Zapytaj Ethana: Skąd znamy wiek Układu Słonecznego?

dysk protoplanetarny. Istnieje wiele nieznanych właściwości dotyczących dysków protoplanetarnych wokół gwiazd podobnych do Słońca, w tym segregacji pierwiastkowej różnych typów atomów. ESO/L. Calçada

Biliony lat temu, w jakimś zapomnianym zakątku Drogi Mlecznej, obłok molekularny jak wiele innych zapadł się tworząc nowe gwiazdy. Jedna z nich uformowała się we względnej izolacji, zbierając materiał w otaczającym ją dysku protoplanetarnym i ostatecznie formując nasze Słońce, osiem planet i resztę naszego Układu Słonecznego. Dziś naukowcy twierdzą, że Układ Słoneczny ma 4,6 miliarda lat, czyli kilka milionów lat lub mniej. Ale skąd to wiemy? I czy, powiedzmy, Ziemia i Słońce są w tym samym wieku? Oto, co nasz zwolennik z Patreonu, Denier, chce wiedzieć w tym tygodniu w Pytaniu Ethana:

Skąd znamy wiek naszego Układu Słonecznego? Mam luźne pojęcie o datowaniu czasu, który upłynął od czasu, gdy skała była płynna, ale 4,5 miliarda lat to mniej więcej tyle, ile czasu temu Theia uderzyła w proto-Ziemię, upłynniając ogromną ilość wszystkiego. Skąd mamy wiedzieć, że faktycznie datujemy Układ Słoneczny, a nie tylko znajdujemy dziesiątki sposobów na datowanie kolizji z Theia?

To wielkie, zniuansowane pytanie, ale nauka jest w stanie sprostać temu wyzwaniu. Oto historia.

show evidence of planet formation in the protoplanetary disk around Elias 2-27. Jak stare są różne składniki systemu, który się uformuje, nie jest jednak czymś, co jest powszechnie wiadome. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team

Wiemy całkiem sporo o historii naszego Układu Słonecznego i o tym, jak powstał. Tak wiele nauczyliśmy się obserwując formowanie się innych gwiazd, badając odległe regiony gwiazdotwórcze, mierząc dyski protoplanetarne, obserwując gwiazdy przechodzące przez różne etapy w swoich cyklach życia, itd. Ale sposób, w jaki każdy system ewoluuje, jest unikalny, a tutaj, w naszym Układzie Słonecznym, miliardy lat po uformowaniu się Słońca i planet, pozostały nam tylko te, które przetrwały.

Początkowo wszystkie gwiazdy powstają z mgławicy przedsłonecznej, która wciąga materiał, z dużym, zewnętrznym obszarem, który pozostaje zimny, gdzie gromadzą się amorficzne krzemiany, związki węgla i lody. Gdy mgławica przedsłoneczna uformuje protogwiazdę, a następnie pełnoprawną gwiazdę, ten zewnętrzny materiał wchodzi i zaczyna tworzyć większe kępy.

Z czasem te kępy rosną i wpadają do środka, gdzie oddziałują ze sobą, łączą się, migrują i potencjalnie wyrzucają się nawzajem. W okresie od setek tysięcy do milionów lat, gdy już mamy gwiazdę, planety zaczynają się formować; jest to szybkie w kosmicznej skali czasowej. Chociaż prawdopodobnie istniało wiele obiektów pośrednich, w czasie, gdy minęło kilka milionów lat, Układ Słoneczny wyglądał bardzo podobnie do tego, co mamy dzisiaj.

Ale mogło być kilka istotnych różnic. Mógł istnieć piąty gazowy olbrzym; cztery gazowe olbrzymy, które mamy, mogły być znacznie bliżej Słońca, po migracji na zewnątrz; i być może najważniejsze, między Wenus a Marsem, prawdopodobnie nie było jednego, ale dwa światy: proto-Ziemia i mniejszy, wielkości Marsa świat o nazwie Theia. Znacznie później, być może dziesiątki milionów lat po tym, jak uformowały się inne planety, Ziemia i Theia zderzyły się.

Ciało wielkości Marsa zderzyło się z wczesną Ziemią, z gruzem, który nie spadł z powrotem na Ziemię tworząc Księżyc. Ziemia i Księżyc, w rezultacie, powinny być młodsze niż pozostała część Układu Słonecznego. NASA/JPL-Caltech

To właśnie ta kolizja, którą podejrzewamy, stworzyła Księżyc: nazywamy to wydarzenie hipotezą gigantycznego uderzenia. Podobieństwo skał księżycowych, odzyskanych przez misję Apollo, do składu Ziemi, doprowadziło nas do podejrzenia, że Księżyc uformował się z Ziemi. Inne planety skaliste, które podejrzanie nie mają dużych księżyców, prawdopodobnie nie miały w swojej historii tak dużego zderzenia.

