公元1021年欧洲在美洲存在的证据

发表在《自然》杂志上的论文，讲述了科学家如何首次准确确定维京人何时居住在加拿大。多亏了宇宙射线，他们才能做到这一点。酷毙了。

摘要

跨大西洋探险发生在哥伦布穿越前几个世纪。欧洲早期在美洲存在的实物证据可以在加拿大纽芬兰找到1,2。然而，到目前为止，还无法确定这项活动是何时进行的3,4,5。在这里，我们提供了证据，证明维京人于公元1021年在纽芬兰存在。我们利用公元993年宇宙射线引起的大气放射性碳浓度激增，克服了上一个年龄估计的不准确（参考文献6）。我们的新日期为欧洲对美洲的认识奠定了标志，并代表了人类包围地球的第一个已知点。它还为未来研究跨大西洋活动的初步后果提供了一个明确的联系点，如知识的转移，以及遗传信息、生物群和病理学的潜在交流7,8。

主干

维京人（或挪威人）是第一批穿越大西洋的欧洲人9。然而，美洲唯一确认的挪威 站是纽芬兰的L’Anse aux Meadows9,10,11,12（扩展数据图1和2）。教科文组织（联合国教育、科学及文化组织）世界遗产遗址开展了广泛的实地活动，并获得了有关该定居点及其当代环境的大量知识2,13,14,15（补充说明1）。证据还显示，L’Anse aux Meadows是一个大本营，从那里探索其他地点，包括更南的地区，15。

收到的范式是，挪威定居点可以追溯到第一个千年的结束；然而，该遗址的确切年龄从未科学确定。之前的大多数估计是基于对建筑遗迹和少数文物的文体分析，以及对冰岛传奇故事的解释，这些口述历史直到几个世纪后才写下来2,16（补充说明2）。现场尝试了放射性碳（14C）分析，但尚未证明信息量特别大3,17,18。已经获得了150多个14C日期，其中55个与挪威占领有关19。然而，这些样本提供的校准年龄范围贯穿整个维京时代（公元793-1066年）（图1和扩展数据图）。3）这与考古证据和对传奇故事的解释形成鲜明对比。后者为挪威人在美洲活动的频率和持续时间提供了不同的场景，但考古和书面记录都与非常简短的职业一致（补充说明3和扩展数据图）。4）。14C日期的不利传播归因于这种计时技术在20世纪60年代和70年代的局限性，当时大多数这些日期都是获得的。这些障碍包括更大的测量不确定性和限制性的样本量要求。此外，其中许多样本的内在年龄不详。固有年龄一词是指样本的上下文年龄与生物体死亡时间（通过14C分析返回）之间的时间差异，这可能达到数百年。这种抵消有时也被不适当地纳入总估计数3。

宇宙辐射事件作为绝对时间标记

在我们的研究中，我们使用先进的计时方法将挪威在美洲的活动锚定到一个精确的时间点。精确年份的14C结果可以通过高精度加速器质谱法（AMS）结合大气14C记录20,21,22的不同特征来实现。对已知年龄（树年）树环的测量表明，14C产量每年波动不到2‰23。然而，这种时间序列还显示，同位素的产量在公元几年迅速增加；775年和公元993年分别增长了约12‰（表现为减少约100 14C年）24和约9‰（约70 14C年）6。这些突然的增加是由宇宙辐射事件引起的，并同步出现在世界各地的树突年代学记录中25,26,27,28,29。通过发现未知年龄的树环样本中的这些特征，可以实现这些样本和参考系列之间的精确模式匹配。在这样做时，如果树皮边缘（或更具体地说，瓦尼边缘）也存在，则可以确定树的确切砍伐年份20。此外，最外层生长环不需要有14C日期，因为一旦检测到包含AD 993异常的环，它就变成了计算蜡边环数量的问题。根据温尼边缘早期木材和后期木材细胞的发展状况，甚至可以确定精确的砍伐季节。

挪威在美洲活动的精确日期

在这里，我们提出了127次14C测量，其中115次是在同位素研究中心（CIO；格罗宁根）进行的，12次是在Curt-Engelhorn-Center考古测量（CEZA；Mannheim）进行的。样本由总共4个木制物品中的83个单独的树环组成，发现编号为4A 59 E3-1、4A 68 E2-2、4A 68 J4-6和4A 70 B5-14（扩展数据图）。5、补充说明4和补充数据2）。不幸的是，最后一个项目被排除在我们分析的其余部分之外，因为它只持续了九年，不包括AD 993异常，因此无法准确注明日期（补充数据2）。解剖学特征，如生长环数量不同、生长环宽度不同以及缺失环等特征的存在性表明，木材项目4A 59 E3-1、4A 68 E2-2和4A 68 J4-6来自不同的树木。此外，它们至少由两个不同的物种组成，特别是冷杉，可能是香脂冷杉（Abies参见香脂）和杜松/thuja（Juniperus/Thuja类型；扩展数据图）。6）。此外，在任何情况下都可以识别蜡边。

这些物品是在扩展数据图中 站地图上显示的位置找到的。2.这些作品与挪威语的联系是基于加拿大公园之前进行的详细研究。决定因素是它们位于挪威矿床内，以及它们都被金属工具改装的事实，这从它们特有的清洁、低角度切割中可以看出。当时该地区土著居民30没有制造此类工具（补充说明4）。

我们各自的14C结果始终优于±2.5‰（1σ），一些平均结果优于±1.5‰（约12 14C年）。我们的复制测量库符合统计预期，所涉及的两个14C设施之间没有明显的统计学显著抵消（5.1±7.9 14C年，1σ）（补充数据2）。

使用两个步骤来确定每块木材的确切切割年份。首先，通过与北半球校准曲线IntCal20的标准14C摆动匹配获得蜡笔边缘的可能日期范围（参考23）。在这里，我们使用OxCal软件（参考31）中的D_Sequence函数来匹配每个项目的完整14C时间序列。由此产生的95%概率（2σ）的瓦尼边缘范围都在公元1019年和公元1024年之间（图1c）。这表明AD 993异常应该存在于每块木材切割前26至31年。在我们的编号系统中，这对应于?31到?26的环，其中瓦尼边缘被分配为0，倒数第二个环被分配为?1，依此类推。

然后使用第二步来确定每个项目的确切切割年份。这个过程取决于识别发现AD 993异常的精确环，从而识别蜡质边缘的精确日期。为此，我们使用经典?2方法20,32来匹配六个环（?31至?26）的14C数据，这些数据最有可能包含与第二个北半球引用的AD 993异常（自B2018年以后）28。此数据集是首选的，因为AD 993异常在平滑的IntCal20曲线中不那么明显（图2）将六环子集与B2018进行比较，这样?2在每个项目的切割日期中变得最小。比赛在AD 1016-1026的每个瓦尼边缘的范围内进行（图2a）。

在所有三种情况下，waney边缘贴合度的最佳?2值都是AD 1021（图2a）。虽然其他解决方案以95%的概率通过?2测试（4A 59 E3-1为AD 1022；4A 68 E2-2为AD 1022；4A 68 J4-6为AD 1019、AD 1020和AD 1022），但在每种情况下，14C年陡降的理想定位是环-29对应于AD 992（图2b的插入）。此外，4A 68 J4-6中形成一小段早期木材细胞，这表明春季有一个砍伐季节（扩展数据图7a）。4A 68 E2-2的秋季季节是夏季/秋季（扩展数据图7b）。过去的聚乙二醇（方法）固结阻碍了4A 59 E3-1砍伐季节的确定。

我们削减年份的公元1021年的结果是欧洲人在哥伦布航行前横渡大西洋的唯一安全日历日期。此外，我们在同一年三棵不同树上的结果汇聚在一起，这一事实值得注意，也是出乎意料的。这一巧合强烈表明，公元1021年挪威人在L’Anse aux Meadows的活动。进一步的证据强化了这一结论。首先，修改极不可能在今年之前进行，因为全球观察到的14C值在环-29中突然下降是显而易见的。其次，这些物品在稍后阶段被修改的可能性也可以忽略不计。这主要是因为他们的瓦尼边缘都得到了保护。这层几乎肯定会在水运过程中被剥离，因此浮木的可能性实际上被低估了33。此外，挪威人不需要回收枯木，因为当时该地区新鲜木材丰富13。最后，如果它是清除的材料，所有三件物品都表现出完全相同的固有年龄的可能性就会消失得小。

冰岛传奇表明，挪威人与北美土著群体进行了文化交流34。如果这些遭遇确实发生了，它们可能产生了无意的结果，如病原体传播7、引进外国动植物物种，甚至交流人类遗传信息。然而，挪威格陵兰人口的最新数据显示，没有证据表明其中最后一个8。公元1021年与挪威人的总体跨大西洋活动的关系是未来研究的问题。尽管如此，我们的发现为进一步调查其最西端扩张的后果提供了按时间顺序的锚。

结论

我们提供证据表明，挪威人在公元1021年活跃在北美大陆。这个日期为维京人的晚年表提供了一个安全的关头。更重要的是，它是欧洲认识美洲的新参照点，也是已知人类迁徙包围地球的最早年份。此外，我们的研究表明，AD 993在大气14摄氏度浓度中的异常在准确定位过去迁移和文化互动的年龄方面的潜力。与其他宇宙射线事件一起，这一独特特征将允许准确确定许多其他考古和环境背景的年代。

方法

采样

在仔细检查木材的横向和径向截面并进行环数计算后，在显微镜下收集了单个样本，按照劈开树环的标准程序，使用钢叶片进行年度环测量。样品提取始于瓦尼边缘。对于每个木制品，瓦尼边缘的样本都给出了数字0，第二个最后一个环都给出了数字-1，依此类推。

样品准备和测量

使用钢刀片再次将树环样品切割成小碎片。所有木材样本都在格罗宁根首席信息官进行了化学预处理和分析。为了独立控制，其中12个样本也在曼海姆的CEZA进行了化学预处理和分析。CEZA和CIO最近参加了一项多实验室相互比较练习，以确保其预处理协议的有效性，其中未知年龄的树环样本被预处理成α纤维素，然后由AMS35分析14摄氏度浓度。

