Đồng hồ phóng xạ carbon

Khảo cổ học là một ngành khoa học của sự cổ xưa, đi tìm kiếm lời giải cho hàng triệu bí ẩn còn nằm lại dưới các lớp đất từ thời kỳ khai thiên lập địa.

Một trong những bước ngoặt quan trọng nhất của ngành khảo cổ học thế giới chính là sự ra đời của phương pháp xác định niên đại bằng carbon phóng xạ (carbon-14 hay 14C), mở ra cuộc cách mạng tính toán trực tiếp tương đối chính xác ‘tuổi’ của các vật thể bị vùi lấp cách đây hàng chục nghìn năm.

Hành trình định tuổi

Năm 1949, thế giới xôn xao về sự táo bạo của một nhà hóa học người Mỹ. Willard Libby khi ấy công bố phát minh phương pháp định tuổi bằng đồng vị carbon, sử dụng các thuộc tính đặc hữu của đồng vị 14C trong hoạt động của sinh giới.

Willard Libby tuyên bố đây chính là công cụ tiêu chuẩn giới khảo cổ và địa chất đang kiếm tìm suốt bấy lâu nay, giải phóng tiềm năng tính toán tuổi tuyệt đối của bất cứ vật thể cổ có chứa các chất hữu cơ. Trải qua nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, Willard Libby phải tranh cãi kịch liệt với đồng nghiệp về khả năng thực sự của carbon-14, biện luận rằng đồng vị phóng xạ này có thể trải qua các phản ứng hóa học để tạo thành CO2, từ đó được các sinh vật sống hấp thụ trong quá trình quang hợp hay tiêu hóa, rồi dần dần đi vào chuỗi thức ăn.

Willard Libby đã trở thành nguồn cảm hứng cho ngành khảo cổ học nhờ công cụ định tuổi đồng vị carbon-14.

Điểm nhấn trong hành trình của Willard Libby xảy ra vào giai đoạn 1946-1947 khi ông đăng nhiều bài báo tuyên bố carbon-14 và carbon không phóng xạ xuất hiện trong mỗi cơ thể sống thông qua việc đối chiếu các nghiên cứu khí methane (CH4) thu được từ các công trình nước thải ở Baltimore (Mỹ) và methane tạo ra từ dầu mỏ.

Nhà khoa học ngụ ý rằng có thể xác định được tuổi các vật liệu có chứa carbon nguồn gốc hữu cơ, và ngay sau đó gây chấn động bằng thử nghiệm xác định niên đại hai mẫu vật đến từ ngôi mộ vua Ai Cập Djoser, Zoser và Sneferu với sai số khoảng 250 năm. Từ đây, Willard Libby đã trở thành nguồn cảm hứng mới cho ngành khảo cổ học khi hơn 30 văn phòng xác định niên đại carbon được thành lập trên toàn thế giới chỉ sau hơn một thập kỷ ông giới thiệu phát minh của mình.

Ở vào thời điểm khảo cổ học vẫn chưa được chú trọng, cùng với sự thống trị của nhiều phương pháp cũ đòi hòi nhiều nhân lực nhưng thiếu hiệu quả, ý tưởng Willard Libby giống như ánh sáng cuối đường hầm. Kỹ thuật này dựa trên thực tế là bầu khí quyển của Trái Đất liên tục bị bắn phá bởi các tia vũ trụ, một số tia này mang theo những hạt neutron va chạm với các nguyên tử nitrogen và chuyển chúng thành đồng vị phóng xạ carbon-14.

Khoa học đã phân loại đồng vị theo tính chất bền hay tính phóng xạ, trong đó hạt nhân của đồng vị phóng xạ không tồn tại ổn định và sẽ bị biến đổi. Carbon có 3 đồng vị chính là 12C và 13C (đồng vị bền), còn 14C là đồng vị phóng xạ. Ngoài tính phóng xạ, carbon-14 cũng giống như carbon-12 ở khả năng được hấp thụ gần như giống hệt nhau bởi thực vật và động vật sống.

Trên lý thuyết, tỷ lệ đồng vị carbon-14/carbon-12 ở cơ thể sinh vật sống và môi trường chúng tương tác (trong khí quyển hoặc đại dương đối với sinh vật dưới nước) là tương đương nhau. Chỉ khi nào chúng chết đi thì quá trình hấp thu carbon sẽ dừng lại, khiến tỷ lệ này dần thay đổi. Carbon-14, giống như các nguyên tố phóng xạ khác, phân hủy với tốc độ không đổi, có chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Điều này cho thấy, lượng carbon-14 trong hài cốt sau 5.730 năm sẽ giảm đi một nửa.

Phương pháp xác định niên đại bằng carbon phóng xạ mở ra cơ hội xác định tương đối chính xác tuổi của cổ vật.

Vì vậy, một sinh vật chết ngày hôm qua sẽ vẫn còn lượng carbon-14 rất cao, trong khi không thể tìm thấy dấu vết của 14C ở những sinh vật đã chết từ cách đây hơn 10.000 năm. Willard Libby khẳng định, hợp chất hữu cơ luôn tồn tại carbon nên việc suy giảm carbon-14 chẳng khác nào hoạt động của một chiếc đồng hồ phóng xạ.

Có một vài giai thoại lý thú liên quan đến con số 5.730, khi chính Willard Libby thừa nhận sai sót “ngớ ngẩn” vì đã từng công bố chu kì bán rã của carbon-14 là 5.720, rồi sửa lại thành 5.568 và yêu cầu giới nghiên cứu sử dụng hằng số này trong khoảng 10 năm mà không hề giải thích lý do xác đáng.

Sau nhiều nghiên cứu, cuối cùng Willard Libby và đồng nghiệp năm 1960 đã gắn ngành khảo cổ với con số chu kỳ bán rã “huyền thoại” 5.730 năm cho tới tận ngày nay. Theo ước tính, phương pháp của Willard Libby có thể hỗ trợ định tuổi lên đến 60.000 năm. Chỉ cần đo đạc thành công sự thay đổi hàm lượng đồng vị 14C ở hài cốt sinh vật thì có thể xác định được niên đại của chúng, hay của những vật thể được tạo ra từ các sinh vật này.

Bảy năm đi tìm đường cong

Sự ra đời của phương pháp đồng vị phóng xạ carbon-14 cho phép xác định các giai đoạn chuyển đổi quan trọng của lịch sử loài người như thời điểm bắt đầu của thời đại đồ đá mới và thời đại đồ đồng ở những khu vực khác nhau. Tuy nhiên, Willard Libby chưa lường trước được những khó khăn liên quan đến sự tồn tại của carbon-14.

Trên thực tế, mật độ carbon-14, cũng như tỉ lệ carbon-14/carbon-12, trong khí quyển hay đại dương không hề ổn định, chịu sự chi phối mạnh mẽ từ thay đổi của hoạt động mặt trời gây suy giảm hoặc tăng cường số lượng tia vũ trụ đến Trái Đất. Các nghiên cứu của Willard Libby chưa tính đến trường hợp carbon gia tăng đột biến bởi phun trào núi lửa, hay cuộc cách mạng công nghiệp, thậm chí các cuộc thử nghiệm hạt nhân, đưa một lượng lớn carbon cùng đồng vị vào môi trường.

Do những trở ngại kể trên, các kết quả tính toán niên đại cần phải được hiệu chỉnh phù hợp, tránh sai số quá lớn lên đến 10-15%. Để làm điều này, giới khoa học nghiên cứu sử dụng các đường cong hiệu chuẩn, cùng với đó là một giá trị trung gian gọi là “tuổi carbon phóng xạ”, giúp chuyển đổi số đo carbon-14 trong một mẫu vào tuổi dương lịch.

