Наиболее распространенный источник радиоактивного датирования зависит от активности нашей Вселенной.
«Жизнь во Вселенной существует только потому, что атом углерода обладает некоторыми исключительными свойствами». - Джеймс Джинс
Здесь, на Земле, каждое живое существо основано на четырех фундаментальных элементарных строительных блоках жизни: водороде, кислороде, азоте и, возможно, наиболее важном, углероде.
От алмазов до нанотрубок и ДНК, углерод незаменим для создания практически всех самых сложных структур, которые мы знаем. Большая часть углерода в нашем мире поступает из давно умерших звезд в форме углерода-12: атомы углерода, содержащие шесть нейтронов в своем ядре.
Около 1,1% всего углерода составляет углерод-13 с одним дополнительным нейтроном. Хотя эта форма углерода также стабильна, она гораздо реже образуется в звездах, поэтому неудивительно, что углерод-12 является доминирующей формой углерода не только на Земле, но и везде, куда бы мы ни посмотрели во Вселенной.
Но есть еще одна форма углерода, о которой, хотя и не так много, определенно стоит поговорить.
Углерод-14, или атом углерода с восемью нейтронами в ядре, нестабилен и настолько редок, что только один из триллиона атомов углерода является углеродом-14. С периодом полураспада чуть более 5700 лет любые атомы углерода-14, образовавшиеся в звездах миллиарды лет назад, уже давно распались на атомы азота.
Когда элементы содержат количество нейтронов, не соответствующее количеству протонов в их ядре, они обычно распадаются одним из двух способов: либо альфа-распад, при котором они испускают ядро гелия-4 (два протона и два нейтрона), или они бета-распад, где один из их нейтронов превращается в протон, испуская электрон (и антинейтрино). Хотя есть варианты и исключения, если у вас слишком много нейтронов, вы, вероятно, подвергнетесь бета-распаду, и это именно то, что делает углерод-14.
Но, учитывая, сколько атомов углерода здесь, на Земле, утверждение, что один из триллиона из них находится в форме углерода-14, дает в сумме огромное количество атомов! На самом деле, небольшое, но не совсем незначительное количество углерода-14 присутствует во всей известной нам органической жизни, включая наши собственные тела.
Это буквально космический.
Со всей галактики и Вселенной, от звезд (включая наше Солнце), пульсаров, черных дыр и многого другого, космос наводнен высокоэнергетическими частицами, известными как космические лучи. Чаще всего космические лучи представляют собой протоны, но некоторые из них представляют собой более тяжелые ионы, а некоторые даже простые электроны.
И если вы думаете, что то, что происходит в центре Солнца, является энергетическим, то вы ничего не видели, пока не посмотрели на энергетический спектр космических лучей.
В то время как частицы от Солнца ограничены энергиями в несколько МэВ (~10^6 электрон-Вольт), космические лучи обычно достигают энергий в диапазоне ТэВ (~10^12 эВ, так же, как и то, что мы производим на Большом адронном коллайдере, самом мощном ускорителе в работе) и далеко за его пределами, максимум до 4-или-5 × 10^19 эВ.
Частицы, обычно испускаемые Солнцем, обычно не те, которые создают Углерод-14, а частицы из этих более высоких источников энергии - при энергиях ~10^10 эВ и выше - могут создают огромные ядерные каскады в тот момент, когда они взаимодействуют с верхними слоями атмосферы.
Среди множества частиц - стабильных, нестабильных и квазистабильных - которые создаются в этих каскадных ливнях субатомных частиц, скромный (но очень важный) свободный нейтрон производится в большом количестве. Причина, по которой нейтроны так важны, заключается в том, что наша атмосфера на 78% состоит из азота, который вы, возможно, помните как вещество, на которое распадается углерод-14.
Ну, если углерод-14 может распадаться на азот-14 и другие вещества, то мы можем создать углерод-14, комбинируя азот-14 с соответствующими веществами. В данном случае это нейтрон, который позволяет происходить следующему процессу:
После того как вы создадите Углерод-14, он будет вести себя так же, как и любой другой атом углерода, легко образуя CO2 (он же углекислый газ) и смешиваясь с атмосферой и океанами, легко проникая в живые организмы и достижение хорошо понятного равновесия. Насколько мы можем судить, уровни углерода-14 во всем мире оставались примерно постоянными на протяжении последних нескольких тысячелетий. В течение своей жизни все углеродсодержащие организмы поглощают углерод-12, 13 и 14 прямо пропорционально их атмосферным концентрациям, что неизменно верно на всех этапах жизни для растений, животных, грибов и всех других живых существ, больших и малых.
Однако, когда организм умирает, он больше не поглощает новый углерод, и старые атомы углерода-14 в их телах распадаются. Мы можем определить, как давно он умер, измерив соотношение углерода-14 и углерода-12 в любом умершем организме и сравнив его с естественным соотношением.
Единственное серьезное колебание, о котором мы знаем, произошло, когда мы начали взрывать ядерное оружие на открытом воздухе еще в середине 20-го века. Если вы когда-нибудь задумывались, почему ядерные испытания теперь проводятся под землей, то одной из основных причин этого является загрязнение атмосферы радиоактивными частицами.
Долгое время предполагалось, что только серьезная ядерная реакция, подобная этой, может быть причиной всплеска углерода-14. Но, к нашему большому удивлению, всего пару лет назад группа ученых опубликовала документ, показывающий большой кратковременный всплеск уровня углерода-14 еще в 8 веке!
Глядя на годичные кольца древних японских кедров, вы можете увидеть рост концентрации углерода-14, который начинается в 770-х годах, достигает пика в 780-х годах, а затем падает.
Чему это соответствует с точки зрения создания этого Углерода-14? Должен быть либо поблизости источник высокоэнергетических частиц, либо большое количество недавно обогащенного углерода, который попал на Землю. Но большинство потенциальных преступников, о которых вы подумали бы сначала, исключены.
- Сверхновая в нашей галактике могла бы сделать это, но с появлением современных инфракрасных, радио- и рентгеновских телескопов мы идентифицировали все остатки сверхновых в нашем перешейке галактики, восходящие к более чем 2000 лет. В то время поблизости не было сверхновых, так что это объяснение отсутствует.
- Облученная комета - учитывая, сколько углерода она содержит - могла нести обогащенный углерод-14 на Землю вместе с его нормальным количеством. Чтобы объяснить этот всплеск, потребовалось бы всего около 18 дополнительных килограммов углерода-14, но для этого потребовалась бы комета диаметром почти 100 километров, что больше, чем удар, уничтоживший динозавров. Так что это тоже исключено.
- Также нет свидетельств необычно большой солнечной вспышки или какой-либо другой причудливой солнечной активности, хотя виновником, теоретически, может быть супервспышка - , которая происходит каждые несколько тысяч лет от солнцеподобных звезд - .
Ближайшее, что у нас есть, это из англо-саксонских хроник, датируемых 774 годом, в котором говорится:
Может ли красное распятие в небе быть каким-то астрономическим явлением, испустившим интенсивный всплеск космических лучей? Возможно, ближайший самозванец сверхновой? Вспыхивающая или извергающаяся черная дыра?
Возможности захватывающие, но все, что мы знаем на данный момент, это то, что данные очень четко указывают на то, что примерно в то время в атмосфере наблюдался настоящий всплеск концентрации углерода-14. Поскольку этот изотоп (вместе со всем углеродом) был поглощен биологическими процессами, концентрация в атмосфере вернулась к исходному уровню всего за несколько десятилетий.
С тех пор, как мы наблюдали за небом, мы никогда не видели повышения уровня космической радиации, которое могло бы вызвать подобное явление, но - честно говоря - только недавно наша изощренность измерение уровня углерода-14 в старых годичных кольцах деревьев, как это, позволило нам проверить наличие таких всплесков углерода-14.
Итак, как мы собираемся узнать об этом больше в будущем? Похоже, нам придется раскопать больше старых деревьев, которые можно датировать радиоуглеродным методом, и посмотреть, есть ли в них повышенный уровень углерода-14. Если нет, то можно предположить, что эти деревья просто случайные, или что в анализе была допущена ошибка. Но это маловероятно; есть данные по деревьям Северной Америки и Европы - в дополнение к японским деревьям - , что это согласуется с!
Вполне вероятно, что за очень короткий период времени произошло чрезвычайно большое увеличение космического излучения, подобного которому мы никогда не видели и не регистрировали, до сих пор. Но что вызвало это, и когда это повторится?
Иногда так и происходит с наукой: чем больше мы узнаем и чем больше приходим к пониманию, тем больше возникает вопросов без ответов. Мы знаем, откуда берется углерод-14, как он производится, и мы понимаем, что ему требуется космически активная внешняя Вселенная за пределами нашей Солнечной системы, чтобы постоянно восстанавливать наши запасы здесь, на Земле.
Но насколько велик естественный всплеск его изобилия более тысячи лет назад? Скорее всего, нам придется дождаться небольшого космического везения - или расширить наше космическое зрение на другие звездные системы - для ответа на эту загадку!