Zeptejte se Ethana: Jak zjistíme stáří sluneční soustavy?

protoplanetární disk. Existuje mnoho neznámých vlastností protoplanetárních disků kolem hvězd podobných Slunci, včetně elementární segregace různých typů atomů. ESO/L. Calçada

Před miliardami let se v jakémsi zapomenutém koutě Mléčné dráhy zhroutil molekulární oblak podobný mnoha jiným a vytvořil nové hvězdy. Jedna z nich se zformovala v relativní izolaci, shromáždila kolem sebe materiál v protoplanetárním disku a nakonec zformovala naše Slunce, osm planet a zbytek naší Sluneční soustavy. Vědci dnes tvrdí, že sluneční soustava je stará 4,6 miliardy let, plus minus několik milionů let. Jak to ale víme? A jsou například Země a Slunce stejně staré? To chce vědět náš příznivec Patreonu Denier v tomto týdnu v rubrice Zeptejte se Ethana:

Jak známe stáří naší sluneční soustavy? Mám volnou představu o datování doby, která uplynula od doby, kdy byla hornina tekutá, ale 4,5 miliardy let je zhruba doba, kdy Theia zasáhla proto-Zemi a zkapalnila obrovské množství všeho. Jak víme, že skutečně datujeme sluneční soustavu, a ne jen nacházíme desítky způsobů, jak datovat srážku s Theiou?

Je to velká, nuancovaná otázka, ale věda si s ní poradí. Tady je příběh.

ukazují důkazy vzniku planet v protoplanetárním disku kolem Elias 2-27. Jak staré jsou jednotlivé složky systému, které se nakonec zformují, však není něco, co by bylo všeobecně známo. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team

O historii naší sluneční soustavy a o tom, jak vznikla, toho víme poměrně dost. Je toho tolik, co jsme se naučili pozorováním vzniku jiných hvězd, zkoumáním vzdálených hvězdotvorných oblastí, měřením protoplanetárních disků, pozorováním hvězd procházejících různými fázemi svého životního cyklu atd. Ale způsob, jakým se každý systém vyvíjí, je jedinečný a zde v naší sluneční soustavě, miliardy let po vzniku Slunce a planet, nám zůstali jen ti, kteří přežili.

Počátečně všechny hvězdy vznikají z předsluneční mlhoviny, která do sebe vtahuje materiál, přičemž velká vnější oblast zůstává chladná a shromažďují se v ní amorfní křemičitany, sloučeniny na bázi uhlíku a led. Jakmile se v předsluneční mlhovině vytvoří protohvězda a poté plnohodnotná hvězda, tento vnější materiál přichází dovnitř a začíná vytvářet větší shluky.

V průběhu času tyto shluky rostou a padají dovnitř, kde se vzájemně ovlivňují, slučují, migrují a případně se vyvrhují. V průběhu stovek tisíc až milionů let, jakmile vznikne hvězda, skončí tvorba planet; v kosmickém měřítku je to rychlé. I když pravděpodobně existovalo mnoho mezilehlých objektů, v době, kdy uplynulo několik milionů let, vypadala sluneční soustava dost podobně jako ta dnešní.

Mohlo však existovat několik důležitých rozdílů. Mohl existovat pátý plynný obr; čtyři plynní obři, které máme, mohli být mnohem blíže Slunci a migrovat směrem ven; a co je možná nejdůležitější, mezi Venuší a Marsem pravděpodobně neexistoval jeden, ale dva světy: proto-Země a menší svět velikosti Marsu jménem Theia. Mnohem později, možná desítky milionů let po vzniku ostatních planet, se Země a Theia srazily.

Těleso velikosti Marsu se srazilo s ranou Zemí, přičemž úlomky, které nespadly zpět na Zemi, vytvořily Měsíc. Země a Měsíc by v důsledku toho měly být mladší než zbytek Sluneční soustavy. NASA/JPL-Caltech

Předpokládáme, že právě při této srážce vznikl Měsíc: tuto událost nazýváme hypotézou obřího impaktu. Podobnost měsíčních hornin, které byly získány při misi Apollo, se složením Země nás vedla k podezření, že Měsíc vznikl ze Země. Ostatní kamenné planety, které podezřele postrádají velké Měsíce, pravděpodobně ve své dávné historii tak velký impakt nezažily.

