Египетские фараоны и ядерная физика

Неделю назад в Science вышла статья про уточнение времени правления египетских фараонов с помощью радиоуглеродного анализа. Сообщения про эту работу появились в некоторых СМИ (например, на Газете.ру, на Инфокс.ру, чуть подробнее с исторической стороны — на Ленте.ру). На мой взгляд, все эти новости довольно пресные — после их чтения возникает чувство «ну, проверили, уточнили, молодцы». А на самом деле, если почитать оригинальную статью, там всплывают занятные вещи, касающиеся «скучной» методологии. Мне вообще кажется, что эта конкретная работа может послужить отличной иллюстрацией того, как сильно разные разделы наук опираются друг на друга.

Вот некоторые моменты.

Прежде всего, сама по себе радиоуглеродная датировка — вещь нетривиальная. Сейчас, конечно, про нее знает всякий, кто интересуется наукой, ну и объяснить ее несложно даже школьнику. Но вот только эти объяснения описывают картину «задом-наперед»: поясняется, почему в старых органических образцах мало углерода-14 и как это связано со временем, а потом добавляется, что углерод-14 попадает в биосферу из атмосферы, где он постоянно образуется из-за космических лучей.

60 лет назад, когда Уиллард Либби додумался до этого метода, и космические лучи, и радиоактивный изотоп углерода были сравнительно недавно открытыми явлениями. Количественных результатов было мало, и требовалась прозорливость, чтобы почти с нуля догадаться, что космические лучи могут «накачивать» биосферу радиоуглеродом. Цепочка такая: протоны из космических лучей в стратосфере выбивают из ядер нейтроны, нейтроны сталкиваются с ядрами азота и порождают ядра ¹⁴C, углерод окисляется до CO₂, и постепенно за счет конвекции спускается в тропосферу, где и поглощается растениями при фотосинтезе (и дальше вверх по пищевым цепочкам) или диффундирует в океан. Причем самое главное — надо было доказать, что эта цепочка не просто в принципе существует, а что она эффективна, что она реально работает и дает какую-то заметную долю радиоуглерода в живых организмах.

Есть интересные рассказы о том, как радиоуглеродный метод развивался в самые первые годы после открытия. Вот например воспоминания E. H. Willis, который как раз был аспирантом в созданной в начале 50-х годов Лаборатории радиоуглеродного датирования в Кэмбридже, и интересная полуисторическая статья The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating. Любопытно было там прочитать такую историю. Вообще, идея о том, что в живых организмах есть постоянная радиоактивность от углерода-14, какое-то время оставалась неподтвержденной. Первые попытки проверить это экспериментально с помощью газовых пропорциональных счетчиков ничего не давали из-за очень большого фона от тех же самых космических лучей. Грубо говоря, камера давала 1000 «щелчков» в минуту за счет космического фона, в то время как радиоуглеродный сигнал ожидался на уровне нескольких отсчетов в минуту.

Либби пытался заэкранировать камеру с образцом, как мог, но все равно ожидаемый сигнал тонул в фоне от космических лучей. А всё из-за того, что мюоны проникают на сотни метров в толщу вещества (физика элементарных частиц в действии!). Либби тогда осознал, что раз от космических лучей не спрячешься, то можно камеру облепить счетчиками снаружи — и игнорировать те срабатывания внутреннего счетчика, которые происходят одновременно с внешними (т.е. обращать внимание только на те внутренние срабатывания, для которых нет совпадающего по времени наружнего срабатывания). Так Либби догадался до устройства, которое сейчас называется «триггер по антисовпадениям» и рутинно используется на детекторах элементарных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере).

Впрочем, сейчас есть гораздо более точный метод определения доли углерода-14 — ускорительный масс-спектрометрический анализ (и именно он использовался в статье в Science). Ионы углерода, предварительно разогнанные в линейном ускорителе, пролетают сквозь область магнитного поля и отклоняются на угол, зависящий от отношения заряда к массе. То есть, ¹²C попадает в одно место, ¹⁴C — в другое. Благодаря тому, что тут считают сами ядра, а не их распады (которые очень редки), чувствительность возрастает на порядки по сравнению с обычной методикой. В результате достаточно 1 миллиграмма вещества для определения возраста. Подробности см. в популярной статье Масс-спектрометрический метод радиоуглеродной датировки с использованием ускорителя из журнала «В мире науки» за 1986 год.

