Întreabă-l pe Ethan: Cum cunoaștem vârsta sistemului solar?

un disc protoplanetar. Există multe proprietăți necunoscute despre discurile protoplanetare din jurul stelelor asemănătoare Soarelui, inclusiv segregarea elementară a diferitelor tipuri de atomi. ESO/L. Calçada

Miliarde de ani în urmă, într-un colț uitat al Căii Lactee, un nor molecular ca și multe altele s-a prăbușit pentru a forma noi stele. Una dintre ele s-a format într-o relativă izolare, adunând material într-un disc protoplanetar în jurul său și, în cele din urmă, formând Soarele nostru, cele opt planete și restul sistemului nostru solar. Astăzi, oamenii de știință proclamă că Sistemul Solar are o vechime de 4,6 miliarde de ani, cu câteva milioane de ani în plus sau în minus. Dar de unde știm acest lucru? Și sunt, să zicem, Pământul și Soarele de aceeași vârstă? Asta este ceea ce vrea să știe susținătorul nostru Patreon, Denier, pentru emisiunea „Întreabă-l pe Ethan” din această săptămână:

Cum cunoaștem vârsta sistemului nostru solar? Am o înțelegere vagă a conceptului de datare a timpului scurs de când o rocă era lichidă, dar 4,5 miliarde de ani este aproximativ cât timp în urmă Theia a lovit proto-Pământul lichefiind o cantitate masivă de tot. De unde știm că de fapt datam sistemul solar și nu doar găsim zeci de modalități de a data coliziunea cu Theia?

Este o întrebare mare și nuanțată, dar știința este la înălțimea provocării. Iată povestea.

arată dovezi ale formării planetelor în discul protoplanetar din jurul lui Elias 2-27. Cât de vechi sunt diferitele componente ale sistemului care vor sfârși prin a se forma, cu toate acestea, nu este ceva ce se cunoaște în mod universal. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team

Cunoaștem destul de multe despre istoria sistemului nostru solar și despre cum a luat naștere. Sunt atât de multe lucruri pe care le-am învățat prin observarea formării altor stele, prin examinarea regiunilor îndepărtate de formare a stelelor, prin măsurarea discurilor protoplanetare, prin observarea stelelor care trec prin diferite etape ale ciclului lor de viață etc. Dar modul în care evoluează fiecare sistem este unic, iar aici, în propriul nostru sistem solar, la miliarde de ani după formarea Soarelui și a planetelor, tot ce ne-a rămas sunt supraviețuitorii.

Inițial, toate stelele se formează dintr-o nebuloasă pre-solară care atrage material înăuntru, cu o regiune mare, exterioară, care rămâne rece, unde se adună silicați amorfi, compuși pe bază de carbon și gheață. Odată ce nebuloasa pre-solară formează o proto-stea și apoi o stea cu drepturi depline, acest material exterior vine înăuntru și începe să formeze aglomerări mai mari.

În timp, aceste aglomerări cresc și cad înăuntru, unde interacționează, fuzionează, migrează și, eventual, se ejectează unele pe altele. De-a lungul unui interval de timp de sute de mii până la milioane de ani, odată ce aveți o stea, planetele sfârșesc prin a se forma; acest lucru este rapid pe o scară de timp cosmică. Deși au existat probabil multe obiecte intermediare, în momentul în care au trecut câteva milioane de ani, Sistemul Solar arăta destul de asemănător cu ceea ce avem astăzi.

Dar este posibil să fi existat câteva diferențe importante. S-ar putea să fi existat un al cincilea gigant gazos; cei patru giganți gazoși pe care îi avem s-ar putea să fi fost mult mai aproape de Soare, după ce au migrat spre exterior; și, poate cel mai important, între Venus și Marte, probabil că existau nu una, ci două lumi: un proto-Pământ și o lume mai mică, de mărimea lui Marte, numită Theia. Mult mai târziu, probabil la zeci de milioane de ani după ce s-au format celelalte planete, Pământul și Theia s-au ciocnit.

Un corp de mărimea lui Marte s-a ciocnit cu Pământul timpuriu, iar resturile care nu au căzut înapoi pe Pământ au format Luna. Pământul și Luna, ca urmare, ar trebui să fie mai tinere decât restul sistemului solar. NASA/JPL-Caltech

Suspectăm că această coliziune a fost cea care a creat Luna: numim acest eveniment ipoteza impactului gigantic. Asemănarea rocilor lunare, așa cum au fost recuperate de misiunea Apollo, cu compoziția Pământului, ne-a făcut să bănuim că Luna s-a format din Pământ. Celelalte planete stâncoase, care, în mod suspect, nu au Luni mari, probabil că nu au avut parte de un impact atât de mare în istoria lor trecută.

