Wenn ein Forscher ein Objekt aufhebt – sei es ein Lederrest von einer Ausgrabungsstätte, ein Fossil aus einer Museumsschublade oder ein frisch gefallener Meteorit – könnte seine erste Frage lauten: „Was ist das für ein Ding?“ Eine natürliche Fortsetzung: “Wie alt ist es?” Die erste Frage ist zweifellos grundlegend. Aber auch die zweite ist mächtig. Es hilft, das Objekt in seinen richtigen archäologischen, geologischen oder kosmologischen Kontext einzuordnen. „Ohne das Alter der Dinge zu kennen, gibt es keine Erzählung“, sagt Rick Potts, Paläoanthropologe am Smithsonian’s National Museum of Natural History in Washington, DC.
Bis vor etwa einem Jahrhundert konnten Forscher, die Gesteine und die darin enthaltenen Fossilien untersuchten, die Altersfrage nicht oder nur vage beantworten. Anhand von Richtlinien, die von Geologen im 17. Jahrhundert aufgestellt wurden, konnten sie das Alter eines Gesteins nur relativ beurteilen: Probe A wurde beispielsweise als älter als Probe B angesehen, wenn sie aus einer niedrigeren und vermutlich älteren Sediment- oder Gesteinsschicht stammte. Aber die Erde ist ein dynamischer Ort. Fehlende Schichten sowie Störungen durch Erdbeben, Erdrutsche oder andere Erschütterungen führten dazu, dass selbst relative Alter von Gesteinen schwer zu bestimmen waren. Dito für die Knochen, Werkzeuge und andere Artefakte in der Erde: Frühere Ausgrabungen oder sogar die alltäglichen Aktivitäten der alten Bewohner einer Stätte könnten den Boden aufwühlen und so die Schichten zerstören.
Die Entdeckung der Radioaktivität Mitte der 1890er Jahre ebnete den Wissenschaftlern den Weg, das absolute Alter einiger Objekte zu bestimmen, sagt Doug Macdougall, früher Geochemiker an der Scripps Institution of Oceanography und Autor von Uhren der Natur. Innerhalb von weniger als einem Jahrzehnt, stellt er fest, hatten mehrere Physiker Methoden dafür vorgeschlagen. Die Methoden basieren auf der Erkenntnis, dass jeder Typ oder jedes Isotop eines radioaktiven Atoms seine eigene Halbwertszeit hat – die Zeit, die es dauert, bis die Hälfte der Atome in einer Probe zerfallen ist. Da der radioaktive Zerfall im Atomkern stattfindet, ändert sich die Halbwertszeit nicht mit den Umweltbedingungen, von der höllischen Hitze und dem erdrückenden Druck tief im Inneren der Erde bis zum eisigen Reich des fernen Sonnensystems. Das macht radioaktive Isotope zu wunderbaren Uhren.
Heute umfasst die radiometrische Datierung die Zeitalter, von der Neuzeit bis zur Geburt unseres Sonnensystems. Die Kohlenstoff-14-Datierung eignet sich am besten für etwas, das in den letzten 50.000 Jahren gelebt hat oder aus solchen Organismen besteht – die Holzschäfte von Pfeilen, das Leder in einem Mokassin oder die Pflanzenfasern, die zum Weben von Stoffen oder Körben verwendet werden. Länger lebende Isotope von Uran und Thorium können helfen, tief in die Vergangenheit der Erde zu blicken – zurück in die Zeit, als sich die ersten Gesteine unseres Planeten bildeten, oder noch weiter, als unser Sonnensystem aus Gas und Staub zusammenschmolz.
Es gibt verschiedene Methoden, um das Alter anhand von Halbwertszeiten zu schätzen, erklärt Macdougall. Bei Isotopen mit relativ schnellen Zerfallsraten bestimmen die Forscher den Anteil eines radioaktiven Isotops im Verhältnis zu anderen Atomen desselben Elements und vergleichen ihn damit, wie viel von diesem Isotop eine frische Probe haben würde. Mit diesen Informationen und der bekannten Halbwertszeit ist es möglich, das Alter der Originalprobe abzuschätzen.
Dieser Ansatz funktioniert gut für Kohlenstoff-14, möglicherweise eines der bekanntesten Isotope, die bei der radiometrischen Datierung verwendet werden. Während eine Pflanze oder ein Tier lebt, nimmt es Kohlenstoff aus der Umwelt auf. Aber wenn der Organismus stirbt, hört diese Aufnahme auf. Da Kohlenstoff-14 mit einer ziemlich konstanten Rate hoch in der Erdatmosphäre gebildet wird, können Wissenschaftler leicht die Menge dieses Isotops abschätzen, die in einem lebenden Organismus vorhanden sein sollte.
Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren – was bedeutet, dass 5.730 Jahre nach dem Tod eines Organismus die Hälfte des in der ursprünglichen Probe vorhandenen Isotops zerfallen ist. Nach weiteren 5.730 Jahren ist die Hälfte des verbliebenen Kohlenstoff-14 zerfallen (wobei ein Viertel der Menge der ursprünglichen Probe übrigbleibt). Schließlich, nach etwa 50.000 Jahren (oder fast neun Halbwertszeiten) bleibt so wenig Kohlenstoff-14 übrig, dass die Probe nicht zuverlässig datiert werden kann.
