Gigantyczne fale z kosmosu odsłaniają prehistorię ludzkości

Rzeka Durance rozpoczyna bieg we francuskich Alpach, a kończy, uchodząc do Rodanu w pobliżu Awinionu. Mniej więcej w połowie długości, na terenie północnej Prowansji, wpada do niej rzeczka Drouzet – w tej okolicy dokonano ostatnio intrygującego odkrycia. W czarnych, częściowo skamieniałych pniach drzew znaleziono ślady po potężnym bombardowaniu przez cząstki, które dotarły tu z przestrzeni kosmicznej. Zdarzenie nastąpiło 14 300 lat temu – autorzy doniesienia twierdzą, że policzyli to z dokładnością do jednego roku. Chociaż nie mają stuprocentowej pewności, co się wówczas wydarzyło, podejrzewają, iż źródłem cząstek było Słońce, które uraczyło nasz glob gigantyczną dawką energii, wystrzeliwując w jej kierunku strumień wysokoenergetycznej materii. „To była najpotężniejsza znana burza magnetyczna. Gdyby nastąpiła dzisiaj, spowodowałaby gigantyczne straty” – dowodził Edouard Bard z Collège de France, główny autor badań opublikowanych pod koniec zeszłego roku w „Philosophical Transactions A”, czasopiśmie wydawanym przez brytyjskie Royal Society (od 1665 r.).

Do końca nie wiadomo, czy podejrzenia te są słuszne. Być może gdzieś w pobliżu Ziemi eksplodowała supernowa albo doszło do innej katastrofy kosmicznej. Jak jednak naukowcy ustalili z tak niezwykłą precyzją moment owego zdarzenia? Przyjrzyjmy się bliżej czarnym pniom z doliny Drouzet. Są to pozostałości sosen zwyczajnych, które pod koniec ostatniej epoki lodowcowej zostały najpierw zagrzebane przez rzekę w jej własnych osadach, a następnie odgrzebane przez nią w fazie silniejszej erozji. Bard ze współpracownikami wycięli z pni krążki o grubości 5–10 cm, aby poddać analizom przyrosty roczne. Dla każdego słoja określali wiek metodą radiowęglową. Polega ona na mierzeniu poziomu izotopu węgla ¹⁴C – niestabilnej, promieniotwórczej odmiany węgla. Ze zdumieniem odkryli, że w słoju liczącym dokładnie 14 300 lat poziom ¹⁴C był dziesiątki razy większy niż wcześniej i później. „Do takiego wyskoku mogło dojść tylko z jednego powodu: nagłego pojawienia się w wyższych warstwach atmosfery ziemskiej bardzo dużej ilości naładowanych cząstek” – twierdzi Bard.

Znikający węgiel

Dzięki odkryciom z lat 30. i 40. XX w. wiemy, że węgiel ¹⁴C jest stale produkowany w niewielkich ilościach w atmosferze ziemskiej pod wpływem promieniowania kosmicznego, które z cząstek gazów wybija neutrony uderzające następnie w atomy azotu. Każdy taki atom zawiera 7 neutronów i 7 protonów. W wyniku uderzenia dochodzi do małej, choć dość brutalnej podmiany – jeden z protonów zostaje wyrzucony przez neutron, który wskakuje na jego miejsce. Liczba masowa (suma protonów i neutronów) nie zmienia się i wciąż wynosi 14, ale zamiast azotu mamy już węgiel ¹⁴C z 6 protonami i 8 neutronami. Udział tego izotopu w ogólnej ilości węgla krążącego na Ziemi jest śladowy i wynosi mniej więcej jeden atom na bilion. Wraz z pozostałymi atomami uczestniczy on w obiegu węgla na planecie, co m.in. oznacza, że pod postacią dwutlenku węgla wnika z atmosfery do roślin podczas fotosyntezy i jest w nie wbudowywany, także oczywiście w pnie drzew. Jego proporcja w organizmach żywych jest taka sama jak w atmosferze.

Sytuacja zmienia się po ich śmierci. Wtedy już nie wchłaniają one ¹⁴C z powietrza, a poziom izotopu w martwych tkankach zaczyna powoli spadać w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Amerykański chemik Willard Libby wykorzystał ten fakt i w 1949 r. za pomocą węgla ¹⁴C, czyli radiowęgla, określił wiek próbki materiału organicznego. Kilkanaście lat później dostał za to Nagrodę Nobla. Dzięki wcześniejszym badaniom innych naukowców Libby wiedział, że czas połowicznego rozpadu izotopu wynosi w przybliżeniu 5700 lat. Mierząc jego ilość w analizowanym przedmiocie i znając ilość początkową, mógł podać czas, jaki upłynął od śmierci organizmu.

