Від «Крижаного людини» до Всесвіту: як вчені визначають вік всього

археологічні знахідки

Коли мова йде про вік археологічних знахідок, то, звичайно, все згадують радіовуглецевий метод. Це, мабуть, найвідоміший, хоча і не єдиний, метод датування старожитностей. Відомий в тому числі завдяки постійній критиці, якої він піддається. Так що це за метод, для чого і як він використовується?

Для початку потрібно сказати, що цей метод застосовується, за дуже рідкісним винятком, тільки для датування предметів і матеріалів біологічного походження. Тобто віку всього, що колись було живим. Більш того, мова йде про датування саме моменту загибелі біологічного об'єкта. Наприклад, людину, виявленого під завалами житла, зруйнованого землетрусом, або дерева, зрубаного для того, щоб побудувати корабель. У першому випадку це дозволяє визначити приблизний час землетрусу (якщо воно не було відомо з інших джерел), у другому - приблизну дату споруди корабля. Так, наприклад, датували виверження вулкана на острові Санторін, одного з ключових подій давньої історії, можливої ​​причини апокаліпсису бронзового століття . Для аналізу вчені взяли знайдену при розкопках вулканічного грунту гілка оливкового дерева.

Чому має значення саме момент загибелі організму? З'єднання вуглецю, як відомо, складають основу життя на нашій планеті. Живі організми отримують його в першу чергу з атмосфери. Із загибеллю вуглецевий обмін з атмосферою припиняється. Але вуглець на нашій планеті, хоч і займає одну клітину таблиці Менделєєва, проте буває різний. На Землі зустрічаються три ізотопу вуглецю, два стабільних - 12C і 13C і один радіоактивний, схильний до розпаду, - 14C. Поки організм живий, співвідношення стабільних і радіоактивних ізотопів в ньому той же, що і в атмосфері. Як тільки вуглецевий обмін припиняється, кількість нестабільного ізотопу 14C (радіовуглецю) за рахунок розпаду починає знижуватися і співвідношення змінюється. Приблизно через 5700 років кількість радіовуглецю знижується вдвічі, цей процес називається періодом напіврозпаду.

Радіовуглець народжується у верхніх шарах атмосфери з азоту, в азот же потім і перетворюється в процесі радіоактивного розпаду / © wikimedia.org

Метод радіовуглецевого датування розробив Віллард Ліббі. Спочатку він припустив, що співвідношення ізотопів вуглецю в атмосфері в часі і просторі не змінюється, а співвідношення ізотопів в живих організмах відповідає співвідношенню в атмосфері. Якщо так, то вимірявши це співвідношення в наявному археологічному зразку, ми можемо визначити, коли воно відповідало атмосферному. Або отримати так званий «нескінченний вік», якщо радіовуглецю в зразку немає.

Метод не дозволяє заглянути далеко в минуле. Його теоретична глибина - 70 000 років (13 періодів напіврозпаду). Приблизно за цей час нестабільний вуглець повністю розпадеться. Але практична межа - 50 000-60 000 років. Більше не можна, не дозволяє точність обладнання. виміряти вік «Крижаного людини» їм можна, а ось заглянути в історію планети до появи людини і визначити, наприклад, вік останків динозаврів вже не можна. Крім того, радіовуглецевий метод - один з найбільш критикованих. суперечки навколо Туринської плащаниці і розбір методики встановлення віку реліквії лише одна з ілюстрацій недосконалості даного методу. Чого тільки варта аргумент про забруднення зразків ізотопом вуглецю вже після припинення вуглецевого обміну з атмосферою. Не завжди є впевненість, що взятий для аналізу предмет повністю очищений від вуглецю, привнесеного вже після, наприклад бактеріями і мікроорганізмами, що поселилися на предмет.

Варто зауважити, що після початку застосування методу з'ясувалося, що співвідношення ізотопів в атмосфері з часом змінювалося. Тому вченим знадобилося створити так звану калібровану шкалу, на якій відзначено по роках зміна змісту радіовуглецю в атмосфері. Для цього були взяті об'єкти, датування яких відома. На допомогу вченим прийшла дендрохронология - наука, заснована на дослідженні річних кілець деревини.

