Від “крижаної людини” до Всесвіту: як вчені визначають вік всього
Вчені створили безліч способів визначення віку археологічних знахідок і встановлення дат історичних подій.
Сьогодні в хронологічному масштабі…
Археологічні знахідки
Коли мова заходить про вік археологічних знахідок, то, звичайно ж, всі пам’ятають радіовуглецевий метод. Це, мабуть, найвідоміший, хоча і не єдиний метод датування старожитностей. Також він відомий постійною критикою, якій піддається. Так що ж це за метод, для чого він потрібен і як використовується?
Для початку потрібно сказати, що даний метод застосовується, за дуже рідкісним винятком, тільки для датування предметів і матеріалів біологічного походження. Тобто вік всього, що було колись живим. Причому мова йде про датування моменту смерті біологічного об’єкта. Наприклад, людина, знайдений під завалами зруйнованого землетрусом житла, або зрубане дерево 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 будівництва корабля. Наприклад, вони датували виверження вулкана на острові Санторіні, одним з ключових подій давньої історії, можливою причиною апокаліпсису бронзового століття. Для аналізу вчені взяли гілку оливкового дерева, знайдену при розкопках вулканічного грунту.
Чому момент смерті організму має значення? Вуглецеві сполуки, як відомо, складають основу життя на нашій планеті. Живі організми отримують його переважно з атмосфери. Зі смертю вуглецевий обмін з атмосферою припиняється. Але вуглець на нашій планеті хоч і займає одну клітинку таблиці Менделєєва, але є дуже важливим. На Землі існує три ізотопу вуглецю, два стабільних – 12С і 13С і один радіоактивний, схильний до розпаду – 14С. Поки організм живий, співвідношення стабільних і радіоактивних ізотопів в ньому таке ж, як і в атмосфері. Як тільки вуглецевий обмін припиняється, кількість нестабільного ізотопу 14С (радіовуглецю) починає зменшуватися через розпад і співвідношення змінюється. Приблизно через 5700 років кількість радіовуглецю зменшується вдвічі, процес, званий періодом напіврозпаду.
Радіоактивний вуглець народжується у верхніх шарах атмосфери з азоту, а потім перетворюється в азот в процесі радіоактивного розпаду
Метод радіовуглецевого датування був розроблений Віллардом 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 в зразку немає радіовуглецю.
Метод не дозволяє зазирнути далеко в минуле. Його теоретична глибина становить 70 000 років (13 періодів напіврозпаду). Приблизно в цей час нестабільний вуглець повністю розпадеться. Але практична межа – 50 000-60 000 років. Це вже неможливо, точність обладнання не дозволяє. Вони можуть виміряти вік «Крижаної людини», але заглянути в історію планети до появи людини і визначити, наприклад, вік останків динозаврів вже неможливо. Крім того, радіовуглецевий метод є одним з найбільш критикованих. Полеміка навколо Туринської плащаниці і аналіз методу встановлення віку реліквії є лише однією з ілюстрацій недосконалості цього методу. Назвіть аргумент про забруднення зразків ізотопом вуглецю після припинення вуглецевого обміну з атмосферою. Не завжди точно відомо, що взятий для аналізу об’єкт повністю вільний від вуглецю, введеного після, наприклад, бактерій і мікроорганізмів, які оселилися на об’єкті.
Варто відзначити, що після початку застосування методу з’ясувалося, що співвідношення ізотопів в атмосфері змінювалося з плином часу. Тому вченим знадобилося створити так звану калібрувальну шкалу, за якою відзначалося зміна вмісту радіовуглецю в атмосфері протягом багатьох років. Для цього були взяті предмети, датування яких відомо. На допомогу вченим прийшла дендрохронологія – наука, заснована на вивченні кілець дерев.
