomène de perte de masse, ce qui est à mon avis, une erreur. Les observations permettent de savoir quelles sont les étoiles qui perdent de la masse, mais pas comment elles la perdent. »

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