Φυσική και Αρχαιολογία
Η Χρονολόγηση με άνθρακα-14

Από σελίδα του PhysicsWeb Μαϊος 2001

Τεχνικές βασισμένες στη φυσική διαδραματίζουν έναν κρίσιμο ρόλο βοηθώντας τους αρχαιολόγους, να διευκρινίσουν την ιστορία των προγόνων μας και να αποκαλύψουν άγνωστες περιοχές, χωρίς την ανάγκη της ανασκαφής.

Η αρχαιολογία γίνεται όλο και περισσότερο δημοφιλής, γεγονός που απεικονίζεται στο μεγάλο αριθμό τηλεοπτικών προγραμμάτων και αναγνωσμάτων στις εφημερίδες σχετικά με αυτό το θέμα. Πράγματι, στο γύρισμα μιας νέας χιλιετίας φαίνεται να υπάρχει μια εμμονή σχετικά με την διερεύνηση του παρελθόντος. Αυτή η γοητεία της προσπάθειας ν' ανακαλύψουμε πώς ο ανθρώπινος χαρακτήρας έχει εξελιχθεί από την προ-ανθρώπινη προέλευση μέχρι το πρόσφατο παρελθόν είναι κατανοητή. Με τη μελέτη του παρελθόντος μας, ικανοποιούμε "την ανάγκη μας να ξέρουμε". Κερδίζουμε επίσης μια μεγαλύτερη αίσθηση της ταυτότητας και μιας προοπτικής μας, από τις οποίες ατενίζουμε το μέλλον μας και κάνουμε σχέδια γι' αυτό.

Η αρχαιολογία έχει αναπτυχθεί σε μια ακμάζουσα επαγγελματική ενασχόληση, που υποβοηθείται αρκετά από την επιστήμη. Πράγματι η "αρχαιολογική επιστήμη" έχει γίνει ένα πλήρως αναγνωρισμένο διεπιστημονικό θέμα, με την υποστήριξη ακαδημαϊκών περιοδικών και Πανεπιστημιακών τμημάτων. Όλες οι σημαντικότερες επιστήμες έχουν μια συμβολή, θα μπορούσαμε εξ ίσου καλά να δώσουμε έμφαση στο ρόλο που παίζει η μοριακή βιολογία, η βοτανική, η γεωχημεία, η φυσική ανθρωπολογία και η αστρονομία.

Το σάβανο του Τουρίνου, εξετάσθηκε με τη μέθοδο AMS

Μαζί με αυτές τις επιστήμες, η φυσική έχει παίξει έναν κρίσιμο ρόλο στη χρονολόγηση των αντικειμένων και στην ανακάλυψη των νέων αρχαιολογικών περιοχών.  Η χρονολόγηση με ραδιοϊσότοπα, αποκάλυψε ότι το σάβανο του Τορίνου δεν ήταν ένα γνήσιο λείψανο από τον καιρό του Χριστού. Η τεχνική αυτή εξάλλου συνεχίζει την προσπάθειά της να ρίξει φως στη διατροφή και τον τρόπο ζωής των προγόνων μας. Εν τω μεταξύ οι αρχαιολόγοι έχουν ανακαλύψει πρόσφατα τα υπολείμματα του μεγαλύτερου ξύλινου ναού στο Ηνωμένο Βασίλειο, με την ανίχνευση μικροσκοπικών μεταβολών στο γήινο μαγνητικό πεδίο, παρά με το σκάψιμο. Ο αντίκτυπος τέτοιων τεχνικών στην αρχαιολογία, δεν πρέπει λοιπόν καθόλου να υποτιμηθεί .

