Throwback Thursday: A Crônica Cósmica do Carbono-14
Crédito da imagem: Cherenkov Telescope Array na Argentina.
A fonte mais comum de datação radioativa depende de nosso Universo estar ativo.
A vida existe no universo apenas porque o átomo de carbono possui certas propriedades excepcionais. – Jeans James
Aqui na Terra, todos os seres vivos são baseados em quatro blocos elementares fundamentais da vida: hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e, talvez o mais importante, carbono.
Crédito da imagem: Robert Johnson / Universidade da Pensilvânia.
De diamantes a nanotubos e DNA, o carbono é indispensável para construir praticamente todos os as estruturas mais intrincadas nós conhecemos. A maior parte do carbono em nosso mundo vem de estrelas mortas há muito tempo, na forma de Carbono-12 : átomos de carbono contendo seis nêutrons em seu núcleo.
Cerca de 1,1% de todo o carbono é Carbono-1 3, com um nêutron extra. Embora essa forma de carbono também seja estável, é formada com muito menos frequência nas estrelas e, portanto, não é de surpreender que o Carbono-12 seja a forma dominante de carbono não apenas na Terra, mas em todos os lugares do Universo.
Mas há outra forma de carbono que, embora não seja abundante, é definitivamente vale a pena falar .
Crédito da imagem: Imprensa & Prata.
O carbono-14, ou um átomo de carbono com oito nêutrons em seu núcleo, é instável , e é tão raro que apenas um em um trilhão de átomos de carbono são Carbono-14. Com uma meia-vida de pouco mais de 5.700 anos, quaisquer átomos de carbono-14 que foram criados em estrelas, bilhões de anos atrás, há muito deteriorado em átomos de nitrogênio.
Quando os elementos contêm o número errado de nêutrons para o número de prótons em seu núcleo, eles normalmente decaem por um dos dois métodos: ou decaimento alfa, onde emitem um núcleo de hélio-4 (dois prótons e dois nêutrons), ou decaimento beta , onde um de seus nêutrons se transforma em um próton emitindo um elétron (e um antineutrino). Embora existam variações e exceções, se você tiver muitos nêutrons, provavelmente sofrerá decaimento beta, e é exatamente isso que o Carbon-14 faz.
Crédito da imagem: Steve Gagnon no Jefferson Lab.
Mas considerando quantos átomos de carbono existem aqui na Terra, dizer que um em um trilhão deles está na forma de Carbono-14 resulta em um tremendo número de átomos! Na verdade, há está quantidades pequenas, mas não desprezíveis, de carbono-14 presentes em toda a vida orgânica que conhecemos, inclusive em nossos próprios corpos.
A maneira como ele chega aqui é, literalmente, cósmico .
Crédito da imagem: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.
De toda a galáxia e do Universo, de estrelas (incluindo nosso Sol), pulsares, buracos negros e muito mais, o espaço é inundado com partículas de alta energia conhecidas como raios cósmicos . Mais frequentemente, os raios cósmicos são prótons, mas alguns são íons mais pesados e alguns são até mesmo elétrons humildes.
E se você acha que o que acontece no centro do Sol é energético, você não viu nada até olhar para o espectro de energia dos raios cósmicos.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Sven Lafebre.
Enquanto as partículas do Sol são limitadas a energias de alguns MeV (~10^6 elétron-Volts), os raios cósmicos rotineiramente atingem energias na faixa TeV (~10^12 eV, o mesmo que produzimos no Grande Colisor de Hádrons , o acelerador mais poderoso do trabalho) e muito além, até um máximo de 4 ou 5 × 10^19 eV .
As partículas normalmente emitidas pelo Sol não são tipicamente aquelas que criam o Carbono-14, mas as dessas fontes de energia mais altas – aquelas com energias de ~10^10 eV ou mais – podem criar tremendas cascatas nucleares no instante em que interagem com a atmosfera superior.
Crédito da imagem: Universidade de New Hampshire.
Entre a miríade de partículas - estáveis, instáveis e quase estáveis - que são criadas nessas cascatas chuvas de partículas subatômicas , o humilde (mas importantíssimo) nêutron livre é produzido em grande abundância. A razão pela qual os nêutrons são tão importantes é porque nossa atmosfera é 78% de nitrogênio, que você pode se lembrar como a coisa que o carbono-14 decai para dentro.
Bem, se o carbono-14 pode decair em nitrogênio-14 e outras coisas, então podemos criar carbono-14 combinando nitrogênio-14 com o material adequado. Neste caso, isso é um nêutron, o que permite ocorrer o seguinte processo :
Crédito da imagem: Wikimedia Commons, usuários NikNaks, Spacexplosion e Sgbeer.
Uma vez que você cria o Carbono-14, ele se comporta como qualquer outro átomo de carbono, formando prontamente CO2 (também conhecido como dióxido de carbono) e misturando-se por toda a atmosfera e oceanos, entrando facilmente nos organismos vivos e alcançando um equilíbrio bem compreendido. Até onde podemos dizer, os níveis de Carbono-14 em todo o mundo permaneceram aproximadamente constantes ao longo dos últimos milênios. Durante suas vidas, todos os organismos baseados em carbono absorvem carbono-12, 13 e 14 em proporção direta às suas concentrações atmosféricas, algo que é consistentemente verdadeiro em todos os estágios da vida de plantas, animais, fungos e todas as outras criaturas vivas, grandes e pequenas.
