Μέθοδοι χρονολόγησης

Τεχνικές οι οποίες βασίζονται στη φυσική επιστήμη διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στο έργο των αρχαιολόγων, προκειμένου να χρονολογήσουν την ιστορία και να αποκαλύψουν άγνωστες περιοχές.
Η αρχαιολογία γίνεται όλο και περισσότερο δημοφιλής, γεγονός που οφείλεται στην εμμονή των ανθρώπων με την διερεύνηση του παρελθόντος. Είναι κατανοητή η γοητεία της προσπάθειας να ανακαλύψουμε πώς εξελίχθηκε ο ανθρώπινος χαρακτήρας από την προ ανθρώπινη προέλευση μέχρι το πρόσφατο παρελθόν. Με την μελέτη του παρελθόντος μας, ικανοποιούμε «την ανάγκη να γνωρίζουμε». Αποκτούμε επίσης μια μεγαλύτερη αίσθηση της ταυτότητας και της προοπτικής μας, μέσω των οποίων ατενίζουμε το μέλλον και κάνουμε σχέδια γι' αυτό.

Η αρχαιολογία έχει εξελιχθεί σε μια ακμάζουσα επαγγελματική ενασχόληση, που υποβοηθείται σε σημαντικό βαθμό από την επιστήμη. Η «αρχαιολογική επιστήμη» έχει εξελιχθεί σε πλήρως αναγνωρισμένο διεπιστημονικό θέμα, με την υποστήριξη ακαδημαϊκών περιοδικών και Πανεπιστημιακών τμημάτων. Όλες οι επιστήμες συμβάλλουν εξίσου και ιδιαιτέρως η μοριακή βιολογία, η βοτανική, η γεωχημεία, η φυσική ανθρωπολογία και η αστρονομία.

Μαζί με αυτές τις επιστήμες, η φυσική έχει διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στη χρονολόγηση των αντικειμένων και στην ανακάλυψη νέων αρχαιολογικών περιοχών. Η χρονολόγηση με ραδιοϊσότοπα, αποκάλυψε ότι το σάβανο του Τορίνο δεν ήταν ένα γνήσιο εύρημα από τον καιρό του Χριστού. Η τεχνική αυτή εξάλλου συνεχίζει την προσπάθειά της να ρίξει φως στη διατροφή και τον τρόπο ζωής των προγόνων μας. Οι αρχαιολόγοι ανακάλυψαν πρόσφατα τα υπολείμματα του μεγαλύτερου ξύλινου ναού στο Ηνωμένο Βασίλειο, με την ανίχνευση μικροσκοπικών μεταβολών στο γήινο μαγνητικό πεδίο. Συνεπώς ο αντίκτυπος παρόμοιων τεχνικών στην αρχαιολογία, ουδόλως πρέπει να υποτιμηθεί.

Η Χρονολόγηση με άνθρακα - 14
Ίσως η σημαντικότερη ανάπτυξη για την αρχαιολογία στον 20ο αιώνα, προήλθε από την ανακάλυψη της ραδιοχρονολόγησης ­και ειδικότερα της χρονολόγησης με άνθρακα 14. Το 1946 ο Willard Libby του Πανεπιστημίου του Σικάγο προέβλεψε ότι όλα τα ζώντα φυτά και ζώα απορροφούν τον ραδιενεργό άνθρακα-14, ένα ισότοπο από την ατμόσφαιρα. Η διαδικασία σταματά όταν τα φυτά ή τα ζώα πεθαίνουν και οι πυρήνες του άνθρακα-14 αρχίζουν να αποσυντίθενται με ένα ρυθμό χρόνου ημιζωής 5.730 έτη. Οι μετρήσεις της υπόλοιπης ραδιενέργειας ενός δείγματος παρέχουν έτσι μια εκτίμηση της ηλικίας του, υπό τον όρο ότι είναι μικρότερο από 50.000 ετών. Ο Libby και οι συνάδελφοί του ήσαν οι πρώτοι που υπολόγισαν την ηλικία των αρχαιολογικών δειγμάτων κατ' αυτό τον τρόπο, μια εργασία για την οποία ο Libby κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1960.
Η χρονολόγηση με άνθρακα - 14 είναι σημαντική στην εύρεση της χρονολογικής σειράς των γεγονότων, ιδιαίτερα για τα προϊστορικά γεγονότα που εμφανίστηκαν πριν την ύπαρξη γραπτών μνημείων.

Τα προϊστορικά γεγονότα μπορούν πλέον να χρονολογηθούν, με ακρίβεια μερικών δεκαετιών, εφόσον η ραδιοχρονολόγηση υποβοηθείται με στοιχεία από τους δακτυλίους των δένδρων και συνδυάζεται με στατιστικά πρότυπα που ενσωματώνουν τις στρωματογραφικές πληροφορίες. Παραδείγματος χάριν, τώρα γνωρίζουμε ότι η τάφρος που περιβάλλει το Stone hedge σκάφτηκε κατά τη διάρκεια της αρχικής φάσης κατασκευής μεταξύ του 3020­2910 π.Χ.

