Fråga Ethan: Hur vet vi solsystemets ålder?
en protoplanetär skiva. Det finns många okända egenskaper hos protoplanetära skivor runt solliknande stjärnor, bland annat elementär segregering av olika typer av atomer. ESO/L. Calçada
För miljarder år sedan, i något bortglömt hörn av Vintergatan, kollapsade ett molekylärt moln som många andra för att bilda nya stjärnor. En av dem bildades relativt isolerat och samlade material i en protoplanetär skiva runt omkring sig och bildade så småningom vår sol, de åtta planeterna och resten av vårt solsystem. I dag hävdar forskarna att solsystemet är 4,6 miljarder år gammalt, plus eller minus några miljoner år. Men hur vet vi detta? Och är till exempel jorden och solen lika gamla? Det är vad vår Patreon-supporter, Denier, vill veta i veckans Fråga Ethan:
Hur vet vi hur gammalt vårt solsystem är? Jag har ett löst grepp om begreppet att datera den tid som förflutit sedan en sten var flytande, men 4,5 miljarder år är ungefär hur länge sedan Theia träffade protojorden och gjorde en stor mängd av allting flytande. Hur vet vi att vi faktiskt daterar solsystemet och inte bara hittar dussintals sätt att datera Theia-kollisionen?
Det är en stor och nyanserad fråga, men vetenskapen är redo för utmaningen. Här är historien.
visar tecken på planetbildning i den protoplanetära skivan runt Elias 2-27. Hur gamla de olika komponenterna i det system som kommer att sluta bildas är, är dock inte något som är allmänt känt. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team
Vi vet ganska mycket om vårt solsystems historia och hur det uppstod. Det finns så mycket vi har lärt oss genom att se hur andra stjärnor bildas, genom att undersöka avlägsna stjärnbildningsområden, genom att mäta protoplanetära skivor, genom att observera hur stjärnor går igenom olika stadier i sin livscykel osv. Men varje system utvecklas på ett unikt sätt, och här i vårt eget solsystem, miljarder år efter det att solen och planeterna bildats, är allt vi har kvar de överlevande.
I början bildas alla stjärnor från en för-solär nebulosa som drar in material, med en stor, yttre region som förblir kall, där amorfa silikater, kolbaserade föreningar och is allt samlas. När den försolära nebulosan väl bildar en protostjärna och sedan en fullfjädrad stjärna, kommer detta yttre material in och börjar bilda större klumpar.
Med tiden växer dessa klumpar och faller in, där de interagerar, smälter samman, migrerar och eventuellt skjuter ut varandra. Under en tidsperiod på hundratusentals till miljontals år, när du väl har en stjärna, slutar planeterna att bildas; detta är snabbt på en kosmisk tidsskala. Även om det troligen fanns många mellanliggande objekt såg solsystemet ganska likt det vi har idag när några miljoner år hade gått.
Men det kan ha funnits några viktiga skillnader. Det kan ha funnits en femte gasjätte; de fyra gasjättarna som vi har kan ha varit mycket närmare solen, efter att ha vandrat utåt; och kanske viktigast av allt, mellan Venus och Mars fanns det troligen inte en utan två världar: en protojord och en mindre värld i Marsstorlek vid namn Theia. Mycket senare, kanske tiotals miljoner år efter att de andra planeterna bildades, kolliderade jorden och Theia.
En kropp av Mars-storlek kolliderade med den tidiga jorden, och det skräp som inte föll tillbaka till jorden bildade månen. Jorden och månen bör därför vara yngre än resten av solsystemet. NASA/JPL-Caltech
Det var denna kollision som vi misstänker skapade månen: vi kallar denna händelse för hypotesen om jättekollision. Likheten mellan månens stenar, som återfanns vid Apollo-uppdraget, och jordens sammansättning har fått oss att misstänka att månen bildades ur jorden. De andra stenplaneterna, som misstänksamt nog saknar stora månar, har troligen inte haft ett så stort nedslag i sitt förflutna.