На початку ми згадували, що є рідкісні випадки, коли цей метод застосовується до об’єктів небіологічного походження. Типовий приклад – старовинні будівлі, в розчині яких використовувалася негашене вапно CaO. При з’єднанні з водою і вуглекислим газом, що містяться в атмосфері, вапно перетворювалося в карбонат кальцію CaCO3. Вуглецевий обмін з атмосферою в цьому випадку припинявся з моменту застигання розчину. Таким способом можна визначити вік багатьох стародавніх будівель.
Останки динозаврів і древніх рослин
Тепер поговоримо про динозаврів. Як відомо, епоха динозаврів була порівняно короткою (звичайно, за мірками геологічної історії Землі) відрізком часу, який тривав 186 мільйонів років. Мезозойська ера, як це вказується в геохронологічному масштабі нашої планети, почалася близько 252 мільйонів років тому і закінчилася 66 мільйонів років тому. При цьому вчені впевнено розділили його на три періоди: тріасовий, юрський і крейдяний. І для кожного вони визначили своїх динозаврів. Але як? Адже радіовуглецевий метод не може бути застосований для таких термінів. У більшості випадків вік останків динозаврів, інших древніх істот, а також древніх рослин визначається періодом, в якій скелі вони знайдені. Якщо останки динозавра були знайдені в скелях верхнього тріасу, а це 237-201 мільйон років тому, то динозавр жив в той час. Тепер виникає питання, як визначити вік цих порід?
Ми вже говорили про те, що радіовуглецевий метод може використовуватися не тільки для визначення віку об’єктів біологічного походження. Але ізотоп вуглецю має занадто короткий період напіврозпаду, і він не може бути застосований при визначенні віку тих же геологічних порід. Цей метод хоч і є найвідомішим, але є лише одним з методів радіоізотопного датування. Існують і інші ізотопи в природі, період напіврозпаду яких більш тривалий і відомий. І мінерали, за якими можна визначити вік, наприклад, циркон.
Для визначення віку по ураново-свинцевому датуванню це дуже зручний мінерал. Відправною точкою для визначення віку буде момент кристалізації циркону, аналогічний моменту загибелі біологічного об’єкта радіовуглецевим методом. Кристали циркону зазвичай радіоактивні, так як містять домішки радіоактивних елементів і, перш за все, ізотопів урану. До речі, радіовуглецевий метод також можна було б назвати вуглецево-азотним способом, так як продуктом розпаду ізотопу вуглецю є азот. Ось тільки які з атомів азоту в зразку утворилися в результаті розпаду, а які були там спочатку, вчені визначити не можуть. Тому, на відміну від інших радіоізотопних методів, так важливо знати зміну концентрації радіовуглецю в атмосфері планети.
У випадку з урано-свинцевим методом продукт розпаду є ізотопом, що цікаво тим, що раніше не могло бути в зразку або спочатку була відома його початкова концентрація. 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 магматичних порід і показують час, що минув з моменту затвердіння.
Земля та інші небесні тіла
Для визначення віку геологічних порід використовуються й інші методи: калійно-аргонові, аргоно-аргонові, свинцево-свинцеві. Завдяки останньому вдалося визначити час формування планет Сонячної системи і, відповідно, вік нашої планети, так як вважається, що всі планети в системі утворилися практично одночасно. У 1953 році американський геохімік Клер Паттерсон виміряла співвідношення ізотопів свинцю в зразках метеорита, що впав близько 20-40 тисяч років тому на території нинішнього штату Арізона. Результатом стало уточнення оцінки віку Землі до 4, 550 мільярда років. Аналіз земних порід також дає цифри аналогічного порядку. Так, камені, знайдені на березі Гудзонової затоки в Канаді, мають вік 4,28 мільярда років. А також розташовані в Канаді сірі гнейси (породи з хімічним складом схожі з гранітами і сланцями), які довгий час утримували лідерство за віком, мали оцінку від 3, 92 до 4, 03 мільярда років. Цей метод застосовується до всього, до чого ми можемо «дотягнутися» в Сонячній системі. Аналіз зразків місячних порід, привезених на Землю, показав, що їх вік становить 4, 47 мільярда років.
