Kérdezd Ethant: Honnan tudjuk a Naprendszer korát?
egy protoplanetáris korong. A Nap-szerű csillagok körül keringő protoplanetáris korongok számos ismeretlen tulajdonsága van, beleértve a különböző típusú atomok elemi szétválását. ESO/L. Calçada
Milliárd évvel ezelőtt a Tejútrendszer valamelyik elfeledett szegletében egy sok máshoz hasonló molekulafelhő összeomlott, hogy új csillagok keletkezzenek. Az egyik közülük viszonylag elszigetelten alakult ki, anyagot gyűjtött maga köré egy protoplanetáris korongba, és végül kialakította Napunkat, a nyolc bolygót és Naprendszerünk többi részét. Ma a tudósok azt állítják, hogy a Naprendszer 4,6 milliárd éves, plusz-mínusz néhány millió év. De honnan tudjuk ezt? És mondjuk a Föld és a Nap egyidősek-e? Erre kíváncsi Patreon-támogatónk, Denier, az e heti Kérdezd Ethan:
Honnan tudjuk a Naprendszerünk korát? Van egy laza fogalmam arról, hogyan kell datálni az eltelt időt, mióta egy kőzet folyékony volt, de 4,5 milliárd év nagyjából annyi, hogy a Theia nagyjából mennyi idővel ezelőtt csapódott be a proto-Földbe, elfolyósítva mindenből egy hatalmas mennyiséget. Honnan tudjuk, hogy valóban a Naprendszert datáljuk, és nem csak tucatnyi módot találunk a Theia-ütközés datálására?
Ez egy nagyszerű, árnyalt kérdés, de a tudomány készen áll a kihívásra. Íme a történet.
bolygóképződésre utaló jeleket mutatnak az Elias 2-27 körüli protoplanetáris korongban. Azt azonban, hogy a rendszer különböző összetevői, amelyek végül kialakulnak, milyen idősek, nem tudjuk általánosan. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team
Naprendszerünk történetéről és kialakulásáról elég sokat tudunk. Nagyon sok mindent megtudtunk más csillagok keletkezésének megfigyelésével, távoli csillagkeletkezési régiók vizsgálatával, protoplanetáris korongok mérésével, csillagok megfigyelésével, amelyek életciklusuk különböző szakaszain mennek keresztül, stb. De minden rendszer kialakulásának módja egyedi, és itt, a saját Naprendszerünkben, több milliárd évvel a Nap és a bolygók kialakulása után már csak a túlélők maradtak.
Eredetileg minden csillag egy Nap előtti ködből alakul ki, amely anyagot vonz be, egy nagy, külső régióval, amely hideg marad, ahol amorf szilikátok, szénalapú vegyületek és jég gyűlik össze. Amint a Nap előtti ködből egy proto-csillag, majd egy kifejlett csillag alakul ki, ez a külső anyag beáramlik, és elkezd nagyobb csomókat alkotni.
Az idő múlásával ezek a csomók megnőnek és beesnek, ahol kölcsönhatásba lépnek, összeolvadnak, vándorolnak, és esetleg kilökődnek egymásból. A több százezer és több millió év közötti időtartam alatt, ha már van egy csillag, a bolygók kialakulnak; ez kozmikus időskálán gyors. Bár valószínűleg sok köztes objektum létezett, mire eltelt néhány millió év, a Naprendszer nagyon hasonlóan nézett ki ahhoz, ami ma van.
De lehetett néhány fontos különbség. Lehet, hogy létezett egy ötödik gázóriás; a négy gázóriás, amit mi ismerünk, sokkal közelebb lehetett a Naphoz, kifelé vándorolva; és ami talán a legfontosabb, a Vénusz és a Mars között valószínűleg nem egy, hanem két világ volt: egy proto-Föld és egy kisebb, Mars méretű, Theia nevű világ. Sokkal később, talán több tízmillió évvel a többi bolygó kialakulása után a Föld és a Theia összeütközött.
Mars méretű égitest ütközött a korai Földdel, és a Földre vissza nem hulló törmelékből alakult ki a Hold. A Földnek és a Holdnak ennek következtében fiatalabbnak kell lennie, mint a Naprendszer többi része. NASA/JPL-Caltech
Gyanúnk szerint ez az ütközés hozta létre a Holdat: ezt az eseményt óriásbecsapódás-hipotézisnek nevezzük. Az Apollo-misszió által visszaszerzett holdkőzetek és a Föld összetételének hasonlósága arra engedett következtetni, hogy a Hold a Földből alakult ki. A többi sziklás bolygó, amelyek gyaníthatóan nem rendelkeznek nagy holdakkal, valószínűleg nem szenvedtek el ilyen nagy becsapódást a múltjukban.