Gasjättevärldarna, som har mycket mer massa än de andra, har kunnat hålla kvar väte och helium (de lättaste grundämnena) som fanns när solsystemet först bildades; de andra världarna fick den överväldigande majoriteten av dessa grundämnen bortblåsta. Med för mycket energi från solen och för lite gravitation för att hålla kvar dessa lätta grundämnen började solsystemet ta form som vi känner det idag.
Pictoris, något analogt med vårt eget solsystem under dess bildning. De inre världarna kommer, om de inte är tillräckligt massiva, inte att kunna behålla sitt väte och helium. Avi M. Mandell, NASA
Men miljarder år har nu gått. Hur vet vi hur gammalt solsystemet är? Är jorden lika gammal som de andra planeterna, har vi ett sätt att se skillnaden? Och hur vad är den ultimata siffran för den åldern?
Det mest exakta svaret kommer, kanske överraskande nog, från geofysiken. Och det betyder inte nödvändigtvis ”jordens fysik”, utan snarare fysiken hos alla slags stenar, mineraler och fasta kroppar. Alla sådana föremål innehåller en mängd olika grundämnen som finns i det periodiska systemet, med olika densiteter/kompositioner som motsvarar var i solsystemet, radiellt utåt från solen, de bildades.
Observera förhållandet mellan densitet och avstånd från solen. Karim Khaidarov
Detta innebär att olika planeter, asteroider, månar, objekt i Kuiperbältet etc. företrädesvis bör vara tillverkade av olika grundämnen. De tyngre grundämnena i det periodiska systemet bör till exempel företrädesvis finnas i Merkurius jämfört med till exempel Ceres, som i sin tur bör vara mer berikad än till exempel Pluto. Men det som borde vara universellt, åtminstone skulle man kunna tro det, borde vara förhållandet mellan olika isotoper av samma grundämnen.
När solsystemet bildas borde det till exempel ha ett specifikt förhållande mellan kol-12 och kol-13 och kol-14. Kol-14 har en kosmiskt kort halveringstid (på några tusen år), så allt ursprungligt kol-14 borde vara borta. Men kol-12 och kol-13 är båda stabila, vilket innebär att oavsett var vi hittar kol i solsystemet bör de ha samma isotopförhållanden. Detta gäller för alla stabila och instabila grundämnen och isotoper i solsystemet.
i dag, enligt mätningar för vårt solsystem. Wikimedia Commons-användare 28bytes
Då solsystemet är miljarder år gammalt kan vi titta på grundämnen som har isotoper med halveringstider som ligger i miljarder år. Med tiden, dvs. när solsystemet åldras, kommer dessa isotoper att radioaktivt sönderfalla, och genom att titta på förhållandet mellan sönderfallsprodukterna och det ursprungliga materialet som fortfarande finns kvar kan vi avgöra hur mycket tid som har gått sedan dessa objekt bildades. För detta ändamål är de mest tillförlitliga grundämnena uran och torium. När det gäller uran har dess två huvudsakliga, naturligt förekommande isotoper, U-238 och U-235, olika sönderfallsprodukter och olika sönderfallshastigheter, men båda ligger på miljarder år. För torium är den radioaktiva Th-232 den mest användbara.
Det mest anmärkningsvärda är dock att det bästa beviset för jordens och solsystemets ålder inte kommer från jorden själv!
miljoner år sedan som gav upphov till många av de meteoriter som faller idag. Don Davis, Southwest Research Institute
Vi har haft mängder av meteoriter som har landat på jorden och vars isotop- och grundämneshalter har mätts och analyserats. Nyckeln ligger i att titta på grundämnesledet: förhållandet mellan Pb-207 och Pb-206 förändras med tiden på grund av sönderfallet av U-235 (som leder till Pb-207) och U-238 (som leder till Pb-206). Genom att behandla jorden och meteoriterna som en del av samma evolverande system – med antagandet att det finns samma inledande isotopförhållanden – kan vi sedan titta på de äldsta blymalmerna som finns på jorden för att beräkna åldern på jorden, meteoriterna och solsystemet.
