Zde se skrývají zařízení pro měření aktivity vzorků s radioaktivním uhlíkem 14C (zdroj ÚJF AV ČR).

Daleko nejznámější jadernou metodou, která se využívá v archeologii, je datování pomocí radioaktivního uhlíku. Při ní se využívá toho, že radioaktivní izotop uhlíku ¹⁴C s poločasem rozpadu 5730 let se neustále produkuje v atmosféře interakcí kosmického záření velmi vysokých energií s atomy ve vzduchu. Ustavuje se tak jeho rovnovážný podíl tohoto izotopu v atmosféře. Pokud živý organismus dýchá a přijímá potravu, udržuje se v něm stabilní „hladinka“ tohoto radioaktivního uhlíku. Pokud však odumře, začne podíl uhlíku ¹⁴C vůči stabilnímu uhlíku ¹²C klesat. Z poměru mezi množstvím radionuklidu ¹⁴C a ¹²C tak můžeme určit, jak staré jsou organické nálezy.

Jako většinou, není ve skutečnosti věc tak jednoduchá a přímočará. Hladina radiouhlíku ¹⁴C ve vzduchu se v průběhu času měnila podle intenzity vysokoenergetického kosmického záření dopadajícího na Zemi, i když většinou jen o pár procent. Proto se vytvářejí databáze, které shromažďují informace o množství ¹⁴C v dané době. Dramatičtější změny proběhly na začátku dvacátého století, kdy se začalo projevovat spalování velkého množství fosilního uhlíku, který neobsahuje ¹⁴C a dostával se do atmosféry. Podíl uhlíku ¹⁴C tak klesal. Ještě dramatičtější změna nastala v druhé polovině dvacátého století, kdy se naopak do atmosféry dostalo velké množství uhlíku ¹⁴C z  testů jaderných zbraní. Při analýze novějších vzorků z devatenáctého a dvacátého století je potřeba tyto vlivy vzít v úvahu.

Urychlovačový hmotový spektrometr, zatím z Velké Británie. Můžeme se těšit, že podobné zařízení začne pracovat brzy i u nás.

Pro určování množství ¹⁴C ve vzorku se používají dvě základní metody. První je měření aktivity vzorku. Problémem v tomto případě je, že uhlík ¹⁴C je čistý beta zářič, který vyzařuje pouze elektrony. Ty navíc mají relativně nízkou energii a zastaví je poměrně tenká vrstva materiálu. K měření se tak nejčastěji využívají kapalné scintilační detektory, ve kterých se vzorek homogenně rozprostře. Proto musí být ve vhodné formě. Měřená aktivita pak umožňuje zjistit množství uhlíku ¹⁴C ve vzorku. Podle velikosti vzorku lze tak zkoumat artefakty staré až 40 000 let, ve speciálních případech i více. Je však potřeba mít vzorky o
hmotnosti alespoň v řádu desítek gramů (přesné hodnoty závisí na tom, zda jde o kosti, dřevo nebo uhlíky z ohniště). V Česku tuto metodu pro archeologická pracoviště i muzea zajišťuje Oddělení dozimetrie záření Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Ještě přesnější údaje a mnohem vyšší citlivost a tím i menší vzorek i vyšší jeho stáří umožňuje využití hmotového spektrometru. Zde se na rozdíl od předchozí metody počítají všechny atomy ¹⁴C, nejen ty, které se v dané době rozpadnou. To umožňuje použít vzorek s hmotností až o tři řády nižší, než je potřeba při využití kapalných scintilátorů. Tedy v řádu desítky miligramů. Takové pracoviště zatím v Česku není, ale na Oddělení dozimetrie záření dokáží připravovat vzorky, které se pak posílají k měření do zahraničních laboratoří. V současné době se však získalo v rámci projektu RAMSES financování laboratoře pro tuto metodu s využitím urychlovačového hmotového spektrometru v Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Letos se zahajuje její budování. Umožní se tak určování vzorku o stáří až 50 000 let a ve specifických případech i starších přímo u nás. Zároveň bude možné analyzovat i mnohem menší vzorky, což je zvláště u cenných archeologických artefaktů důležité.

Stonehenge (zdroj Ken Fulton Almazan, Wikimedia Commons).

Různé jaderné analytické metody se využívají i pro určování stopových obsahů prvků v různých nejen archeologických vzorcích. Takto se například určoval obsah rtuti v ostatcích Tychona Braha a prokázalo se, že nebyl otráven (viz zde). Podrobnější přehled různých jaderných metod využívaných nejen v archeologii, ale i v jiných společenských vědách, je v článku „Jaderná fyzika a kulturní dědictví“.

Fragmenty lebečních kostí zbylých po spálení mrtvých pohřbených ve Sonehenge (zdroj Christophe Snoeck et al, Strontium isotope analysis on cremated human remains from Stoehenge support links with west Wales).

Velmi pěkným příkladem využití moderních analytických metod je nedávné zkoumání ostatků ze Stonehenge. Na začátku srpna vyšel článek Christopha Snoecka a spoluautorů o zkoumání zbytků kostí z žárových pohřbů v této světoznámé britské megalitické stavbě. Ostatky pocházely z nálezů, které byly vyzdvižený z 56 jam ve vnitřní části Stonehenge známé jako „Aubreyho díry“ a zkoumány v letech 1919 až 1926. Hlavním organizátorem těchto výzkumů byl britský archeolog William Hawley, který byl zakladatelem vědeckého zkoumání Stonehenge. Našly se ostatky až 58 mrtvých, jejichž těla byla před pohřbem spálena. Ostatky byly po prozkoumání pietně opět uloženy. V roce 2008 byly znovu vyzvednuty a prozkoumány moderními analytickými metodami. Podařilo se mezi nimi identifikovat pozůstatky lebečních kostí nejméně 25 lidí. Pomocí zmíněné radiouhlíkové datovací metody bylo určeno, že pohřby proběhly v obdobích 3180 – 2965 a 2565 – 2380 let před Kristem. Odpovídá to rannějším obdobím budování monumentu. V té době bylo spalování běžným způsobem pohřbu.

Právě v době rannějších etap se pro budování využívaly bloky z doleritu, což je druh čediče, který pocházel ze západovelšského pohoří Preseli. To je zhruba 200 až 300 km na severozápad od polohy Stonehenge v jižní Anglii. V pozdějších fázích výstavby Stonehenge se využívaly pískovcové bloky z lomu ve vzdálenosti pouhých 20 km na sever od něj.

Poměr izotopů ⁸⁷Sr a ⁸⁶Sr v různých oblastech Velké Británie, červeně jsou vyznačený Stonehenge a předpokládaná oblast původů čedičů použitých v rannějších fázích budování areálu ve Walesu (zdroj Christophe Snoeck et al, Strontium isotope analysis on cremated human remains from Stoehenge support links with west Wales).

Předpokládá se, že Stonehenge mohl sloužit nejen jako svatyně, ale také jako čestné pohřebiště. Bylo by tak zajímavé vědět, odkud lidé pohřbení v areálu pocházeli. Jednou z možností je zkoumání specifických prvků a izotopů, které se vyskytují v dané oblasti a potravinovým řetězcem se dostanou do lidského těla a uloží se tam. Jedním z takových je stroncium, které se v těle chová jako vápník a stává se tak součástí kostí. Má čtyři stabilní izotopy. Dominuje izotop ⁸⁸Sr, jehož podíl převyšuje 80 %. Izotopy ⁸⁶Sr a ⁸⁷Sr pokrývají každý několik procent a ⁸⁴Sr něco kolem půl procenta. Přesné hodnoty se však liší pro různé geologické formace a bývají specifické pro dané území. Stejný poměr mezi různými izotopy stroncia se pak vyskytuje lidí, kteří zde žijí, v kostech, kde se stroncium ukládá. Izotopová skladba stroncia odpovídající danému území se totiž přes kořeny rostlin dostane do zemědělských produktů rostlinného i živočišného původu.