Metoda radiowęglowa okazała się wspaniałym narzędziem do poznawania przeszłości. Początkowo ten wehikuł czasu miał zasięg kilku tysięcy lat, ale dzięki coraz precyzyjniejszej aparaturze wydłużono go do 50 tys. lat. Każdy kolejny krok wstecz jest coraz trudniejszy, bo po takim czasie ilość ¹⁴C w pobranej do badań próbce jest już skrajnie mała. Naukowcy dość szybko zorientowali się, że poziom ¹⁴C w atmosferze, a tym samym w roślinach (i konsumujących je zwierzętach), zmieniał się w przeszłości. Aż do 2012 r. sądzono jednak, że te wahania nie były duże. Tak sugerowały analizy słojów drzew. Tyle że próbki pobierane w celu ich datowania obejmują zwykle 5–10 przyrostów rocznych. Wynika to z tego, że masa próbki trafiającej do analizy musi być odpowiednio duża. Uzyskany w ten sposób wynik i tak uznawano za bardzo dokładny. Znalazł się jednak ktoś, kto postanowił jeszcze wnikliwiej zajrzeć w słoje drzew. I zainicjował rewolucję.

Nieoczekiwany wystrzał ¹⁴C

Kilka lat po tym, jak Libby przedstawił swoją metodę radiowęglową, pewien japoński drwal powalił na podzwrotnikowej wysepce Yakushima drzewo liczące prawie 2 tys. lat. Pień pocięto na kawałki, z których kilkanaście trafiło do repozytorium dendrologicznego na Uniwersytecie w Nagoi. Pół wieku później po te kawałki sięgnęła doktorantka Fusa Miyake, która postanowiła zrobić coś, czego wcześniej nikt nawet nie próbował, a mianowicie zmierzyć ilość ¹⁴C w kolejnych rocznych przyrostach. Do analizy wybrała fragment pnia obejmujący w przybliżeniu okres od 750 do 820 r. Wybór nie był przypadkowy. Wcześniejsze doniesienia z różnych zakątków globu sugerowały pojawienie się w tym czasie większej dawki promieniowania kosmicznego. Kiedy dokładnie to nastąpiło, nie wiedziano.

Miyake uparła się, że to ustali. Choć niewielu wróżyło jej sukces, ona pracowicie odcinała kolejne warstewki drewna o milimetrowej grubości, które odpowiadały pojedynczym przyrostom rocznym, a gdy tych ścinków z jednego słoja nazbierało się dostatecznie dużo, poddawała je analizie. Proporcję izotopów węgla określała za pomocą spektrometru AMS – potężnego urządzenia o długości autobusu, w którym pozyskane z próbek drewna jony węgla są rozpędzane przez akcelerometr, a potem zliczane przez detektory. Wykorzystanie przyspieszacza cząstek umożliwia uzyskanie dokładniejszego wyniku mimo mniejszej próbki. Postępując w ten sposób, Miyake dotarła do słoju z roku 774, w którym spektrometr zmierzył – uwaga! – dwudziestokrotnie większy poziom ¹⁴C w porównaniu ze zwykłymi wahaniami poziomu tego izotopu.

Miyake tryumfowała – znalazła to, czego szukała. W artykule opublikowanym w połowie 2012 r. w magazynie „Nature” ona i jej współpracownicy przypisali skok ¹⁴C pojawieniu się w ziemskiej atmosferze potężnego strumienia promieniowania kosmicznego. Jego źródłem mogło być Słońce bądź jakaś odległa gwiazda. Kilka tygodni później czasopismo opublikowało list historyka Jonathana Allena z University of California, który w starych kronikach prowadzonych we wczesnośredniowiecznej Anglii odnalazł wpis z 774 r. informujący o pojawieniu się „na niebie czerwonego krzyża zaraz po zachodzie słońca”. Rok później zespół Miyake poinformował o odnalezieniu w cedrze z Yakushimy jeszcze jednego skoku ¹⁴C, który nastąpił w 993 r.