Η Χρονολόγηση με άνθρακα-14

Ίσως η μοναδική σημαντικότερη ανάπτυξη για την αρχαιολογία στο 20ό αιώνα, προήλθε από την ανακάλυψη της ραδιοχρονολόγησης ­ και της χρονολόγησης με άνθρακα 14 ειδικότερα. Το 1946 ο Willard Libby του Πανεπιστημίου του Σικάγου πρόβλεψε ότι όλα τα ζώντα φυτά και ζώα απορροφούν τον ασθενώς ραδιενεργό άνθρακα-14, ένα ισότοπο από την ατμόσφαιρα. Η διαδικασία σταματά όταν τα φυτά ή τα ζώα πεθαίνουν, και οι πυρήνες του άνθρακα-14 αρχίσουν  να αποσυντίθενται με ένα γνωστό ρυθμό χρόνου ημιζωής 5730 έτη.
Οι μετρήσεις της υπόλοιπης ραδιενέργειας ενός δείγματος παρέχουν έτσι μια εκτίμηση της ηλικίας του δείγματος, υπό τον όρο ότι είναι λιγότερο από 50.000 ετών. Ο Libby και οι συνάδελφοί του ήταν οι πρώτοι που υπολόγισαν την ηλικία των αρχαιολογικών δειγμάτων κατ' αυτό τον τρόπο, μια εργασία για την οποία κέρδισε ο Libby το βραβείο Νόμπελ για τη Χημεία το 1960.

Ιστορική ζώνη-Stonehenge

Η χρονολόγηση με άνθρακας-14 είναι κεντρικής σημασίας στην εύρεση της χρονολογικής σειράς των γεγονότων, ιδιαίτερα για τα προϊστορικά γεγονότα που εμφανίστηκαν πριν από την ύπαρξη γραπτών μνημείων.
Πράγματι, τα προϊστορικά γεγονότα μπορούν τώρα να χρονολογηθούν, με ακρίβεια μερικών δεκαετιών, εάν η ραδιοχρονολόγηση υποβοηθείται με στοιχεία από τους δακτυλίους από δέντρα και συνδυασμένη με στατιστικά πρότυπα που ενσωματώνουν τις στρωματογραφικές  πληροφορίες. Παραδείγματος χάριν, τώρα ξέρουμε ότι η τάφρος που περικυκλώνει το Stonehenge σκάφτηκε κατά τη διάρκεια της αρχικής φάσης κατασκευής μεταξύ του 3020­2910 π.Χ.
Πιό πρόσφατα, ένας συνδυασμός ραδιοχρονολόγησης, με μαθηματικά πρότυπα και μετρήσεις δένδρο-δακτυλίων, έχει χρησιμοποιηθεί για να χρονολογήσει τον περίεργο κύκλο σε μια παραλία του Norfolk,  μεταξύ του Απρίλιου και του Ιουνίου του 2049 π.Χ. ακριβώς!

Άλλα ραδιενεργά ισότοπα με πιό μακροχρόνιες ημιζωές ­ όπως το κάλιο- 40 (που διασπάται σε αργό- 40) και το ουράνιο- 238 (που διασπάται σε θόριο- 230) ­ επεκτείνουν τη ραδιομετρική χρονολόγηση, αρκετά πέρα από τα 50.000 έτη με τη μέτρηση της συγκέντρωσης των προϊόντων της διάσπασης.
Τέτοιες μέθοδοι έχουν αποδειχθεί ζωτικής σημασίας στην έρευνα της εξέλιξης των πρώτων ανθρώπων και την ακόλουθη αποίκιση της Ευρασίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων 2 εκατομμυρίων ετών.

Προς το τέλος της δεκαετίας του '70 οι αρχαιολόγοι στράφηκαν στη φασματογραφία μαζών με χρήση επιταχυντών (AMS) ­ μια τεχνική καλά γνωστή  στη πυρηνική φυσική ­ για να βελτιώσουν τη χρονολόγηση με άνθρακα-14. Στο AMS το δείγμα μετατρέπεται αρχικά σε γραφίτη και βομβαρδίζεται έπειτα από ιόντα καισίου, το οποίο αναγκάζει τα ιόντα του άνθρακα να απελευθερωθούν. Τα ιόντα του άνθρακα επιταχύνονται έπειτα σε υψηλές ταχύτητες και περνούν μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο τα εκτρέπει κατά μια γωνία που είναι ανάλογη με το ατομικό βάρος τους. Αυτό σημαίνει ότι τα ισότοπα, άνθρακας-14, άνθρακας- 13 και άνθρακας-12  μπορούν να ανιχνευθούν χωριστά.

Eπειδή με τη μέθοδο αυτή μπορούν να μετρηθούν τα μεμονωμένα άτομα άνθρακα-14, η μέθοδος AMS επιτρέπει σε πολύ μικρότερα δείγματα να αναλυθούν από ότι ήταν προηγουμένως δυνατόν. Αυτό σημαίνει ότι μικροσκοπικά στοιχεία όπως οι μεμονωμένοι σπόροι μπορούν να χρονολογηθούν. Εν τω μεταξύ η χρονολόγηση πολύτιμων αντικειμένων, μπορεί να επιτευχθεί με την αφαίρεση μικρών δειγμάτων χωρίς σημαντική ή προφανή ζημία. Μια φημισμένη εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας το 1989, απέδειξε ότι το ύφασμα του σαβάνου του Τορίνου ήταν μεσαιωνικό και χρονολογήθηκε από το1220­1280 μ.Χ, και όχι από τον καιρό του Χριστού .

Ένα πιό πεζό και πρόσφατο παράδειγμα με χρονολόγηση με AMS, έχει δείξει ότι τα απορρίμματα απανθρακωμένης οργανικής ύλης που ανακτήθηκε από ένα κοίλωμα που ανασκάφθηκε κοντά την Οξφόρδη, είναι τα πιό πρόωρα παραδείγματα του ψημένου ψωμιού στο Ηνωμένο Βασίλειο. Έφτιαχναν άραγε οι πρόγονοί μας tost μεταξύ 3620­3350 π.Χ.;
Πειράματα με ακόμα μεγαλύτερη ευαισθησία χρησιμοποίησαν το AMS για να χρονολογήσουν τις μεμονωμένες κέρινες και ελαιούχες ενώσεις που συντηρούνται σε προϊστορικά δοχεία. Τα αποτελέσματα θα παράσχουν πληροφορίες και για τη διατροφή και για τη χρονολογία των προγόνων μας.

Θερμοφωταύγεια, spin και μαγνητισμός

Άλλες μέθοδοι χρονολόγησης που εξαρτώνται έμμεσα από τη ραδιενέργεια είναι η χρονολόγηση με "θερμοφωταύγεια" και ο "συντονισμός του ηλεκτρονικού spin". Η χρονολόγηση θερμοφωταύγειας στηρίζεται στη μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων που είναι παγιδευμένα στη κρυσταλλική δομή του αρχαιολογικού αντικειμένου. Αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν εγκαταλείψει τα άτομα τους με την ακτινοβολία που έχουν δεχθεί από τα ραδιενεργά στοιχεία στο δείγμα, ή στο περιβάλλον του δείγματος, και έχουν παγιδευτεί ύστερα στις ατέλειες του δικτυωτού πλέγματος του κρυστάλλου. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από τις παγίδες, με τη θέρμανση του δείγματος ­ παραδείγματος χάριν όταν ένα δοχείο μπαίνει στη φωτιά ή όταν μια τσακμακόπετρα ανάβει ­ ή και με την έκθεση στο φως. Με άλλα λόγια, η θέρμανση επαναρυθμίζει το "ρολόι θερμοφωταύγειας" σε μηδέν. Ο αριθμός παγιδευμένων ηλεκτρονίων συναθροίζεται με ρυθμό που ελέγχεται από την τοπική πηγή ακτινοβολίας.

Προκειμένου να χρονολογηθεί το αντικείμενο, το δείγμα αρχικά θερμαίνεται εκ νέου και η ενέργεια ηλεκτρονίων καθορίζεται με τη μέτρηση του φωτός που εκπέμπεται, όταν επανασυνδυάζονται τα ηλεκτρόνια με τα αποκαλούμενα κέντρα φωταύγειας στον κρύσταλλο. Εάν το τοπικό επίπεδο της ακτινοβολίας από το δείγμα και το περιβάλλον στα οποία θάφτηκε είναι γνωστό, η αντίστοιχη συσσωρευμένη θερμοφωταύγεια, μπορεί να παράσχει μια εκτίμηση της ηλικίας του αντικειμένου δεδομένου ότι το "ρολόι" τέθηκε στο μηδέν. Αν και λιγότερο ακριβής από την χρονολόγηση με άνθρακα-14, η θερμοφωταύγεια μπορεί να βοηθήσει στην χρονολόγηση υλικών που θερμαίνονται όπως τα κεραμικά, η τσακμακόπετρα και μερικά βιομηχανικά προϊόντα. Η μέθοδος υπερβαίνει σημαντικά το όριο των 50.000 ετών της χρονολόγησης με άνθρακα 14.

Στη μέθοδο συντονισμού του spin των ηλεκτρονίων η παρουσία παγιδευμένης ενέργειας σε ένα δείγμα μετριέται από την απόκριση της στην υψηλής συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη για τα υλικά, όπως το σμάλτο δοντιών, το οποίο αποσυντίθεται εάν θερμανθεί. Ο συντονισμός του spin των ηλεκτρονίων έχει αποδειχθεί πολύτιμος για τη χρονολόγηση των υπολειμάτων ανθρωποειδούς στη Μέση Ανατολή, στην κρίσιμη περίοδο όταν ο Νεάντερταλ και ο σύγχρονος άνθρωπος συνυπήρχαν περίπου 100.000 χρόνια πριν.

Όπως θα γίνει προφανές αργότερα, το γήινο μαγνητικό πεδίο διαδραματίζει ποικίλους ρόλους στην αρχαιολογική επιστήμη, ένας από τους οποίους είναι η "αρχαιομαγνητική χρονολόγηση".   Αυτό εξαρτάται από τη σφραγίδα του γήινου περιβαλλοντικού μαγνητικού πεδίου στα μαγνητικά υλικά όπως ψύχθηκαν κάτω από τη θερμοκρασία Curie τους. Για να χρονολογήσουμε ένα δείγμα με τη μέθοδο αυτή, ο προσανατολισμός του μέσα στο πεδίο στο οποίο βρέθηκε, πριν μετακινηθεί από αυτό. Το μαγνητικό πεδίο του δείγματος μετριέται έπειτα με ένα εργαστηριακό μαγνητόμετρο και συγκρίνεται με τις γνωστές μεταβολές του πεδίου στο πέρασμα του χρόνου.

Κατά διαστήματα η πολικότητα του Γήινου μαγνητικού πεδίου έχει αντιστραφεί. Η υπογραφή τέτοιων αντιστροφών έχει καταγραφεί σε ορισμένους τύπους ιζηματογενών και ηφαιστειακών βράχων. Ο Παλαιομαγνητισμός έχει χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα σε απολιθωμένα υπολείμματα των πιό πρόωρων ειδών σχετικών με τα ανθρώπινα όντα. Το 1998, παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιήθηκε για να χρονολογήσει έναν πλήρη σκελετό ανθρωποειδούς που βρέθηκε στο Sterkfontein στη Νότια Αφρική. Οι μετρήσεις αποκάλυψαν ότι τα υπολείμματα ήταν μεταξύ 3,22 και 3,58 εκατομμυρίων ετών, εξ αιτίας της θέσης τους μεταξύ των στρωμάτων του βράχου, για τα οποία γνωρίζαμε τις αντιστροφές πολικότητας που είχαν υποστεί.

Οι συγγραφείς του άρθρου είναι ο Andrew David και Neil Linford που είναι αρχαιολόγοι στο English Heritage Centre for Archaeology, Fort Cumberland, Fort Cumberland Road, Eastney, Portsmouth PO4 9LD, UK.