A torinói lepeltől a klímaváltozásig – interjú Timothy Jull-lal | MTA

A torinói lepeltől a klímaváltozásig – interjú Timothy Jull-lal

Mi köti össze a torinói lepel korát a kabai meteorit eredetével és a klímaváltozás megértésével? Az MTA Atommagkutató Intézetében vendégkutató Timothy Jull-lal beszélgetve hamar fény derül a titokra.

2018. március 30. Gilicze Bálint

Amikor benyitottam Timothy Jull irodájába az MTA debreceni Atommagkutató Intézetében, titkon arra számítottam, hogy valamiféle természettudományos Indiana Jonesszal találkozom, aki épp nálunk tölti pihenőidejét két jelentősebb felfedezés között. A torinói lepel kormeghatározásától a meteoritok vizsgálatáig számos témában felbukkan a neve, és talán így már az sem okoz különösebb meglepetést, hogy nyakig benne van a klímaváltozás kutatásában is.

Nem kellett sokáig beszélgetnünk, hogy rájöjjek, mindehhez nem annyira hollywoodi vagányságra volt szükség, mint inkább némi nyitottságra és egy különleges izotópra, melynek neve szén-14.

Timothy Jull Forrás: mta.hu/Szigeti Tamás

Szendvicsbe épített kronométer

Ahol csak szénatomokat sodor utunkba az élet – akár benzint égetünk az autónk motorjában, akár bekapunk egy szendvicset túlnyomórészt a szén-12-es izotóppal találkozunk, melynek atommagjában 6 proton és 6 neutron alkot meglehetősen stabil együttest (szintén stabil, de jóval ritkább izotóp a szén-13). Lényegében elmondhatjuk, hogy a szendvicsünkben található szénatomok java része sok milliárd év óta változatlan.

Néha azonban ráharaphatunk a szén egy másik izotópjára is, mely kémiai értelemben ugyanúgy viselkedik, mint a szén-12, vagyis például ugyanúgy része a szerves molekuláknak. A szén-14 atommagjában azonban a hat proton mellett kettővel több neutron van, és ez a kombináció már nem annyira stabil: egy idő után elbomlik, és a 7 protont és 7 neutront tartalmazó nitrogén-14 keletkezik belőle. Igazán izgalmassá az teszi a helyzetet, hogy mivel minden szén-14-atommag pontosan ugyanakkora valószínűséggel bomlik el adott időn belül, meg lehet határozni, hogy egy mintában mennyi idő alatt csökken a felére a szén-14-atomok száma: ez a felezési idő.

A szén-14 esetében ez nagyjából 5700 év, így ha nagy gonddal összekuporgatott szén-14-gyűjteményünket a vitrinbe tesszük, a hatodik évezred vége felé már csak feleakkora kupacban gyönyörködhetünk. A helyzet azonban ennél csak rosszabb lesz: újabb 5700 évet várva az eredeti mennyiség negyede marad meg, az 57 000. évben pedig már kevesebb mint ezredrésze.

A Föld légkörébe belépő kozmikus sugárzás nyomán keletkező részecskezápor Forrás: NASA/Simon Swordy (U. Chicago)

A szén-14 forrása a légköri nitrogén, melyből a kozmikus sugárzás hatására jön létre. Ezekből az atomokból a levegő oxigénjével reagálva hamar szén-dioxid keletkezik, ez pedig bekerül az élet körforgásába. Ha a körülmények állandónak tekinthetők, egy idő után egyensúly áll be, és a körforgásban részt vevő szénatomok között a légköri aránynak megfelelő mennyiségű szén-14-es izotópot találunk.

Az igazi izgalmakat azonban nem is az élet, hanem a halál hozza: a holtaknak ugyanis nincs anyagcseréjük, vagyis a bennük található szén-14 mennyisége a halál pillanatában „befagy”, és ezután csak fogy, a felezési időnek megfelelő ütemben. A szén-12 és a szén-14 mennyiségének aránya így elárulhatja, hogy egy tárgy alapanyagai mikor készülhettek élőlények szöveteiből – például egy vászondarab szövéséhez mikor aratták a lent, vagy mikor vágták le a kecskét, amelynek a bőréből egy kódex lapja készült. Ez a radiokarbon-kormeghatározás módszere.

Az első leleplezés

Az angliai születésű Timothy Jull geokémikusként védte meg doktori disszertációját, majd némi európai kutatómunka után az Arizonai Egyetemen kezdett dolgozni, ahol érdeklődése középpontjába a szén-14 került (néhány más, szintén izgalmas izotóp mellett, lásd keretes írásunkat a cikk végén).

Így lehetett tagja annak a szakértői bizottságnak, melynek tudományos tekintélye meggyőzte a katolikus egyház egyik legismertebb ereklyéje, a torinói lepel őrzőit, hogy mintákat adjanak a kormeghatározáshoz. Végül 1988-ban sikerült elvégezni a méréseket, melyeket további független vizsgálatok követtek, és egyértelműen kiderült, hogy a vászon középkori eredetű, tehát – a legendákkal ellentétben – Jézus testét egészen biztosan nem csavarhatták bele.