Światy gazowych olbrzymów, mające znacznie większą masę niż inne, były w stanie utrzymać wodór i hel (najlżejsze pierwiastki), które istniały, gdy Układ Słoneczny formował się po raz pierwszy; inne światy miały ogromną większość tych pierwiastków zdmuchniętych. Ze zbyt dużą ilością energii ze Słońca i niewystarczającą grawitacją, aby utrzymać te lekkie elementy, Układ Słoneczny zaczął przybierać kształt, jaki znamy dzisiaj.

Pictoris, nieco analogiczny do naszego własnego Układu Słonecznego podczas jego formowania. Wewnętrzne światy, o ile nie są wystarczająco masywne, nie będą w stanie utrzymać swojego wodoru i helu. Avi M. Mandell, NASA

Ale minęły już miliardy lat. Skąd wiemy, jak stary jest Układ Słoneczny? Czy Ziemia jest w tym samym wieku co inne planety; czy mamy sposób, aby odróżnić różnicę? I jaka jest ostateczna liczba określająca ten wiek?

Najbardziej precyzyjna odpowiedź, co może być zaskakujące, pochodzi z geofizyki. I nie oznacza to koniecznie „fizyki Ziemi”, ale raczej fizykę wszelkiego rodzaju skał, minerałów i ciał stałych. Wszystkie obiekty tego typu zawierają różnorodne pierwiastki z układu okresowego, o różnych gęstościach/składach odpowiadających miejscu w Układzie Słonecznym, promieniście na zewnątrz od Słońca, w którym powstały.

Zwróć uwagę na zależność między gęstością a odległością od Słońca. Karim Khaidarov

To implikuje, że różne planety, asteroidy, księżyce, obiekty pasa Kuipera itp. powinny być preferencyjnie wykonane z różnych pierwiastków. Cięższe pierwiastki w układzie okresowym, na przykład, powinny preferencyjnie znajdować się na Merkurym w porównaniu do, powiedzmy, Ceres, która sama powinna być bardziej wzbogacona niż, powiedzmy, Pluton. Ale to, co powinno być uniwersalne, przynajmniej tak można by sądzić, to proporcje różnych izotopów tych samych pierwiastków.

Kiedy tworzy się Układ Słoneczny, powinien on mieć, na przykład, określony stosunek węgla-12 do węgla-13 do węgla-14. Węgiel-14 ma kosmicznie krótki okres połowicznego rozpadu (kilka tysięcy lat), więc pierwotny węgiel-14 powinien zniknąć. Jednak zarówno węgiel-12 jak i węgiel-13 są stabilne, co oznacza, że gdziekolwiek znajdziemy węgiel w Układzie Słonecznym, powinny one mieć takie same stosunki izotopowe. Dotyczy to wszystkich stabilnych i niestabilnych pierwiastków i izotopów w Układzie Słonecznym.

dzisiaj, zmierzone dla naszego Układu Słonecznego. Wikimedia Commons user 28bytes

Ponieważ Układ Słoneczny ma miliardy lat, możemy spojrzeć na pierwiastki, które mają izotopy z okresami półtrwania, które są w miliardach lat. W miarę upływu czasu, tj. w miarę starzenia się Układu Słonecznego, izotopy te będą ulegać rozpadowi radioaktywnemu, a patrząc na stosunek produktów rozpadu w stosunku do początkowego materiału, który wciąż pozostał, możemy określić, ile czasu upłynęło od uformowania się tych obiektów. W tym celu najbardziej wiarygodnymi pierwiastkami są uran i tor. W przypadku uranu, jego dwa główne, naturalnie występujące izotopy, U-238 i U-235, mają różne produkty rozpadu i różne tempo rozpadu, ale w obu przypadkach jest ono liczone w miliardach lat. W przypadku toru najbardziej przydatny jest radioaktywny Th-232.

Najbardziej niezwykłe jest jednak to, że najlepsze dowody na wiek Ziemi i Układu Słonecznego nie pochodzą z samej Ziemi!

mln lat temu, która dała początek wielu spadającym dziś meteorytom. Don Davis, Southwest Research Institute

Mamy dziesiątki meteorytów, które wylądowały na Ziemi, a ich izotopowe, elementarne obfitości zostały zmierzone i przeanalizowane. Kluczem jest spojrzenie na pierwiastek wiodący: stosunek Pb-207 do Pb-206 zmienia się w czasie z powodu rozpadów U-235 (co prowadzi do Pb-207) i U-238 (co prowadzi do Pb-206). Traktując Ziemię i meteoryty jako część tego samego ewoluującego systemu – przy założeniu, że istnieją te same początkowe stosunki izotopowe – możemy następnie spojrzeć na najstarsze rudy ołowiu znalezione na Ziemi, aby obliczyć wiek Ziemi, meteorytów i Układu Słonecznego.

