Când un cercetător ridică un obiect – fie că este vorba despre un fragment de piele dintr-un loc de săpătură, o fosilă dintr-un sertar de muzeu sau un meteorit proaspăt căzut – prima sa întrebare ar putea fi: „Ce este chestia asta?” O continuare naturală: „Câți ani are?” Prima întrebare este fundamentală, fără îndoială. Dar și al doilea este puternic. Ajută la plasarea obiectului în contextul său arheologic, geologic sau cosmologic adecvat. „Fără a cunoaște vârstele lucrurilor, nu există narațiune”, spune Rick Potts, paleoantropolog la Muzeul Național de Istorie Naturală al Smithsonian din Washington, DC.
Până acum aproximativ un secol, cercetătorii care studiau rocile și fosilele pe care le conțin puteau răspunde la întrebarea vârstei doar vag, dacă chiar deloc. Folosind liniile directoare stabilite de geologi în anii 1600, aceștia puteau măsura vârsta unei roci doar în termeni relativi: De exemplu, Proba A era considerată mai veche decât Proba B dacă provenea dintr-un strat inferior și presupus mai vechi de sediment sau rocă. Dar Pământul este un loc dinamic. Straturile lipsă, precum și perturbările cauzate de cutremure, alunecări de teren sau alte răsturnări de teren au însemnat că chiar și vârstele relative pentru roci ar putea fi dificil de determinat. Idem pentru oasele, uneltele și alte artefacte din pământ: Săpăturile anterioare, sau chiar activitățile de zi cu zi ale vechilor rezidenți ai unui sit, ar putea agita solul și, astfel, pot perturba straturile.
Pentru a sărbători cea de-a 100-a aniversare, evidențiem unele dintre cele mai mari progrese ale științei din ultimul secol. Pentru mai multe din serie, vizitați Century of Science.
Descoperirea radioactivității la mijlocul anilor 1890 a deschis calea pentru ca oamenii de știință să stabilească vârstele absolute ale unor obiecte, spune Doug Macdougall, geochimist anterior la Scripps Institution of Oceanography și autorul cărții. Ceasurile Naturii. În mai puțin de un deceniu, notează el, mai mulți fizicieni au propus metode pentru a face acest lucru. Metodele se bazează pe constatarea că fiecare tip, sau izotop, de atom radioactiv are propriul său timp de înjumătățire – timpul necesar pentru ca jumătate din atomii dintr-o probă să se descompună. Deoarece dezintegrarea radioactivă are loc în nucleul atomului, timpul de înjumătățire nu se modifică în funcție de condițiile de mediu, de la căldura infernală și presiunile de zdrobire din adâncul Pământului până la tărâmul rece al sistemului solar îndepărtat. Asta face izotopii radioactivi ceasuri minunate.
Astăzi, datarea radiometrică acoperă epocile, din timpurile recente până la nașterea sistemului nostru solar. Datarea cu carbon 14 este cea mai potrivită pentru ceva care a trăit în ultimii 50.000 de ani sau ceva făcut din astfel de organisme – tijele de lemn ale săgeților, pielea dintr-un mocasin sau fibrele vegetale folosite pentru a țese țesături sau coșuri. Izotopii de uraniu și toriu cu viață mai lungă pot ajuta să cerceteze adânc în trecutul Pământului – până când se formau primele roci ale planetei noastre, sau chiar mai departe, până când sistemul nostru solar se unia din gaz și praf.
Există mai multe metode diferite pentru estimarea vârstelor folosind timpii de înjumătățire, explică Macdougall. Pentru izotopii cu viteze de descompunere relativ rapide, cercetătorii determină proporția unui izotop radioactiv în raport cu alți atomi ai aceluiași element și o compară cu cât de mult din acel izotop ar fi de așteptat să aibă o probă proaspătă. Cu aceste informații, împreună cu timpul de înjumătățire cunoscut, este posibil să se estimeze vârsta eșantionului original.
Această abordare funcționează bine pentru carbonul-14, posibil unul dintre cei mai familiari izotopi folosiți în datarea radiometrică. În timp ce o plantă sau un animal este în viață, ia carbon din mediu. Dar când organismul moare, acel aport se oprește. Deoarece carbonul-14 este creat în atmosfera Pământului la o rată destul de constantă, oamenii de știință pot estima cu ușurință cantitatea acelui izotop care ar trebui să fie prezent într-un organism viu.
Carbon-14 are un timp de înjumătățire de aproximativ 5.730 de ani – ceea ce înseamnă că la 5.730 de ani după moartea unui organism, jumătate din izotopul prezent în proba originală se va fi degradat. După alți 5.730 de ani, jumătate din carbonul-14 rămas s-a degradat (lăsând un sfert din cantitatea din proba originală). În cele din urmă, după aproximativ 50.000 de ani (sau aproape nouă timpi de înjumătățire), rămâne atât de puțin carbon-14 încât proba nu poate fi datată în mod fiabil.