A gázóriás világok, mivel sokkal nagyobb tömeggel rendelkeznek, mint a többiek, képesek voltak megtartani a hidrogént és a héliumot (a legkönnyebb elemeket), amelyek a Naprendszer kialakulásakor léteztek; a többi bolygóról ezeknek az elemeknek a túlnyomó többsége elszállt. Mivel a Nap túl sok energiát bocsátott ki, és nem volt elég gravitáció, hogy megtartsa ezeket a könnyű elemeket, a Naprendszer kezdett kialakulni olyanná, amilyennek ma ismerjük.
A Pictoris, némileg analóg a mi Naprendszerünkkel a kialakulása során. A belső világok, hacsak nem elég masszívak, nem lesznek képesek megtartani a hidrogént és a héliumot. Avi M. Mandell, NASA
Már több milliárd év telt el. Honnan tudjuk, hogy hány éves a Naprendszer? Ugyanannyi idős-e a Föld, mint a többi bolygó; van-e módunk különbséget tenni? És hogy mi a végső szám erre a korra?
A legpontosabb válasz, talán meglepő módon, a geofizikából származik. És ez nem feltétlenül “a Föld fizikáját” jelenti, hanem mindenféle kőzetek, ásványok és szilárd testek fizikáját. Minden ilyen objektum a periódusos rendszerben található elemek sokaságát tartalmazza, különböző sűrűséggel/összetétellel, annak megfelelően, hogy a Naprendszerben a Naptól sugárirányban kifelé haladva hol keletkeztek.
Figyeld meg a sűrűség és a Naptól való távolság közötti kapcsolatot. Karim Khaidarov
Ez azt jelenti, hogy a különböző bolygóknak, aszteroidáknak, holdaknak, Kuiper-övi objektumoknak stb. előnyösen különböző elemekből kell állniuk. A periódusos rendszerben szereplő nehezebb elemeknek például előnyben kellene lenniük a Merkúrban, szemben mondjuk a Ceresszel, amelynek viszont gazdagabbnak kellene lennie, mint mondjuk a Plútónak. De aminek univerzálisnak kellene lennie, legalábbis azt gondolnánk, hogy annak kellene lennie, az ugyanazon elemek különböző izotópjainak aránya.
A Naprendszer kialakulásakor például a szén-12 és a szén-13 és a szén-14 meghatározott arányának kellene lennie. A szén-14 kozmikusan rövid felezési idővel rendelkezik (néhány ezer év), így a primordiális szén-14-nek mind el kellene tűnnie. A szén-12 és a szén-13 azonban mindkettő stabil, ami azt jelenti, hogy bárhol is találunk szenet a Naprendszerben, az izotóparányuknak azonosnak kell lennie. Ez az összes stabil és instabil elemre és izotópra érvényes a Naprendszerben.
ma, a mi Naprendszerünkre mérve. Wikimedia Commons user 28bytes
Mivel a Naprendszer több milliárd éves, olyan elemeket kereshetünk, amelyek izotópjainak felezési ideje több milliárd év. Idővel, azaz a Naprendszer öregedésével ezek az izotópok radioaktívan bomlanak, és a bomlástermékek és a még megmaradt kiindulási anyag arányát vizsgálva meg tudjuk határozni, mennyi idő telt el ezen objektumok kialakulása óta. Erre a célra a legmegbízhatóbb elemek az urán és a tórium. Az urán esetében a két fő, természetesen előforduló izotópjának, az U-238-nak és az U-235-nek különböző bomlástermékei és különböző bomlási rátái vannak, de mindkettő több milliárd éves. A tórium esetében a radioaktív Th-232 a leghasznosabb.
A legfigyelemreméltóbb azonban az, hogy a Föld és a Naprendszer korára vonatkozó legjobb bizonyíték nem magától a Földtől származik!
millió évvel ezelőtt, amelyből a ma hulló meteoritok nagy része származik. Don Davis, Délnyugati Kutatóintézet
Meteoritok sokasága landolt a Földön, amelyek izotópos, elemi bőségét megmértük és elemeztük. A kulcs az elem ólomtartalmát vizsgálva: a Pb-207 és a Pb-206 aránya idővel változik az U-235 (amely Pb-207-hez vezet) és az U-238 (amely Pb-206-hoz vezet) bomlása miatt. Ha a Földet és a meteoritokat ugyanazon fejlődő rendszer részeként kezeljük – feltételezve, hogy azonosak a kezdeti izotóparányok -, akkor a Földön talált legrégebbi ólomércek alapján kiszámíthatjuk a Föld, a meteoritok és a Naprendszer korát.
