Et si la Terre était creuse?

La Recherche - - Fondamentaux - Ma­rie-Chris­tine de La Sou­chère, agré­gée de phy­sique AGRÉ­GÉE DE PHY­SIQUE

Connu pour avoir pré­dit le re­tour de la co­mète qui porte son nom, l’as­tro­nome bri­tan­nique Ed­mond Hal­ley, com­pa­triote et ami d’Isaac New­ton, est aus­si l’au­teur, à la fin du XVIIe siècle, d’une théo­rie de la Terre creuse des­ti­née à ex­pli­quer les ano­ma­lies du champ ma­gné­tique ter­restre.

Pour­quoi l’ai­guille d’une bous­sole n’ in­dique-t-elle pas exac­te­ment le nord géo­gra­phique ? Et pour­quoi la dé­cli­nai­son ma­gné­tique, c’est-à-dire l’écart au mé­ri­dien, va­rie-t-elle se­lon les lieux et en fonc­tion du temps ? Au­tant de ques­tions qui ta­raudent de­puis long­temps l’as­tro­nome bri­tan­nique Ed­mond Hal­ley. En l’an­née 1683, ce jeune bour­geois aven­tu­rier et exu­bé­rant, qui avait dé­jà à son ac­tif une car­to­gra­phie du ciel aus­tral, tente d’y ré­pondre et es­père faire d’une pierre deux coups : don­ner une as­sise plus so­lide à cette science nais­sante qu’est le ma­gné­tisme ter­restre et trou­ver un moyen d’ai­der les ma­rins à connaître la lon­gi­tude en mer. Car si la dé­ter­mi­na­tion de la la­ti­tude d’un lieu – à par­tir de la hau­teur à la­quelle le So­leil culmine – ne pose au­cun pro­blème, il n’en est pas de même pour la lon­gi­tude. Dé­cou­vrir une re­la­tion entre la dé­cli­nai­son ma­gné­tique et la lon­gi­tude se­rait de na­ture à dé­blo­quer la si­tua­tion. À la même époque, un vieux pro­fes­seur de na­vi­ga­tion du nom de Hen­ry Bond s’était tar­gué d’y être par­ve­nu, mais la mé­thode pré­co­ni­sée, qui ne fonc­tion­nait qu’aux en­vi­rons de la ci­té de Londres, n’avait pas ré­sis­té à un exa­men ap­pro­fon­di. Hal­ley dé­voile une pre­mière mou­ture de sa théo­rie dans un es­sai in­ti­tu­lé A Theo­ry of the Va­ria­tion of the Ma­gne­ti­cal Com­pass (Une théo­rie des va­ria­tions de la bous­sole ma­gné­tique), pu­blié en 1683 dans les Phi­lo­so­phi­cal Tran­sac­tions, re­vue de la Royal So ci et y de Londres, dont il est membre. Les ré­flexions de Hal­ley s’ap­puient sur une cin­quan­taine de re­le­vés ef­fec­tués dans les lieux les plus divers, sur terre et en mer.

Ai­mant gi­gan­tesque

Les don­nées col­lec­tées lui per­mettent de po­ser un re­gard cri­tique sur les théo­ries en vi­gueur à l’époque, es­sen­tiel­le­ment celles de William Gil­bert et de Re­né Des­cartes. William Gil­bert, mé­de­cin per­son­nel de la reine Éli­sa­beth Ire, est l’au­teur d’un trai­té no­va­teur, De Magne te, Ma­gne­ti­cisque Cor­po­ri­bus, et de Ma­gno Ma­gnete Tel­lure (Du ma­gné­tisme, des corps ma­gné­tiques et du grand ai­mant Terre), pa­ru en 1600. Il y af­firme que le ma­gné­tisme ter­restre prend sa source dans la Terre elle-même, et non dans quelque in­fluence cé­leste. Pour lui, la Terre est un gi­gan­tesque ai­mant dont les deux pôles sont confon­dus avec les pôles géo­gra­phiques. Si notre globe était une sphère par­faite, l’ai­guille ai­man­tée in­di­que­rait exac­te­ment le nord. Mais la Terre n’est ho­mo­gène ni dans sa com­po­si­tion, ni dans sa confor­ma­tion, en rai­son de la pré­sence de