Pe lângă carbon-14, această tehnică poate fi utilizată pentru izotopii de scurtă durată ai sulfului, siliciului, fosforului și beriliului, spune Macdougall.
O altă metodă este mai potrivită pentru izotopii cu perioade lungi de înjumătățire (și, prin urmare, rate lente de degradare), spune Macdougall. În această abordare, oamenii de știință măsoară cantitatea unui anumit izotop dintr-o probă și apoi o compară cu cantitățile diferitelor „produse fiice” care se formează pe măsură ce izotopul se descompune. Luând raporturile acestor cantități – sau chiar raporturile dintre cantitățile de produse fiice singure – și apoi „mergând ceasul înapoi”, cercetătorii pot estima când a început pentru prima dată dezintegrarea radioactivă (adică când s-a format obiectul).
Oamenii de știință trebuie încă să fie atenți. Un ceas radiometric poate fi „resetat” dacă fie izotopul original, fie produsele sale fiice sunt pierdute în mediu. Cristalele robuste numite zirconi, de exemplu, sunt de lungă durată și sunt prezente în multe roci. Dar temperaturile extreme pot scoate plumbul, un produs fiică al uraniului și toriu radioactiv, din cristal.
În ciuda potențialelor provocări, oamenii de știință au folosit datarea radiometrică pentru a răspunde la tot felul de întrebări. Cercetătorii au folosit datarea plumb-plumb – care analizează doi izotopi de plumb, ambii produse fiice ale unui izotop de uraniu – pentru a analiza o incluziune în interiorul unui meteorit antic; în 2010, ei au raportat că minuscul bleb avea o vechime de aproximativ 4,568 miliarde de ani, ceea ce îl face unul dintre cele mai vechi blocuri de construcție ale sistemului nostru solar. Echipa a folosit o tehnică de datare aluminiu-magneziu pentru a confirma această vârstă mare. Alții au folosit tehnici similare pentru a estima vârsta celor mai vechi roci cunoscute de pe Pământ (aproximativ 4,4 miliarde de ani) și când ar fi putut începe tectonica plăcilor (cu peste 4 miliarde de ani în urmă, potrivit unui studiu).
Și chiar dacă unele dintre aceste tehnici estimează vârste de miliarde de ani în trecut, „pot face acest lucru cu bare de eroare de doar 100.000 de ani sau cam așa ceva”, spune Marc Caffee, fizician la Universitatea Purdue din West Lafayette, Ind. „Eu minunați-vă de precizia pe care o au aceste cronometre”, adaugă el.
Tehnicile de datare care se bazează pe izotopi cu timpi de înjumătățire măsurat în milioane de ani pot fi folosite pentru a estima ratele de eroziune pe termen lung – pentru a ajuta la măsurarea cât de repede a fost sculptat un canion, de exemplu – sau pentru a deduce începutul activității glaciare în timpul recent. epocile glaciare.
Cel puțin o jumătate de duzină de tehnici de datare radiometrică pot fi aplicate în ultimele câteva milioane de ani, când oamenii și rudele noastre au evoluat, spune Potts. De exemplu, folosind datarea argon-argon pentru a stabili vârsta cristalelor minuscule din straturi antice de cenușă vulcanică – cristale care s-au format în timpul erupțiilor – cercetătorii au estimat că Australopithecus supranumită Lucy a trăit acum aproximativ 3,18 milioane de ani. Arheologii și paleontologii de astăzi beneficiază și de încă o jumătate de duzină de tehnici de datare absolute dincolo de abordările radiometrice, extinzând tipurile de materiale care pot fi datate, spune Potts.
Progresele tehnicilor de-a lungul timpului au permis cercetătorilor să analizeze eșantioane din ce în ce mai mici. Acest lucru, la rândul său, este mai puțin distructiv pentru artefacte sau fosile rare – sau chiar unice. În timp ce cândva cercetătorii trebuiau să distrugă mostre mari de material pentru a efectua o analiză, „acum putem data un singur sâmbure de porumb”, spune Ryan Williams, un arheolog antropologic la Field Museum din Chicago.
Alte progrese, care au făcut tehnicile de datare radiometrică mai ieftine și mai precise, trimit cercetătorii înapoi la laborator pentru a reanaliza artefactele, spune Suzanne Pilaar Birch, arheolog la Universitatea Georgia din Atena. Și mai multe mostre și mai multă precizie produc cronologii mai rafinate. De exemplu, prin datarea cu radiocarbon a aproape 100 de mostre dintr-un loc de munte din sudul Peruului, Williams și colegii săi au stabilit că locul a fost ocupat timp de mai bine de patru secole.
Rezultatele tuturor acestor întâlniri, notează Pilaar Birch, „ne schimbă înțelegerea trecutului”.