А ось з зірками все зовсім по-іншому. Вони далеко від нас. Дістати шматочок зірки для вимірювання її віку нереально. Але, тим не менш, вчені знають (або впевнені), що, наприклад, найближча до нас зірка, Проксима Центавра, лише трохи старше нашого Сонця: їй 4, 85 мільярда років, Сонцю 4, 57 мільярда років. А ось діамант нічного неба Сіріус зовсім підліток: йому близько 230 мільйонів років. Полярна зірка ще менше: 70-80 мільйонів років. Умовно кажучи, Сіріус засвітився на небі на початку епохи динозаврів, а Полярна зірка в кінці. Отже, як вчені знають вік зірок?
Ми не можемо отримати нічого, крім їх світла від далеких зірок. Але це вже немало. По суті, це той шматочок зірки, який дозволяє визначити її хімічний склад. Знання того, з чого складається зірка, має важливе значення для визначення її віку. Протягом свого життя зірки еволюціонують, проходячи всі стадії від протозірок до білих карликів. В результаті термоядерних реакцій, що відбуваються в зірці, склад елементів в ній постійно змінюється.
Відразу після народження зірка входить в так звану головну послідовність. Зірки головної послідовності (включаючи наше Сонце) складаються в основному з водню і гелію. У процесі термоядерних реакцій вигорання водню збільшується вміст гелію в ядрі зірки. Стадія горіння водню – найтриваліший період в житті зірки. На цій стадії зірка займає близько 90% відведеного їй часу. Швидкість ступенів залежить від маси зірки: чим вона більша, тим швидше зірка стискається і тим швидше «згорає». Зірка знаходиться в головній послідовності до тих пір, поки водень в її ядрі згорає. Тривалість інших стадій, на яких вигорають більш важкі елементи, становить менше 10%. Таким чином, чим старше зірка на головній послідовності, тим більше гелію і менше водню в ній.
Ще пару сотень років тому здавалося, що ми ніколи не зможемо дізнатися склад зірок. Але відкриття спектрального аналізу в середині 19 століття дало вченим потужний інструмент для вивчення віддалених об’єктів. Але спочатку Ісаак Ньютон на початку 18 століття за допомогою призми розклав біле світло на окремі компоненти різної хроматики – сонячний спектр. Через 100 років, в 1802 році, англійський вчений Вільям Волластон уважніше придивився до сонячного спектра і виявив в ньому вузькі темні лінії. Він не надавав їм особливого значення. Але незабаром німецький фізик і оптик Йозеф Фраунгофер досліджує їх і детально описує. Крім того, він пояснює їх поглинанням променів газами атмосфери Сонця. Крім сонячного спектра, він вивчає спектр Венери і Сіріуса і знаходить там подібні лінії. Зустрічаються вони і в штучних джерелах світла. Лише в 1859 році німецькі хіміки Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен провели ряд експериментів, в результаті яких прийшли до висновку, що кожен хімічний елемент має свою лінію в спектрі. І, отже, за спектром небесних тіл можна зробити висновки про їх склад.
Метод відразу ж був узятий на озброєння вченими. І незабаром в складі Сонця був виявлений невідомий елемент, який не був знайдений на Землі. Це був гелій (від “helios” – Сонце). Лише трохи пізніше його виявили на Землі.
Наше Сонце на 73, 46% складається з водню і на 24, 85% з гелію, частка інших елементів мізерно мала. До речі, є серед них і метали, що говорить не стільки про вік, скільки про «спадковості» нашої зірки. Сонце – молода зірка третього покоління, а це означає, що вона утворилася з того, що залишилося від зірок першого і другого покоління. Тобто ті зірки, в ядрах яких були синтезовані ці метали. На Сонці зі зрозумілих причин цього ще не сталося. Склад Сонця дозволяє говорити про те, що йому 4, 57 мільярда років. До віку 12,2 мільярда років Сонце покине головну послідовність і стане червоним гігантом, але задовго до цього моменту життя на Землі стане неможливою.