Спочатку ми згадали про те, що є поодинокі випадки, коли даний метод поширюється на предмети небіологічного походження. Характерний приклад - стародавні споруди, в будівельному розчині яких застосовувалася негашене вапно CaO. При з'єднанні з водою і вуглекислим газом, що містяться в атмосфері, вапно перетворювалася в карбонат кальцію CaCO3. Вуглецевий обмін з атмосферою в цьому випадку припинявся з моменту затвердіння будівельного розчину. Таким способом можна визначити вік багатьох стародавніх споруд.

Останки динозаврів і древніх рослин

Тепер поговоримо про динозаврів. Як відомо, ерою динозаврів був порівняно невеликий (звичайно, за мірками геологічної історії Землі) відрізок часу, який тривав 186 млн років. Мезозойська ера, так вона позначена на геохронологічної шкалою нашої планети, почалася приблизно 252 млн років тому і закінчилася 66 млн років тому. При цьому вчені впевнено розділили її на три періоди: тріасовий, юрський і крейдяний. І для кожного визначили своїх динозаврів. Але як? Адже радіовуглецевий метод для таких термінів не застосуємо. У більшості випадків вік останків динозаврів, інших стародавніх істот, а також древніх рослин визначають по тому, в породах якого періоду вони виявлені. Якщо останки динозавра були знайдені в породах верхнього тріасу, а це 237-201 млн років тому, значить, в цей час динозавр і жив. Тепер постає питання, як визначити вік цих порід?

Останки динозавра в древньої породи / © terrain.org

Ми вже говорили, що радіовуглецевий метод можна використовувати не тільки для визначення віку об'єктів, що мають біологічне походження. Але ізотоп вуглецю має занадто малий період напіврозпаду, і при визначенні віку тих же геологічних порід він не застосуємо. Цей метод, хоч і є найвідомішим, всього лише один з методів радіоізотопного датування. У природі є й інші ізотопи, чиї періоди напіврозпаду більш тривалі і відомі. І мінерали, які можуть бути використані для визначення віку, наприклад циркон.

Для визначення віку методом уран-свинцевого датування це дуже зручний мінерал. Точкою відліку для визначення віку буде момент кристалізації циркону, аналогічно моменту загибелі біологічного об'єкта при радіовуглецевому методі. Кристали циркону зазвичай радіоактивні, оскільки містять в собі домішки радіоактивних елементів і насамперед ізотопи урану. До слова, радіовуглецевий метод можна було б назвати і вуглець-азотним методом, так як продуктом розпаду ізотопу вуглецю є азот. Ось тільки які з пасажирів зразку атомів азоту утворилися в результаті розпаду, а які там були спочатку, вчені визначити не можуть. Тому, на відміну від інших радіоізотопних методів, тут так важливо знати зміна концентрації радіовуглецю в атмосфері планети.

Кристал циркону / © wikimedia.org

У випадку з уран-свинцевим методом продуктом розпаду є ізотоп, який цікавий тим, що його в зразку раніше бути не могло або його первісна концентрація спочатку відома. Вчені оцінюють час розпаду двох ізотопів урану, розпад яких завершується утворенням двох різних ізотопів свинцю. Тобто визначається співвідношення концентрації вихідних ізотопів і дочірніх продуктів. Радіоізотопні методи застосовуються вченими до вивержених порід і показують час, який минув з моменту затвердіння.

Земля та інші небесні тіла

Для визначення віку геологічних порід застосовують і інші методи: калій-аргоновий, аргон-аргоновий, свинець-свинцевий. Завдяки останньому вдалося визначити час формування планет Сонячної системи і, відповідно, вік нашої планети, так як вважається, що всі планети в системі сформувалися практично одночасно. У 1953 році американський геохімік Клер Паттерсон виміряв співвідношення ізотопів свинцю в зразках метеорита, що впав близько 20-40 тис. Років на території, яку займає зараз штатом Арізона. Результатом виявилося уточнення оцінки віку Землі до 4,550 млрд років. Аналіз земних порід теж дає цифри подібного порядку. Так, виявлені на берегах Гудзонової затоки в Канаді камені мають вік 4,28 млрд років. А розташовані також в Канаді сірі гнейси (гірські породи, за хімічним складом близькі гранітам і глинистих сланців), довгий час утримували лідерство за віком, мали оцінку від 3,92 до 4,03 млрд років. Цей метод можна застосовувати до всього, до чого ми можемо «дотягнуться» в Сонячній системі. Аналіз зразків місячних каменів, привезених на Землю, показав, що їх вік дорівнює 4,47 мільярди років.

А ось із зірками все зовсім по-іншому. Вони від нас далеко. Дістати шматочок зірки, щоб виміряти її вік, нереально. Але, тим не менш, вчені знають (або впевнені), що, наприклад, найближча до нас зірка Проксима Центавра всього лише трохи старше нашого Сонця: їй 4,85 мільярди років, Сонцю - 4,57 мільярда років. А ось діамант нічного неба Сіріус зовсім підліток: йому приблизно 230 млн. Років. Полярної зірки і того менше: 70-80 млн. Років. Умовно кажучи, Сіріус спалахнуло на небі на початку епохи динозаврів, а Полярна зірка вже в кінці. Так звідки вченим відомий вік зірок?

Ми не можемо отримати від далеких зірок нічого, крім їх світла. Але і це вже немало. Фактично це той шматочок зірки, який дозволяє визначити її хімічний склад. Знання того, з чого складається зірка, і необхідно для визначення її віку. Протягом свого життя зірки еволюціонують, проходячи всі етапи від протозвезд до білих карликів. В результаті відбуваються в зірці термоядерних реакцій склад елементів в ній постійно змінюється.

Відразу після народження зірка потрапляє на так звану головну послідовність. Зірки головної послідовності (до них відноситься і наше Сонце) складаються в основному з водню і гелію. В процесі термоядерних реакцій вигоряння водню в ядрі зірки зростає вміст гелію. Стадія горіння водню - найтриваліший період в житті зірки. У цій стадії зірка знаходиться близько 90% відведеного їй часу. Швидкість же проходження стадій залежить від маси зірки: чим вона більше, тим швидше зірка стискається і швидше «згоряє». На головній послідовності зірка знаходиться до тих пір, поки відбувається вигоряння водню в її ядрі. Тривалість інших стадій, на яких вигорають важчі елементи, менше 10%. Таким чином, чим старше зірка, що знаходиться на головній послідовності, тим більше в ній гелію і менше водню.

Ще пару сотень років тому здавалося, що дізнатися про склад зірок ми ніколи не зможемо. Але відкриття спектрального аналізу в середині 19 століття дало в руки вченим потужний інструмент дослідження далеких об'єктів. Ось тільки спочатку Ісаак Ньютон на початку 18 століття за допомогою призми розклав біле світло на окремі компоненти різної кольоровості - сонячний спектр. Через 100 років, в 1802 році, англійський учений Вільям Волластон придивився до сонячного спектру і виявив в ньому вузькі темні лінії. Він не надав їм великого значення. Але незабаром вже німецький фізик і оптик Йозеф Фраунгофер досліджує їх і докладно описує. Крім того, він пояснює їх поглинанням променів газами атмосфери Сонця. Крім сонячного спектра він вивчає спектр Венери і Сіріуса і знаходить там аналогічні лінії. Виявляються вони і у штучних джерел світла. І тільки вже в 1859 році німецькі хіміки Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен провели серію дослідів, за підсумками яких прийшли до висновку, що кожному хімічному елементу відповідає своя лінія в спектрі. А, отже, по спектру небесних світил можна зробити висновки про їх склад.

Спектр фотосфери Сонця і фраунгоферові лінії поглинання / © wikimedia.org

Метод відразу було взято на озброєння вченими. І незабаром у складі Сонця був виявлений невідомий елемент, що не зустрічався на Землі. Це був гелій (від «Геліос» - Сонце). Тільки дещо пізніше його виявили на Землі.

Наше Сонце на 73,46% складається з водню і на 24,85% - з гелію, частка інших елементів незначна. До речі, серед них є і метали, що говорить вже не стільки про вік, а скільки про «спадковості» нашої зірки. Сонце - молода зірка третього покоління, а це значить, що воно утворилося з того, що залишилося від зірок першого і другого поколінь. Тобто тих зірок, в ядрах яких ці метали і були синтезовані. В Сонце, зі зрозумілих причин, цього ще не сталося. Склад Сонця і дозволяє сказати, що йому 4,57 мільярди років. До віку 12,2 млрд років Сонце покине головну послідовність і стане червоним гігантом, але вже задовго до цього моменту життя на Землі буде неможлива.

