Frag Ethan: Woher kennen wir das Alter des Sonnensystems?

eine protoplanetare Scheibe. Es gibt viele unbekannte Eigenschaften protoplanetarer Scheiben um sonnenähnliche Sterne, einschließlich der elementaren Trennung verschiedener Atomsorten. ESO/L. Calçada

Vor Milliarden von Jahren kollabierte in einer vergessenen Ecke der Milchstraße eine Molekülwolke wie viele andere, um neue Sterne zu bilden. Einer von ihnen bildete sich in relativer Isolation, sammelte Material in einer protoplanetaren Scheibe um sich herum und bildete schließlich unsere Sonne, die acht Planeten und den Rest unseres Sonnensystems. Heute behaupten die Wissenschaftler, dass das Sonnensystem 4,6 Milliarden Jahre alt ist, plus/minus ein paar Millionen Jahre. Aber woher wissen wir das? Und sind beispielsweise die Erde und die Sonne gleich alt? Das möchte unser Patreon-Unterstützer Denier in dieser Woche bei Ask Ethan wissen:

Woher kennen wir das Alter unseres Sonnensystems? Ich kenne das Konzept der Datierung der Zeit, die verstrichen ist, seit ein Gestein flüssig war, nur grob, aber 4,5 Milliarden Jahre ist es ungefähr her, dass Theia die Proto-Erde getroffen hat und dabei eine große Menge von allem verflüssigt hat. Woher wissen wir, dass wir tatsächlich das Sonnensystem datieren und nicht nur Dutzende von Möglichkeiten finden, die Kollision mit Theia zu datieren?

Es ist eine großartige, nuancierte Frage, aber die Wissenschaft ist der Herausforderung gewachsen. Hier ist die Geschichte.

Die protoplanetare Scheibe um Elias 2-27 weist auf die Bildung von Planeten hin. Wie alt die verschiedenen Komponenten des Systems sind, die sich schließlich bilden werden, ist jedoch nicht allgemein bekannt. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team

Wir wissen eine ganze Menge über die Geschichte unseres Sonnensystems und wie es entstanden ist. Wir haben so viel gelernt, indem wir die Entstehung anderer Sterne beobachtet haben, indem wir entfernte Sternentstehungsgebiete untersucht haben, indem wir protoplanetare Scheiben vermessen haben, indem wir beobachtet haben, wie Sterne die verschiedenen Stadien ihres Lebenszyklus durchlaufen, usw. Aber die Art und Weise, wie sich jedes System entwickelt, ist einzigartig, und hier in unserem eigenen Sonnensystem sind Milliarden von Jahren nach der Entstehung der Sonne und der Planeten nur noch die Überlebenden übrig.

Anfänglich bilden sich alle Sterne aus einem präsolaren Nebel, der Material anzieht, mit einer großen, äußeren Region, die kalt bleibt und in der sich amorphe Silikate, Kohlenstoffverbindungen und Eis sammeln. Sobald sich aus dem präsolaren Nebel ein Protostern und dann ein vollwertiger Stern gebildet hat, kommt dieses äußere Material herein und beginnt, größere Klumpen zu bilden.

Mit der Zeit wachsen diese Klumpen und fallen hinein, wo sie interagieren, verschmelzen, wandern und sich möglicherweise gegenseitig ausstoßen. In einem Zeitraum von Hunderttausenden bis Millionen von Jahren bilden sich die Planeten, sobald ein Stern entstanden ist; auf einer kosmischen Zeitskala ist das sehr schnell. Obwohl es wahrscheinlich viele Zwischenobjekte gab, sah das Sonnensystem nach ein paar Millionen Jahren ziemlich ähnlich aus wie heute.

Es könnte aber ein paar wichtige Unterschiede gegeben haben. Es könnte einen fünften Gasriesen gegeben haben; die vier Gasriesen, die wir kennen, könnten viel näher an der Sonne gewesen sein, da sie nach außen gewandert sind; und, was vielleicht am wichtigsten ist, zwischen Venus und Mars gab es wahrscheinlich nicht nur eine, sondern zwei Welten: eine Proto-Erde und eine kleinere, marsgroße Welt namens Theia. Viel später, vielleicht zehn Millionen Jahre nach der Entstehung der anderen Planeten, kollidierten Erde und Theia.

Ein marsgroßer Körper kollidierte mit der frühen Erde, wobei die Trümmer, die nicht auf die Erde zurückfielen, den Mond bildeten. Die Erde und der Mond müssten demnach jünger sein als der Rest des Sonnensystems. NASA/JPL-Caltech

Wir vermuten, dass der Mond durch diese Kollision entstanden ist: Wir nennen dieses Ereignis die Hypothese des Rieseneinschlags. Die Ähnlichkeit des Mondgesteins, wie es von der Apollo-Mission geborgen wurde, mit der Zusammensetzung der Erde hat uns zu der Vermutung geführt, dass der Mond aus der Erde entstanden ist. Die anderen Gesteinsplaneten, die verdächtigerweise keine großen Monde haben, hatten in ihrer Vergangenheit wahrscheinlich keinen so großen Einschlag.

