Kozmikus események izotópos nyomait vizsgálta a magyar laboratórium

A szén 14-es tömegszámú radioaktív izotópja (14C vagy C-14, más néven radiokarbon) természetes úton keletkezik, amikor a kozmikus sugárzás kölcsönhatásba lép a Föld légkörének felső rétegével. A kozmikus sugárzás a légkörbe hatolva többek között neutronokat hoz létre, amelyek az ütközések során lelassulva, majd a légkör atommagjaival kölcsönhatásba lépve folyamatosan termelik a radiokarbont. Mivel a kozmikus sugárzás intenzitása közel állandó, és a Föld korához képest a radiokarbon felezési ideje rövid, a kozmikus hatásra folyamatosan keletkező (azaz kozmogén), illetve a folyamatosan elbomló 14C radioaktív izotóp egyensúlyi állapotban van, mennyisége közel állandó a Földön.

Nobel-díjas kormeghatározási módszer

A radiokarbon beépül az élő szervezetekbe. A légköri radiokarbon az oxidatív földi légkörben szén-dioxiddá alakul, ezzel a légköri szén-dioxid „nyomjelzője” lesz, amelynek aktivitása így szintén állandó. A radiokarbont tartalmazó szén-dioxid-molekula a nem radioaktív szén-dioxid-molekulákhoz hasonlóan a fotoszintézis során beépül a növényekbe, ennek következtében tehát az egész élővilágban jelen van.

A radiokarbon bomlása lehetővé teszi a pontos kormeghatározást, ugyanis ha az élőlény megszűnik élni, akkor megszűnnek az anyagcsere-folyamatai is, így benne a 14C mennyisége már nem tart egyensúlyt az atmoszférikus koncentrációval. Innentől kezdve a radioaktív bomlás miatt folyamatosan csökken a radiokarbon mennyisége a testben. Igen szerencsés körülmény, hogy a radiokarbon felezési ideje 5730 év, mert ez kifejezetten alkalmassá teszi az emberi léptékű történelmi korok vizsgálatára.

Ez egy abszolút kormeghatározási módszer, mely ideális esetben nem igényel semmilyen kiegészítő információt a mért mintával kapcsolatban. Ez a felismerés olyan horderejű volt a tudományban, hogy a módszer kidolgozásáért 1960-ban F. W. Libby Nobel-díjat kapott.

A 14C kormeghatározás alappillérét az elmúlt tízezer évre nézve a jól konzerválódott, és a „dendrokronológia” (faévgyűrűk tudománya) módszerével igen pontosan datálható faévgyűrű-kollekciók adják – pontosabban egy, az azok részletes szénizotópmérésével nyert adatbázis, az úgynevezett szénizotópos kalibrációs görbe. E kalibrációs görbe folyamatos tökéletesítése, hitelesítése, egyre nagyobb pontosságú felmérése az egyik legfontosabb feladata a ma működő, kormeghatározással foglalkozó kutatóműhelyeknek.

Kozmikus események nyomai

2012-ben Miyake és munkatársai a radioaktív C-14 izotóp kiugróan magas koncentrációját figyelték meg az i. sz. 775-ből származó faévgyűrűkön. A jelenség létezését a Föld több kontinenséről származó korabeli faévgyűrűk vizsgálata révén több független laboratórium, köztük az Atomki is megerősítette. Azóta még további hasonló eseményeket azonosítottak az elmúlt néhány ezer évből – ezeket a felfedező kutató után immár „Miyake-eseményként” tartja számon a tudomány.

Ezek a Miyake-események azért érdekesek, mert a felső légkörben természetes úton, a kozmikus sugárzás hatására folyamatosan termelődő radiokarbon szintje azokban az időpontokban olyan ugrásszerű emelkedést mutat, melyre földi eredetű magyarázat a fentiek miatt nem adható. Ilyen léptékű változás ugyanis csak emberi hatásra történt a XX. század derekán, a légkörben végrehajtott nukleáris fegyverkísérletek következtében. A számítások szerint a C-14 izotóp globális szintjében megfigyelt korábbi kiugrásokat tehát csak a kozmikus eredetű sugárzási szint hirtelen megemelkedése okozhatta, amelyet esetleg erős napkitöréssel vagy nem túl távoli szupernóva-robbanással lehet magyarázni. A világ vezető laboratóriumai jelenleg is intenzív és szisztematikus kutatást folytatnak faévgyűrű-kollekciókon annak érdekében, hogy évezredekre visszamenően feltérképezhessék a Miyake-eseményeket.

Wang és munkatársai egy 2017-ben megjelent publikációjukban újabb Miyake-eseményt jelentettek be: egy Kínából származó farönkmaradványon végzett vizsgálat alapján szerintük i. e. 3371-ből szintén szokatlan kiugrás figyelhető meg a háttérsugárzásban.

A bejelentett esemény ellenőrzése érdekében két további, más helyről (White Mountains, Egyesült Államok, illetve Moselle-völgy, Franciaország) származó, 5400 éves faévgyűrű-sorozat nagy pontosságú radiokarbon-elemzését végezték el a debreceni AMS-laboratórium (Atomki – Isotoptech Zrt.) kutatói amerikai, svájci és német kutatóintézetekkel együttműködésben.

Speciális magyar laboratórium

A Nature Communications folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban két AMS-laboratórium egy több mint kétszáz egyedi faévgyűrűmintán végzett gyorsítós tömegspektrométeres (Accelerator Mass Spectrometer – AMS) radiokarbon-méréssel cáfolta meg, hogy az i. e. 3392–3351 időszakban előfordult volna a feltételezett anomália.

Bár a földi C-14 szint ilyen mértékű emelkedéseihez valóban kozmikus szintű, jelentős háttérsugárzásbeli kiugrás szükséges, ezt csak a legmodernebb és legérzékenyebb gyorsítós tömegspektrométeres módszerrel lehet kimutatni. Ehhez viszont olyan szigorúan ellenőrzött és minőségbiztosított előkészítő laboratóriumi háttér szükséges, amelyből csak igen kevés van a világon – ezek közül az egyik épp hazánkban, a debreceni AMS-laboratóriumban működik.

A tanulmányban bemutatott kutatási projekt szakmai vezetője A. J. Timothy Jull vendégprofesszor volt. Az Atomki részéről további három kutató (Molnár Mihály, László Elemér és Varga Tamás) vett részt a vizsgálatokban, akik a 2016-ban létrehozott, és immár nemzetközi elismertségnek örvendő Izotópklimatológiai és Környezetkutató (IKER) Központ munkatársai. A kutatást az Európai Unió és Magyarország támogatta az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásában.