Pompeii giúp hiệu chỉnh “đồng hồ địa chất” như thế nào?

Vụ phun trào Vesuvius chôn vùi Pompeii vào năm 79 CN thường được nhớ như một thảm họa của thế giới La Mã. Nhưng lời kể của Pliny the Younger còn cung cấp một mốc thời gian đủ rõ để các nhà khoa học kiểm tra một “đồng hồ” dùng cho những sự kiện xảy ra rất lâu trước khi con người có lịch sử viết. Câu chuyện cho thấy một văn bản cổ có thể hỗ trợ phép đo dựa trên vật lý hạt nhân ra sao. [1]

Câu hỏi trung tâm là: một vụ phun trào gần hai nghìn năm trước giúp định tuổi đá núi lửa, va chạm thiên thạch hay các sự kiện tuyệt chủng chính xác hơn bằng cách nào? Mấu chốt nằm ở việc phân biệt độ chính xác, tức kết quả gần tuổi thật đến đâu, với độ chụm, tức các lần đo có cho kết quả nhất quán hay không. [1]

Mốc lịch sử trở thành thước đo

Pliny the Younger ghi lại trải nghiệm về vụ phun trào và gắn sự kiện với ngày 24 tháng 8 năm 79 CN. Tuy nhiên, ngày này từng gây tranh luận. Một đồng xu tìm thấy tại Pompeii được một số sử gia cho là chỉ có thể được đúc từ tháng 9, trong khi việc so sánh với các đồng xu La Mã cùng thời cho thấy nó có thể đã xuất hiện trước tháng đó. Vì vậy, nhóm nghiên cứu sử dụng khoảng bất định rộng đến hai tháng thay vì xem ngày 24 tháng 8 là một mốc tuyệt đối. [1]

Giá trị của mốc Pompeii không nằm ở việc biến lời kể cổ thành một chiếc lịch hoàn hảo. Điều quan trọng là các nhà khoa học biết sự kiện cần định tuổi xảy ra vào một giai đoạn tương đối rõ. Khi mẫu đá cho kết quả gần mốc ấy, họ có thể đánh giá phép đo có lệch nhiều không và những lần đo lặp lại ổn định đến mức nào. [1]

Độ chính xác khác độ chụm ra sao?

Có thể hình dung bằng một bảng phi tiêu: các mũi phi tiêu nằm sát nhau nhưng lệch tâm cho thấy độ chụm cao, còn độ chính xác thấp. Ngược lại, các mũi phân tán nhưng trung bình gần tâm có thể chính xác hơn mà chưa chụm. Trong định tuổi địa chất, hai tiêu chí này trả lời hai câu hỏi khác nhau: kết quả có gần tuổi thật không, và nhiều phép đo có tái lập được cùng một kết quả không? [1]

Với Pompeii, tám mẫu sanidine, một khoáng vật núi lửa chứa kali, cho tuổi trung bình khoảng 1.938 năm tính đến thời điểm phân tích năm 2025, với độ chụm tương ứng khoảng hơn một chục năm. Tuổi suy ra từ lời kể của Pliny the Younger là khoảng 1.946 năm. Hai con số nằm rất gần nhau: kết quả cho thấy phép đo đạt độ chính xác cao, đồng thời có độ chụm tốt hơn các phân tích trước. [1]

Sanidine giữ lại dấu vết thời gian thế nào?

Phương pháp argon-argon dựa trên sự biến đổi tự nhiên của kali-40 thành argon-40 trong đá núi lửa. Trước khi magma phun ra và nguội lại, argon có thể thoát khỏi hệ khoáng vật. Sau khi sanidine hình thành, argon-40 tích lũy dần từ quá trình phân rã của kali-40. Lượng argon được giữ lại vì thế có thể cung cấp thông tin về thời gian đã trôi qua kể từ lúc khoáng vật nguội và khép kín hệ thống. [1]

Các mẫu mới đến từ đá bọt hình thành ở giai đoạn sớm của vụ phun trào tại Oplontis, một thị trấn La Mã cũng bị tro núi lửa vùi lấp. Mẫu được thu thập từ lâu nhưng chưa phân tích. Chúng chứa nhiều kali hơn các mẫu trước, trong khi máy khối phổ và kỹ thuật chiếu xạ neutron cũng được cải tiến. Sự kết hợp này giúp nhóm nghiên cứu thu được kết quả chặt chẽ hơn, thay vì chỉ dựa vào một thay đổi đơn lẻ. [1]

Phép hiệu chuẩn diễn ra ở đâu?

Các nhà khoa học không đọc trực tiếp tuổi đá từ một con số argon duy nhất. Họ chiếu xạ mẫu bằng neutron để biến kali-39 thành argon-39, rồi so sánh argon-39 với argon-40 vốn tích lũy tự nhiên. Tỷ lệ giữa các đồng vị này được dùng cùng những hằng số liên quan đến phân rã phóng xạ để tính tuổi mẫu. Một sai lệch nhỏ trong hằng số hoặc bước đo có thể ảnh hưởng rõ hơn khi áp dụng cho những loại đá rất cổ. [1]

Mốc Pompeii cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra thời gian bán rã của quá trình kali-40 biến đổi thành argon-40. Giá trị được báo cáo là khoảng 12,04 tỷ năm, với sai số khoảng 88 triệu năm, và chính xác hơn giá trị trước đó. Nói cách khác, vụ phun trào giúp tinh chỉnh một tham số bên trong phương pháp argon-argon; nó không biến đá Pompeii thành mẫu có thể trực tiếp cho biết tuổi của mọi vật trên Trái Đất. [1]

Vì sao mốc Pompeii có ý nghĩa rộng hơn?

Sau khi được hiệu chuẩn, argon-argon có thể hỗ trợ định tuổi những vụ phun trào tương đối gần trong lịch sử địa chất và dùng để đối chiếu với các phương pháp khác. Carbon-14 phù hợp với vật liệu hữu cơ trẻ hơn khoảng 55.000 năm, còn uranium-chì được dùng cho những loại đá cổ hơn rất nhiều. Mỗi phương pháp có phạm vi riêng; việc hiệu chuẩn không biến chúng thành một chiếc đồng hồ duy nhất phù hợp với mọi mẫu vật. [1]

Niên đại đáng tin cậy cũng giúp các nhà khoa học xem xét quan hệ trước sau giữa những sự kiện cách nhau hàng triệu năm. Trong một ví dụ được nghiên cứu trước đây, các mốc chính xác hơn cho thấy một va chạm thiên thạch, những đợt phun trào mạnh ở Ấn Độ và sự tuyệt chủng của khủng long không phải chim xảy ra trong khoảng thời gian đủ gần để củng cố giả thuyết về tác động kết hợp. Niên đại không tự chứng minh cơ chế gây tuyệt chủng, nhưng giúp giả thuyết ấy được kiểm tra cụ thể hơn. [1]

Vì thế, ý nghĩa của Pompeii không chỉ nằm dưới lớp tro. Một lời kể cổ cung cấp mốc đối chiếu, sanidine lưu giữ dấu vết phân rã, còn kỹ thuật hiện đại biến chúng thành phép kiểm tra cho một phương pháp định tuổi. Nhìn theo cách đó, thành phố bị chôn vùi nối lịch sử con người với những chương xa xưa hơn nhiều của Trái Đất. [1]