炭素14による年代測定は、これまで数え切れないほどの考古学的発見を世に伝え、新聞の「歴史」欄の見出しを飾ってきました。では、炭素14年代測定とは一体どのような技術なのでしょうか。
年代測定法の歴史：相対年代と絶対年代
まず、年代測定法の歴史を簡単に振り返ってみましょう。ここで欠かせないのが、先史時代を石器時代・青銅器時代・鉄器時代の3つに区分した考古学者トムセンの存在です。この区分は、先史時代の人々が使用した道具に基づいたもので、石から鉄へと至る技術の進化、そしてそれに伴う生活様式や社会の複雑化の変化を読み取ることができます。この三時代区分法は今日でも、特に歴史の入門的な分野で広く使われています。そして部分的にはこのトムセンの功績によって、考古学では相対年代と絶対年代が区別されるようになりました。
相対年代とは、19世紀にトムセンが行ったような測定法です。ある遺物が他の遺物と比べて古いか新しいかを、素材、様式、装飾文様などを分析して判断します。この手法は型式学(タイポロジー)による編年と呼ばれ、遺跡や共同体を文脈づけるための主要なツールの一つです。1950年代半ばまでは、この種の年代測定しか存在しませんでした。しかし問題は、その結果が100%信頼できるわけではなく、考古学のすべての疑問に答えられるわけでもないという点です。第二次世界大戦後、「精密科学」は大きく発展し、その考古学分野への応用は考古学の歴史の流れを完全に変えました。
こうして絶対年代が誕生します。その代表格が有名な炭素14です。それまで絶対的な年代を確定できていたのは、古典文献が伝える正確な日付――王の治世、死亡、出生、重要な政治的施策や戦争など――だけでした。しかし科学の進歩と層位学(ストラティグラフィー)、そして考古学者の優れた仕事によって、今日ではネアンデルタール人と現代の証券ブローカーの間に何千年の隔たりがあるのかを知ることが可能になったのです。
また、相対年代と絶対年代の中間に位置する注目すべき手法として年輪年代学(デンドロクロノロジー)があります。これは木の年輪を読み取ることで、その木が育った環境――干ばつの時期、洪水、木の誕生や死(自然死も、建築材として伐採された場合も)――を知る手法です。年輪に数値を与えられることから「ハイブリッド型」と呼ばれます。ヨーロッパでは木材が豊富なため非常に広く普及しており、アナサジ文化(北米南西部)の興亡を年代測定することにも成功しています。
炭素14の仕組み：サンプリングと限界
1949年、化学者のウィラード・リビーは地球の年齢に関心を持ち、炭素14が年代測定法――原子時計――になりうることを発見しました。なぜでしょうか。リビーは、物理学者マックス・プランクが行った実験(銀の薄い膜に原子を衝突させ、一定のエネルギーレベルでアルファ粒子が放出されることを観察した実験)に着想を得て、同じ手法を地球規模で応用したのです。窒素原子は宇宙線として絶えず私たちの惑星に降り注ぎ、この作用から放射性炭素が生まれます。リビーは、植物が光合成によってこの放射性炭素(C14)を取り込み、草食動物がそれを含む植物を食べ、肉食動物が草食動物を食べる、というように食物連鎖を通じて炭素が循環していることに気づきました。つまり、生きている間は絶えず炭素を取り込み続けますが、死んだ瞬間、炭素はその時点の濃度のまま固定され、時が経つにつれて減少し始めるのです。
炭素14が減少するのは、大気中に炭素の3種類の同位体(12、13、14)が共存しているためです。12と13は安定していて変質しませんが、14は不安定で、その構成要素(陽子や中性子)の一部が動き続けます。この変質の過程で放出されるのがアルファ粒子(プランクが発見したもの)であり、宇宙線によって炭素14が絶えず生成・変換されている状況では非常に有用です。一方、この放射からはベータ粒子も放出されます(年代測定で読み取られるのはこちらです)。この炭素は大気中に一定の割合で存在し、3種類の比率も一定に保たれています。しかし生物が死ぬと、炭素14は崩壊を始めて安定化し、13、12を経て、絶えず窒素14(その起源)へと変わっていきます。炭素の比率を測定することで、死んでから現在までに経過した時間を推定できるのです。
