Chiedi a Ethan: Come facciamo a sapere l’età del sistema solare?
Miliardi di anni fa, in qualche angolo dimenticato della Via Lattea, una nube molecolare come tante altre è collassata per formare nuove stelle. Una di esse si formò in relativo isolamento, raccogliendo materiale in un disco protoplanetario intorno a sé, e formando infine il nostro Sole, gli otto pianeti e il resto del nostro Sistema solare. Oggi, gli scienziati proclamano che il sistema solare ha 4,6 miliardi di anni, più o meno qualche milione di anni. Ma come facciamo a saperlo? E la Terra e il Sole hanno la stessa età? Questo è quello che il nostro sostenitore di Patreon, Denier, vuole sapere per Ask Ethan di questa settimana:
Come facciamo a sapere l’età del nostro sistema solare? Ho una vaga idea del concetto di datazione del tempo trascorso da quando una roccia era liquida, ma 4,5 miliardi di anni è più o meno quanto tempo fa Theia ha colpito la proto-Terra liquefacendo una massiccia quantità di tutto. Come facciamo a sapere che stiamo effettivamente datando il sistema solare e non solo trovando dozzine di modi per datare la collisione di Theia?
È una grande domanda piena di sfumature, ma la scienza è all’altezza della sfida. Ecco la storia.
mostrano prove di formazione di pianeti nel disco protoplanetario intorno a Elias 2-27. Quanto siano vecchi i vari componenti del sistema che finiranno per formarsi, tuttavia, non è qualcosa che è universalmente noto. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team
Sappiamo molto sulla storia del nostro sistema solare e su come è nato. Abbiamo imparato molto osservando la formazione di altre stelle, esaminando regioni di formazione stellare lontane, misurando i dischi protoplanetari, osservando le stelle attraversare varie fasi del loro ciclo vitale, ecc. Ma il modo in cui ogni sistema si evolve è unico, e qui, nel nostro sistema solare, miliardi di anni dopo la formazione del Sole e dei pianeti, tutto ciò che ci rimane sono i sopravvissuti.
Inizialmente, tutte le stelle si formano da una nebulosa pre-solare che attira materiale all’interno, con una grande regione esterna che rimane fredda, dove si raccolgono silicati amorfi, composti a base di carbonio e ghiaccio. Una volta che la nebulosa pre-solare forma una protostella e poi una stella a tutti gli effetti, questo materiale esterno entra e comincia a formare grumi più grandi.
Con il tempo, questi grumi crescono e cadono, dove interagiscono, si fondono, migrano e potenzialmente si espellono a vicenda. Nell’arco di tempo che va dalle centinaia di migliaia ai milioni di anni, una volta che si ha una stella, i pianeti finiscono per formarsi; questo è veloce su una scala temporale cosmica. Anche se probabilmente c’erano molti oggetti intermedi, quando sono passati alcuni milioni di anni, il sistema solare sembrava abbastanza simile a quello che abbiamo oggi.
Ma potrebbero esserci state alcune importanti differenze. Potrebbe esserci stato un quinto gigante gassoso; i quattro giganti gassosi che abbiamo potrebbero essere stati molto più vicini al Sole, essendo migrati verso l’esterno; e forse la cosa più importante, tra Venere e Marte, probabilmente c’erano non uno ma due mondi: una proto-Terra e un mondo più piccolo, grande come Marte, chiamato Theia. Molto più tardi, forse decine di milioni di anni dopo la formazione degli altri pianeti, la Terra e Theia si scontrarono.
È stata questa collisione che sospettiamo abbia creato la Luna: chiamiamo questo evento l’ipotesi dell’impatto gigante. La somiglianza delle rocce lunari, recuperate dalla missione Apollo, con la composizione della Terra, ci ha portato a sospettare che la Luna si sia formata dalla Terra. Gli altri pianeti rocciosi, che sospettosamente non hanno grandi lune, probabilmente non hanno avuto un impatto così grande nella loro storia passata.