Основне населення нашої Галактики - це зірки. Вік Галактики визначають найстарішими її об'єктів, які вдалося виявити. На сьогодні найстарішими зірками в Галактиці є червоний гігант HE 1523-0901 і «Зірка Мафусаїла», або HD 140283. Обидві зірки перебувають в напрямку сузір'я Терезів, і їх вік оцінений приблизно в 13,2 млрд років.

До речі, HE 1523-0901 і HD 140283 не просто дуже старі зірки, це зірки другого покоління, що мають в своєму складі незначний вміст металів. Тобто зірки, які стосуються поколінню, що передував до нашого Сонця і його «одноліткам».

Іншим найстарішим об'єктом, за деякими оцінками, є кульове зоряне скупчення NGC6397, зірки якого мають вік 13,4 млрд років. При цьому інтервал між формуванням першого покоління зірок і народженням другої оцінюється дослідниками в 200-300 мільйонів років. Ці дослідження дозволяють вченим стверджувати, що наша Галактика має вік 13,2-13,6 млрд років.

Всесвіт

Так само як і з Галактикою, вік Всесвіту можна припустити, визначивши, скільки років її найстарішою об'єктів. На сьогоднішній день рекордсменом за віком серед відомих нам об'єктів вважається галактика GN-z11 , Розташована в напрямку сузір'я Велика Ведмедиця. Світло від галактики йшов 13,4 млрд років, тобто він був виданий через 400 мільйонів років після Великого вибуху. А якщо світло виконав такий довгий шлях, то Всесвіт не може мати менший вік. Але як же було визначено цей термін?

На 2016 рік галактика GN-z11 найвіддаленіший з відомих об'єктів у Всесвіті / © wikimedia.org

Число 11 в позначенні галактики говорить про те, що вона має червоний зсув z = 11,1. Чим більше цей показник, тим далі об'єкт знаходиться від нас, тим довше йшов світло від нього і тим об'єкт старше. Попередній чемпіон за віком - галактика Egsy8p7 - має червоне зміщення z = 8,68 (віддалена від нас 13,1 млрд світлових років). Претендент на старшинство - галактика UDFj-39546284, ймовірно, має z = 11,9, але це поки до кінця не підтверджено. Всесвіт не може мати вік менше цих об'єктів.

Трохи раніше ми розповіли про спектрах зірок, за якими визначається склад їх хімічних елементів. У спектрі зірки або галактики, яка віддаляється від нас, відбувається зрушення спектральних ліній хімічних елементів в червону (довгохвильову) сторону. Чим далі об'єкт від нас, тим більше його червоне зміщення. Зсув ліній в фіолетову (короткохвильову) сторону, обумовлене наближенням об'єкта, називається синім або фіолетовим зсувом. Одним з пояснень цього явища є всюдисущий ефект Доплера. Їм, наприклад, пояснюється і зниження тону сирени проїжджає повз машину або звуку двигуна пролітає літака. На доплеровском ефекті заснована робота і більшості камер фіксації порушень .

Спектральні лінії змістилися в червону сторону / © wikimedia.org

Отже, відомо, що Всесвіт розширюється. А знаючи швидкість її розширення, можна визначити і вік Всесвіту. Константа, що показує, з якою швидкістю дві галактики, розділені відстанню в 1 Мпк (мега парсек ), Розлітаються в різні боки, називається постійної Хаббла. Але щоб визначити вік Всесвіту, ученим знадобилося дізнатися її щільність і склад. З цією метою в космос було відправлено космічні обсерваторії WMAP (NASA) і Planck (Європейське космічне агентство). Дані WMAP дозволили визначити вік Всесвіту в 13,75 мільярда років. Дані європейського супутника, запущеного вісім років по тому, дозволили уточнити необхідні параметри, і вік Всесвіту був визначений в 13,81 мільярда років.

Космічна обсерваторія Planck / © www.esa.int