Lumile gigantice gazoase, având o masă mult mai mare decât celelalte, au fost capabile să păstreze hidrogenul și heliul (cele mai ușoare elemente) care existau atunci când Sistemul Solar s-a format pentru prima dată; celelalte lumi au avut majoritatea covârșitoare a acestor elemente spulberate de vânt. Cu prea multă energie de la Soare și fără suficientă gravitație pentru a reține aceste elemente ușoare, Sistemul Solar a început să ia forma pe care o cunoaștem astăzi.

Pictoris, oarecum analog sistemului nostru solar în timpul formării sale. Lumile interioare, dacă nu sunt suficient de masive, nu vor putea să-și păstreze hidrogenul și heliul. Avi M. Mandell, NASA

Dar acum au trecut miliarde de ani. De unde știm cât de vechi este Sistemul Solar? Este Pământul de aceeași vârstă cu celelalte planete; avem o modalitate de a face diferența? Și cum care este numărul final pentru această vârstă?

Răspunsul cel mai precis, poate surprinzător, vine din geofizică. Și asta nu înseamnă neapărat „fizica Pământului”, ci mai degrabă fizica a tot felul de roci, minerale și corpuri solide. Toate obiectele de acest fel conțin o varietate de elemente care se găsesc în tabelul periodic, cu densități/compoziții diferite care corespund locului în care s-au format în sistemul solar, radial spre exterior față de Soare.

Observați relația dintre densitate și distanța față de Soare. Karim Khaidarov

Acest lucru implică faptul că diferite planete, asteroizi, sateliți, obiecte din centura Kuiper etc. ar trebui să fie alcătuite în mod preferențial din elemente diferite. Elementele mai grele din tabelul periodic, de exemplu, ar trebui să se găsească în mod preferențial în Mercur față de, să zicem, Ceres, care la rândul său ar trebui să fie mai îmbogățit decât, să zicem, Pluto. Dar ceea ce ar trebui să fie universal, cel puțin așa s-ar crede, ar trebui să fie raporturile dintre diferiții izotopi ai acelorași elemente.

Când se formează Sistemul Solar, acesta ar trebui să aibă, de exemplu, un raport specific de carbon-12 față de carbon-13 față de carbon-14. Carbonul-14 are un timp de înjumătățire cosmic scurt (de câteva mii de ani), așa că carbonul-14 primordial ar trebui să fi dispărut cu totul. Dar atât carbonul-12, cât și carbonul-13 sunt stabile, ceea ce înseamnă că, oriunde am găsi carbon în sistemul solar, ar trebui să aibă aceleași rapoarte izotopice. Acest lucru este valabil pentru toate elementele și izotopii stabili și instabili din Sistemul Solar.

astăzi, așa cum au fost măsurate pentru sistemul nostru solar. Utilizator Wikimedia Commons 28bytes

Pentru că Sistemul Solar are o vechime de miliarde de ani, putem să ne uităm la elementele care au izotopi cu timpi de înjumătățire care sunt de miliarde de ani. De-a lungul timpului, adică pe măsură ce sistemul solar îmbătrânește, acești izotopi se vor dezintegra radioactiv, iar dacă ne uităm la raportul dintre produsele de dezintegrare și materialul inițial care a mai rămas, putem determina cât timp a trecut de când s-au format aceste obiecte. În acest scop, cele mai fiabile elemente sunt uraniul și toriul. În cazul uraniului, cei doi izotopi principali care apar în mod natural, U-238 și U-235, au produse de dezintegrare diferite și rate de dezintegrare diferite, dar ambele sunt de ordinul miliardelor de ani. Pentru toriu, Th-232 radioactiv este cel mai util.

Ceea ce este cel mai remarcabil, totuși, este că cele mai bune dovezi pentru vârsta Pământului și a Sistemului Solar nu provin de la Pământ însuși!

acum 466 de milioane de ani care a dat naștere la mulți dintre meteoriții care cad astăzi. Don Davis, Southwest Research Institute

Am avut zeci de meteoriți care au aterizat pe Pământ cu abundențele lor izotopice, elementare măsurate și analizate. Cheia este prin examinarea elementului plumb: raportul dintre Pb-207 și Pb-206 se schimbă în timp datorită dezintegrărilor lui U-235 (care duce la Pb-207) și U-238 (care duce la Pb-206). Tratând Pământul și meteoriții ca parte a aceluiași sistem în evoluție – presupunând că există aceleași rapoarte izotopice inițiale – putem apoi să ne uităm la cele mai vechi minereuri de plumb găsite pe Pământ pentru a calcula vârsta Pământului, a meteoriților și a sistemului solar.