conti­nents, de mers, d’îles, de mon­tagnes, de ca­vernes. La proxi­mi­té et la concen­tra­tion de masses im­por­tantes font dé­vier l’ai­guille ai­man­tée. Par ailleurs, si la terre est ma­gné­tique par es­sence, l’eau ne l’est pas. Mais l’ana­lyse de Gil­bert ne convainc pas Hal­ley. Si l’eau ne contri­bue pas au ma­gné­tisme, com­ment se fait-il qu’à proxi­mi­té des côtes du Bré­sil l’ai­guille soit dé­tour­née vers la mer et non vers la terre ?

L’in­fluence des mines

Pour Hal­ley, les causes évo­quées par Des­cartes pa­raissent tout aus­si su­jettes à cau­tion. Ce der­nier jus­ti­fie en ef­fet le com­por­te­ment de l’ai­guille ai­man­tée par la pré­sence ac­ci­den­telle de mines de fer ou de gi­se­ments de ma­tière ma­gné­tique dans les en­trailles de la Terre ou au fond des océans. Certes, Hal­ley ad­met vo­lon­tiers que la proxi­mi­té de mines dans des lieux spé­ci­fiques et res­treints, comme l’île d’Elbe, en Mé­di­ter­ra­née, connue dès l’An­ti­qui­té pour sa pro­duc­tion de ma­gné­tite, puisse avoir une in­fluence lo­cale. Mais l’ex­pli­ca­tion ne tient plus pour de vastes éten­dues, comme l’océan In­dien, où l’ai­guille de la bous­sole dé­vie pour­tant sys­té­ma­ti­que­ment et in­va­ria­ble­ment. Quelle de­vrait être la taille d’un gi­se­ment ca­pable d’exer­cer une in­fluence ma­gné­tique sur des dis­tances de plusieurs mil­liers de ki­lo­mètres ? Quelle quan­ti­té phé­no­mé­nale de ma­tière se­rait à même d’en­gen­drer une force suf­fi­sante ? Les hy­po­thèses de ses confrères ba­layé es, Halle y conclut son es­sai en at­tri­buant à la Terre non pas deux pôles ma­gné­tiques, comme le sup­po­sait Gil­bert, mais quatre. Dans l’hé­mi­sphère nord, un pôle amé­ri­cain, si­tué au nord du Ca­na­da, à 15 ° du pôle géo­gra­phique, cô­toie un pôle eu­ro­péen, lo­ca­li­sé aux alen­tours du Spitz­berg. Au sud, à 15 ° et 20 ° res­pec­ti­ve­ment du pôle géo­gra­phique, un pôle amé­ri­cain concur­rence un pôle asia­tique, ain­si dé­nom­mé car si­tué sur un mé­ri­dien tra­ver­sant l’In­do­né­sie. De la proxi­mi­té re­la­tive des dif­fé­rents pôles dé­pend l’orien­ta­tion de l’ai­guille ai­man­tée, le plus proche l’em­por­tant sur les autres. Et Hal­ley de com­men­ter mi­nu­tieu­se­ment les don­nées en­gran­gées. Et de jus­ti­fier, conti­nent par conti­nent, l’évolution de la dé­cli­nai­son ma­gné­tique à la lu­mière de l’in­fluence com­pa­rée des dif­fé­rents pôles. Mais le mo­dèle pro­po­sé par Hal­ley reste avant tout qua­li­ta­tif. Et deux in­ter­ro­ga­tions sub­sistent, aux­quelles son au­teur n’au­ra de cesse de ré­pondre. Tous les aimants connus ont deux pôles. Com­ment la Terre pour­rait-elle en pos­sé­der quatre ? En outre, com­ment ex­pli­quer les chan­ge­ments d’orien­ta­tion de l’ai­guille ai­man­tée ? Pour la seule ville de Londres, les re­le­vés ef­fec­tués sur une pé­riode de 112 ans font état de va­ria­tions at­tei­gnant 17 °. Et, à Pa­ris, sur une du­rée si­mi­laire, elles dé­passent les 10 °. Il fau­drait pour ce­la que les pôles ma­gné­tiques de la Terre soient mo­biles. Or les pôles de tous les aimants sont fixes. Com­ment fe­raient-ils pour mi­grer au sein d’un so­lide ? L’idée d’un ai­mant à plus de deux pôles, mo­biles de sur­croît, passe mal. Quant à la sug­ges­tion de Des­cartes se­lon la­quelle les va­ria­tions de dé­cli­nai­son ma­gné­tique au­raient pour ori­gine la crois­sance de nou­velles mines de fer ou des dé­pla­ce­ments de mi­ne­rai d’un lieu à l’autre, Hal­ley reste scep­tique. En 1692, il rend pu­blic un sché­ma des­ti­né à ana­ly­ser les va­ria­tions tem­po­relles de la dé­cli­nai­son ma­gné­tique, as­sor­ti d’une hy­po­thèse sur la struc­ture in­terne de la Terre. Hal­ley a ima­gi­né une Terre creuse en deux par­ties, mo­biles l’une par rap­port à l’autre, cha­cune d’elles se com­por­tant comme un