この変換は半減期と呼ばれる一連の段階を踏みます。分析したい試料は必ず有機物の残骸から採取され、研究室に送られて粒子を照射され、炭素12、13、14の量が抽出されます。その比率を測定し、生命が終わってからの経過時間が算出されるのです。炭素14が12へ変換される速度(半減期)は5730年で、つまり5730年後にはC14は元の半分の割合になります。さらに5730年を経た11,460年後には4分の1、3度目の半減期を経た17,190年後には8分の1が残ります。やがてC14がほとんど残らなくなり、測定が不可能になる時が訪れます。そのため、4万5,000年より古い遺物にこの手法を使うのは推奨されません。得られる年代に問題が生じるからです。
炭素14の分析法には2種類あります。一つは従来法で、C14が変換される際に放出されるベータ粒子の数を分析し、そこから原子数を推定します。もう一つは現在主流の加速器質量分析法(AMS)で、原子を直接計測するため、必要な試料が少なく、より精密な年代が得られます。
試料の取り扱い：研究室での作業
より正確な年代を得るには、複数の試料を異なる専門機関に送るのが最善です。各機関には独自のプロトコルがあり、それを考慮することで年代測定の作業と結果の信頼性が高まります。試料の抽出や保存の技術が不適切だと作業全体が無駄になってしまうため、発掘調査を始める前に、研究室の研究者と考古学者が連携し、サンプリング戦略について合意しておくことが非常に重要です。
一般的に、試料を採取して分析まで保存する最良の方法は、日光を避けてアルミホイルで包むことです。試料が届くとまず予備分析が行われ、試料が測定に適しているか、汚染されていないかが確認されます。さらに、正しい年代にできるだけ近づき、仮説と結果を比較できるよう、推定年代と遺跡の位置情報を添える必要があります。
この手法の難点は、結果の較正が必要なことです。較正は年輪年代学から得られた年代を用いて行われ、C14法では対応できない年代のずれを補正します。較正は考古学者または研究室(それぞれの能力次第)が行い、BP年を暦年に変換するために実施されます。BP年とは何を意味するのでしょうか。これは英語の「Before Present(現在以前)」に由来する表現で、この手法を発見したリビーが1950年に提唱しました。1950年を起点(ゼロ年)とし、それ以前をすべて「現在以前」とみなします。この小さな不便さに加え、歴史上C14原子の存在比率は一定ではなかったことにも注意が必要です(現在は1万年前よりも放射線量が多く、これは異なる比率を意味します)。そのため、私たちが扱う結果は近似値であって絶対値ではありません。この手法が「絶対年代測定」と呼ばれるのは、いささか皮肉な話です。
分析結果はどのように示されるのか
スペインでは、CSIC(高等科学研究会議)などの研究機関やグラナダ大学(UGR)などの大学がこの分析に対応しており、ウェブサイトでは試験の価格帯(対象期間によって異なりますが、250〜500ユーロ程度)を確認できます。国外では、マイアミにあるBeta Analytic Radiocarbon Dating(BETA)が非常に著名な分析機関として知られています。
研究室から送られてくる試料報告書では、年代は2750±30 BPのように表記されます。これは、2750年がBP年での年代で、±30がその誤差の範囲(約30年程度)を意味します。その横には誤差のパーセンテージが示され、研究室は2つの近似年代を提案し、結果を表すグラフが添えられます。
そして、この手法の寿命はそう長くないかもしれません。将来、地球上のC14濃度は最低値を下回り、生存中にその炭素を得られなくなれば、未来の考古学者たちは読み取るべき炭素が存在しないため、この手法で何も年代測定できなくなるでしょう。とはいえ、今日の考古学者はこの点をそれほど気にしていません。この手法は近い年代(2万年程度までなら非常に精密な結果が出ます)には十分に機能するからです。技術の進歩に伴い、C14では対応できない遠い年代を測る手法も開発されています。光刺激ルミネセンス法(OSL)、ウラン・トリウム法、カリウム・アルゴン法などで、これらは測定可能な時間幅を広げ、時とともに放射性炭素年代測定に取って代わっていくでしょう。炭素なしで私たちはどうなるのでしょうか。私たちの世代がその変化を目にすることはないかもしれませんが、この手法をさらに上回る解決策が生まれることを期待したいものです。