A torinói lepel negatív fényképfelvételen (a 4,4 × 1,1 méteres lepel két részét egymás mellé helyezték a képen a jobb áttekinthetőség kedvéért) Forrás: Wikimedia Commons

A vizsgálati eredményeket – nem meglepő módon – rengeteg támadás érte, bár nem a katolikus vallási hivatalosságok irányából. A legnagyobb vitát a mintavétel módja váltotta ki: egyesek azt állították, hogy egy később hozzátoldott szövetrészből vették a mintákat, mások felvetették, hogy a templomi világítás füstjéből a szövetre rakódó koromrészecskék, illetve a szövet anyagával kémiailag reagáló szén-monoxid módosíthatta az izotóp-összetételt. A későbbi vizsgálatok – köztük Timothy Jull 1996-ban végzett elemzése – kizárták az ilyesféle hatások szerepét, így máig ezt a kormeghatározást tartják a leghitelesebbnek.

Az efféle szakmai viták azonban jól rávilágítanak arra, hogy hiába tűnik pofonegyszerűnek egy mérési módszer, rendkívül körültekintőnek kell lenni, ha minden hibalehetőséget, műterméket ki akarunk zárni. A körültekintés még indokoltabb a torinói lepelhez hasonló egyedi tárgyak esetében, hiszen, mivel itt a lehető legkevesebb roncsolással kell célt érni, már a mintavétel módja, helye és a minták mennyisége körül is késhegyre menő viták alakulhatnak ki.

Az ereklyék ereje

A torinói lepel vizsgálata csak az első volt a Timothy Jull és arizonai laboratóriuma által vizsgált ereklyék között: az itt elnyert bizalom más becses tárgyakhoz is megnyitotta a kapukat. Hozzá kell tennünk azt is, hogy bár a torinói lepel kormeghatározása publikációt ért a Nature-ben, sok kutató nem igazán lelkesedik az ilyen különleges jelentőségű objektumok vizsgálata iránt, mivel így szinte biztos lehet benne, hogy olyanokkal kell majd vitatkoznia, akikkel a legelemibb kérdésekben sincs meg a közös nevező. Timothy Jull azonban úgy véli, épp az ilyen tárgyak révén lehet sokakhoz közelebb vinni a tudományt.

Nem véletlen hát, hogy a National Geographic Society is őt kereste meg, amikor Júdás evangéliumának történetét kísérelte meg felgöngyölíteni.

Júdás csókja. Giotto festménye a padovai Scrovegni-kápolnában Forrás: Wikimedia Commons

Apostoli különvélemény

A Kr. u. 325-ben megtartott niceai zsinat fordulópont volt a kereszténység történetében. Ekkor döntött arról az egyházi vezetés, hogy a közkézen forgó számos evangélium közül melyeket fogadja el hitelesnek. Az eredményt jól ismerjük: Márk, János, Máté és Lukács evangéliumának igéjével biztosan találkozunk, ha betérünk egy vasárnapi misére.

Nem így Júdás evangéliumával, mely nem meglepő módon egész másként állítja be Jézus szenvedéstörténetét, és benne a névadó szerepét. Szerzője lényegében azt állítja, hogy Júdás volt Jézus igazi kiválasztottja, és a többi evangélista által leírt árulásra maga Jézus utasította, miközben csak neki adta át az igazi tanítását. Nagy kérdés volt, hogy vajon mikor születhetett ez a dokumentum.

Timothy Jull és munkatársai arra jutottak, hogy a papiruszt, amire a szöveget írták, Kr. u. 300 környékén készíthették. A tinta vizsgálatával együtt végül ki lehetett jelenteni, hogy minden valószínűség szerint ez is egy volt a niceai zsinat által kizárt evangéliumok közül. Arra a kérdésre persze ez a vizsgálat sem tudott választ adni, hogy a szövegben foglaltaknak mennyi köze van a valósághoz. Azt a korábban népszerű elméletet azonban ki tudták zárni, hogy egy jóval a zsinat után született hamisítványról lenne szó.

Hasznos anomáliák

A szén-14 5700 éves felezési ideje a régészek számára meglehetősen szerencsés érték, mert így nagyjából az emberiség történetének az az időszaka vizsgálható kellő pontossággal, ahonnan maradtak is ránk szerves anyagból készült tárgyak. Épp emiatt egy-egy radiokarbonos kormeghatározással olykor igencsak rálépnek a kreacionisták tyúkszemére, hiszen egyes leleteknek eszerint bőven a teremtés előtt kellett keletkezniük. A kreacionisták ritkán válogatnak eszközeikben, elrontott mérések adatait tálalják fel bizonyítékként, vagy azt állítják, hogy a múltban egész más volt a szén-14 aránya, így a mérések eleve gyenge alapokon állnak.

Utóbbi érvük nem egészen légből kapott, ugyanis a szén-14 előfordulásának aránya valóban nem teljesen állandó, a modern emberi tevékenység is befolyásolja, ezért 300 évnél fiatalabb tárgyakon nem is lehet megbízható radiokarbon-kormeghatározást végezni. Annyiban megnyugodhatunk, hogy hosszabb időtávon a fizikai modellek szerint kellő pontossággal működik. Azonban ezek a modern kori anomáliák elvezetnek Timothy Jull kutatásának másik irányához.