Πιο πρόσφατα, ένας συνδυασμός ραδιοχρονολόγησης, με μαθηματικά πρότυπα και μετρήσεις δένδρο - δακτυλίων, χρησιμοποιήθηκε για να χρονολογήσει τον περίεργο κύκλο σε μια παραλία του Norfolk, μεταξύ Απρίλιου και Ιουνίου του 2049 π.Χ. ακριβώς!

Άλλα ραδιενεργά ισότοπα με πιο μακροχρόνιες ημιζωές ­ όπως το κάλιο- 40 (που διασπάται σε αργό- 40) και το ουράνιο- 238 (που διασπάται σε θόριο- 230) ­ επεκτείνουν τη ραδιομετρική χρονολόγηση, αρκετά μετά τα 50.000 έτη με τη μέτρηση της συγκέντρωσης των προϊόντων της διάσπασης.

Τέτοιες μέθοδοι έχουν αποδειχθεί ζωτικής σημασίας στην έρευνα της εξέλιξης των πρώτων ανθρώπων και την ακόλουθη αποίκιση της Ευρασίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων 2 εκατομμυρίων ετών.

Προς το τέλος της δεκαετίας του ‘70 οι αρχαιολόγοι στράφηκαν στη φασματογραφία μαζών με χρήση επιταχυντών (AMS) ­ μια τεχνική αρκετά γνωστή στη πυρηνική φυσική, για να βελτιώσουν τη χρονολόγηση με άνθρακα - 14. Στο AMS το δείγμα μετατρέπεται αρχικά σε γραφίτη και κατόπιν βομβαρδίζεται με ιόντα καισίου, το οποίο αναγκάζει τα ιόντα του άνθρακα να απελευθερωθούν. Τα ιόντα του άνθρακα επιταχύνονται έπειτα σε υψηλές ταχύτητες και διέρχονται μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο τα εκτρέπει κατά μια γωνία που είναι ανάλογη με το ατομικό βάρος τους. Αυτό σημαίνει ότι τα ισότοπα, άνθρακας-14, άνθρακας- 13 και άνθρακας-12 μπορούν να ανιχνευθούν χωριστά.

Επειδή με τη μέθοδο αυτή μπορούν να μετρηθούν τα μεμονωμένα άτομα άνθρακα - 14, η μέθοδος AMS επιτρέπει σε πολύ μικρότερα δείγματα να αναλυθούν ακριβέστερα, από ότι ήταν προηγουμένως δυνατόν. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να χρονολογηθούν μικροσκοπικά στοιχεία όπως οι μεμονωμένοι σπόροι. Εν τω μεταξύ η χρονολόγηση πολύτιμων αντικειμένων, μπορεί να επιτευχθεί με την αφαίρεση μικρών δειγμάτων χωρίς σημαντική ή προφανή ζημία. Μια φημισμένη εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας το 1989, απέδειξε ότι το ύφασμα του σαβάνου του Τορίνο ήταν μεσαιωνικό.

Ένα πιο πεζό και πρόσφατο παράδειγμα με χρονολόγηση με AMS, έχει δείξει ότι τα απορρίμματα απανθρακωμένης οργανικής ύλης που ανακτήθηκε από ένα κοίλωμα που ανασκάφθηκε κοντά την Οξφόρδη, είναι τα πιο πρόωρα παραδείγματα ψημένου ψωμιού στο Ηνωμένο Βασίλειο (έφτιαχναν άραγε οι πρόγονοί μας tost;). Πειράματα με ακόμα μεγαλύτερη ευαισθησία χρησιμοποίησαν το AMS για να χρονολογήσουν τις μεμονωμένες κέρινες και ελαιούχες ενώσεις που συντηρούνται σε προϊστορικά δοχεία. Τα αποτελέσματα θα παράσχουν πληροφορίες τόσο για τη διατροφή, όσο και για τη χρονολογία των προγόνων μας.