Ez egy elég jó becslés, és 4,54 milliárd évet ad. Ez több mint 1%-os pontossággal jó, de ez még mindig néhány tízmillió év bizonytalanságot jelent.
Amikor a meteorok a Föld légkörének tetején csapódnak be, elégnek, és létrehozzák azokat a fényes csíkokat és fényvillanásokat, amelyeket a meteorzáporokhoz kötünk. Alkalmanként egy lezuhanó kőzet elég nagy lesz ahhoz, hogy a felszínre jusson, és meteorittá váljon. NASA / public domain
De tudunk jobbat is, mint mindent összevonni! Persze, ez nagyszerű általános becslést ad, de úgy gondoljuk, hogy mondjuk a Föld és a Hold egy kicsivel fiatalabb, mint a meteoritok.
- Megnézhetjük a legrégebbi meteoritokat, vagy azokat, amelyek a legszélsőségesebb ólomarányokat mutatják, hogy megpróbáljuk megbecsülni a Naprendszer korát: ha így teszünk, körülbelül 4,568 milliárd évet kapunk.
- Megnézhetjük a Hold kőzeteit, amelyek nem mentek át olyan geológiai feldolgozáson, mint a földi kőzetek. Ezek 4,51 milliárd éves korra datálhatók.
Végül pedig ellenőriznünk kell a józanságunkat. Mindez azon a feltételezésen alapult, hogy az U-238 és az U-235 aránya a Naprendszerben mindenhol azonos. Az elmúlt 10 év új bizonyítékai azonban azt mutatják, hogy ez valószínűleg nem igaz.
detektorok, beleértve azt is, hogy a radioaktív anyagok bősége hogyan bomlott az idő múlásával. A LUX által észlelt jelek összhangban vannak a háttérrel. Ahogy az elemek idővel bomlanak, úgy változik a reaktánsok és a termékek mennyisége. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
Vannak helyek, ahol az U-235 akár 6%-kal is dúsul a tipikus értékhez képest. Gregory Brennecka szerint,
Az 1950-es évek óta, vagy még azelőtt, senki sem tudott különbséget kimutatni . Most már képesek vagyunk enyhe különbségeket mérni. Ez egyfajta feketeleves volt néhány ember számára a geokronológiában. Ahhoz, hogy valóban azt mondhassuk, hogy a kőzetek kora alapján ismerjük a Naprendszer korát, elengedhetetlen, hogy mind megegyezzenek.
De két évvel ezelőtt felfedeztek egy feloldást: van egy másik elem is, amely szerepet játszik. A kurium, egy még a plutóniumnál is nehezebb és rövidebb felezési idejű elem, radioaktívan bomlik U-235-re, ami kiválóan magyarázza az eltéréseket. A fennmaradó bizonytalanság legfeljebb néhány millió év.”
a feltételezések szerint a csillagkorongok idővel bolygókká olvadnak össze, ahogy ez az ábra is mutatja. Fontos felismerni, hogy a központi csillag, az egyes bolygók és a megmaradt ősanyag (amelyből például aszteroidák lesznek) kora több tízmillió éves nagyságrendű változásokat mutathat. NAOJ
Általánosságban tehát azt mondhatjuk, hogy a Naprendszer legrégebbi, általunk ismert szilárd anyaga 4,568 milliárd éves, a bizonytalanság talán csak 1 millió év. A Föld és a Hold talán ~60 millió évvel fiatalabb, valamivel később nyerte el végső formáját. Ráadásul ezt nem tudhatjuk meg magából a Földből; az itt megmaradt kőzetek mind idősebbek ennél.
A Nap azonban – talán meglepő módon – valamivel idősebb lehet, hiszen kialakulása a Naprendszer többi alkotóelemét alkotó szilárd objektumok kialakulása előttre tehető. A Nap akár több tízmillió évvel is idősebb lehet, mint a Naprendszer legöregebb sziklái, esetleg megközelíti a 4,6 milliárd éves kort. A kulcs, bármi is legyen, az, hogy a választ földönkívüli módon keressük. Ironikus módon ez az egyetlen módja annak, hogy pontosan megismerjük saját bolygónk korát!
Küldje el Ask Ethan kérdéseit a startswithabang at gmail dot com címre!
Kövessen a Twitteren. Nézd meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.