格罗宁根大学首席信息官的程序

第一步是将样品预处理为α纤维素，α纤维素是木材中最坚硬和最不动的部分36。该方法之前已完整描述37。简而言之，湿化学涉及一系列酸碱酸和氧化剂的强溶液，每一步后都使用去离子和超纯水冲洗到中性。然后，样品在室温下冷冻干燥或风干72小时。为了消除除4A 68 E2-2外所有木材物品中存在的添加剂聚乙二醇（PEG），在水预处理之前，在80°C的超纯水中放置样品36小时。后一步建立在过去对这种污染物的研究之上38,39,40。如果起始重量小于20毫克，并且木材未经PEG处理，CIO使用的全纤维素协议被认为是足够的37。

（α-）纤维素产品的别名（如有可能，约为5毫克）被称重到锡胶囊中，以便在元素分析仪（同位素立方体，Elementar）中燃烧。释放的少量二氧化碳（g）被导向同位素比质谱仪（Isoprime 100），以确定C和N的稳定同位素比，但大多数被低温困在Pyrex钻机中，并在F（s）催化剂上超过H2(g）的化学计量下还原为石墨。石墨（约2毫克）随后被压入Al（s）阴极中，供AMS（MICADAS，Ionplus）测量。数据使用BATS 4.0进行了优化，并存储在FileMaker Pro 14.6.0中。为了质量控制的目的，同时根据已知年龄标准（例如，英国公元1503年的树环材料）和背景木材（更新世矿床基茨比厄尔，奥地利）进行了全面的预处理和放射性同位素测量。全社区同位素比质谱法和AMS标准（例如，国家标准和技术研究所草酸II、默克咖啡因以及国际原子能机构C7和C8）用于验证同位素测量。

曼海姆CESA的程序

MAMS-45877-45877-45879和MAMS-47884-47886样本作为全纤维素进行预处理，并使用酸碱-酸方法（酸/碱/酸、氯化氢氧化氢/氢氧化氢/氢氧化氢）预处理，然后用氯化钠O2漂白以提取纤维素41。第二批样品（MAMS-50444-50449）按照上述CIO使用的协议作为α纤维素进行预处理。通过在热的超纯水中洗涤，PEG污染的消除方式与CIO相同。纤维素在元素分析仪中燃烧成二氧化碳。然后将二氧化碳催化转化为石墨。14C使用MICADAS类型的AMS仪器进行内部分析。AMS同时测量同位素比率（样品的14C/12C、校准标准草酸II）、空白和控制标准。14C年龄归一化为δ13C = ?25‰（参考42），其中δ13C = (((13C/12C)样本/(13C/12C)标准)? 1)×1000。

OxCal程序中的模型

所有型号都使用OxCal 4.4，并使用其标准的Metropolis-Hastings Markov链蒙特卡洛算法和默认优先级31。这些模型的代码在补充说明5和存储库
https://github.com/mwdee/LAM1021中提供。

平均

使用OxCal 4.4中的和函数为每种样本类型生成平均值。在每种情况下，所有相关的14C日期都包含在有界阶段。该模型使用的主要先验信息是，假设每个日期都是定义组31的一部分。

摆动匹配

使用OxCal 4.4中的IntCal20校准曲线使用其D_Sequence函数31，每个光束的14C数据与该曲线进行摆动匹配。所有模型都表现出高收敛性，并运行到完成。

使用?2测试进行模式匹配

通过?2 test20,22的经典统计方法，使用以下?2函数，将测量的14C浓度的树环样本与参考曲线匹配：

{{X}^{2}}_{(x)}=mathop{sum }limits_{i=1}^{n}frac{{({R}_{i}-C(x-{r}_{i})}^{2}}{rm{delta }}{R}_{i}^{2}+{rm{delta }}C{(x-{r}_{i})}^{2}}

{{X}^{2}}_{(x)}=mathop{sum }limits_{i=1}^{n}frac{{({R}_{i}-C(x-{r}_{i})}^{2}}{rm{delta }}{R}_{i}^{2}+{rm{delta }}C{(x-{r}_{i})}^{2}}

这里的Ri ± δRi是样本的测量14C日期；C(x

十

? ri) ± δC(x

十

? ri)是该年参考曲线的14C浓度（x

十

? ri），其中ri是所分析样本的树环数；x

十

是瓦尼边缘的试验年龄。测量日期与参考数据（即高或低）匹配，以便?2在x

十

的一定值中变得最小，这是树砍伐日期的最佳估计值20。为了准确匹配事件，需要一个具有单年分辨率的参考数据集。我们使用B2018作为参考，它结合了与本研究相关的年份的许多年度14C结果28。模式匹配分析主要使用Jupyter Notebook 6.3.0中的Python 3进行。研究的每个木材项目的结果如图所示。2.

木材分类学

告摘要

数据可用性

代码可用性

OxCal模型的代码在补充信息和存储库
https://github.com/mwdee/LAM1021中提供。

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