Este o estimare destul de bună și ne dă o cifră de 4,54 miliarde de ani. Aceasta este bună cu o precizie mai bună de 1%, dar asta înseamnă totuși o incertitudine de câteva zeci de milioane de ani.

Când meteoriții lovesc vârful atmosferei Pământului, aceștia ard, creând dungi luminoase și flash-uri de lumină pe care le asociem cu ploile de meteoriți. Ocazional, o piatră care cade va fi suficient de mare pentru a ajunge la suprafață, devenind un meteorit. NASA / domeniu public

Dar putem face mai bine decât să agregăm totul la un loc! Sigur, asta oferă o estimare generală excelentă, dar credem că, să zicem, Pământul și Luna sunt cu puțin mai tinere decât meteoriții.

• Ne putem uita la cei mai vechi meteoriți, sau la cei care prezintă cele mai extreme rapoarte de plumb, pentru a încerca să estimăm vârsta Sistemului Solar: dacă facem asta, obținem o cifră de aproximativ 4,568 miliarde de ani.
• Ne putem uita la rocile de pe Lună, care nu au suferit procesarea geologică pe care au suferit-o rocile de pe Pământ. Acestea datează la o vârstă de 4,51 miliarde de ani.

Și, în cele din urmă, trebuie să ne verificăm sănătatea mintală. Toate acestea s-au bazat pe presupunerea că raportul dintre U-238 și U-235 era același peste tot în Sistemul Solar. Dar noi dovezi din ultimii 10 ani au arătat că acest lucru este probabil neadevărat.

detectoare, inclusiv modul în care abundența materialelor radioactive s-a dezintegrat în timp. Semnalele observate de LUX sunt în concordanță doar cu fondul. Pe măsură ce elementele se dezintegrează în timp, abundențele reactanților și ale produselor se schimbă. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

Există locuri în care U-235 este îmbogățit cu până la 6% față de valoarea tipică. Potrivit lui Gregory Brennecka,

Din anii 1950, sau chiar înainte, nimeni nu a reușit să detecteze nicio diferență . Acum suntem capabili să măsurăm mici diferențe. A fost un fel de ochi negru pentru câțiva oameni din domeniul geocronologiei. Pentru a spune cu adevărat că știm vârsta sistemului solar pe baza vârstei rocilor, este esențial ca toți să fie de acord.

Dar în urmă cu doi ani, a fost descoperită o rezolvare: există un alt element care joacă un rol. Curiul, un element mai greu și cu un timp de înjumătățire mai scurt chiar și decât plutoniul, se va dezintegra radioactiv în U-235, ceea ce explică în mod rafinat variațiile. Incertitudinile rămase sunt de doar câteva milioane de ani cel mult.

cu care se crede că se formează, se vor coaliza în planete în timp, așa cum arată această ilustrație. Este important să recunoaștem că steaua centrală, planetele individuale și materialul primordial rămas (care va deveni, de exemplu, asteroizi) pot avea toate variații de vârstă de ordinul zecilor de milioane de ani. NAOJ

Prin urmare, în general, putem spune că cel mai vechi material solid pe care îl cunoaștem în Sistemul Solar are o vechime de 4,568 miliarde de ani, cu o incertitudine de poate doar 1 milion de ani. Pământul și Luna sunt poate cu ~60 de milioane de ani mai tinere, atingându-și forma finală ceva mai târziu. În plus, nu putem afla acest lucru uitându-ne la Pământul însuși; rocile care au rămas aici sunt toate mai vechi de atât.

Dar Soarele, poate în mod surprinzător, ar putea fi puțin mai vechi, deoarece formarea sa ar trebui să fie anterioară obiectelor solide care alcătuiesc celelalte componente ale Sistemului Solar. Soarele ar putea fi cu câteva zeci de milioane de ani mai vechi decât cele mai vechi roci din Sistemul Solar, putând să se apropie de vârsta de 4,6 miliarde de ani. Cheia, oricum ar fi, este să căutăm răspunsul la nivel extraterestru. În mod ironic, aceasta este singura modalitate de a cunoaște cu exactitate vârsta propriei noastre planete!

Trimiteți întrebările dumneavoastră Ask Ethan la startswithabang at gmail dot com!

Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.