I mondi giganti gassosi, avendo molta più massa degli altri, sono stati in grado di trattenere l’idrogeno e l’elio (gli elementi più leggeri) che esistevano quando il sistema solare si stava formando; gli altri mondi hanno avuto la stragrande maggioranza di questi elementi spazzati via. Con troppa energia dal Sole e non abbastanza gravità per trattenere questi elementi leggeri, il sistema solare ha cominciato a prendere forma come lo conosciamo oggi.
Pictoris, in qualche modo analogo al nostro sistema solare durante la sua formazione. I mondi interni, a meno che non siano abbastanza massicci, non saranno in grado di trattenere il loro idrogeno ed elio. Avi M. Mandell, NASA
Ma ormai sono passati miliardi di anni. Come facciamo a sapere quanti anni ha il sistema solare? La Terra ha la stessa età degli altri pianeti; abbiamo un modo per capire la differenza? E qual è il numero definitivo di quell’età?
La risposta più precisa, forse sorprendentemente, viene dalla geofisica. E questo non significa necessariamente “la fisica della Terra”, ma piuttosto la fisica di tutti i tipi di rocce, minerali e corpi solidi. Tutti gli oggetti di questo tipo contengono una varietà di elementi che si trovano nella tavola periodica, con densità/composizioni diverse che corrispondono al punto del sistema solare in cui si sono formati, radialmente verso l’esterno del Sole.
Nota la relazione tra densità e distanza dal Sole. Karim Khaidarov
Questo implica che i diversi pianeti, asteroidi, lune, oggetti della fascia di Kuiper, ecc. dovrebbero essere composti preferibilmente da elementi diversi. Gli elementi più pesanti della tavola periodica, per esempio, dovrebbero trovarsi preferibilmente in Mercurio rispetto a, diciamo, Cerere, che a sua volta dovrebbe essere più arricchito di, diciamo, Plutone. Ma ciò che dovrebbe essere universale, almeno così si pensa, dovrebbero essere i rapporti tra i diversi isotopi degli stessi elementi.
Quando il sistema solare si forma, dovrebbe avere, per esempio, un rapporto specifico tra carbonio-12 e carbonio-13 e carbonio-14. Il carbonio-14 ha un tempo di dimezzamento cosmicamente breve (di poche migliaia di anni), quindi il carbonio-14 primordiale dovrebbe essere sparito. Ma il carbonio-12 e il carbonio-13 sono entrambi stabili, il che significa che ovunque troviamo carbonio nel sistema solare, dovrebbero avere gli stessi rapporti isotopici. Questo vale per tutti gli elementi e gli isotopi stabili e instabili del sistema solare.
oggi, misurate per il nostro sistema solare. Wikimedia Commons user 28bytes
Perché il sistema solare ha miliardi di anni, possiamo guardare agli elementi che hanno isotopi con emivite nell’ordine dei miliardi di anni. Nel corso del tempo, cioè man mano che il sistema solare invecchia, questi isotopi decadono radioattivamente, e guardando i rapporti tra i prodotti di decadimento e il materiale iniziale rimasto, possiamo determinare quanto tempo è passato dalla formazione di questi oggetti. Per questo scopo, gli elementi più affidabili sono l’uranio e il torio. Per l’uranio, i suoi due principali isotopi presenti in natura, U-238 e U-235, hanno diversi prodotti di decadimento e diversi tassi di decadimento, ma entrambi sono nell’ordine dei miliardi di anni. Per il torio, il radioattivo Th-232 è il più utile.
La cosa più notevole, però, è che la migliore prova dell’età della Terra e del sistema solare non viene dalla Terra stessa!