Olajfinomító fáklyája – az ősi fosszilis lerakatok egyáltalán nem tartalmaznak szén-14-et Forrás: stockfresh.com

Nagyjából az ipari forradalom óta ugyanis az emberiség egyre nagyobb mértékben használ fosszilis energiahordozókat – szenet, olajat, gázt. Ezek az anyagok sok millió éve elpusztult élőlényekből keletkeztek, így gyakorlatilag nem tartalmaznak szén-14-et. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésével tehát az emberiség folyamatosan hígítja a levegő szén-14-koncentrációját. Ugyanakkor az emberi tevékenység a 20. század közepén alig több mint egy évtized alatt duplájára növelte a légköri szén-14 mennyiségét az atomkísérletekkel. Így tehát a légkör az 1950-es években hirtelen „megfiatalodott”, azóta viszont gyors ütemben „öregedik”.

A légköri szén-dioxid az óceánok vizébe is beleoldódik, ahol különféle élő szervezetek testébe vagy éppen mészvázába kerül. Innen már világos, hogyan kapcsolódik a szén-14 a klímakutatáshoz: előfordulásának arányát mérve feltérképezhetők a globális szénkörforgás részletei, és az emberi szén-dioxid-kibocsátás hatásai. Egy ilyen, az Európai Unió által támogatott klímakutatási programban vesz részt Timothy Jull az Atomkiban, ahova nagyjából öt éve először Fulbright-ösztöndíjasként érkezett.

A magyar Kaba-kő

Debrecen azonban más izgalmas vizsgálati lehetőségeket is kínált: ilyen volt a kabai meteorit, melynek eredetét és űrbeli méretét becsülték meg a szén-14 segítségével. A magas széntartalmú objektum (ún. CV-kondrit), mely 1857. április 15-én este csapódott be a földbe Kaba határában, az egyik első olyan űrből érkezett test, amelyben szerves anyagot mutattak ki. Mivel az űrben levő aszteroidák anyagát folyamatosan és közvetlenül éri a kozmikus sugárzás, ezekben is keletkeznek különféle radioaktív izotópok, köztük szén-14 – azonban e sugárzás mértéke csökken az objektum felszínétől mért távolsággal.

A kabai meteorit hamis színes 3D modellje. Az objektum eredetileg fekete színű, fotodokumentációjáról itt olvashatunk bővebben.
Credit: Sketchfab/Debreceni Egyetem Természetföldrajzi és Geoinformatikai Tanszék

Amikor egy ilyen objektum belép a Föld légkörébe, a felszíne felizzik, részben elpárolog, részben pedig a hő hatására átalakul. Ha tudjuk, hogy mikor csapódott be a meteorit, ügyes mintavétellel következtethetünk a légkörbe csapódása előtti történetére. A kabai meteoritról Timothy Jull vizsgálatai alapján az derült ki, hogy valószínűsíthetően egy jóval nagyobb aszteroida része lehetett – mint amilyen például ma a Ceres.

Az előzőek után talán nem meglepő, hogy szén-14 kutatási lehetőségeivel önálló folyóirat foglalkozik. A Cambridge University Press kiadásában kéthavonta megjelenő Radiocarbon főszerkesztője pedig nem más, mint Timothy Jull.

A szénnel nem ér véget az izgalmas izotópok világa. A Debrecenben vendégeskedő kutató két másik kedvencével is megismertetett.

A berillium-10 a kozmikus sugárzás hatására keletkezik a légköri oxigénből, majd az esővízzel eljut a földfelszínre, és hamar kicsapódik a sziklák felszínén és a talaj felső rétegében. Ez a tulajdonsága, valamint másfél millió év körüli felezési ideje nagyszerűen alkalmassá teszi az erózió mérésére. Ha arról hallunk, hogy miként nyomultak előre és húzódtak vissza a gleccserek a régmúltban, jó eséllyel a berillium-10 koncentrációjának vizsgálatán alapultak a kutatások. Svájcban minden gleccsermorénánál elvégezték ezt a kormeghatározást, a Kárpátokban nemrég indult hasonló projektben pedig Timothy Jull is részt vesz.

Egészen más jellegű méréseket tesz lehetővé a jód-129, mely a nukleáris aktivitást jelzi – lényegében kizárólag atomkísérletekből és a nukleáris fűtőanyag újrafelhasználását végző üzemekből juthat a környezetbe. (Hasonló, kizárólag emberi tevékenység során keletkező izotóp a ruténium-106, melynek rejtélyes felbukkanásáról nemrég az mta.hu is beszámolt.) Timoty Jull egyik diákja a csendes-óceáni korallokban vizsgálja az atomkísérletek nyomait, de a jód-129 segítségével próbálnak annak is utánajárni, hogy milyen módon terjed az óceánban a fukusimai atomerőműből kiszabadult szennyezés. 10 millió évnél hosszabb felezési ideje miatt hosszabb távú vizsgálatokat is lehetővé tesz, mint a viszonylag gyorsan lebomló céziumizotópok.