Het beroemde skelet Lucy is te oud voor koolstofdatering. Maar met behulp van argon-argon-datering op kleine kristallen in lagen vulkanische as tussen de sedimenten waar Lucy werd gevonden, hebben onderzoekers de fossielen op 3,18 miljoen jaar oud geschat.
Wanneer een onderzoeker een object oppakt – of het nu een stukje leer is van een opgraving, een fossiel uit een museumla of een pas gevallen meteoriet – zou hun eerste vraag kunnen zijn: “Wat is dit voor ding?” Een natuurlijk vervolg: “Hoe oud is het?” De eerste vraag is ongetwijfeld fundamenteel. Maar de tweede is ook krachtig. Het helpt het object in zijn juiste archeologische, geologische of kosmologische context te plaatsen. “Zonder de ouderdom van dingen te kennen, is er geen verhaal”, zegt Rick Potts, een paleoantropoloog bij het Smithsonian’s National Museum of Natural History in Washington, DC
Tot ongeveer een eeuw geleden konden onderzoekers die rotsen en de fossielen die ze bevatten, de leeftijdsvraag slechts vaag of helemaal niet beantwoorden. Met behulp van richtlijnen die in de 17e eeuw door geologen waren opgesteld, konden ze de leeftijd van een gesteente alleen in relatieve termen meten: monster A werd bijvoorbeeld als ouder beschouwd dan monster B als het afkomstig was van een lagere en veronderstelde oudere sedimentlaag of gesteente. Maar de aarde is een dynamische plek. Ontbrekende lagen, evenals verstoringen door aardbevingen, aardverschuivingen of andere omwentelingen, betekenden dat zelfs relatieve leeftijden voor rotsen moeilijk te bepalen waren. Idem voor de botten, gereedschappen en andere artefacten in de aarde: eerdere opgravingen, of zelfs de dagelijkse activiteiten van de oude bewoners van een site, konden de grond karnen en zo de lagen verstoren.
Om ons 100-jarig jubileum te vieren, belichten we enkele van de grootste vorderingen in de wetenschap van de afgelopen eeuw. Ga voor meer uit de serie naar Century of Science.
De ontdekking van radioactiviteit in het midden van de jaren 1890 maakte de weg vrij voor wetenschappers om de absolute leeftijd van sommige objecten vast te stellen, zegt Doug Macdougall, een geochemicus die voorheen verbonden was aan de Scripps Institution of Oceanography en de auteur van Klokken van de natuur. Binnen minder dan een decennium, merkt hij op, hadden verschillende natuurkundigen methoden voorgesteld om dit te doen. De methoden zijn gebaseerd op de bevinding dat elk type, of isotoop, van een radioactief atoom zijn eigen specifieke halfwaardetijd heeft – de tijd die nodig is om de helft van de atomen in een monster te laten vervallen. Omdat radioactief verval plaatsvindt in de kern van het atoom, verandert de halfwaardetijd niet met de omgevingsomstandigheden, van de helse hitte en verpletterende druk diep in de aarde tot het ijskoude rijk van het verre zonnestelsel. Dat maakt radioactieve isotopen prachtige klokken.
Tegenwoordig omvat radiometrische datering alle eeuwen, van de laatste tijd tot de geboorte van ons zonnestelsel. Koolstof-14-datering is het meest geschikt voor iets dat de afgelopen 50.000 jaar heeft geleefd of iets dat van dergelijke organismen is gemaakt – de houten pijlenschachten, het leer in een mocassin of de plantenvezels die worden gebruikt om stoffen of manden te weven. Langlevende isotopen van uranium en thorium kunnen helpen om diep in het verleden van de aarde te kijken – terug naar toen de eerste rotsen van onze planeet zich vormden, of zelfs verder, naar toen ons zonnestelsel samenvloeide uit gas en stof.
Er zijn verschillende methoden om leeftijden te schatten met behulp van halfwaardetijden, legt Macdougall uit. Voor isotopen met relatief snelle vervalsnelheden bepalen onderzoekers de proportie van een radioactieve isotoop ten opzichte van andere atomen van hetzelfde element en vergelijken deze met hoeveel van die isotoop een vers monster naar verwachting zou hebben. Met die informatie, samen met de bekende halfwaardetijd, is het mogelijk om de leeftijd van het originele monster te schatten.
Deze benadering werkt goed voor koolstof-14, mogelijk een van de meest bekende isotopen die worden gebruikt bij radiometrische datering. Terwijl een plant of dier leeft, neemt het koolstof op uit de omgeving. Maar wanneer het organisme sterft, stopt die opname. Omdat koolstof-14 met een vrij constante snelheid hoog in de atmosfeer van de aarde wordt gecreëerd, kunnen wetenschappers gemakkelijk inschatten hoeveel van die isotoop in een levend organisme aanwezig zou moeten zijn.
Koolstof-14 heeft een halfwaardetijd van ongeveer 5.730 jaar – wat betekent dat 5.730 jaar nadat een organisme sterft, de helft van de isotoop in het oorspronkelijke monster zal zijn vervallen. Na nog eens 5.730 jaar is de helft van de koolstof-14 die overbleef vervallen (waarbij een vierde van de hoeveelheid van het oorspronkelijke monster overblijft). Uiteindelijk, na ongeveer 50.000 jaar (of bijna negen halfwaardetijden), blijft er zo weinig koolstof-14 over dat het monster niet betrouwbaar kan worden gedateerd.