No entanto, quando um organismo morre, ele não absorve mais nenhum novo carbono, e os antigos átomos de Carbono-14 em seus corpos decaem. Nós podemos medir há quanto tempo se tornou falecido medindo a proporção de Carbono-14-para-Carbono-12 em qualquer organismo falecido e comparando-a com a proporção que ocorre naturalmente.
A única grande flutuação que conhecemos ocorreu quando começamos detonação de armas nucleares ao ar livre, em meados do século XX. Se você já se perguntou por que os testes nucleares agora são realizados no subsolo, a poluição da atmosfera com partículas radioativas é uma das principais razões.
Crédito da imagem: Wikimedia Commons, usuário Hokanomono. E, como você pode ver, essa estratégia realmente valeu a pena, e a atmosfera está retornando ao seu nível básico de radioatividade.
Durante muito tempo, presumiu-se que só uma reação nuclear significativa como essa seria a causa de um pico de Carbono-14. Mas para nossa surpresa, apenas alguns anos atrás, uma equipe de cientistas lançou um papel mostrando um pico grande e de curta duração nos níveis de Carbono-14 lá atrás no século VIII !
Ao olhar para os anéis das árvores dos antigos cedros japoneses, você pode ver um aumento na concentração de carbono-14 que começa na década de 770, atinge o pico na década de 780 e depois cai.
Crédito de imagem: Fusa Miyake, Kentaro Nagaya, Kimiaki Masuda & Toshio Nakamura, 2012.
A que isso corresponde, em termos de criando este Carbono-14? Deve ter havido uma fonte próxima de partículas de alta energia ou uma abundância de carbono recentemente enriquecido que chegou à Terra. Mas a maioria dos candidatos culpados que você pensaria no início são descartados.
- Uma supernova em nossa galáxia poderia fazê-lo, mas com o advento dos modernos telescópios de infravermelho, rádio e raios X, identificamos todos os remanescentes de supernova em nosso pescoço da galáxia com mais de 2.000 anos. Não havia supernovas próximas que aconteceram naquela época, então essa explicação está fora.
- Um cometa irradiado – considerando a quantidade de carbono que eles contêm – poderia ter carregado Carbono-14 enriquecido para a Terra junto com sua quantidade normal. Teria sido necessário apenas cerca de 18 quilos adicionais de Carbono-14 para explicar esse pico, mas que exigiria um cometa de quase 100 quilômetros de diâmetro , maior do que o ataque que eliminou os dinossauros. Então isso também está fora.
- Também não há evidências de uma explosão solar incomumente grande ou qualquer outra atividade solar bizarra, embora uma superexplosão – que ocorre a cada poucos milhares de anos de estrelas semelhantes ao Sol – poderia ser o culpado, em teoria.
O mais próximo que temos éda Crônica Anglo-Saxônica que remonta a 774, quais Estados:
Crédito da imagem: Captura de tela do Google Livros, via esse link ; ênfase minha.
Poderia um crucifixo vermelho no céu ser algum tipo de fenômeno astronômico que emitiu uma intensa explosão de raios cósmicos? Um impostor de supernova próximo, talvez? Um buraco negro em chamas ou em erupção?
As possibilidades são fascinantes, mas tudo o que sabemos, neste momento, é que os dados indicam muito claramente que há foi um pico real na concentração de Carbono-14 na atmosfera naquela época. Como esse isótopo (junto com todo o carbono) foi sugado por processos biológicos, a concentração atmosférica voltou à linha de base em questão de décadas.
Crédito de imagem: Fusa Miyake, Kentaro Nagaya, Kimiaki Masuda & Toshio Nakamura, 2012.
Agora, desde que observamos os céus, Nunca vimos um aumento nos níveis de radiação cósmica que poderia causar um fenômeno como esse, mas - para ser justo - é apenas recentemente que nossa sofisticação em medir os níveis de carbono-14 em anéis de árvores antigas como esse nos permitiu testar picos de carbono-14 assim.
Então, como vamos aprender mais sobre isso no futuro? Parece que teremos que desenterrar mais árvores antigas que podem ser datadas por radiocarbono até esses anos e ver se elas têm níveis elevados de carbono-14 nelas. Se não o fizerem, é concebível que essas árvores sejam apenas acasos ou que tenha havido um erro na análise. Mas isso não parece provável; há dados de árvores norte-americanas e europeias — além de árvores japonesas — que isso é consistente com !
Muito provavelmente houve um aumento extremamente grande na radiação cósmica em um período muito curto de tempo, do tipo que nunca vimos ou registramos, até agora . Mas o que causou isso e quando isso acontecerá novamente?
Crédito da imagem: NASA / Goddard Space Flight Center.
Às vezes, é assim que acontece com a ciência: quanto mais aprendemos e quanto mais entendemos, maior o número de perguntas sem resposta que surgem. Sabemos de onde vem o Carbono-14, como é feito e entendemos que ele requer um Universo externo cosmicamente ativo além do nosso Sistema Solar para regenerar continuamente nosso suprimento aqui na Terra.
Mas quanto a um grande pico natural em sua abundância há mais de mil anos? Muito provavelmente teremos que esperar um pouco de sorte cósmica – ou aumentar nossa visão cósmica para outros sistemas estelares – por uma resposta a esse mistério!
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