Die Gasriesenwelten, die viel mehr Masse haben als die anderen, konnten den Wasserstoff und das Helium (die leichtesten Elemente), die bei der Entstehung des Sonnensystems vorhanden waren, festhalten; bei den anderen Welten wurde die überwältigende Mehrheit dieser Elemente weggeblasen. Da die Sonne zu viel Energie lieferte und die Schwerkraft nicht ausreichte, um diese leichten Elemente zu halten, begann das Sonnensystem, so wie wir es heute kennen, Gestalt anzunehmen.

Pictoris, in etwa vergleichbar mit unserem eigenen Sonnensystem während seiner Entstehung. Wenn die inneren Welten nicht massiv genug sind, können sie ihren Wasserstoff und ihr Helium nicht halten. Avi M. Mandell, NASA

Aber inzwischen sind Milliarden von Jahren vergangen. Woher wissen wir, wie alt das Sonnensystem ist? Ist die Erde genauso alt wie die anderen Planeten; können wir den Unterschied feststellen? Und wie lautet die endgültige Zahl für dieses Alter?

Die genaueste Antwort kommt – vielleicht überraschenderweise – aus der Geophysik. Und damit ist nicht unbedingt „die Physik der Erde“ gemeint, sondern die Physik aller Arten von Gesteinen, Mineralien und festen Körpern. Alle derartigen Objekte enthalten eine Vielzahl der im Periodensystem vorkommenden Elemente, mit unterschiedlichen Dichten/Zusammensetzungen, je nachdem, wo im Sonnensystem, radial nach außen von der Sonne, sie entstanden sind.

Beachten Sie die Beziehung zwischen Dichte und Entfernung von der Sonne. Karim Khaidarov

Das bedeutet, dass verschiedene Planeten, Asteroiden, Monde, Kuipergürtelobjekte usw. bevorzugt aus verschiedenen Elementen bestehen sollten. Die schwereren Elemente des Periodensystems sollten zum Beispiel bevorzugt auf Merkur zu finden sein, während Ceres reicher sein sollte als Pluto. Was aber universell sein sollte, so sollte man zumindest meinen, sind die Verhältnisse der verschiedenen Isotope der gleichen Elemente.

Als sich das Sonnensystem bildete, sollte es beispielsweise ein bestimmtes Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-13 zu Kohlenstoff-14 aufweisen. Kohlenstoff-14 hat eine kosmisch kurze Halbwertszeit (von ein paar tausend Jahren), so dass der ursprüngliche Kohlenstoff-14 bereits verschwunden sein müsste. Aber sowohl Kohlenstoff-12 als auch Kohlenstoff-13 sind stabil, was bedeutet, dass sie überall im Sonnensystem, wo wir Kohlenstoff finden, die gleichen Isotopenverhältnisse haben sollten. Dies gilt für alle stabilen und instabilen Elemente und Isotope im Sonnensystem.

heute, gemessen für unser Sonnensystem. Wikimedia Commons user 28bytes

Da das Sonnensystem Milliarden von Jahren alt ist, können wir Elemente betrachten, deren Isotope Halbwertszeiten von Milliarden von Jahren haben. Im Laufe der Zeit, d.h. während das Sonnensystem altert, werden diese Isotope radioaktiv zerfallen, und indem wir das Verhältnis zwischen den Zerfallsprodukten und dem noch verbliebenen Ausgangsmaterial betrachten, können wir feststellen, wie viel Zeit seit der Entstehung dieser Objekte vergangen ist. Die zuverlässigsten Elemente für diesen Zweck sind Uran und Thorium. Die beiden wichtigsten, natürlich vorkommenden Isotope des Urans, U-238 und U-235, haben unterschiedliche Zerfallsprodukte und unterschiedliche Zerfallsraten, die jedoch beide im Bereich von Milliarden von Jahren liegen. Für Thorium ist das radioaktive Th-232 am nützlichsten.

Am bemerkenswertesten ist jedoch, dass der beste Beweis für das Alter der Erde und des Sonnensystems nicht von der Erde selbst stammt!

Vor Millionen Jahren, die viele der heute fallenden Meteoriten hervorbrachte. Don Davis, Southwest Research Institute

Wir haben zahlreiche Meteoriten, die auf der Erde gelandet sind, auf ihre Isotopen- und Elementhäufigkeiten hin untersucht und analysiert. Der Schlüssel liegt in der Betrachtung des Elements Blei: Das Verhältnis von Pb-207 zu Pb-206 ändert sich im Laufe der Zeit durch den Zerfall von U-235 (das zu Pb-207 führt) und U-238 (das zu Pb-206 führt). Wenn man die Erde und die Meteoriten als Teil desselben sich entwickelnden Systems betrachtet – unter der Annahme, dass die anfänglichen Isotopenverhältnisse gleich sind -, kann man anhand der ältesten auf der Erde gefundenen Bleierze das Alter der Erde, der Meteoriten und des Sonnensystems berechnen.