ai­mant à deux pôles. À l’in­té­rieur d’une en­ve­loppe ex­terne d’en­vi­ron 800 ki­lo­mètres d’épais­seur, un noyau sphé­rique de même centre, sé­pa­ré d’elle par un mi­lieu fluide, tourne len­te­ment d’est en ouest. Le mou­ve­ment re­la­tif des pôles de l’en­ve­loppe et du noyau, dont la pé­riode est de l’ordre de 700 ans, est à l’ori­gine des va­ria­tions conti­nues de dé­cli­nai­son ma­gné­tique.

Sys­tème so­laire sou­ter­rain

Une Terre creuse ac­cré­di­te­rait éga­le­ment un cal­cul ef­fec­tué par New­ton, cinq ans plus tôt, dans la pre­mière édi­tion des Prin­ci­pia Ma­the­ma­ti­ca, se­lon le­quel la den­si­té de la Terre n’at­tei­gnait que les 5/9 de celle de la Lune. Comme il n’y a au­cune rai­son, a prio­ri, de sup­po­ser que la Terre et la Lune soient faites de ma­tières dif­fé­rentes, une Terre creuse ren­drait com­pré­hen­sible un tel écart (lire p. 78). Conscient tou­te­fois de ce que sa théo­rie pour­rait com­por­ter « d’ex­tra­va­gant et de ro­man­tique » aux yeux de ses col­lègues, Hal­ley passe en re­vue d’éven­tuelles ob­jec­tions. À qui fe­rait re­mar­quer qu’un noyau iso­lé ne res­te­rait pas po­si­tion­né au centre de la Terre, mais fi­ni­rait par per­cu­ter son en­ve­loppe ex­terne, Hal­ley ré­pond en ci­tant l’exemple de Sa­turne et de son an­neau. À qui s’in­quié­te­rait d’ou­ver­tures dans la croûte ter­restre, sus­cep­tibles de lais­ser pas­ser l’eau en per­ma­nence – la­quelle en­va­hi­rait le mi­lieu in­ter­mé­diaire –, Hal­ley sug­gère un pro­ces­sus d’ab­sorp­tion et de pé­tri­fi­ca­tion, qui au­rait en outre l’avan­tage de conso­li­der le man­teau ter­restre. Sur sa lan­cée, l’as­tro­nome éla­bore une hy­po­thèse plus au­da­cieuse en­core : il sug­gère que sa Terre creuse pour­rait abri­ter non pas un, mais plusieurs élé­ments en ro­ta­tion, im­bri­qués les uns dans les autres et dont les dia­mètres res­pec­tifs se­raient ap­proxi­ma­ti­ve­ment ceux de Vé­nus, Mars et Mer­cure. Une sorte de Sys­tème so­laire sou­ter­rain ! Mer­cure for­me­rait un noyau so­lide d’en­vi­ron 3 200 ki­lo­mètres de dia­mètre, et les dif­fé­rentes arches, ou co­quilles sphé­riques, sé­pa­rées les unes des autres par des mi­lieux ra­ré­fiés, tien­draient en équi­libre par les forces ma­gné­tiques qu’elles en­gendrent et qui s’op­posent à la gra­vi­ta­tion.

