Kulstof 14-datering: Hvordan ved vi, hvornår denne mand blev begravet?

Hvis vi ikke ved, hvor gammelt noget er, kan vi ikke sætte det i en større sammenhæng eller forstå, hvordan forskellige fænomener i verden hænger sammen.

Men hvordan bestemmer vi alderen på noget som helst?

Der findes næsten ingen åbenbare tegn, der afslører, hvor mange sekunder, minutter, dage eller år der er gået, siden noget i naturen blev til eller levede.

En undtagelse er træer, som hele livet igennem bærer en utrolig detaljeret fortælling om hvert eneste år, det har levet, i sine årringe.

Denne egenskab er nok så afgørende for moderne datering, der muligvis slet ikke ville eksistere uden årringene, men det vender vi tilbage til.

Denne historie handler om kulstof 14-datering; en teknik, som blev udviklet i slutningen af 1940'erne.

Metoden gjorde arkæologerne i stand til relativt nøjagtigt at datere organisk materiale - f.eks. rester af døde træer samt afdøde mennesker og dyr.

Hvis du interesserer dig for arkæologi, har du med garanti hørt om kulstof 14-datering, og i denne artikel vil vi forsøge at levere en lidt dybere indsigt i, hvad metoden egentlig går ud på.

Viden om radioaktivitet banede vejen

Meget skal være på plads, før man kan foretage en nøjagtig måling. Man kan ikke måle materiale i en knogle og så afdække, hvornår den var en del af et levende og åndende menneske.

Men før vi når frem til kulstof 14-datering, skal vi lige et smut forbi radioaktivitet.

Radioaktivitet forbindes næsten altid med noget farligt, men hvis det ikke var for vores viden om radioaktivitet, ville vi kun have en meget begrænset indsigt i, hvor gammelt universet og tingene rundt omkring os er.

Radioaktivitet blev første gang beskrevet i slutningen af 1800-tallet og var noget, som Pierre Curie, Marie Currie og Henri Becquerel vandt en Nobelpris i 1903, så det er kun de seneste 120 år, vi har haft kendskab til denne vigtige egenskab.

Halveringstiden er et helt grundlæggende element ved radioaktivitet. Alle radioaktive stoffer afgiver og mister energi, som vi ganske enkelt kalder stråling. Efter et vist tidsrum er halvdelen af stoffet borte.

En uge eller flere milliarder år

Hvis man for eksempel har 100 gram radioaktivt uran, vil halvdelen være væk efter en uge. Det kaldes halveringstiden.

Noget andet, man ved, er, at et ustabilt stof henfalder til et andet mere stabilt stof. Uran-237 henfalder f.eks. efterhånden til et grundstof med et fint navn; neptunium-237.

Tallet efter grundstoffet fortæller noget om, hvor mange neutroner der er i isotopens atomkerne. Forskellige udgaver af det samme grundstof med et forskelligt antal neutroner i kernen kaldes isotoper. Halveringstiden varierer enormt fra den ene isotop til den næste.

Det vil tage næsten 4,6 milliarder år for halvdelen af 100 gram af isotopen uran-238 at henfalde til isotopen thorium-234.

Den viden kan bruges til at datere eksempelvis sten, der indeholder disse isotoper.

Vi kan regne baglæns

Hvis man har et lukket system, hvor der ikke bliver tilført nyt radioaktivt materiale, kan man granske mængdeforholdet mellem disse to elementer for at afdække, hvor længe eksempelvis et uran-isotop har været et thorium-isotop.

Fordi vi kender halveringstiden, kan vi regne baglæns for at afsløre, hvornår stenen blev til.

Den 'nye egenskab' i stoffet, som universets er sammensat af, har revolutioneret vores forståelse af forskellige tings alder.

Et berømt eksempel er selveste Jordens alder.

Hvor gammel sagde du, Jorden var?

I 1865 publicerede den berømte videnskabsmand, William Thompson, bedre kendt som Lord Kelvin (der fik en hel temperaturskala opkaldt efter sig), en artikel om Jordens alder.

I artiklen kommer han frem til, at Jorden må være omtrent 100 millioner år gammel.

Beregningen var blandt andet baseret på regnestykker, der kalkulerede, hvor meget varme Jorden har mistet, hvis den begyndte livet som en klump flydende sten.