Plynné obří světy, které mají mnohem větší hmotnost než ostatní, si dokázaly udržet vodík a helium (nejlehčí prvky), které existovaly v době vzniku Sluneční soustavy; ostatní světy drtivou většinu těchto prvků rozmetaly. Díky příliš velkému množství energie ze Slunce a nedostatečné gravitaci, která by tyto lehké prvky udržela, se Sluneční soustava začala formovat tak, jak ji známe dnes.

Pictoris, poněkud analogická naší sluneční soustavě během jejího formování. Vnitřní světy, pokud nebudou dostatečně hmotné, nebudou schopny udržet svůj vodík a helium. Avi M. Mandell, NASA

Ale nyní uplynuly miliardy let. Jak víme, jak je sluneční soustava stará? Je Země stejně stará jako ostatní planety; máme způsob, jak to rozlišit? A jaká je konečná hodnota tohoto stáří?“

Nejpřesnější odpověď možná překvapivě pochází z geofyziky. A to nemusí nutně znamenat „fyziku Země“, ale spíše fyziku nejrůznějších hornin, minerálů a pevných těles. Všechny takové objekty obsahují různé prvky, které se nacházejí v periodické tabulce prvků, přičemž jejich hustota/složení se liší podle toho, kde ve Sluneční soustavě, radiálně směrem ven od Slunce, vznikly.

Všimněte si vztahu mezi hustotou a vzdáleností od Slunce. Karim Khaidarov

Z toho vyplývá, že různé planety, planetky, měsíce, objekty Kuiperova pásu atd. by měly být přednostně tvořeny různými prvky. Například těžší prvky periodické tabulky by se měly přednostně nacházet v Merkuru oproti například Ceresu, který by sám měl být obohacenější než například Pluto. Co by však mělo být univerzální, alespoň byste si to mysleli, by měly být poměry různých izotopů stejných prvků.

Když se sluneční soustava formuje, měla by mít například určitý poměr uhlíku-12 k uhlíku-13 a uhlíku-14. V tomto poměru by se měly nacházet i izotopy uhlíku-13 a uhlíku-14. Uhlík-14 má kosmicky krátký poločas rozpadu (několik tisíc let), takže prvotní uhlík-14 by měl být celý pryč. Uhlík-12 i uhlík-13 jsou však stabilní, což znamená, že kdekoli ve Sluneční soustavě najdeme uhlík, měly by mít stejné izotopové poměry. To platí pro všechny stabilní i nestabilní prvky a izotopy ve Sluneční soustavě.

dnes, změřené pro naši Sluneční soustavu. Wikimedia Commons uživatel 28bytes

Protože je Sluneční soustava stará miliardy let, můžeme se podívat na prvky, jejichž izotopy mají poločasy rozpadu v řádu miliard let. V průběhu času, tj. jak Sluneční soustava stárne, se tyto izotopy radioaktivně rozpadají a sledováním poměrů produktů rozpadu oproti původnímu materiálu, který ještě zbývá, můžeme určit, kolik času uplynulo od vzniku těchto objektů. Pro tento účel jsou nejspolehlivějšími prvky uran a thorium. Pokud jde o uran, jeho dva hlavní, v přírodě se vyskytující izotopy, U-238 a U-235, mají různé produkty rozpadu a různé rychlosti rozpadu, ale obě se pohybují v řádu miliard let. U thoria je nejvhodnější radioaktivní Th-232.

Nejpozoruhodnější však je, že nejlepší důkaz o stáří Země a sluneční soustavy nepochází ze Země samotné!

před 466 miliony let, která dala vzniknout mnoha dnes padajícím meteoritům. Don Davis, Jihozápadní výzkumný institut

Měli jsme k dispozici desítky meteoritů, které dopadly na Zemi, a u nichž jsme měřili a analyzovali jejich izotopické, prvkové zastoupení. Klíčový je pohled na olovo prvku: poměr Pb-207 a Pb-206 se v průběhu času mění v důsledku rozpadů U-235 (který vede k Pb-207) a U-238 (který vede k Pb-206). Budeme-li považovat Zemi a meteority za součást stejného vyvíjejícího se systému – s předpokladem, že existují stejné počáteční izotopové poměry – můžeme se pak podívat na nejstarší olověné rudy nalezené na Zemi a vypočítat stáří Země, meteoritů a sluneční soustavy.