Abbiamo avuto decine di meteoriti che sono atterrati sulla Terra con le loro abbondanze isotopiche ed elementari misurate e analizzate. La chiave è guardare l’elemento piombo: il rapporto tra Pb-207 e Pb-206 cambia nel tempo a causa dei decadimenti di U-235 (che porta a Pb-207) e U-238 (che porta a Pb-206). Trattando la Terra e i meteoriti come parte dello stesso sistema in evoluzione – con il presupposto che ci siano gli stessi rapporti isotopici iniziali – possiamo quindi guardare ai più antichi minerali di piombo trovati sulla Terra per calcolare l’età della Terra, dei meteoriti e del sistema solare.
È una stima abbastanza buona, e ci dà una cifra di 4,54 miliardi di anni. Questo va bene per una precisione migliore dell’1%, ma è ancora un’incertezza di qualche decina di milioni di anni.
Quando le meteore colpiscono la parte superiore dell’atmosfera terrestre, bruciano, creando le strisce luminose e i lampi di luce che associamo alle piogge di meteoriti. Occasionalmente, una roccia che cade sarà abbastanza grande da arrivare in superficie, diventando un meteorite. NASA / dominio pubblico
Ma possiamo fare meglio che aggregare tutto insieme! Certo, questo dà una grande stima complessiva, ma pensiamo che, diciamo, la Terra e la Luna siano più giovani dei meteoriti di un po’.
- Possiamo guardare i meteoriti più vecchi, o quelli che mostrano i rapporti di piombo più estremi, per cercare di stimare l’età del sistema solare: se lo facciamo otteniamo una cifra di circa 4,568 miliardi di anni.
- Possiamo guardare le rocce della Luna, che non hanno subito la lavorazione geologica che hanno subito le rocce terrestri. Risalgono a un’età di 4,51 miliardi di anni.
E infine, dobbiamo fare un controllo di coscienza. Tutto questo era basato sul presupposto che il rapporto tra U-238 e U-235 fosse lo stesso ovunque nel sistema solare. Ma nuove prove negli ultimi 10 anni hanno dimostrato che questo è probabilmente falso.
rilevatori, compreso il modo in cui le abbondanze dei materiali radioattivi sono decadute nel tempo. I segnali visti da LUX sono coerenti con il solo fondo. Con il decadimento degli elementi nel tempo, le abbondanze del reagente e del prodotto cambiano. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
Ci sono luoghi dove l’U-235 è arricchito fino al 6% rispetto al valore tipico. Secondo Gregory Brennecka,
Dagli anni ’50, o anche prima, nessuno era stato in grado di rilevare alcuna differenza . Ora siamo in grado di misurare lievi differenze. È stato un po’ un occhio nero per alcune persone in geocronologia. Per dire davvero che conosciamo l’età del sistema solare in base all’età della roccia, è essenziale che siano tutti d’accordo.
Ma due anni fa, è stata scoperta una risoluzione: c’è un altro elemento che gioca un ruolo. Il curio, un elemento più pesante e con un’emivita più breve persino del plutonio, decade radioattivamente in U-235, il che spiega squisitamente le variazioni. Le incertezze rimaste sono solo pochi milioni di anni al massimo.
Quindi, nel complesso, possiamo dire che il materiale solido più antico che conosciamo nel sistema solare ha 4,568 miliardi di anni, con un’incertezza di forse solo 1 milione di anni. La Terra e la Luna sono forse ~60 milioni di anni più giovani, avendo raggiunto la loro forma finale un po’ più tardi. Inoltre, non possiamo imparare questo guardando la Terra stessa; le rocce che sono rimaste qui sono tutte più vecchie di questo.
Ma il Sole, forse sorprendentemente, potrebbe essere un po’ più vecchio, poiché la sua formazione dovrebbe precedere gli oggetti solidi che costituiscono gli altri componenti del Sistema Solare. Il Sole potrebbe essere fino a decine di milioni di anni più vecchio delle rocce più antiche del sistema solare, forse avvicinandosi a 4,6 miliardi di anni. La chiave, in ogni caso, è cercare la risposta extra-terrestre. Ironicamente, è l’unico modo per conoscere con precisione l’età del nostro pianeta!
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