Запитайте Ітана: звідки нам відомий вік Сонячної системи?

Уявлення художника про молоду зірку, оточену протопланетним диском. Протопланетні диски, що належать до сонцеподібни зірок, мають безліч невідомих властивостей, включаючи і елементарну сегрегацію різних типів атомів.

Мільярди років тому, в якомусь забутому куточку Чумацького Шляху, молекулярна хмара, що не відрізняється від багатьох інших, стиснулася і сформувала нові зірки. Одна з них з'явилася в відносній ізоляції, збираючи матеріал з навколишнього протопланетного диска, який, в результаті, перетворився на наше Сонце, вісім планет і всю решту Сонячної системи. Сьогодні вчені заявляють, що Сонячній системі 4,6 млрд років, плюс-мінус кілька мільйонів. Але звідки ми це знаємо? Чи однаковий вік, припустимо, Землі та Сонця? Саме це хоче дізнатися наш читач:

Звідки нам відомий вік Сонячної системи? Я дуже неясно уявляю собі процес вимірювання віку каменю відколи він був рідким, але приблизно 4,5 млрд років тому Тейя зіткнулася з протоземлею, зробивши рідким практично все. Звідки ми знаємо, що визначаємо вік Сонячної системи, а не просто знаходимо десятки нових способів визначення дати зіткнення з Теей?

Відмінне питання, повне нюансів - але наука впорається з таким завданням. Ось вам історія того, як усе було.

Розриви, грудки матерії, спіральні форми та інші асиметрії демонструють свідчення формування планет у протопланетному диску навколо Elias 2-27. Однак який вік виявиться у різних компонентів системи, які сформуються в результаті, загалом сказати не можна.

Нам досить багато відомо з приводу віку та походження нашої Сонячної системи. Ми дуже багато чого дізналися, спостерігаючи за формуванням інших зірок, вивчаючи віддалені регіони зародження зірок, вимірюючи протопланетні диски, спостерігаючи, як зірки проходять різні етапи життєвого циклу, тощо. Але кожна система розвивається за своїм сценарієм, і тут, у нашій Сонячній системі, через мільярди років після появи Сонця і планет залишилися лише виживші об'єкти.

Спочатку всі зірки формуються з передзіркової туманності, що збирає разом матерію, з об'ємним зовнішнім шаром, що залишається холодним, де збираються аморфні силікати, вуглецеві компоненти та лід. Як тільки в передзоряній туманності з'являється протозірка, а потім і справжня зірка, цей зовнішній матеріал починає притягуватися і формувати більші грудки.

Згодом грудки виростають, переміщуються ближче до центру, взаємодіють, зливаються, зсуваються і, можливо, навіть викидають один одного із системи. За період від сотень тисяч до мільйонів років після появи зірки з'являються і планети – на космічних масштабах це досить швидко. І хоча, ймовірно, у Сонячній системі було безліч проміжних об'єктів, через кілька мільйонів років Сонячна система стала виглядати дуже схоже на те, що ми маємо сьогодні.

Але в ній могли бути дуже важливі відмінності. Тут міг бути п'ятий газовий гігант; чотири гіганти, що залишилися у нас, могли бути набагато ближче до Сонця, а потім відсунутися далі; і, що найважливіше, між Венерою та Марсом, швидше за все, був не один, а два світи: Протоземля та менший світ розміром із Марс, Тейя. Набагато пізніше, можливо, через десятки мільйонів років після формування інших планет, Земля та Тейя зіткнулися.

Модель ударного формування постулює, що тіло розміром з Марс зіштовхнулося з ранньою Землею, а уламки, що не впали назад, сформували Місяць. Земля і Місяць, в результаті, повинні бути молодшими за решту Сонячної системи.

Саме при цьому зіткненні, як ми підозрюємо, і з'явився Місяць: ми називаємо це явище гіпотезою гігантського зіткнення. Схожість місячного каміння, привезеного місією «Аполло», із земним складом, змусило нас підозрювати, що Місяць сформувався із Землі. Інші кам'янисті планети, яким підозріло не вистачає великих супутників, швидше за все, не пережили таких великих зіткнень у своїй історії.

Газові гіганти, володіючи набагато більшою масою, ніж інші, змогли утримати водень і гелій (найлегші елементи), що існували, коли Сонячна система тільки-но почала формуватися; з інших світів більшу частину цих елементів здуло. Завдяки надто великій енергії Сонця і недостатньо сильній для їх утримання гравітації, Сонячна система почала приймати відому нам сьогодні форму.

Ілюстрація молодої зоряної системи Бета Живописця, в чомусь аналогічно нашій Сонячній системі під час її формування. Внутрішні світи не зможуть утримати водень і гелій, якщо не будуть достатньо масивними.

Але тепер уже минули мільярди років. Звідки нам відомий вік Сонячної системи? Чи збігається вік Землі з віком інших планет; чи можемо ми виявити цю різницю?

Найточнішу відповідь, хоч як це не дивно, дає геофізика. І це не обов'язково означає «фізику Землі», це може бути фізика всілякого каміння, мінералів і твердих тіл. Всі такі об'єкти містять безліч елементів періодичної таблиці, і різні щільності та склади відповідають тому, де в Сонячній системі, в сенсі відстані від Сонця, вони сформувалися.

Щільність різних тіл Сонячної системи. Зауважте взаємозв'язок між щільністю та відстанню від Сонця.

Це говорить про те, що різні планети, астероїди, місяці, об'єкти пояса Койпера тощо повинні складатися із різних матеріалів. Тяжкі елементи періодичної таблиці, наприклад, повинні в основному бути присутніми на Меркурії, а не, припустимо, Церері, яка, у свою чергу, повинна бути багатшою за Плутон. Але думається, що універсальним має бути відсоток різних ізотопів тих самих елементів.