Doniesienia z Japonii przyjęto początkowo sceptycznie i oczywiście zaczęto weryfikować ich wartość naukową. Jak wiemy, promieniowanie kosmiczne przyczynia się do powstawania w wyższych warstwach atmosfery dwóch innych radioizotopów – berylu ¹⁰Be oraz chloru ³⁶Cl. Oba opadają na powierzchnię globu z deszczem lub śniegiem i akumulują się m.in. w lodowcach polarnych. W 2015 r. grupa badaczy poinformowała o znalezieniu w kilku rdzeniach lodowych z Grenlandii i Antarktydy gwałtownych skoków ¹⁰Be i ³⁶Cl w warstewkach lodu z 774 i 993 r. Jako prawdopodobną przyczynę wahnięć wskazano ekstremalnie silne rozbłyski słoneczne. Wcześniejszy z nich, jak ocenili autorzy badań, mógł być co najmniej pięć razy intensywniejszy od najpotężniejszych takich zjawisk znanych nam ze współczesnych obserwacji Słońca.

Historie zapisane w drewnie

Podczas gdy fizycy i astrofizycy ekscytowali się wyjaśnieniem przyczyn zdarzeń Miyake, jak zaczęto określać skoki ¹⁴C zapisane w słojach drzew, badacze dziejów człowieka i środowiska naturalnego podeszli do nich bardziej utylitarnie. Zorientowali się bowiem, że oto pojawiła się niezwykła szansa bardzo precyzyjnego – z dokładnością do jednego roku – ustalania dat rozmaitych przeszłych zdarzeń. Jednym z pierwszych badaczy, którzy zdali sobie z tego sprawę, był Lucas Wacker z Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (Szwajcaria). Postanowił przetestować nową metodę w miejscu, którego historia została zrekonstruowana wcześniej – w średniowiecznym opactwie benedyktyńskim w dolinie Müstair leżącej na wschodnim krańcu Szwajcarii. Założono je w VIII w. prawdopodobnie z inicjatywy Karola Wielkiego. Dendrochronolodzy – eksperci od określania wieku próbek drewna na podstawie zliczania słojów drzew – ustalili, że budowa klasztoru rozpoczęła się w 785 r. Dokonali tego, analizując słoje z drewnianej belki użytej do budowy klasztornej kaplicy, a następnie odnajdując w okolicy kolejne coraz młodsze kawałki drewna, których słoje częściowo się na siebie nakładały. W ten sposób uzyskali ciągły zapis przyrostów rocznych od wczesnego średniowiecza aż do czasów współczesnych. Była to jednak bardzo żmudna praca, trwająca wiele lat. Wacker był ciekaw, czy uda mu się określić wiek tej samej belki znacznie szybciej – dzięki zdarzeniu Miyake. Pobrał próbkę drewna i zabrał ją do laboratorium, ciekaw, czy namierzy w niej ten sam skok ¹⁴C z 774 r. Tak właśnie się stało. Następnie zliczył kolejne przyrosty aż do momentu ścięcia drzewa, z którego wykonano belkę. Było ich 11. W ten prosty sposób ustalił, że drzewo ścięto w 785 r. Była to pionierska praca. Otwierała przed badaczami przeszłości nowe perspektywy. – Nie miałam pojęcia, że nasze odkrycie można wykorzystać w taki sposób – przyznała Miyake, zapytana o komentarz.

Wacker szybko znalazł następców, nie tylko wśród archeologów. W 2017 r. kontakt z nim nawiązał wulkanolog Clive Oppenheimer z University of Cambridge. Chciał sprawdzić, czy zdarzenie Miyake może pomóc w ustaleniu daty wielkiej erupcji wulkanu Paektu (chińska nazwa to Changbai), wznoszącego się na granicy Chin i Korei Północnej. Była to jedna z dziesięciu największych eksplozji na Ziemi w ciągu ostatnich 10 tys. lat, ale nie zachowała się żadna bezpośrednia relacja z tego zdarzenia. Wcześniejsze datowania sugerowały, że doszło do niego w X lub XI w. Dlatego nazwano je erupcją milenijną. Choć bezpośredniej relacji nie ma, to koreańskie i japońskie kroniki odnotowują, że w roku 946 „z nieba spadł biały proszek”. Czy mógł to być pył wyrzucony przez Paektu i rozniesiony przez wiatr?

Oppenheimer i Wacker pojechali do Chin i w miejscu odległym o 20 km od stożka wulkanu wydobyli z ziemi kilkumetrowy fragment pnia starego modrzewia powalonego podczas erupcji. Pień miał średnicę prawie metra. W jego słojach badacze najpierw zidentyfikowali zdarzenie Miyake z 774 r, a następnie doliczyli się 172 przyrostów rocznych, które powstawały po tej dacie aż do chwili runięcia drzewa. Otrzymali wynik: 946. Zatem dawne kroniki odnotowały tę właśnie erupcję. Badacze byli pewni wyników swojego śledztwa, ale Miyake postanowiła sama sprawdzić, czy się nie mylą. Pojechała do Chin i znalazła pod wulkanem następne kawałki pni drzew. Wskazały identyczną datę erupcji. Wtedy uwierzyła, że jej metoda działa.