Neben Kohlenstoff-14 kann diese Technik für kurzlebige Isotope von Schwefel, Silizium, Phosphor und Beryllium verwendet werden, sagt Macdougall.
Eine andere Methode eignet sich besser für Isotope mit langen Halbwertszeiten (und damit langsamen Zerfallsraten), sagt Macdougall. Bei diesem Ansatz messen Wissenschaftler die Menge eines bestimmten Isotops in einer Probe und vergleichen diese dann mit den Mengen verschiedener „Tochterprodukte“, die beim Zerfall des Isotops entstehen. Indem die Forscher die Verhältnisse dieser Mengen – oder sogar nur die Mengenverhältnisse der Tochterprodukte – nehmen und dann „die Uhr rückwärts laufen lassen“, können Forscher abschätzen, wann der radioaktive Zerfall zum ersten Mal begann (dh wann sich das Objekt bildete).
Wissenschaftler müssen immer noch vorsichtig sein. Eine radiometrische Uhr kann „zurückgesetzt“ werden, wenn entweder das ursprüngliche Isotop oder seine Tochterprodukte an die Umwelt verloren gehen. Robuste Kristalle, genannt Zirkone, zum Beispiel, sind langlebig und in vielen Gesteinen vorhanden. Aber extreme Temperaturen können Blei, ein Tochterprodukt von radioaktivem Uran und Thorium, aus dem Kristall treiben.
Trotz der potenziellen Herausforderungen haben Wissenschaftler die radiometrische Datierung verwendet, um alle möglichen Fragen zu beantworten. Die Forscher verwendeten die Blei-Blei-Datierung – die zwei Bleiisotope untersucht, beides Tochterprodukte eines Uranisotops –, um einen Einschluss in einem alten Meteoriten zu analysieren; 2010 berichteten sie, dass der winzige Blob etwa 4,568 Milliarden Jahre alt war und damit einer der frühesten Bausteine unseres Sonnensystems ist. Das Team verwendete eine Aluminium-Magnesium-Datierungstechnik, um dieses hohe Alter zu bestätigen. Andere haben ähnliche Techniken verwendet, um das Alter der ältesten bekannten Gesteine der Erde (etwa 4,4 Milliarden Jahre) und den Beginn der Plattentektonik (vor mehr als 4 Milliarden Jahren, laut einer Studie) abzuschätzen.
Und obwohl einige dieser Techniken das Alter von Milliarden von Jahren schätzen, „können sie dies mit Fehlerbalken von nur 100.000 Jahren oder so tun“, sagt Marc Caffee, Physiker an der Purdue University in West Lafayette, Ind. „I staunen Sie über die Präzision dieser Chronometer“, fügt er hinzu.
Datierungstechniken, die sich auf Isotope mit Halbwertszeiten von Millionen von Jahren stützen, können verwendet werden, um langfristige Erosionsraten abzuschätzen – um zum Beispiel zu messen, wie schnell eine Schlucht geformt wurde – oder um den Beginn der Gletscheraktivität während der jüngsten Zeit abzuleiten Eiszeiten.
Mindestens ein halbes Dutzend radiometrischer Datierungstechniken können auf die letzten paar Millionen Jahre angewendet werden, als sich der Mensch und unsere Art entwickelten, sagt Potts. Durch die Argon-Argon-Datierung zum Beispiel, um das Alter winziger Kristalle in alten Schichten von Vulkanasche zu bestimmen – Kristalle, die sich während der Eruptionen selbst gebildet hatten – haben Forscher geschätzt, dass die Australopithecus Lucy genannt, lebte vor etwa 3,18 Millionen Jahren. Archäologen und Paläontologen von heute profitieren auch von weiteren etwa einem halben Dutzend absoluter Datierungstechniken, die über radiometrische Ansätze hinausgehen und die Arten von Materialien erweitern, die datiert werden können, sagt Potts.
Fortschritte in den Techniken im Laufe der Zeit haben es Forschern ermöglicht, immer kleinere Proben zu analysieren. Das wiederum ist weniger destruktiv für seltene – oder sogar einzigartige – Artefakte oder Fossilien. Während Forscher einst große Materialproben vernichten mussten, um eine Analyse durchzuführen, „können wir jetzt einen einzelnen Maiskörner datieren“, sagt Ryan Williams, anthropologischer Archäologe am Field Museum in Chicago.
Andere Fortschritte, die radiometrische Datierungstechniken billiger und präziser gemacht haben, schicken Forscher zurück ins Labor, um Artefakte erneut zu analysieren, sagt Suzanne Pilaar Birch, Archäologin an der University of Georgia in Athen. Und mehr Samples und mehr Präzision führen zu verfeinerten Chronologien. Durch Radiokarbon-Datierung von fast 100 Proben von einem Berggipfel im Süden Perus beispielsweise stellten Williams und seine Kollegen fest, dass der Ort mehr als vier Jahrhunderte lang bewohnt war.
Die Ergebnisse all dieser Datierungen, so Pilaar Birch, „verändern unser Verständnis der Vergangenheit“.