Сама по себе эта идея, конечно, выглядит тривиальной, но опять же, тут самым сложным было доказать, что методика работает не «в принципе», а реально. А для этого надо было преодолеть проблемы, самая главная из которых — слабый сигнал от ¹⁴C начисто забивается ионами азота-14, несущими на один электрон больше, чем углерод. В 1977 году придумали, как с этим справиться — через промежуточную стадию создания отрицательно заряженных ионов, которые азот почему-то не образует — и тогда-то научились «видеть» сигнал от ¹⁴C и таким способом.

Ладно, читаем дальше статью про фараонов. Все СМИ отметили, что для анализа были взяты 211 образцов семян, текстиля, фрагменты плетеных корзин и других образцов из трав. Но почему именно травы, а не дерево? Тут, оказывается, надо знать кое-какие привычки древних египтян. Дерево в Египте было достаточно дефицитно, и поэтому нередко объекты вырезались не из свежесрубленного дерева, а из какого-то более старого предмета. Т.е. если предмет найден в захоронении какого-то фараона, то нет гарантий, что эта древесина «жила» именно в то время. Почему не использовались сами мумии? Потому что значительная доля диеты египтян, а также веществ для мумификации имели морское или речное происхождение, т.е. они привносили в организм старый углерод. Так что самым безопасным выбором с этой точки зрения являются именно травы.

Впрочем, и тут есть интересный подводный камень. Известно, что радиоуглеродный возраст образцов не совпадает в реальным возрастом из-за того, что естественный уровень ¹⁴C в атмосфере не оставался постоянным. Он меняется со временем, и на него оказывает влияние, среди прочего, и солнечная активность (т.е. в анализ вмешивается солнечная физика и еще раз физика атмосферы). Поэтому для образца вначале вычисляется «радиоуглеродный возраст» в предположении о постоянстве концентрации, а затем пересчитывается в абсолютный возраст по калибровочной кривой. А калибровочная кривая строится (на масштабе в тысячи лет), в основном, по годичным кольцам, т.е. использует древесину.

И тут возникает еще куча тонкостей, одна из которых относится исключительно к ботанике: сезоны основного роста трав и роста деревьев не идентичны. Но концентрация ¹⁴C не остается постоянной круглый год, а имеет внутрисезонные колебания в несколько тысячных долей. Получается, что растущие в один и тот же год травы «записывают» в себе слегка иную концентрацию радиоуглерода, чем деревья. Если этим пренебречь, то сравнение радиоуглеродного возраста трав со стандартной калибровочной шкалой будет давать систематически смещенную абсолютную датировку для трав.

Как преодолеть эту проблему? Для этого авторы работы взяли 66 ботанических образцов, которые были собраны в Египте в 18-19 веках и для которых точно известен год сбора. Их тоже «прогнали через ускоритель», сравнили с кривой и получили возраст, примерно на 20 лет старше, чем он есть на самом деле. Это и есть тот сезонный сдвиг, на который надо откорректировать датировки древнеегипетских образцов (в предположении, конечно, что он был примерно тем же и несколько тысяч лет назад).

В общем, получается, что абсолютная датировка времени правления фараонов с точностью в несколько десятков лет использует следующие разделы естественных наук: ядерную физику, астрофизику (косм. лучи и солнечная физика), физику ускорителей (и немножко — физику элементарных частиц), физику и химию атмосферы, ботанику и экологию (калибровочная кривая, пищевые цепочки, сезоны роста), химию (очистка образцов от поздних загрязнений, про это я не говорил вообще). Может быть, еще что-то вскроется, если покопаться в детальном описании методик. По-моему, шикарная коллекция.

Кстати, меня удивила еще такая вещь: оказывается, реальный период полураспада ¹⁴C до сих пор известен довольно плохо (на мой взгляд, конечно): с точностью около 1%. Более того, судя по этой заметке, самое последнее измерение было произведено аж в 1968 году, и никто с тех пор не удосужился его уточнить. По-видимому, причина в том, что это число само по себе не так важно для датировки. Традиционно принято вычислять радиоуглеродный возраст не по реальному периоду полураспада (5660 +/- 40 лет), а по периоду, который использовал Либби — 5568 лет. Калибровочная кривая как раз переводит полученный таким образом «радиовозраст» в абсолютный возраст. В результате истинный период полураспада оказывается вообще не при чем, и можно было бы вместо него использовать любое другое значение. Главное, что это значение должно быть тем же самым и при датировке, и при построении кривой. Этакая «масштабная инвариантность».

И напоследок: большая подборка статей про датировку артефактов, в частности, про радиоуглеродную датировку.