– To są świetne wiadomości. Być może niedługo poznamy dokładne daty wielu wydarzeń, o których wiemy ze źródeł historycznych, ale nie potrafimy ich precyzyjnie ulokować w czasie, albo też znamy je dzięki badaniom archeologicznym lub rekonstrukcjom dawnego środowiska naturalnego – komentował wtedy na gorąco Michael Dee, ekspert od datowania metodą ¹⁴C, wówczas pracujący jeszcze na University of Oxford, ale właśnie przenoszący się na uniwersytet w holenderskim Groningen, gdzie zaproponowano mu kierowanie laboratorium analiz radiowęglowych. Dwa lata później jego zespół w podobny sposób rozwiązał zagadkę stanowiska archeologicznego Por-Bażyn w południowej Syberii. W XIX w. na wyspie pośrodku jeziora odnaleziono pozostałości dużej budowli średniowiecznej. Kto i kiedy ją wzniósł? Archeolodzy domyślali się, ale nie byli pewni. Tymczasem Dee i jego współpracowniczka Margot Kuitems postanowili poszukać odpowiedzi w drewnianej belce konstrukcyjnej. Zidentyfikowali w niej zdarzenie Miyake, ustalając w konsekwencji, że drzewo, z którego wykonano belkę, ścięto latem 777 r.

– Wtedy tymi terenami władał ujgurski chan Bögü Qaghan, krzewiciel manicheizmu, z którego uczynił religię państwową. Zbuntowani poddani zabili go w 779 r. Budowla prawdopodobnie powstała z jego inicjatywy, ale nigdy nie została zamieszkana, co sugeruje, że mogła to być jakaś ważna świątynia wyznawców manicheizmu, którą ostatecznie zburzono lub spalono – mówił Dee w 2020 r., komentując ukazanie się publikacji podsumowującej syberyjskie badania. W tym czasie jego zespół prowadził już następne analizy, tym razem drewnianych elementów budowlanych pochodzących ze wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej i liczących ok. 1000 lat. Badania przyniosły sensację. Kuitems, Dee i ich współpracownicy z dokładnością do roku określili moment powstania pierwszej osady wikingów w Ameryce. Zidentyfikowali w drewnie zdarzenie Miyake z 993 r. Po tej dacie drzewo rosło jeszcze przez 28 lat, po czym zostało ścięte przez przybyszów w 1021 r. i wykorzystane przez nich do zbudowania osady L’Anse aux Meadows na Nowej Fundlandii.

Podbudowany tym sukcesem Dee marzy o równie precyzyjnym określeniu wieku przynajmniej niektórych wydarzeń z dziejów starożytnego Egiptu, np. roku rozpoczęcia budowy piramidy Cheopsa. Badacze dziejów Ameryki chcieliby dowiedzieć się tego samego na temat budowli wznoszonych przez Majów czy Azteków. Z kolei Wacker połączył siły z Charlotte Pearson z University of Arizona i wspólnie próbują ustalić dokładną datę potężnej erupcji wulkanu Thera (Santorini) na Morzu Egejskim, która ok. 3,5 tys. lat temu mogła się przyczynić do upadku cywilizacji minojskiej na Krecie. Tych wszystkich marzeń, planów i zamiarów nie da się jednak zrealizować bez uprzedniego zidentyfikowania w słojach drzew jak największej ilości zdarzeń Miyake. Trwa więc gorączkowe przeszukiwanie archiwów dendrologicznych na całym świecie. Śledztwa przyniosły już pierwsze efekty. Krótkotrwałe, ale bardzo wyraźne wzrosty ¹⁴C wykryto w słojach z lat: 660 p.n.e., 5259 p.n.e., 5410 p.n.e. i 7176 p.n.e. Razem byłoby to już sześć zweryfikowanych zdarzeń Miyake. Kilka innych dat wciąż czeka na niezależne potwierdzenie. Z pewnością takiej weryfikacji zostanie poddane również najnowsze (i zarazem najstarsze pod względem wieku) znalezisko znad rzeki Durance, od którego zaczęliśmy tę opowieść. – Kiedy już będziemy mieli potwierdzoną listę zdarzeń Miyake, będziemy mogli na nowo napisać wiele rozdziałów z dziejów ludzkości – zapowiada Dee. Właśnie dostał 2 mln euro na takie badania od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych.