Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Большинство пигментов, при помощи которых создавались наскальные рисунки (например, оксиды железа и марганца), – неорганические и поэтому не содержат полезного Углерода. Но сами по себе они не держатся на стене, поэтому их приходится смешивать с материалами, которые их растворяют и одновременно прилипают к поверхности. Химический анализ образцов пещерного искусства, собранных со всего мира, показал, что в качестве таких растворителей применялись кровь, моча, молоко, мед, яйца, растительные масла и растительные смолы. Конечно же, все это органические вещества, и их можно использовать для радиоуглеродного датирования. Хитрость заключается в том, чтобы извлечь только органический Углерод и не пропустить неорганический Углерод с поверхности породы.
Исследователи использовали вакуумную камеру, сперва откачав из нее весь воздух, а затем заполнив ее чистым газообразным Кислородом (O2). Если поместить образец в камеру и нагреть его до 100 °C, все органические (углеродсодержащие) соединения окисляются до воды (H2O) и углекислого газа (CO2). Относительно слабые химические связи органических молекул при этой температуре рвутся после столкновений с высокореактивными атомами Кислорода, но ни один атом Углерода, входящий в состав известняка (CaCO3), не задействуется (напомним, что для отделения CO2 от известняка необходимо нагреть последний как минимум до 900 °C). Прямой отбор материалов, использованных для творчества, позволяет однозначно установить возраст угля, костей или других второстепенных свидетельств. Затем вода и CO2 извлекаются из камеры «методом холодного пальца» (вода замерзает при 0 °C, а CO2 – при –78 °C). Всего из остаточного CO2 было извлечено 12 мг чистого Углерода. Его возраст, установленный с помощью ускорительного масс-спектрометра, составил 3865 ± 100 лет до настоящего времени, в полном соответствии с широким диапазоном, которого можно было ожидать на основе археологических данных этого периода.
 Древние и древнейшие 
На протяжении многих десятилетий считалось, что самые старые рисунки, украшавшие стены пещер, находятся в Европе. После открытия пещер Ласко множество других подобных мест было открыто в Испании, Франции и других европейских странах. В 1994 году огромную пещеру нашли на юге Франции, в Шове, возле небольшого города Валлон-Пон-д’Арк, в 65 километрах к северу от Авиньона. Радиоуглеродное датирование позволило предположить, что произведения искусства, обнаруженные там, создавались в течение двух разных периодов: первый отстоял от настоящего времени на 33 000–37 000 лет, а второй – на 28 000–31 000 лет5.
Любопытно, что радиоуглеродное датирование костей пещерного медведя, найденных в пещере среди двухсот с лишним скелетов, в сущности, показывает совпадения с первым диапазоном дат. Эти огромные существа были крупнее современных гризли, достигали до 4 метров в длину и весили более 900 килограммов, так что вряд ли они могли бы стать добрыми друзьями для людей-художников – возможно, у них была договоренность об использовании апартаментов на условиях таймшера.
Эти даты получили независимое подтверждение при помощи термолюминесцентных исследований. В нескольких местах пещеры известняк, в природных условиях имеющий бежевый цвет, стал красным после пожара (неизвестно, случайного или намеренного). Как мы уже отмечали, нагревание вещества высвобождает захваченные электроны, обнуляя часы радиационного поражения. Термолюминесценция позволила установить возраст двух образцов, взятых из разных частей пещерного комплекса, и оценить его в 36 900 и 34 300 лет до настоящего времени с погрешностью от 2000 до 3000 лет – но в пределах первого периода «углеродных» дат, полученных выше6. Самая древняя из этих дат приходится на период, наступивший через несколько тысячелетий после того, как современный homo sapiens прибыл в Европу.
Недавно начали звучать мнения, согласно которым искусство, зародившееся в Европе, более чем вдвое старше современных оценок и создано не сапиенсами, а неандертальцами. Возраст красных отметин в испанской пещере (далеких от изящных изображений животных в гротах Шове и Ласко) составляет 65 000 лет. Однако некоторые авторы поставили под сомнение как артефакты, так и датировку7.
 
Недавние открытия, совершенные на индонезийском острове Сулавеси, затмили даже европейские рисунки, в древности которых не было никаких сомнений. Хотя возраст пигментов не устанавливали напрямую, убедительнейший метод радиоизотопного датирования позволяет определить нижнюю границу возраста рисунков благодаря изучению природных минеральных отложений, скопившихся на поверхности произведения искусства после его завершения8.
В этом нам помогают спелеотемы (от греческого spēlaion [ «пещера»] и thema [ «отложение»]) – это собирательное название сталагмитов, сталактитов и натеков, которые медленно накапливаются по мере того, как вода просачивается в пещеру, унося с собой растворенные минералы на пути через вышележащую почву и горные породы. Как и сама пещера, образования состоят в основном из CaCO3, но содержат и множество других микроэлементов. В частности, в капающей воде регулярно присутствует легкорастворимый Уран, а вот Тория в ней нет.
Как мы уже отмечали, все изотопы Урана радиоактивны, и конечный итог их ряда распада – свинец. Но одновременно они также производят Торий (230Th), для которого характерен довольно долгий период полураспада (75 500 лет), поэтому можно ожидать, что часть этого промежуточного продукта распада будет присутствовать в веществе спелеотема. Ряд распада выглядит так:
Учитывая их короткий период полураспада,234Th и 234Pa практически отсутствуют в образце образований, но соотношения 234U и 230Th к 238U дают прямую информацию о том, когда образовался натек.
Как и при проведении любых подобных измерений (мы это уже поняли), важно учитывать возможные отклонения. Например, если в слое породы обнаружится некоторое количество 230Th – от занесенной ветром пыли, частички которой столкнулись с затвердевающими спелеотемами, – то возраст, который мы получим, будет слишком древним, поскольку избыток 230Th предполагает, что распад 238U длился дольше. К счастью, здесь есть и «противоядие» – мы можем измерить соотношение 230Th к 232Th. Период полураспада 232Th в три раза превышает возраст Земли, так что первичный Торий все еще существует в коре планеты, однако из-за постоянного поступления 230Th в результате распада Урана соотношение 230Th к 232Th на поверхности составляет около 0,835. Поэтому в спелеотеме с более значительным соотношением 230Th к 232Th большая часть тория должна возникать в результате распада Урана – если соотношение больше 20, на загрязнение приходится самое большее 0,825/20, или 4 %. В спелеотемах, образцы которых мы получили с Сулавеси, это соотношение было еще больше: от 29 до 369, что указывает на незначительное загрязнение.
Есть еще один повод для беспокойства: возможность того, что 238U и/или 234U могли вымыться из спелеотема уже после его образования. В таком случае установленный возраст также оказался бы слишком древним, ведь мы бы недооценили количество Урана, присутствующего в образце. Поскольку подобному выщелачиванию наиболее подвержен внешний слой породы, может случиться так, что самый внешний слой покажется самым старым, хотя на самом деле, если учесть постепенное наслоение капающей минерализованной воды, он должен быть самым молодым. Исследователи проверили это, взяв пять срезов спелеотема снаружи внутрь (самый внутренний слой был ближе всего к пигментам), и возраст неизменно увеличивался по мере продвижения внутрь, как и следовало ожидать от нормального накопления натеков.