Det är en ganska bra uppskattning och ger oss en siffra på 4,54 miljarder år. Detta är bra med bättre än 1 % noggrannhet, men det är fortfarande en osäkerhet på några tiotals miljoner år.
När meteoriterna träffar jordens atmosfär brinner de upp och skapar de ljusa strimmor och ljusglimtar som vi förknippar med meteorregn. Ibland är en fallande sten tillräckligt stor för att nå upp till ytan och bli en meteorit. NASA / public domain
Men vi kan göra bättre än att samla ihop allting! Visst, det ger en bra övergripande uppskattning, men vi tror att till exempel jorden och månen är lite yngre än meteoriterna.
- Vi kan titta på de äldsta meteoriterna, eller de som uppvisar de mest extrema blyförhållandena, för att försöka uppskatta solsystemets ålder: vi får en siffra på cirka 4,568 miljarder år om vi gör det.
- Vi kan titta på stenar från månen, som inte har genomgått den geologiska bearbetning som jordens stenar har gjort. De dateras till en ålder av 4,51 miljarder år.
Och slutligen måste vi kontrollera oss själva. Allt detta byggde på antagandet att förhållandet mellan U-238 och U-235 var detsamma överallt i solsystemet. Men nya bevis under de senaste tio åren har visat att detta sannolikt inte är sant.
detektorer, inklusive hur radioaktiva materialmängder har sönderfallit med tiden. De signaler som ses av LUX stämmer överens med enbart bakgrunden. När grundämnen sönderfaller med tiden förändras reaktant- och produktmängderna. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
Det finns platser där U-235 är anrikat med upp till 6 % över det typiska värdet. Enligt Gregory Brennecka,
Sedan 1950-talet, eller till och med före det, hade ingen kunnat upptäcka några skillnader . Nu kan vi mäta små skillnader. Det har varit ett slags svart öga för några personer inom geokronologin. För att verkligen kunna säga att vi vet solsystemets ålder baserat på stenens ålder är det viktigt att alla är överens.
Men för två år sedan upptäcktes en lösning: det finns ett annat grundämne som spelar en roll. Curium, ett grundämne som är tyngre och har kortare halveringstid än till och med plutonium, sönderfaller radioaktivt till U-235, vilket förklarar variationerna på ett utmärkt sätt. De osäkerheter som återstår är högst några miljoner år.
som man tror att de bildas med, kommer att växa samman till planeter med tiden, vilket denna illustration visar. Det är viktigt att inse att centralstjärnan, de enskilda planeterna och det överblivna urmaterialet (som till exempel kommer att bli asteroider) alla kan ha åldersvariationer i storleksordningen tiotals miljoner år. NAOJ
Så totalt sett kan vi säga att det äldsta fasta material vi känner till i solsystemet är 4,568 miljarder år gammalt, med en osäkerhet på kanske bara 1 miljon år. Jorden och månen är kanske ~60 miljoner år yngre och har uppnått sin slutliga form något senare. Dessutom kan vi inte lära oss detta genom att titta på själva jorden; de stenar som finns kvar här är alla äldre än så.
Men solen kan, kanske överraskande nog, vara lite äldre, eftersom dess bildning bör föregå de fasta föremål som utgör solsystemets övriga beståndsdelar. Solen kan vara så mycket som tiotals miljoner år äldre än de äldsta stenarna i solsystemet och kanske närma sig 4,6 miljarder år. Nyckeln, oavsett vad som händer, är att leta efter svaret utomjordiskt. Ironiskt nog är det det enda sättet att exakt veta hur gammal vår egen planet är!
Skicka in dina frågor till Ask Ethan till startswithabang at gmail dot com!
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.