Основне населення нашої галактики – зірки. Вік Галактики визначається її найдавнішими об’єктами, які були виявлені. Сьогодні найстарішими зірками в галактиці є червоний гігант HE 1523-0901 і «Зірка Мафусаїла», або HD 140283. Обидві зірки знаходяться в напрямку сузір’я Терезів, а їх вік оцінюється приблизно в 13, 2 мільярда років.
До речі, HE 1523-0901 і HD 140283 не просто дуже старі зірки, це зірки другого покоління з низьким вмістом металу. Тобто зірки, що належать поколінню, яке передувало нашому Сонцю і його «одноліткам».
Іншим найстарішим об’єктом, за деякими оцінками, є кульове зоряне скупчення NGC6397, вік зірок якого становить 13,4 мільярда років. При цьому інтервал між формуванням першого покоління зірок і народженням другого оцінюється дослідниками в 200-300 мільйонів років. Ці дослідження дозволяють вченим стверджувати, що нашій галактиці 13,2-13,6 мільярда років.
Всесвіт
Як і у випадку з Галактикою, вік Всесвіту можна припустити, визначивши, скільки років її найстарішим об’єктам. На сьогоднішній день рекордсменом за найстарішістю серед відомих нам об’єктів є галактика GN-z11, розташована в напрямку сузір’я Великої Ведмедиці. Світлу від галактики було 13, 4 мільярда років, тобто він був випромінений через 400 мільйонів років після Великого вибуху. І якщо світло пройшло такий довгий шлях, то у Всесвіту не може бути молодшого віку. Але як визначався цей термін?
Цифра 11 в позначенні галактики вказує на те, що вона має червоний зсув z = 11, 1. Чим вище цей показник, тим далі від нас знаходиться об’єкт, тим довше від нього йшов світло і тим старше об’єкт. Попередній віковий чемпіон, галактика Egsy8p7, має червоне зміщення z = 8,68 (13,1 мільярда світлових років від нас). Претендент на старшинство, галактика UDFj-39546284, ймовірно, має z = 11, 9, але це ще не підтверджено повністю. Всесвіт не може бути менше цих об’єктів.
Трохи раніше ми говорили про спектри зірок, які визначають склад їх хімічних елементів. У спектрі зірки або галактики, яка віддаляється від нас, відбувається зміщення спектральних ліній хімічних елементів в червону (довгохвильову) сторону. Чим далі від нас знаходиться об’єкт, тим більше його червоне зміщення. Зсув ліній в фіолетову (короткохвильову) сторону, обумовлений наближенням об’єкта, називається синім або фіолетовим зсувом. Одним з пояснень цього явища є повсюдний ефект Доплера. Вони, наприклад, пояснюють зниження тону сирени проїжджаючого автомобіля або звук двигуна літаючого літака. Ефект Доплера є основою для роботи більшості камер фіксації порушень.
Так, відомо, що Всесвіт розширюється. А знаючи швидкість її розширення, можна визначити вік Всесвіту. Константа, що показує швидкість, з якою дві галактики, розділені відстанню 1 Мпк, (мега парсек), розлітаються в різні боки, називається постійною Хаббла. Але щоб визначити вік Всесвіту, вченим необхідно було знати його щільність і склад. З цією метою в космос були відправлені космічні обсерваторії WMAP (NASA) і Planck (Європейське космічне агентство). Дані WMAP дозволили визначити вік Всесвіту в 13,75 мільярда років. Дані з європейського супутника, запущеного через вісім років, дозволили уточнити необхідні параметри, а вік Всесвіту був визначений в 13,81 мільярда років.