Du kan læse mere om Lord Kelvins regnestykke i denne fysikartikel, publiceret i tidsskriftet Physics Education.

Artiklen stod i flere årtier med det tilsyneladende endegyldige svar, lige indtil radioaktiviteten kom på banen og vendte op og ned på vores viden om universets grundstoffer.

Det åbnede efterhånden også op for koncepter som fission og fusion; en proces, der frigør så meget energi, at den holder gang i Solen.

Såvidt vi ved, er Jorden cirka 4,54 milliarder år gammel - plus/minus 500 millioner år - så en god bid ældre end Lord Kelvins beregning.

Det blev blandt andet målt ved hjælp af radioaktive isotoper i asteroider.

Det kan du læse mere om i denne uddybende Wikipedia-artikel.

Radioaktivitet - i mig?

Radioaktivitet er ikke alene omkring os hele tiden, men også indeni vores kroppe.

Med ideen om at bruge radioaktive grundstoffer til at datere fandt forskerne endelig en kandidat, som kunne bruges til at datere organismer, der var afgået ved døden engang for lang tid siden: Kulstof-14.

»Det er i alt, vi spiser: Brød, salat og så videre,« fortæller Marie-Josée Nadeau til forskning.no, Videnskab.dk’s norske søstersite.

Hun leder Nationallaboratoriet for datering ved NTNU videnskabsmuseum. NTNU er Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet.

»Det radioaktive kulstof bliver konstant dannet i den øvre atmosfære som følge af kosmisk stråling, der påvirker nitrogen,« forklarer Josée Nadeau til forskning.no.

I videoen her kan du se mere om, hvordan det går for sig.

Cellerne afspejler kulstof-14 i atmosfæren

Når den kosmiske stråling støder på nitrogen, danner det kulstof-14-atomer, som udgør en lillebitte del af kulstoffet i atmosfæren. Der er cirka 1 kulstof-14-atom per 1 billion almindelige karbonatomer.

»Atmosfærens forskellige lag bliver blandet sammen, og karbonet havner i den nedre del af atmosfæren,« siger Josée Nadeau til forskning.no.

Planter optager radioaktivt kulstof, som så bliver en del af selve plantekroppen.

Dyr og mennesker spiser planterne og hinanden, og fordi vi bogstavelig talt er bygget af atomer, bliver det radioaktive kulstof en del af selve vores struktur: celler, knogler, hud og hår.

Kulstoffet forsvinder også fra kroppen, fordi cellerne i levende organismer konstant bliver fornyet i løbet af livet.

På denne måde afspejler cellerne i organismerne, hvor meget kulstof-14 der er i atmosfæren, fordi de er i balance med atmosfæren omkring dem.

Efter døden stopper udvekslingen af kulstof

Men når et menneske, en plante - eller hvad som helst for den sags skyld - dør, stopper det med at udveksle kulstof med omgivelserne.

Og fordi nyt radioaktivt kulstof ikke længere bliver tilført, begynder det lige så stille og roligt at sive væk.

Kulstof-14 har en halveringstid på cirka 5.730 år, så omkring 50.000 år efter, et levende væsen er afgået ved døden, er der så lidt tilbage, at det er meget svært at måle.

Man kan måle, hvor mange kulstof-14-atomer der er tilbage i et fundmateriale, og dermed kan man i teorien beregne, hvor lang tid siden det er, organismen var i live; baseret på en antagelse om, at der altid har været den samme mængde kulstof-14 i atmosfæren.

Mængden af kulstof-14 varierer

Men naturen er dog mere kompliceret end som så. Mængden af kulstof-14 er ikke konstant; det varierer lidt fra år til år, hvilket kan forstyrre resultatet.

»Det hænger sammen med Jordens meget komplicerede kulstofcyklus, hvor der eksempelvis sker en konstant udveksling af kulstof havet og atmosfæren imellem. Også andre faktorer kan have effekt, for eksempel solstorme, der skaber yderligere kulstof-14,« siger Josée Nadeau til forskning.no.

Atombombeprøvesprægningerne i 1950'erne og 1960'erne skabte også mere kulstof-14, end der almindeligvis er fra naturens side.