Oblast Stonehenge má velice specifický poměr mezi izotopy stroncia ⁸⁷Sr a ⁸⁶Sr, který je R(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) = 0,7074 – 0,7090. To umožňuje celkem spolehlivě identifikovat obyvatelé, kteří dlouhodoběji žili v dané oblasti. Problémem je, že ke studiu poměru izotopů stroncia se nejčastěji využívají zuby, kde je nejmenší pravděpodobnost pozdější kontaminace jiným stronciem. Ty se však při žárovém pohřbu úplně zničily. U zbytku kostí, které prošly spalováním při žárovém pohřbu, však dochází k mineralizaci. Ta pomohla ochránit původní poměr izotopů stroncia před pozdější kontaminací i v nich.

Nalevo je rozdělení hodnot poměru stroncia ⁸⁷Sr a ⁸⁶Sr u 25 kosterních pozůstatků vykopaných v areálu Stonehenge, uprostřed rozdělení poměrů u biologických vzorků pocházejících z krajiny v okolí Stonehenge a napravo je pak rozdělení poměrů u vzorků pocházejících ze Západního Walesu (zdroj Christophe Snoeck et al, Strontium isotope analysis on cremated human remains from Stoehenge support links with west Wales).

Autoři současné práce, kteří pracují v britských, belgických a francouzských vědeckých institucích, vypracovali metodu a analyzovali poměr izotopů stroncia ⁸⁷Sr a ⁸⁶Sr pomocí hmotového spektrometru typu MC-ICP-MS (Multi-Collector-Inductively-Coupled-Plasma Mass-Spectrometry). Ukázalo se, že poměr pro izotopy stroncia nejméně u deseti pozůstatků neodpovídá poměru, který se vyskytuje v okolí Stonehenge, ale je vyšší. Naopak poměr u izotopů stroncia u těchto jedinců poměrně dobře spadá do intervalu hodnot, které se vyskytují v severozápadním Walesu, odkud pocházejí čedičové kameny použité v raných etapách budování Stonehenge.

Zajímavou informací je i to, že u některých pohřbených pocházejících z oblasti mimo Stonehenge byl žeh proveden v místě jejich původu. Naznačují to měření přítomnosti izotopu uhlíku ¹³C, což je druhý stabilní izotop uhlíku, ve zbytcích. Ta totiž reflektuje poměr toho izotopu v  palivu použitém při kremaci. Potvrzovat tuto možnost by mohla i výpověď Williama Hawleye, který při vykopání našel organické zbytky. Ty by mohly pocházet z přepravních vaků pravděpodobně z kůže, ve kterých byly ostatky dopravovány z místa žehu do místa pohřbu.

Mezi pozůstatky jsou zhruba rovnoměrně rozloženy mužské a ženské. Nebyla pozorována korelace mezi původem a stářím vzorku z radiouhlíkového datování. Ukazuje se tak, že v raných dobách existence Stonehenge docházelo k intenzivní migraci mezi západním Walesem a jihem Anglie. Kromě kamenů se do areálu Stonehenge přemisťovali i lidé nebo jejich ostatky. Dá se předpokládat, že pohřeb ve Stonehenge byl ve své době obrovským privilegiem, podobným jako pohřeb ve Westminsterském opatství nebo Svatovítské katedrále. A jednalo se tak o významné osobnosti společností obývající Británii před zhruba 5000 lety.

Je velice důležité, že se objevuje metodika, která dokáže získat velmi důležité informace i z materiálu, který byl vystaven i velmi vysokým teplotám při intenzivním spalování. Důležité je při tom využití co nejširší škály přesných analytických metod. Je tak možno získat představu o životě našich předků i ve velmi vzdálené minulosti. Tento výzkum může být inspirací i pro naše archeology a využití stávajících nebo nově budovaných zařízeních, jako je třeba urychlovačový hmotový spektrometr.