Θερμοφωταύγεια, spin και μαγνητισμός
Άλλες μέθοδοι χρονολόγησης που εξαρτώνται έμμεσα από τη ραδιενέργεια είναι η χρονολόγηση με «θερμοφωταύγεια» και ο «συντονισμός του ηλεκτρονικού spin». Η χρονολόγηση θερμοφωταύγειας στηρίζεται στη μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων που είναι παγιδευμένα στη κρυσταλλική δομή του αρχαιολογικού αντικειμένου. Αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν εγκαταλείψει τα άτομα τους με την ακτινοβολία που έχουν δεχθεί από τα ραδιενεργά στοιχεία στο δείγμα, ή στο περιβάλλον του δείγματος και έχουν παγιδευτεί στις ατέλειες του δικτυωτού πλέγματος του κρυστάλλου. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από τις παγίδες, με τη θέρμανση του δείγματος (παραδείγματος χάριν όταν ένα δοχείο μπαίνει στη φωτιά ή όταν μια τσακμακόπετρα ανάβει ή και με την έκθεση στο φως). Με άλλα λόγια, η θέρμανση επαναρρυθμίζει το «ρολόι θερμοφωταύγειας» στο μηδέν. Ο αριθμός παγιδευμένων ηλεκτρονίων συναθροίζεται με ρυθμό που ελέγχεται από την τοπική πηγή ακτινοβολίας.

Προκειμένου να χρονολογηθεί το αντικείμενο, το δείγμα αρχικά θερμαίνεται εκ νέου και η ενέργεια ηλεκτρονίων καθορίζεται με τη μέτρηση του φωτός που εκπέμπεται, όταν επανασυνδυάζονται τα ηλεκτρόνια με τα αποκαλούμενα κέντρα φωταύγειας στον κρύσταλλο. Εάν το τοπικό επίπεδο της ακτινοβολίας από το δείγμα και το περιβάλλον στα οποία θάφτηκε είναι γνωστό, η αντίστοιχη συσσωρευμένη θερμοφωταύγεια, μπορεί να παράσχει μια εκτίμηση της ηλικίας του αντικειμένου δεδομένου ότι το "ρολόι" τέθηκε στο μηδέν. Αν και λιγότερο ακριβής από την χρονολόγηση με άνθρακα-14, η θερμοφωταύγεια μπορεί να βοηθήσει στην χρονολόγηση υλικών που θερμαίνονται όπως τα κεραμικά, η τσακμακόπετρα και μερικά βιομηχανικά προϊόντα. Η μέθοδος υπερβαίνει σημαντικά το όριο των 50.000 ετών της χρονολόγησης με άνθρακα 14.

Στη μέθοδο συντονισμού του spin των ηλεκτρονίων η παρουσία παγιδευμένης ενέργειας σε ένα δείγμα μετριέται από την απόκριση της στην υψηλής συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη για τα υλικά, όπως το σμάλτο δοντιών, το οποίο αποσυντίθεται εάν θερμανθεί. Ο συντονισμός του spin των ηλεκτρονίων έχει αποδειχθεί πολύτιμος για τη χρονολόγηση των υπολειμμάτων ανθρωποειδούς στη Μέση Ανατολή, στην κρίσιμη περίοδο όταν ο Νεάντερταλ και ο σύγχρονος άνθρωπος συνυπήρχαν περίπου 100.000 χρόνια πριν.

Όπως θα γίνει προφανές αργότερα, το γήινο μαγνητικό πεδίο διαδραματίζει ποικίλους ρόλους στην αρχαιολογική επιστήμη, ένας από τους οποίους είναι η «αρχαιομαγνητική χρονολόγηση». Αυτό εξαρτάται από τη σφραγίδα του γήινου περιβαλλοντικού μαγνητικού πεδίου στα μαγνητικά υλικά όπως ψύχθηκαν κάτω από τη θερμοκρασία Curie. Για να χρονολογήσουμε ένα δείγμα με τη μέθοδο αυτή, ο προσανατολισμός του μέσα στο πεδίο στο οποίο βρέθηκε, πριν μετακινηθεί από αυτό. Το μαγνητικό πεδίο του δείγματος μετριέται έπειτα με ένα εργαστηριακό μαγνητόμετρο και συγκρίνεται με τις γνωστές μεταβολές του πεδίου στο πέρασμα του χρόνου.

Κατά διαστήματα η πολικότητα του Γήινου μαγνητικού πεδίου έχει αντιστραφεί. Η υπογραφή τέτοιων αντιστροφών έχει καταγραφεί σε ορισμένους τύπους ιζηματογενών και ηφαιστειακών βράχων. Ο Παλαιομαγνητισμός έχει χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα σε απολιθωμένα υπολείμματα των πιο πρόωρων ειδών σχετικών με τα ανθρώπινα όντα. Το 1998, παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιήθηκε για να χρονολογήσει έναν πλήρη σκελετό ανθρωποειδούς που βρέθηκε στο Sterkfontein στη Νότια Αφρική. Οι μετρήσεις αποκάλυψαν ότι τα υπολείμματα ήταν μεταξύ 3,22 και 3,58 εκατομμυρίων ετών, εξ αιτίας της θέσης τους μεταξύ των στρωμάτων του βράχου, για τα οποία γνωρίζαμε τις αντιστροφές πολικότητας που είχαν υποστεί.