V nedávném článku na Oslovi popsal Zdeněk Kratochvíl informace, které máme o nálezu ve zdech kostela sv. Jiljí v Milevsku. Zde se našly zbytky dřevěné schránky z doby předělu antiky a Byzance, která byla zdobená zlatem a obsahovala část hřebu. Jeho úpravy i další podrobnosti nálezu ukazují, že byl uctíván jako hřeb použitý při ukřižování Krista. Kromě samotných zbytků schránky zde byly i další dřevěné zbytky, pravděpodobně z další schrány. Dendrologická analýza ukazovala, že dřevo schránky by mohlo být dubové a ty další dřevěné zbytky pak byly pravděpodobně z modřínového dřeva.

Vzhledem k tomu, že zde byly organické materiály, bylo možné využít k určení jejich stáří radiouhlíkové metody. Při ní se využívá to, že interakcí kosmického záření vysokých energií s jádry v atmosféře dochází k produkci velkého počtu neutronů a ty mohou dominantně reakcí se stabilním izotopem dusíku ¹⁴N produkovat radioaktivní uhlík ¹⁴C. Poločas rozpadu tohoto radionuklidu je 5730 let. V atmosféře se díky tomuto procesu vytvořila radioaktivní rovnováha mezi produkcí a rozpadem radioaktivního uhlíku. Podíl mezi radioaktivním a stabilním uhlíkem v atmosféře se tak zachovává a zůstává konstantní. Pokud organismus žije, vyměňuje si uhlík s atmosférou i biosférou a udržuje si tak stejnou hladinu radioaktivního uhlíku. Pokud organismus odumře, přestane přijímat nový radioaktivní uhlík a ten jeho se pouze rozpadá. Mění se tak poměr mezi radioaktivním a stabilním uhlíkem. Závislost tohoto poměru na čase je dána exponenciálním rozpadovým zákonem a zmíněným poločasem rozpadu radioaktivního uhlíku. Umožňuje nám to určit dobu, která uběhla od úmrtí organismu.

Ve skutečnosti je to trochu složitější. Intenzita vysokoenergetického záření se s určitými periodami mění. Je totiž nepřímo úměrná sluneční činnosti. Čím je sluneční činnost vyšší, a tedy i jim vytvářený sluneční vítr a magnetické pole, tím se zmenšuje intenzita vysokoenergetického záření pronikající do hlubin Sluneční soustavy a tím i do zemské atmosféry. Podrobněji o kosmickém záření v tomto starším článku. Perioda sluneční činnosti je 22 let. Je složená ze dvou jedenáctiletých cyklů. Ovšem doba tohoto cyklu je o dva řády kratší, než je poločas rozpadu radioaktivního uhlíku. Její vliv na množství radioaktivního uhlíku v atmosféře je tak omezený. Daleko více se projevují další dlouhodobější změny. Proto se shromažďují historická data o sluneční činnosti a obsahu radioaktivního uhlíku. To nám umožňuje zpřesnit radiouhlíkové datování. Paradoxně největší problémy máme v tomto směru v posledních třech stoletích. První dramatické ovlivnění poměru mezi radioaktivním a stabilním izotopem uhlíku nastalo s érou páry a využíváním fosilních paliv. Jejich spalováním se do atmosféry začalo dostávat stále větší množství fosilního uhlíku. V něm už se všechen radioaktivní uhlík rozpadl a s růstem jeho množství v atmosféře se snižoval podíl radioaktivního uhlíku vůči tomu stabilnímu. Další zlom nastal s testy jaderných zbraní v atmosféře, které ji významně obohatily i o radioaktivní uhlík. Ještě nyní je z tohoto důvodu poměr radioaktivního uhlíku značně vyšší, než je v normální situaci. Při analýze moderních vzorků je s tím potřeba počítat. A kolegové z Oddělení dozimetrie záření našeho Ústavu jaderné fyziky AV ČR museli pro takové případy vypracovat speciální metodiku, která dokáže například odlišit historickou a moderní slonovinu. V této oblasti pak působí i jako znalci pro kriminalistické vyšetřování.

Náš ústav spolu s Archeologickým ústavem AV ČR provozuje Laboratoř pro radiouhlíkové datováni CRL. Je třeba připomenout, že existují dvě metody, které se využívají pro měření množství radiouhlíku ve vzorku uhlíku. Prvním je měření aktivity z rozpadu beta vzorku uhlíku. Zde narážíme na několik překážek. V případě rozpadu radioaktivního uhlíku jde o čistý rozpad beta, který není doprovázen emisí záření gama. Zároveň mají emitované elektrony nízkou energií. Nedokáží tak proniknout přes i relativně tenkou vrstvu materiálu. Měření se tak provádí pomocí kapalných scintilátorů, ve kterých je uhlík získaný spálením vzorku homogenně rozprostřen. Tato metoda využívající detekční scintilační systémy se intenzivně využívá na zmíněném Oddělení dozimetrie záření ÚJF AV ČR. Na radiouhlíkovém datování pracuje skupina vedená kolegou Ivo Světlíkem. Metoda však má však omezený časový dosah a jsou pro ni potřeba větší vzorky, než je tomu u metody druhé.