Naast koolstof-14 kan deze techniek worden gebruikt voor kortlevende isotopen van zwavel, silicium, fosfor en beryllium, zegt Macdougall.
Een andere methode is meer geschikt voor isotopen met een lange halfwaardetijd (en dus langzame vervalsnelheden), zegt Macdougall. In deze benadering meten wetenschappers de hoeveelheid van een bepaalde isotoop in een monster en vergelijken die vervolgens met de hoeveelheden van verschillende “dochterproducten” die zich vormen als de isotoop vervalt. Door de verhoudingen van die hoeveelheden te nemen – of zelfs de verhoudingen van hoeveelheden dochterproducten alleen – en vervolgens “de klok terug te draaien”, kunnen onderzoekers inschatten wanneer het radioactief verval voor het eerst begon (dat wil zeggen, toen het object werd gevormd).
Wetenschappers moeten nog steeds voorzichtig zijn. Een radiometrische klok kan worden “gereset” als de oorspronkelijke isotoop of zijn dochterproducten verloren gaan in het milieu. Robuuste kristallen, zirkonen genaamd, zijn bijvoorbeeld duurzaam en aanwezig in veel gesteenten. Maar extreme temperaturen kunnen lood, een dochterproduct van radioactief uranium en thorium, uit het kristal drijven.
Ondanks de mogelijke uitdagingen hebben wetenschappers radiometrische datering gebruikt om allerlei vragen te beantwoorden. Onderzoekers gebruikten lood-looddatering – waarbij wordt gekeken naar twee loodisotopen, beide dochterproducten van een uraniumisotoop – om een opname in een oude meteoriet te analyseren; in 2010 meldden ze dat het piepkleine belletje ongeveer 4.568 miljard jaar oud was, waardoor het een van de vroegste bouwstenen van ons zonnestelsel was. Het team gebruikte een aluminium-magnesium-dateringstechniek om die hoge leeftijd te bevestigen. Anderen hebben vergelijkbare technieken gebruikt om de leeftijd van de oudste bekende rotsen van de aarde te schatten (ongeveer 4,4 miljard jaar) en wanneer platentektoniek zou kunnen zijn begonnen (meer dan 4 miljard jaar geleden, volgens één onderzoek).
En hoewel sommige van deze technieken de ouderdom van miljarden jaren in het verleden schatten, “kunnen ze dit doen met foutbalken van slechts 100.000 jaar of zo”, zegt Marc Caffee, een natuurkundige aan de Purdue University in West Lafayette, Ind. verwonder je over de precisie die deze chronometers hebben”, voegt hij eraan toe.
Dateringstechnieken die afhankelijk zijn van isotopen met halfwaardetijden gemeten in miljoenen jaren kunnen worden gebruikt om de erosiesnelheid op lange termijn te schatten – om bijvoorbeeld te helpen meten hoe snel een kloof is uitgehouwen – of om het begin van gletsjeractiviteit tijdens recente ijstijden.
Minstens een half dozijn radiometrische dateringstechnieken kunnen worden toegepast op de laatste paar miljoen jaar waarin mensen en onze verwanten zijn geëvolueerd, zegt Potts. Door bijvoorbeeld argon-argon-datering te gebruiken om de ouderdom vast te stellen van kleine kristallen in oude lagen vulkanische as – kristallen die zich tijdens de uitbarstingen zelf hadden gevormd – hebben onderzoekers geschat dat de Australopithecus genaamd Lucy leefde ongeveer 3,18 miljoen jaar geleden. De archeologen en paleontologen van vandaag profiteren ook van nog eens een half dozijn absolute dateringstechnieken die verder gaan dan radiometrische benaderingen, waardoor de soorten materialen die kunnen worden gedateerd, worden uitgebreid, zegt Potts.
Vooruitgang in technieken in de loop van de tijd hebben onderzoekers in staat gesteld steeds kleinere en kleinere steekproeven te analyseren. Dat is op zijn beurt minder destructief voor zeldzame – of zelfs unieke – artefacten of fossielen. Terwijl onderzoekers ooit grote monsters materiaal moesten vernietigen om een analyse uit te voeren, “kunnen we nu een enkele maïskorrel dateren”, zegt Ryan Williams, een antropologisch archeoloog bij het Field Museum in Chicago.
Andere ontwikkelingen, die radiometrische dateringstechnieken goedkoper en nauwkeuriger hebben gemaakt, sturen onderzoekers terug naar het laboratorium om artefacten opnieuw te analyseren, zegt Suzanne Pilaar Birch, een archeoloog aan de Universiteit van Georgia in Athene. En meer samples en meer precisie leveren meer verfijnde chronologieën op. Door radiokoolstofdatering van bijna 100 monsters van een bergtop in het zuiden van Peru, bijvoorbeeld, stelden Williams en zijn collega’s vast dat de site meer dan vier eeuwen bezet was.
De resultaten van al deze dating, merkt Pilaar Birch op, “veranderen ons begrip van het verleden”.