При формуванні Сонячної системи в ній повинна зберігатися певна пропорція, припустимо, вуглецю-12 до вуглецю-13 і вуглецю-14. У вуглецю-14 за космічними мірками невеликий період напіврозпаду (кілька тисяч років), тому весь доісторичний вуглець-14 вже зник. Але вуглець-12 і вуглець-13 стабільні, і означає, що при виявленні вуглецю по всій Сонячній системі у нього має бути один і той же відносний вміст ізотопів. Це стосується всіх стабільних і нестабільних елементів та ізотопів Сонячної системи.

Кількість елементів у сьогоднішньому Всесвіті, виміряна за нашою Сонячною системою.

Оскільки Сонячній системі вже мільярди років, ми можемо шукати ізотопи з періодами піврозпаду в мільярди років. Згодом ці ізотопи будуть розпадатися, і вивчаючи пропорції продуктів розпаду по відношенню до початкового матеріалу, що залишився, ми можемо визначити, скільки часу пройшло з моменту формування цих об'єктів. Для цієї мети найбільш надійними елементами будуть уран і торій. У урану є два основних, що зустрічаються в природі ізотопи, U-238 і U-235, і вони відрізняються продуктами та швидкістю розпаду, однак, що знаходяться в межах мільярдів років. У торію найбільш корисним ізотопом виявляється Th-232.

Але найцікавіше – найкраще свідчення віку Землі та Сонячної системи виявляється зовсім не на Землі!

Малюнок художника із зображенням зіткнення, яке 466 млн років тому породило безліч метеоритів, які сьогодні падають.

На Землю падало досить багато метеоритів, і ми виміряли та проаналізували їхній склад за елементами та ізотопами. Головним чином ми спостерігаємо за свинцем: відношення Pb-207 до Pb-206 змінюється згодом через розпад U-235 (що призводить до появи Pb-207) та U-238 (звідки з'являється Pb-206). Розцінюючи Землю і метеорити як частини однієї системи, що розвивалася - тобто, що відношення кількості ізотопів в них повинно бути однаковими - ми можемо подивитися на найстаріші зі знайдених на Землі свинцевих руд, щоб підрахувати вік Землі, метеоритів і Сонячної системи.

Це досить непогана оцінка, яка дає нам цифру близько 4,54 млрд. років. Похибка оцінки не перевищує 1%, але це все ж таки невизначеність розміром в десятки мільйонів років.

Метеорний дощ Леоніди 1997 року, вид з космосу. Коли метеори стикаються з верхньою частиною атмосфери Землі, вони згоряють і породжують яскраві рисочки та спалахи світла, які ми пов'язуємо з метеорними дощами. Іноді камінь, що падає, виявляється досить великим, щоб досягти поверхні, і стає метеоритом.

Але ми можемо зробити краще, ніж просто зібрати все разом! Звичайно, це дає хорошу загальну оцінку, але ми думаємо, що Земля і Місяць молодші за метеорити.

• Ми можемо вивчити найстаріші метеорити, або ті, що демонструють найбільше відношення ізотопів свинцю, щоб спробувати оцінити вік Сонячної системи. Ми отримаємо цифру 4,568 млрд. років.
• Ми можемо вивчити місячні камені, які не схильні до геологічних змін, які відбувалися на Землі. Їхній вік становить 4,51 млрд. років.

І, зрештою, ми можемо перевірити себе. Все це було засноване на припущенні, що відношення U-238 до U-235 однаково по всій Сонячній системі. Але нові свідчення, отримані протягом останніх 10 років, показали, що це, мабуть, не так.

Існують місця, де U-235 збагачений на 6% більше за типове значення. Згідно Грегорі Бреннеке:

З 1950-х, або навіть раніше, ніхто не міг виявити різниці в пропорціях урану. Тепер ми змогли знайти невеликі відмінності. І це була проблемою для кількох людей у галузі геохронології. Щоб точно сказати, що нам відомий вік Сонячної системи на підставі віку каміння, вони обов'язково мають співпадати один з одним.

Але два роки тому було виявлено вирішення проблеми: ще один елемент відіграє свою роль. Кюрій, елемент більш важкий і з меншим періодом напіврозпаду, ніж плутоній, при розпаді перетворюється на U-235, що пояснює ці відмінності. У результаті похибка [визначення віку] становить лише кілька мільйонів років.

Протопланетні диски, з яких, вважається, формуються зоряні системи, згодом зберуться в планети, як на малюнку. Важливо зрозуміти, що центральна зірка, окремі планети і первісний матеріал, що залишився (який, наприклад, може перетворитися на астероїди), можуть відрізнятися за віком на десятки мільйонів років.

Отже, загалом, ми можемо сказати, що найстаріший із відомих нам у Сонячній системі твердих матеріалів датується 4,568 млрд років, з похибкою в 1 млн років. Земля і Місяць приблизно на 60 млн років молодші, вони набули своєї остаточної форми пізніше. Крім того, ми не можемо дізнатися про це, вивчаючи тільки Землю.

Але Сонце, як не дивно, може бути трохи старшим, оскільки його поява має передувати появі твердих об'єктів, що становлять решту компонентів Сонячної системи. Сонце може бути на десятки мільйонів років старше за найстаріші камені Сонячної системи, можливо, наближаючись до позначки в 4,6 млрд років. Головне – шукати всі відповіді поза Землею. За іронією, це єдиний спосіб точно дізнатися про вік нашої власної планети!