Física Nuclear en la Arqueología: Datación con Carbono 14

Göbekli Tepe es un yacimiento arqueológico situado en el sureste de Turquía, cerca de la ciudad de Sanliurfa, en la región de Anatolia. Consiste en un complejo de estructuras circulares y ovaladas formadas por grandes pilares de piedra caliza en forma de T, muchos de ellos decorados con relieves de animales como zorros, serpientes, jabalíes, aves y escorpiones. 

El sitio fue descubierto inicialmente en 1963 durante un reconocimiento arqueológico conjunto de las universidades de Estambul y Chicago, aunque en ese momento se interpretó erróneamente como un cementerio medieval. No fue hasta 1994 cuando el arqueólogo alemán Klaus Schmidt, del Instituto Arqueológico Alemán, reconoció su verdadera naturaleza prehistórica y comenzó las excavaciones sistemáticas que continuaron hasta su muerte en 2014, y que hoy prosiguen bajo otros equipos turcos y alemanes.

Con una antigüedad estimada de unos 11,000 a 12,000 años, construido hacia el 9600-9500 a.C., en el periodo Neolítico Precerámico A, Göbekli Tepe es considerado el complejo de monumentos de piedra más antiguo conocido en el mundo, anterior a Stonehenge por unos 6,000 años y cerca de 7,000 años más antiguo que las pirámides de Egipto, precedente a la invención de la escritura, la rueda y la agricultura organizada. Su importancia arqueológica es enorme y el sitio fue declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO en 2018 y sigue siendo objeto de intenso estudio y debate sobre los orígenes de la civilización.

¿Pero cómo sabemos con tanta exactitud su edad? Con Física Nuclear, datación con carbono 14 (¹⁴C).

La identidad y las características de un elemento la dicta la cantidad de protones en su núcleo; a eso se llama el número atómico. Así entonces, si un átomo tiene en su núcleo un protón, es hidrógeno; si tiene dos protones, es helio; si tiene 79 protones es oro; si tiene 80 protones es mercurio, y así sucesivamente. Este segundo ejemplo es asombroso, un protón de diferencia en el núcleo hace que uno sea el metal precioso de nuestras joyas y de alto valor en el mercado, y el otro el metal líquido de color plateado que se utiliza en los termómetros, de mucho menor valor monetario.

Los núcleos de los átomos contienen partículas llamadas protones, que son de carga positiva, y neutrones, que son de carga neutra. Cuando la cantidad de protones se mantiene constante en el núcleo, pero tiene más o menos neutrones de lo que el elemento debería tener de forma natural, a eso se llama un isótopo. Por ejemplo, en el caso del carbono, este tiene 6 protones y 6 neutrones en su forma natural, por lo que se conoce como carbono 12, mencionando el número total de partículas en su núcleo, sumando protones y neutrones. Pero existen varios isótopos de carbono, como carbono 13, que tiene 6 protones y 7 neutrones; o el carbono 14 que tiene 6 protones y 8 neutrones. Este último es el de interés para este artículo.

El carbono 14 (¹⁴C) es un isótopo radiactivo del carbono que se produce de manera continua en la atmósfera terrestre mediante un proceso natural que involucra la radiación cósmica.

Todo comienza con los rayos cósmicos, que son partículas de alta energía, principalmente protones, que llegan constantemente desde nuestro sistema solar provenientes del Sol y de fuentes galácticas como supernovas del espacio exterior. Cuando estas partículas cósmicas entran en la atmósfera terrestre, colisionan con los átomos y moléculas presentes en las capas altas -estratosfera y troposfera superior-, principalmente con nitrógeno y oxígeno, que son los componentes más abundantes del aire. El proceso se llama espalación, específicamente espalación cósmica o espalación nuclear inducida por rayos cósmicos.

La espalación es un tipo de reacción nuclear en la que un núcleo atómico es bombardeado por una partícula de muy alta energía, en este caso, un rayo cósmico primario, generalmente neutrones o protones de alta energía que viajan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, y como resultado del impacto, el núcleo se fragmenta, expulsando varias partículas subatómicas más pequeñas como neutrones, protones, y a veces fragmentos nucleares más grandes como partículas alfa u otros núcleos ligeros.

Cuando esas partículas de muy alta energía provenientes del espacio chocan contra un núcleo de nitrógeno u oxígeno en las capas altas de la atmósfera, no siempre produce una única reacción simple, sino que a menudo desencadena una cascada de espalación, esto es que el núcleo impactado se rompe y libera un chorro de partículas secundarias (neutrones, protones, piones, entre otros), que a su vez pueden colisionar con más núcleos atmosféricos, generando una reacción en cadena de partículas secundarias y terciarias.

Son precisamente los neutrones secundarios producidos en estas cascadas de espalación los que, al ser capturados por núcleos de nitrógeno 14, dan origen al carbono 14 por la expulsión de un protón del núcleo de nitrógeno, convirtiéndose así un elemento en otro. Es importante recalcar aquí que le nitrógeno es el elemento más abundante de la atmósfera llegando a un 78% de su composición, por lo que las colisiones de la radiación cósmica con nitrógeno, por simple estadística, es altamente posible. El carbono 12 y el carbono 14 mantienen un porcentaje constante de ambos isótopos en la atmósfera a través del tiempo.

El carbono 14 recién formado es químicamente inestable en su estado atómico libre, por lo que reacciona rápidamente con el oxígeno atmosférico para formar dióxido de carbono, pero es dióxido de carbono radiactivo (¹⁴CO₂) porque el átomo de carbono que formó esta molécula es un isótopo de carbono 14. Este compuesto se comporta químicamente de forma casi idéntica al dióxido de carbono normal formado con carbono 12, por lo que se mezcla uniformemente en la atmósfera global gracias a las corrientes de aire, y se distribuye también en los océanos.

Este dióxido de carbono formado con átomos de carbono 14 es absorbido por las plantas durante la fotosíntesis, y de ahí pasa a los animales que se alimentan de esas plantas, y de ahí a los carnívoros que se alimentas de esos animales, incorporándose así a toda la cadena biológica. Mientras un organismo está vivo, mantiene una proporción relativamente constante de carbono14 respecto al carbono 12 normal, porque continuamente incorpora a su cuerpo ambos isótopos de carbono a través de sus alimentos.

Hay una formación permanente de isótopos de carbono 14 en nuestra atmósfera alta y consecuentemente una absorción permanente de este elemento radioactivo en toda la cadena alimenticia del planeta, desde que la Tierra existe. Así entonces nuestros ancestros neandertales y homo sapiens, y todos los seres que han existido en el planeta absorbieron este elemento y lo llevaron consigo hasta su muerte.

Esto significa que todos los seres vivos, incluyendo a los humanos, que están en la cadena alimenticia de las plantas, de forma directa o indirecta, tenemos átomos de carbono 14 (¹⁴C) radioactivo en nuestro cuerpo, por lo que no debemos de asombrarnos de saber que tenemos una cantidad importante de átomos radioactivos dentro de nosotros. Comento de paso que el potasio que tienen los plátanos y los bananos es radioactivo también en proporciones pequeñísimas, pero son capaces de activar un contador de radiación nuclear.

Cuando el organismo muere, deja de absorber carbono, y el carbono 14 radiactivo que ya tiene comienza a desintegrarse mediante desintegración beta, transformándose de nuevo en nitrógeno 14 a un ritmo constante y conocido; su vida media es de 5,730 años aproximadamente. Al medir cuánto carbono 14 queda respecto al carbono 12 en una muestra orgánica -huesos, madera, semillas, tejidos-, los científicos pueden calcular cuánto tiempo ha pasado desde la muerte del organismo. Este es precisamente el principio detrás del método de datación por carbono 14, ampliamente usado en arqueología, como el ejemplo que cité en el estudio de sitios como Göbekli Tepe, para determinar la antigüedad de restos orgánicos.

La Física Nuclear interviene también en procesos relacionados con hidrología, geología, construcción, metalurgia, salud, y en aparatos tan comunes como detectores de humo, que utilizan el elemento americio 241.

Millones de toneladas de los isótopos de uranio 238 y uranio 235, así como de todos los elementos que existen, son depositados permanentemente en los océanos del planeta por erosión de materiales por las lluvias que lo conducen a los ríos y luego a los mares, así que no es extraño pensar que cuando visitamos una playa, pisamos trazas de todos estos elementos. La radioactividad es parte de nuestras vidas y de nuestra evolución y nuestro ADN lo sabe y está preparado para ello.

Una pregunta recurrente que me hacen en presentaciones y en conversaciones informales es cuántas personas han muerto por los efectos de la radiación. Mi respuesta casi que prefabricada es que no sé el número exacto, pero sé que son pocas en toda la historia de la humanidad, pero sí sé con absoluta certeza que son muchas decenas de millones de personas alrededor de todo el mundo los que se han salvado por tratamientos con radiación con cobalto 60 (cáncer), cesio 137 (braquiterapia), irido 192 (próstata, cérvix y mama), yodo 131 (tiroides), paladio 103 (braquiterapia prostática), lutecio 177 (tumores neuroendocrinos), radio 223 (metástasis ósea), samario 153 y estroncio 89 (alivio metástasis ósea), actinio 225 (cáncer) y fósforo 32 (médula ósea).

Todo lo relacionado con Göbekli Tepe me resulta fascinante. He leído cuanto documento he encontrado y he visto decenas de videos sobre el sitio, pero lo que más me cautiva es algo distinto: la manera en que la física nuclear -a través de técnicas como la datación por carbono 14- se entrelaza con la antropología y otras ciencias para esclarecer los misterios de nuestra historia, de nuestra evolución y, en última instancia, de nuestra vida cotidiana. Ahí, en ese cruce de disciplinas aparentemente distantes, está quizás la clave para entender no solo de dónde venimos, sino quiénes somos.

Eugenio G. Araya

Físico

American Nuclear Society Member

TEDx Speaker