V ní se využívá urychlovačová hmotnostní spektrometrie AMS (Accelerator Mass Spectrometry). V tomto zařízení jsou stejně nabité ionty urychleny elektrostatickým urychlovačem na rychlosti v řádu jednotek procent rychlosti světla a poté pomocí rychlostního filtru vybrány ty se stejnou rychlostí. Poté ionty vletí do magnetického pole kolmo na směr jeho intenzity. V něm se pohybují po kruhové dráze, jejíž poloměr je dán jejich hybností. Protože mají stejnou rychlost, je tak rozdíl poloměru dán pouze rozdílem jejich hmotnosti. Dají se tak velice dobře oddělit různé izotopy uhlíku. Je třeba zmínit, že v reálných moderních systémech je kombinace využívaných elektrických a magnetických polí k separaci různě těžkých iontů složitější. Protože se vlastně počítají jednotlivé atomy, tak jde o metodu s velmi vysokou citlivostí. Lze tak analyzovat i velmi staré vzorky s velmi malým podílem radioaktivního uhlíku, a také i velmi malé vzorky. To je zvláště v případě velmi cenných archeologických předmětů velice důležité.

Urychlovačový hmotnostní spektrometr Milea, který bude v ÚJF AV ČR v Řeži (zdroj Ionplus: https://www.ionplus.ch/).

A právě naše laboratoř CRL zajistila datování úlomků modřínového a dubového dřeva z milevského nálezu. Ze zmíněných důvodů se využila metoda urychlovačové hmotnostní spektrometrie. Takové zařízení bohužel u nás není, takže bylo potřeba využít pomoci zahraničních kolegů. Skupina kolegy Světlíka v tomto případě připravila vzorky a ty byly zaslány do maďarské AMS laboratoře ústavu ATOMKI HAS v Debrecíně. Zde proběhlo měření, samotná analýza i interpretace pak proběhla v naší laboratoři CRL.

Radiouhlíkové datování ukázalo, že zatímco modřínové dřevo pochází z období mezi roky 1290 až 1394, tmavší dubové, které mohlo tvořit součást schrány relikviáře, datovala CRL do let 338 až 416. Je třeba zdůraznit, že jde o dobu, kdy byly poraženy či odumřely dané stromy, a ne o datum, kdy byly vyrobeny dané skříňky. Většinou se však dá předpokládat, že jsou si tato data blízká. Dosud nebylo možné odebrat vzorek přímo z části spojené se zlatou cedulkou s vytepaným křížem a písmeny IR (zřejmě iniciálami pro „Iesus Christos“), která mohla tvořit víko schrány. Jistotu o původu dřeva určeného k výrobě schrány tedy získáme až po podrobném nedestruktivním výzkumu v budoucnu. Bohužel nelze radiokarbonovou metodou určit stáří samotného hřebu, který je kovový.

Vizualizace rekonstruované budovy, kde je nyní náš novy cyklotron, tandetron i spektrometr AMS (zdroj ÚJF AV ČR).

Ještě bych rád zmínil, že už brzy nebudeme v případě potřeby urychlovačové hmotnostní spektrometrie záviset na zahraničních laboratořích. Před dokončením je v rámci projektu RAMSES laboratoř s urychlovačovým hmotnostním spektrometrem AMS v našem ústavu v Řeži.

Odběr vzorků uhlíku v Kateřinské jeskyni (zdroj ÚJF AV ČR).

V letošním roce se podařila dokončit její budova. Přivezeno je už i samotné zařízení urychlovače Milea. Jeho konečná instalace a vyladění švýcarským dodavatelem se bohužel kvůli koronavirové epidemií zdrželo. Příslušní odborníci nemohli bohužel zatím přijet.

Můžeme se tak těšit na budoucí ještě intenzivnější využívání radiouhlíkové metody v naší archeologii. Znamená to tak i celou řadu srovnatelně atraktivních výsledků, jakým je současná analýza Milevského relikviáře, nedávné určení stáří nejstarších pravěkých kreseb v Kateřinských jeskyních, které se ukázaly být nejstaršími pravěkými kresbami na našem území, nebo datování Libereckého kodexu. Spolu s využitím dalších jaderně analytických metod v archeologii jde o velmi silný nástroj pro poznání naší historie i záchranu dědictví našich předků.