Det kan godt være temmelig forvirrende. Hvis en knogle eksempelvis bliver dateret til at være 3.000 år gammel, er det i teoretiske radiokarbon-år - ikke kalenderår.

Radiokarbon-årene omtales som Before Present (BP), så knoglen er 3.000 BP.

Oversat: Ifølge forskernes metode er knoglen sandsynligvis et sted mellem 3.281 og 3.233 såkaldte kalibrede år gammel.

Træerne assisterer kulstof-14-metoden

For at finde den virkelige alder skal man have informationer om, hvilket virkeligt år der rent faktisk bliver reflekteret i den pågældende kulstof-14 prøve.

»Det kaldes kalibrering, og det er en afgørende del af processen,« fortæller Marie-Josée Nadeau til forskning.no.

Men hvordan afdækker man de atmosfæriske forhold for mange tusind år siden?

Her kommer træerne os til assistance. Træer danner årringe for hver vækstperiode, hvor de lagrer informationer om atmosfæren for hvert år. Forskerne har i mange årtier målt kulstof-14-indholdet i årringe i træer verden over.

Nogle træer bliver meget, meget gamle, og træer, som vokser det samme sted, vil have meget lignende årringe på tværs af mange forskellige slags træer.

På denne måde kan et ungt træs årringe ligne et gammelt træs årringe, for de år hvor de har levet på samme tid, overordentligt meget. Det kan endda spores i døde træer.

Træmålingerne går højst 14.000 år tilbage

Adskillige steder i verden undersøger man ifølge dateringswebsiden OxCal træernes årringe for at skabe et bibliotek af kulstof-14 målinger fra tusindvis af år.

Men træer holder ikke evigt, så målingerne går ikke længere tilbage end 14.000 år.

Derfor har forskerne måttet lede efter andre steder som potentielt lagrer informationer om atmosfæren - det kan være drypsten i grotter, jordaflejringer, fossiler og mange andre af naturens såkaldte klimaarkiver.

Alle målingerne bliver samlet i store kalibreringskurver.

»På denne måde kan vi sammenligne kulstof-14-indholdet i en prøve med atmosfærehistorikken for at finde den mest sandsynlige tid, som prøven stammer fra,« forklarer Marie-Josée Nadeau til forskning.no.

Kalibreringskurverne har kommer i mange forskellige varianter i løbet af årene, og de bliver hele tiden opdateret som følge af nye opdagelser. (Læs mere i boksen under artiklen)

Svagheder

»Det er meget vigtigt, at prøven er helt ren og ikke forurenet af moderne kulstof-14,« siger Marie-Josée Nadeau. Det kan være vanskeligt, når det gælder gamle fundmaterialer.

»Jo længere tilbage i tiden, man går, desto mindre kulstof-14 er der i prøven, og så stiger risikoen for forurening desuden.«

Det er begravelsespladserne fra Sunghir i Rusland et godt eksempel på. De menneskelige fossiler, som er begravet i Sunghir, blev fundet i 1950'erne, men udgravningen har stået på i flere årtier.

Dateringen af de mange fund har leveret mange forskellige svar - fra cirka 19.000 år BP til 28.000 BP.

Der er altid en vis usikkerhed forbundet med måleinstrumenterne, men det har sandsynligvis mere med forurening og håndtering af fundmaterialerne at gøre, ifølge forskning publiceret i PLOS One i 2014.

Efter at et protein, som næsten med sikkerhed stammer fra selve knoglerne, er blevet udvundet, mener forskerne, at de har fundet en meget nøjagtig datering, som placerer menneskerne til cirka 30.000 BP.

Kulstof-14-datering har en svaghed

Radiokarbondatering har en åbenbar svaghed: Materialet, som skal dateres, skal have haft mulighed for at tage radioaktivt kulstof til sig. Med andre ord, det skal have været i live på et eller andet tidspunkt.

Arkæologerne finder for eksempel en masse flint, som er blevet bearbejdet af mennesker.

Man finder ofte rester efter produktion af flintredskaber, hvor der har levet mennesker, men der er brug for noget organisk i tillæg, hvis det skal dateres på denne måde.

Og så er der selvfølgelig den øvre grænse på cirka 50.000 år, som dog kan overskrides ved hjælp af særlige teknikker.

©forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.