Je to docela dobrý odhad a dává nám údaj 4,54 miliardy let. To je dobré s přesností lepší než 1 %, ale stále je to nejistota několika desítek milionů let.

Když meteory dopadnou na vrchol zemské atmosféry, shoří a vytvoří jasné pruhy a záblesky světla, které si spojujeme s meteorickými dešti. Občas se stane, že padající kámen je dostatečně velký na to, aby se dostal na povrch a stal se meteoritem. NASA / public domain

Ale můžeme udělat něco lepšího než agregovat všechno dohromady! Jistě, dává to skvělý celkový odhad, ale myslíme si, že například Země a Měsíc jsou o něco mladší než meteority.

• Můžeme se podívat na nejstarší meteority nebo na ty, které vykazují nejextrémnější poměr olova, a pokusit se odhadnout stáří Sluneční soustavy: pokud to uděláme, dostaneme číslo kolem 4,568 miliardy let.
• Můžeme se podívat na horniny z Měsíce, které neprošly geologickým zpracováním jako pozemské horniny. Jejich stáří je 4,51 miliardy let.

A nakonec si musíme ověřit zdravý rozum. To vše vychází z předpokladu, že poměr U-238 a U-235 je všude ve Sluneční soustavě stejný. Nové důkazy během posledních 10 let však ukázaly, že to pravděpodobně není pravda.

detektory, včetně toho, jak se množství radioaktivních materiálů v průběhu času rozpadlo. Signály pozorované přístrojem LUX jsou konzistentní se samotným pozadím. Jak se prvky v průběhu času rozpadají, mění se množství reaktantů a produktů. D.S. Akerib et al., Astropart. phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

Existují místa, kde je U-235 obohacen až o 6 % oproti typické hodnotě. Podle Gregoryho Brennecka,

Od 50. let 20. století, nebo dokonce ještě dříve, nebyl nikdo schopen zjistit žádné rozdíly . Nyní jsme schopni změřit nepatrné rozdíly. Pro několik lidí v geochronologii to byl tak trochu černý puntík. Abychom mohli skutečně říci, že známe stáří sluneční soustavy na základě stáří hornin, je nezbytné, aby se všechny shodovaly.

Před dvěma lety však bylo objeveno rozuzlení: existuje další prvek, který hraje roli. Kurium, prvek těžší a s kratším poločasem rozpadu než dokonce plutonium, se radioaktivně rozpadá na U-235, což výtečně vysvětluje odchylky. Nejistota, která zůstává, je maximálně několik milionů let.

Předpokládá se, že se zformují s, se v průběhu času sbalí do planet, jak ukazuje tato ilustrace. Je důležité si uvědomit, že centrální hvězda, jednotlivé planety a zbytky prvotního materiálu (které se například stanou planetkami) mohou mít odchylky ve stáří v řádu desítek milionů let. NAOJ

Celkově tedy můžeme říci, že nejstarší nám známý pevný materiál ve Sluneční soustavě je starý 4,568 miliardy let, s nejistotou možná jen 1 milion let. Země a Měsíc jsou možná o ~60 milionů let mladší a své konečné podoby dosáhly o něco později. Navíc se to nemůžeme dozvědět při pohledu na samotnou Zemi; všechny horniny, které zde zbyly, jsou starší.

Slunce však, možná překvapivě, může být o něco starší, protože jeho vznik by měl předcházet vzniku pevných objektů, které tvoří ostatní součásti Sluneční soustavy. Slunce může být až o desítky milionů let starší než nejstarší horniny ve Sluneční soustavě, možná se blíží stáří 4,6 miliardy let. Klíčem, ať už je to jakkoli, je hledat odpověď mimozemsky. Paradoxně je to jediný způsob, jak přesně zjistit stáří naší vlastní planety!

Své dotazy na Ethana posílejte na adresu startswithabang at gmail dot com!

Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.