To całkiem dobre oszacowanie, które daje nam liczbę 4,54 miliarda lat. Jest to dobre z dokładnością lepszą niż 1%, ale to wciąż niepewność kilkudziesięciu milionów lat.

Kiedy meteory uderzają w górną część ziemskiej atmosfery, spalają się, tworząc jasne smugi i błyski światła, które kojarzymy z pokazami meteorów. Od czasu do czasu, spadająca skała będzie wystarczająco duża, aby wydostać się na powierzchnię, stając się meteorytem. NASA / domena publiczna

Możemy jednak zrobić coś lepszego niż łączenie wszystkiego razem! Jasne, to daje świetne ogólne oszacowanie, ale uważamy, że, powiedzmy, Ziemia i Księżyc są młodsze od meteorytów o trochę.

• Możemy spojrzeć na najstarsze meteoryty lub te, które wykazują najbardziej ekstremalne proporcje ołowiu, aby spróbować oszacować wiek Układu Słonecznego: otrzymujemy liczbę około 4,568 miliarda lat, jeśli to zrobimy.
• Możemy spojrzeć na skały z Księżyca, które nie przeszły przetwarzania geologicznego, które mają ziemskie skały. Datują się one na wiek 4,51 miliarda lat.

I wreszcie, musimy sprawdzić samych siebie. Wszystko to było oparte na założeniu, że stosunek U-238 do U-235 był taki sam wszędzie w Układzie Słonecznym. Ale nowe dowody w ciągu ostatnich 10 lat wykazały, że jest to prawdopodobnie nieprawda.

detektory, w tym jak obfitości materiałów radioaktywnych rozpadły się w czasie. Sygnały widziane przez LUX są zgodne z samym tłem. Ponieważ pierwiastki rozpadają się w czasie, zmienia się liczebność reagentów i produktów. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

Istnieją miejsca, gdzie U-235 jest wzbogacony nawet o 6% ponad typową wartość. Jak podaje Gregory Brennecka,

Od lat 50-tych, a nawet wcześniej, nikt nie był w stanie wykryć żadnych różnic . Teraz jesteśmy w stanie zmierzyć niewielkie różnice. To był rodzaj czarnego oka dla kilku osób w geochronologii. Aby naprawdę powiedzieć, że znamy wiek Układu Słonecznego na podstawie wieku skał, konieczne jest, aby wszyscy się zgodzili.

Ale dwa lata temu odkryto rozwiązanie: jest jeszcze jeden pierwiastek, który odgrywa pewną rolę. Kur, pierwiastek cięższy i o krótszym okresie połowicznego zaniku niż nawet pluton, rozpada się radioaktywnie na U-235, co znakomicie wyjaśnia różnice. Pozostawione niepewności wynoszą najwyżej kilka milionów lat.

thought to form with, will coalesce into planet over time, as this illustration shows. Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że gwiazda centralna, poszczególne planety i resztki materiału pierwotnego (który, na przykład, stanie się asteroidami) mogą mieć różnice w wieku rzędu dziesiątek milionów lat. NAOJ

Więc ogólnie możemy powiedzieć, że najstarsza stała materia, o której wiemy w Układzie Słonecznym, ma 4,568 miliarda lat, z niepewnością być może tylko 1 miliona lat. Ziemia i Księżyc są być może o ~60 milionów lat młodsze, osiągnąwszy swoją ostateczną formę nieco później. W dodatku nie możemy się tego dowiedzieć, patrząc na samą Ziemię; skały, które tu pozostały, są od niej starsze.

Ale Słońce, być może zaskakująco, może być nieco starsze, ponieważ jego formacja powinna poprzedzać obiekty stałe, które tworzą pozostałe składniki Układu Słonecznego. Słońce może być nawet kilkadziesiąt milionów lat starsze od najstarszych skał w Układzie Słonecznym, zbliżając się do wieku 4,6 miliarda lat. Kluczem, bez względu na wszystko, jest szukanie odpowiedzi poza Ziemią. Jak na ironię, to jedyny sposób, aby dokładnie poznać wiek naszej własnej planety!

Wyślij swoje pytania do Ethana na adres startswithabang at gmail dot com! Otrzymuj to, co najlepsze w Forbes do swojej skrzynki odbiorczej z najnowszymi spostrzeżeniami ekspertów z całego świata. Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.