Es ist eine ziemlich gute Schätzung und ergibt eine Zahl von 4,54 Milliarden Jahren. Das ist zwar besser als 1 % genau, aber das ist immer noch eine Unsicherheit von einigen zehn Millionen Jahren.

Wenn die Meteore auf die Erdatmosphäre treffen, verglühen sie und erzeugen die hellen Streifen und Lichtblitze, die wir mit Meteoritenschauern in Verbindung bringen. Gelegentlich ist ein fallender Stein groß genug, um als Meteorit die Erdoberfläche zu erreichen. NASA / public domain

Aber wir können mehr tun, als alles zusammenzurechnen! Sicher, das ergibt eine großartige Gesamtschätzung, aber wir denken, dass, sagen wir, die Erde und der Mond ein wenig jünger sind als die Meteoriten.

• Wir können uns die ältesten Meteoriten ansehen, oder diejenigen, die die extremsten Bleiverhältnisse aufweisen, um zu versuchen, das Alter des Sonnensystems zu schätzen: Wir erhalten eine Zahl von etwa 4,568 Milliarden Jahren, wenn wir das tun.
• Wir können uns die Gesteine des Mondes ansehen, die nicht die geologische Verarbeitung durchlaufen haben, die die Gesteine der Erde durchlaufen haben. Sie werden auf ein Alter von 4,51 Milliarden Jahren datiert.

Und schließlich müssen wir uns selbst auf den Prüfstand stellen. All dies beruhte auf der Annahme, dass das Verhältnis von U-238 zu U-235 überall im Sonnensystem gleich ist. Neue Erkenntnisse der letzten 10 Jahre haben jedoch gezeigt, dass dies wahrscheinlich nicht zutrifft.

Detektoren, einschließlich der Frage, wie die Häufigkeiten radioaktiver Stoffe im Laufe der Zeit zerfallen sind. Die von LUX gemessenen Signale stimmen mit dem reinen Hintergrund überein. Da Elemente im Laufe der Zeit zerfallen, ändern sich die Häufigkeiten von Reaktanten und Produkten. D.S. Akerib et al, Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

Es gibt Orte, an denen U-235 um bis zu 6 % über dem typischen Wert angereichert ist. Laut Gregory Brennecka,

Seit den 1950er Jahren, oder sogar davor, war niemand in der Lage gewesen, irgendwelche Unterschiede zu erkennen. Jetzt sind wir in der Lage, leichte Unterschiede zu messen. Das war für einige Geochronologen ein blaues Auge. Um wirklich sagen zu können, dass wir das Alter des Sonnensystems auf der Grundlage des Alters des Gesteins kennen, müssen sie alle übereinstimmen.

Aber vor zwei Jahren wurde eine Lösung gefunden: Es gibt ein weiteres Element, das eine Rolle spielt. Curium, ein Element, das schwerer ist und eine kürzere Halbwertszeit hat als Plutonium, zerfällt radioaktiv in U-235, was die Schwankungen hervorragend erklärt. Die verbleibenden Unsicherheiten betragen höchstens ein paar Millionen Jahre.

Man geht davon aus, dass die Scheiben, aus denen sich alle Sonnensysteme bilden, im Laufe der Zeit zu Planeten verschmelzen, wie diese Abbildung zeigt. Es ist wichtig zu erkennen, dass das Zentralgestirn, die einzelnen Planeten und die Reste des Urmaterials (die zum Beispiel zu Asteroiden werden) alle Altersunterschiede in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Jahren haben können. NAOJ

Gesamt können wir also sagen, dass das älteste feste Material, das wir im Sonnensystem kennen, 4,568 Milliarden Jahre alt ist, mit einer Unsicherheit von vielleicht nur 1 Million Jahren. Die Erde und der Mond sind vielleicht ~60 Millionen Jahre jünger und haben ihre endgültige Form etwas später erreicht. Außerdem können wir dies nicht durch einen Blick auf die Erde selbst herausfinden; die Felsen, die hier übrig geblieben sind, sind alle älter.

Aber die Sonne ist vielleicht überraschenderweise etwas älter, da ihre Entstehung vor den festen Objekten liegen dürfte, aus denen die anderen Komponenten des Sonnensystems bestehen. Die Sonne könnte mehrere zehn Millionen Jahre älter sein als die ältesten Gesteine des Sonnensystems, möglicherweise bis zu 4,6 Milliarden Jahre alt. Der Schlüssel liegt auf jeden Fall darin, die Antwort auf außerirdischer Ebene zu suchen. Ironischerweise ist das die einzige Möglichkeit, das Alter unseres eigenen Planeten genau zu bestimmen!

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