Ex­pé­di­tions ma­ri­times

Son es­sai pu­blié, Hal­ley ob­tient du roi d’An­gle­terre, en 1698, le com­man­de­ment d’un na­vire, le Pa­ra­mour, avec pour mis - sion d’étu­dier les va­ria­tions de la bous­sole sur toute l’éten­due de l’océan Atlantique. Deux ex­pé­di­tions se soldent par une mois­son de 200 me­sures, ve­nant com­plé­ter les 55 conte­nues dans l’ar­ticle pa­ru en 1683. S’y ajoute la mise au point, en 1701, de la pre­mière carte ma­gné­tique de l’océan Atlantique. Le tra­vail de géo­phy­si­cien de Hal­ley se­ra ré­édi­té à plusieurs re­prises, dans la pre­mière moi­tié du XVIIIe siècle et jus­qu’en 1819, mais avec un suc­cès es­sen­tiel­le­ment po­pu­laire. Si les au­teurs de science-fic­tion ex­ploitent le fi­lon, d’au­tant que Hal­ley s’était lais­sé al­ler à sup­po­ser que l’in­té­rieur de la Terre pou­vait être ha­bi­té pour maxi­mi­ser l’es­pace à la dis­po­si­tion du genre hu­main, l’ac­cueil dans le mi­lieu scien­ti­fique pro­pre­ment dit reste ré­ser­vé. Bien avant que l’étude des ondes sis­miques ne dé­voile l’in­té­rieur de notre pla­nète, la Terre creuse de Hal­ley ces­sait de faire école. Dès 1713, New­ton, qui avait ac­cueilli avec cir­cons­pec­tion la théo­rie de son ami, re­voyait la masse de la Terre à la hausse, en fai­sant état d’un rap­port de den­si­té Terre-Lune de 9 à 11, et non plus de 5 à 9. À la fin du XVIIIe siècle, alors que la mise au point des chro­no­mètres de ma­rine avait, de­puis quelque temps dé­jà, ré­so­lu le pro­blème de la lon­gi­tude, le phy­si­cien bri­tan­nique Hen­ry Ca­ven­dish réus­sis­sait à « pe­ser la Terre » grâce à un as­tu­cieux sys­tème de ba­lance de tor­sion. La masse ob­te­nue par Ca­ven­dish im­pli­quait une den­si­té ter­restre bien su­pé­rieure à celle des roches les plus lourdes pré­sentes à la sur­face de la pla­nète, di­mi­nuant d’au­tant la pro­ba­bi­li­té d’une Terre à struc­ture la­cu­naire. En 1736, vers la fin de sa vie, Hal­ley, alors âgé de 80 ans, avait fait exé­cu­ter un portrait qui le re­pré­sen­tait un dia­gramme de Terre creuse à la main. Le vieil homme était convain­cu que la théo­rie dont il était si fier pas­se­rait à la pos­té­ri­té. Comme il l’es­comp­tait, Hal­ley est bien res­té dans les mé­moires. Mais en tant qu’as­tro­nome, as­so­cié à la co­mète qui porte son nom et dont il avait su pré­dire le re­tour.

Ce sché­ma d’Ed­mond Hal­ley illus­trant sa théo­rie de la Terre creuse a été pu­blié dans la re­vue Phi­lo­so­phi­cal Tran­sac­tions en 1692.

En 1736, Ed­mond Hal­ley, âgé de 80 ans, avait com­man­dé ce portrait le fi­gu­rant avec son dia­gramme de la Terre creuse.

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