イーサンに聞く：太陽系の年齢はどうやってわかるの？

我々は太陽系の歴史とそれがどのように生まれたかについて非常に多くを知っています。 他の星が形成されるのを見たり、遠くの星形成領域を調べたり、原始惑星系円盤を測定したり、星がそのライフサイクルのさまざまな段階を経るのを観察したりして、多くのことを学んできました。

最初に、すべての星は、物質を引き寄せる太陽系前星雲から形成されます。

時間とともに、これらの塊は成長し、落下し、そこで相互作用し、融合し、移動し、潜在的には互いに放出し合うのです。

時間の経過とともに、これらの塊は成長し、落下し、そこで相互作用し、融合し、互いに放出する可能性があります。数十万年から数百万年のタイムスパンで、星ができると、惑星が形成され、これは宇宙の時間スケールでは速いです。

しかし、いくつかの重要な違いがあったかもしれません。 そしておそらく最も重要なことは、金星と火星の間に、1つではなく2つの世界、すなわち原始地球と火星サイズの小さな世界、テイアが存在した可能性があることです。

火星サイズの天体が初期の地球に衝突し、地球に戻らなかった残骸が月を形成した。 その結果、地球と月は太陽系の残りの部分よりも若いはずです。 NASA/JPL-Caltech

私たちはこの衝突が月を作ったと考え、このイベントをジャイアント・インパクト仮説と呼んでいます。 アポロ計画で回収された月の岩石が地球の組成と似ていることから、地球から月ができたと考えられています。

ガス惑星は他の惑星よりはるかに質量が大きいので、太陽系が形成されたときに存在した水素とヘリウム（最も軽い元素）を保持することができましたが、他の惑星はその大部分が吹き飛ばされました。

ピクトリス座は、形成中の太陽系にやや類似しています。 内側の世界は、十分な質量がない限り、水素とヘリウムを保持することができません。 Avi M. Mandell, NASA

しかし、今や数十億年が経過しています。 太陽系が何歳なのか、どうやって知ることができるのでしょうか。 地球は他の惑星と同じ年齢なのか、その違いを見分ける方法はあるのでしょうか。

最も正確な答えは、意外かもしれませんが、地球物理学から得られます。 そしてそれは必ずしも「地球の物理学」という意味ではなく、あらゆる種類の岩石、鉱物、固形物の物理学という意味です。

密度と太陽からの距離の関係に注意してください。 Karim Khaidarov

これは、異なる惑星、小惑星、月、カイパーベルト天体などが、異なる元素から優先的に作られているはずであることを意味します。 たとえば、周期表でより重い元素は、水星と、たとえばケレスとで優先的に見つかるはずで、ケレス自体は、たとえば冥王星よりもより濃縮されているはずです。

太陽系が形成されたとき、たとえば、炭素12、炭素13、炭素14の比率は決まっているはずです。

太陽系が形成されたとき、たとえば炭素 12、炭素 13、炭素 14 の比率は決まっているはずです。炭素 14 は宇宙的に半減期が短く (数千年)、原始の炭素 14 はすべて消滅しているはずです。 しかし、炭素12と炭素13はともに安定なので、太陽系内のどこで炭素を発見しても、同じ同位体比になるはずです。 これは、太陽系内のすべての安定および不安定な元素と同位体に当てはまります。

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太陽系は何十億年も前のものなので、半減期が何十億年にもなる同位体を持つ元素に注目することができます。 時間とともに、つまり太陽系が古くなるにつれて、これらの同位体は放射性崩壊し、崩壊生成物とまだ残っている初期物質の比率を見ることで、これらの天体が形成されてからどれくらいの時間が経過したかを判断することができるのです。 この目的のために、最も信頼できる元素はウランとトリウムです。 ウランの場合、その2つの主要な天然同位体であるU-238とU-235は、崩壊生成物と崩壊速度が異なりますが、どちらも数十億年の単位です。

しかし、最も注目すべきは、地球と太陽系の年齢に関する最良の証拠が、地球そのものから得られていないことです!

今日落ちている隕石の多くを生み出した、4億6600万年前の宇宙衝突。 Don Davis, Southwest Research Institute

私たちは、地球に降り注いだ数多くの隕石について、その同位体や元素の量を測定・分析しました。 Pb-207 と Pb-206 の比率は、U-235 (Pb-207 につながる) と U-238 (Pb-206 につながる) の崩壊によって、時間とともに変化します。 地球と隕石を同じ進化したシステムの一部として扱い、初期の同位体比が同じであると仮定すると、地球で見つかった最も古い鉛鉱石を見て、地球、隕石、太陽系の年齢を計算することができます。

これはかなり良い推定値で、45億4000万年という数字を出しています。

流星は地球の大気圏上部に衝突すると燃え尽き、流星群から連想されるような明るい筋や光の点滅が見られます。 また、落下した岩石が十分な大きさになり、地表に到達して隕石となることもある。 NASA / public domain

しかし、すべてをまとめてしまうよりも、もっと良い方法があるはずです!

• 太陽系の年齢を推定するために、最も古い隕石、または最も極端な鉛の比率を示す隕石を見ることができます。

そして最後に、私たちは自分自身を正気であるかどうか確認しなければなりません。 これらのすべては、U-238 と U-235 の比率が太陽系内のどこでも同じであるという前提のもとに行われました。

検出器では、時間の経過とともに元素が減衰すると、反応物および生成物の存在量が変化します。 LUXで見られるシグナルは、バックグラウンドのみと一致します。 元素が時間とともに減衰すると、反応物質と生成物の存在量が変化する。 D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

U-235が通常値より最大6%濃縮されている場所がある。 Gregory Brennecka氏によると、

1950年代から、あるいはそれ以前から、誰も違いを検出することができなかった . 今、私たちはわずかな違いを測定することができます。 これは、地質年代学の数人の人々にとって、ある種のブラックアイとなりました。

しかし、2年前に、役割を果たす別の元素があることが発見されたのです。 キュリウムは、プルトニウムよりも重く、半減期が短い元素で、放射性崩壊して U-235 になり、この変動が絶妙に説明されるのです。