Dự án kéo dài 7 năm ròng rã tạo nên ba đường cong IntCal20, SHCal20 và Marine20 (trong đó số 20 là năm 2020), lần lượt đại diện cho giá trị đã được hiệu chuẩn cho các vật thể ở Bắc bán cầu, Nam bán cầu và môi trường đại dương. Quá trình tạo ra đường cong chuẩn tận dụng kết quả đo lường trên khoảng 15.000 mẫu vật có niên đại lên tới 60.000 năm tuổi, kết hợp nhiều phương pháp như đối chiếu số liệu với các bản ghi chép, đếm vòng sinh trưởng trong các khối gỗ có độ tuổi nhất định, khảo sát măng đá, san hô và tàn tích dưới đáy đại dương.

Qua nhiều năm, thêm nhiều kỹ thuật hiện đại được giới thiệu để tăng độ chính xác của phương pháp định tuổi bằng đồng vị carbon như nồng độ đồng vị và phổ khối gia tốc, cho phép xác định niên đại của các mẫu rất nhỏ từ hàng nghìn năm trước. Từ đây, các đường cong hiệu chuẩn có khả năng “thay đổi lịch sử” khi đã góp phần sửa lại các giá trị niên đại từng được công cố trước đây, giúp khoa học tìm hiểu thêm về các sự kiện khí hậu trong quá khứ, quá trình phát triển của Trái Đất và ảnh hưởng của môi trường lên đời sống con người.

Nhờ đường cong hiệu chuẩn như IntCal20, niên đại thực sự của những bức họa trong hang Chauvet ước tính rơi vào khoảng 36.500 năm trước.

Một ví dụ điển hình liên quan tới sự kiện Meltwater Pulse 1A cuối thời kỳ băng hà gần đây nhất trong Kỷ băng hà. Theo đó, các ghi chép cho rằng thời kỳ mực nước biển dâng cao do các dải băng ở Nam Cực, Bắc Mỹ và châu Âu tan chảy này kéo dài khoảng 400-500 năm khi nhiệt độ toàn cầu tăng rất nhanh. Tuy nhiên, các phép đo niên đại mới sử dụng đường cong hiệu chuẩn đã cho kết quả chính xác hơn. Giới nghiên cứu khẳng định sự kiện này diễn ra cách đây 14.640 năm, và chỉ kéo dài 160 năm, với mức tăng nước biển toàn cầu khoảng hơn 1m mỗi thập kỷ.

Đối với các tàn tích tranh cổ đại, các đường cong đã đưa ra con số thực tế cách xa hơn nhiều giá trị niên đại trước đây. Theo một số tài liệu, hang Chauvet (còn gọi là Chauvet-Pont dArc), lần đầu tiên được khám phá vào năm 1994, có một số bức tranh với niên đại cổ xưa nhất vào thời kỳ Aurignacian ở Pháp, khoảng 30.000-32.000 năm trước.

Những hình ảnh này miêu tả những loài động vật ở châu Âu cổ đại, bao gồm voi ma mút, sư tử và tê giác lông mượt với trình độ mỹ thuật đáng kinh ngạc. Nhờ vào đường cong IntCal20, niên đại thực sự của những bức họa trong hang Chauvet giờ đây rơi vào khoảng 36.500 năm trước, cách khá xa so với giá trị cũ.

Nhìn chung, phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ carbon-14 đã tạo ra công cụ đắc lực để “du hành ngược thời gian” về điểm khởi đầu của các mẫu vật thời cổ đại.

Nhờ cải tiến bằng những đường cong hiệu chuẩn, niên đại được xác định lại với độ chuẩn xác cao hơn, góp phần mở rộng hiểu biết của nhân loại về điều kiện của Trái Đất thời xa xưa, cũng như những biến đổi địa chất quan trọng trong lịch sử. Giới khoa học tin rằng, carbon-14, cùng nhiều phương pháp định tuổi cổ vật khác, sẽ giúp nhân loại vượt ra khỏi ranh giới quá khứ mà hướng đến dự đoán và phòng ngừa nhiều thảm họa tương lai…