В 774/775 года годичные кольца показывают всплеск углерода-14 в отличие от всего остального. Наконец-то ученые думают, что знают почему.
Время от времени наука раскрывает нам тайну, которая становится полной неожиданностью. Обычно, когда мы разрезаем дерево и изучаем его кольца, мы обнаруживаем три различных формы углерода в каждом кольце: углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Хотя соотношение углерода-12 и углерода-13, похоже, не меняется со временем, углерод-14 - это совсем другая история. Его численность медленно уменьшается с периодом полураспада немногим более 5000 лет, с типичными колебаниями около 0,06% от года к году в кольцах.
Но в 2012 году группа японских исследователей анализировала годичные кольца деревьев, датируемые 774/775 годами, когда они обнаружили огромный сюрприз. Вместо типичных вариаций, к которым они привыкли, они увидели всплеск, который был в 20 раз больше, чем обычно. После многих лет анализа маловероятный виновник наконец был обнаружен: Солнце. Вот научная история того, откуда мы знаем.
Давным-давно наша Солнечная система сформировалась из молекулярного облака газа. Среди водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва, был полный набор тяжелых элементов, составляющих остальную часть таблицы Менделеева, возвращенных в межзвездную среду из трупов звезд предыдущих поколений. Выдающимся среди этих элементов был углерод, четвертый по распространенности элемент во всей Вселенной.
Большая часть углерода, существующего на Земле, образовавшегося в результате этого давнего события, представляет собой углерод-12, состоящий из шести протонов и шести нейтронов в своем ядре. Крошечная часть нашего углерода, около 1,1%, находится в форме углерода-13 с одним дополнительным нейтроном по сравнению с его более распространенным аналогом углерода-12. Но есть еще одна форма углерода, не только редкая, но и нестабильная, углерод-14 (с двумя дополнительными нейтронами по сравнению с углеродом-12), который держит ключ к разгадке этой тайны.
В отличие от углерода-12 и углерода-13, углерод-14 с шестью протонами, но восемью нейтронами в ядре по своей природе нестабилен. С периодом полураспада чуть более 5000 лет атомы углерода-14 будут распадаться на азот-14, испуская при распаде электрон и антиэлектронное нейтрино. Все атомы углерода-14, которые были созданы до образования Земли, давно бы распались, и ни один из них не остался позади.
Но здесь, на Земле, у нас есть углерод-14. Приблизительно 1 из каждых одного триллиона атомов углерода содержит восемь нейтронов, что указывает на то, что должен быть какой-то способ производства этих нестабильных изотопов на Земле. Долгое время мы знали, что углерод-14 существует, но не понимали его происхождения. Однако в 20-м веке мы, наконец, поняли: углерод-14 происходит от высокоэнергетических космических частиц, сталкивающихся с нашим миром.
Из таких источников, как Солнце, звезды, звездные тела, черные дыры и даже галактики за пределами Млечного Пути, пространство наводнено этими высокоэнергетическими частицами, известными как космические лучи. Большинство из них представляют собой простые протоны, но некоторые из них представляют собой более тяжелые атомные ядра, другие представляют собой электроны, а некоторые даже являются позитронами: аналогом электронов в антиматерии.
Независимо от их состава, первое, с чем сталкивается космический луч при встрече с Землей, - это наша атмосфера, что приводит к каскадной цепной реакции взаимодействий. Будет произведено множество новых частиц, включая фотоны, электроны, позитроны, нестабильные легкие частицы, такие как мезоны и мюоны, и более знакомые частицы, такие как протоны и нейтроны. В частности, нейтроны невероятно важны для производства углерода-14.
Большая часть атмосферы Земли - около 78% - состоит из газообразного азота, который сам по себе представляет собой двухатомную молекулу, состоящую из двух атомов азота. Каждый раз, когда нейтрон сталкивается с ядром азота, состоящим из 7 протонов и 7 нейтронов, существует конечная вероятность того, что он прореагирует с этим ядром, заменив один из протонов. В результате атом азота-14 (и нейтрон) превращается в атом углерода-14 (и протон).
Когда вы производите углерод-14, он ведет себя так же, как любой другой атом углерода. Он легко образует углекислый газ в нашей атмосфере и смешивается с атмосферой и океанами. Он включается в растения, потребляется животными и легко проникает в живые организмы, пока не достигнет равновесных концентраций. Когда организм умирает (или кольцо дерева полностью сформировано), новый углерод-14 не поступает в него, и поэтому весь существующий углерод-14 медленно, но неуклонно распадается.
Когда вы слышите термин «углеродное датирование», это то, что имеют в виду ученые: измерение отношения углерода-14 к углероду-12. Если мы знаем, каким было первоначальное отношение углерода-14 к углероду-12, когда организм был жив (поскольку оно обычно меняется всего на ~0,06% от года к году), и мы измеряем, какое отношение углерода-14 к углероду- 12 сегодня (когда часть его распалась из-за его нестабильной, радиоактивной природы), мы можем сделать вывод, сколько времени прошло с тех пор, как этот организм перестал поглощать углерод-14.
Насколько мы можем судить, уровни углерода-14 оставались примерно постоянными во всем мире на протяжении последних нескольких тысячелетий. Единственное известное колебание этой модели, по крайней мере, на начало 2010-х годов, было вызвано взрывом ядерного оружия на открытом воздухе. И все же в 2012 году мы испытали научный шок: примерно в 774/775 году два независимых кедра в Японии были проанализированы на углерод-14 в своих кольцах и увидели огромный всплеск, который был примерно в 20 раз больше, чем естественные вариации. мог объяснить.
Единственное естественное объяснение, имеющее какой-либо смысл, состоит в том, что примерно в то же время Земля подверглась чрезмерной бомбардировке этими космическими лучами, создав всплеск количества создаваемого углерода-14. Несмотря на то, что это небольшое превышение в абсолютном выражении - всего на 1,2% больше углерода-14, чем обычно - это намного превышает любые естественные изменения, которые мы когда-либо видели.
Более того, это шип, существование которого впоследствии было подтверждено в годичных кольцах деревьев по всему миру, от Германии до России, Новой Зеландии и США. Результаты совпадают во всех странах и могут быть объяснены чем угодно: от повышенной солнечной активности до космической вспышки и прямого попадания далекого гамма-всплеска. Но к свидетельству углерода-14 впоследствии присоединились некоторые другие исторические и научные особенности, и последние позволили нам разгадать тайну.
Исторически в англо-саксонских хрониках 774 года было записано «красное распятие в небе», что могло соответствовать либо сверхновой (остатков звезды так и не было обнаружено), либо полярному сиянию. В Китае в 775 году была зарегистрирована аномальная «гроза», настолько примечательная, что это было единственное зарегистрированное подобное событие.
Но с научной точки зрения к данным годичных колец присоединились данные ледяных кернов из Антарктиды. В то время как кольца деревьев показывают всплеск углерода-14 в 774/775, данные ледяных кернов показывают соответствующий всплеск радиоактивных бериллия-10 и хлора-36, что предполагает связь с сильным, энергичным событием солнечных частиц. Такое событие, как это, возможно, было бы на одном уровне с ныне известным событием Кэррингтона 1859 года, которое является крупнейшей зарегистрированной солнечной бурей в новейшей истории, и исторические данные также согласуются с этим объяснением.
Впоследствии были обнаружены два других события, которые могли показать аналогичные всплески этих изотопов: чуть более слабый выброс в 993/4 г. и еще более ранний, датируемый примерно 660 г. до н.э. Объединенные данные всех трех событий указывают на общее происхождение, которое обязательно связано с большим потоком протонов в определенном диапазоне энергий.
Это согласуется с относительно распространенным явлением, наблюдаемым на Солнце: выбросом солнечных протонов. Однако это не согласуется со сценарием гамма-всплеска, который не может одновременно создать поток протонов, необходимый для объяснения бериллия-10. Та же самая японская группа, которая первоначально предложила объяснение данных годичных колец 774/5 гамма-всплеском, после проведения собственных измерений события 993/4 пришла к выводу:
Вполне возможно, что эти события имеют одно и то же происхождение. Учитывая частоту возникновения событий увеличения [углерода-14], солнечная активность является вероятной причиной [этих] событий.
Время от времени Солнце выбрасывает энергичные частицы прямо в направлении Земли. Иногда магнитное поле Земли отклоняет их, а иногда направляет эти частицы в нашу атмосферу. Когда они прибывают, они могут создавать полярные сияния, нарушать наши локальные магнитные поля и - если мы технологически продвинуты - они могут индуцировать всевозможные токи в наших электрических сетях и устройствах, потенциально вызывая ущерб инфраструктуре на триллионы долларов.
Теперь мы знаем, что существует множество солнечных явлений, которые влияют на Землю, и что самые большие по величине события, которые мы испытали, происходят более одного раза в тысячелетие. Мы не можем предсказать, когда прибудет следующий, но несомненно, что последствия для человеческого общества будут больше, чем когда-либо, когда он придет. Уровни углерода-14, безусловно, снова подскочат в будущем, но когда это произойдет, это повлияет не только на годичные кольца деревьев и ледяные ядра. Нам сообща решать, как мы будем готовиться.