Att erkänna den omgivande världen är omöjlig utan att förstå åldern på historiska antikviteter och hur länge själva världen - vårt universum - har funnits. Forskare har skapat många metoder för att bestämma åldern för arkeologiska fynd och fastställa datum för historiska händelser. Idag markerar den kronologiska tidslinjen både datum för utbrott av forntida vulkaner och tidpunkten för födelsen av stjärnorna som vi ser på natthimlen. Idag berättar vi om de viktigaste dateringsmetoderna.
Arkeologiska fynd
När det gäller arkeologiska fynders ålder kommer alla naturligtvis ihåg radiokolmetoden. Detta är kanske den mest berömda, men inte den enda, metoden för datering av antikviteter. Känd också för den ständiga kritiken han utsätts för. Så vad är den här metoden, vad och hur används den?
Till att börja med måste det sägas att denna metod används, med mycket sällsynta undantag, endast för dateringsobjekt och material av biologiskt ursprung. Det vill säga åldern på allt som en gång levde. Dessutom talar vi om att dejta precis ett ögonblick för ett biologiskt föremål. Till exempel, en person som hittades under spillrorna i ett hus förstört av en jordbävning, eller ett träd föll för att bygga ett skepp. I det första fallet kan du bestämma den ungefärliga tiden för jordbävningen (om den inte var känd från andra källor), i den andra - det ungefärliga datumet för fartygets konstruktion. Så, till exempel, de daterade ett vulkanutbrott på ön Santorini, en av de viktigaste händelserna i forntida historia, en möjlig orsak till bronsålderns apokalyp. För analysen tog forskarna en olivträdgren som hittades under utgrävningar av vulkanjord.
Varför spelar en organismens dödsmoment någon roll? Kolföreningar är kända för att utgöra grunden för livet på vår planet. Levande organismer får det främst från atmosfären. Med döden stannar kolutbytet med atmosfären. Men kol på vår planet, även om den upptar en cell i det periodiska systemet, är annorlunda. Det finns tre kolisotoper på jorden, två stabila - 12C och 13C och en radioaktiv, sönderfallande - 14C. Så länge en organisme lever är förhållandet mellan stabila och radioaktiva isotoper i det samma som i atmosfären. Så snart kolväxlingen upphör börjar mängden av den instabila isotopen 14C (radiokolväten) minska på grund av sönderfall och förhållandet ändras. Efter cirka 5700 år halveras mängden radiokarbon, en process som kallas halveringstid.
Radiokarbon föds i den övre atmosfären från kväve, och sedan förvandlas det till kväve i processen med radioaktivt förfall
Kampanjvideo:
wikimedia.org
Radionkolonneringsmetoden utvecklades av Willard Libby. Inledningsvis antog han att förhållandet mellan kolisotoper i atmosfären i tid och rymd inte förändras, och förhållandet mellan isotoper i levande organismer motsvarar förhållandet i atmosfären. Om så är fallet, kan vi genom att mäta detta förhållande i det tillgängliga arkeologiska provet bestämma när det motsvarade atmosfäriska. Eller få den så kallade "oändlig ålder" om det inte finns något radiokol i provet.
Metoden tillåter inte att titta långt in i det förflutna. Det teoretiska djupet är 70 000 år (13 halveringstider). Ungefär denna tid kommer det instabila kolet att ruttna helt. Men den praktiska gränsen är 50 000-60 000 år. Det är inte längre möjligt, utrustningens noggrannhet tillåter inte. De kan mäta åldern på "Ismannen", men det är inte längre möjligt att undersöka planetens historia innan människans uppträdande och till exempel bestämma åldern på resterna av dinosaurier. Dessutom är radiokolmetoden en av de mest kritiserade. Kontroversen kring linne i Turin och analysen av metoden för att bestämma relikvets ålder är bara en av illustrationerna av brist på denna metod. Vad är argumentet för kontaminering av prover med en kolisotop efter avslutandet av kolutbytet med atmosfären. Det är inte alltid säkert att objektet som tas för analys är helt fritt för kol,introduceras efter till exempel bakterier och mikroorganismer som har bosatt sig på ämnet.
Det är värt att notera att efter början av metodens användning visade det sig att förhållandet mellan isotoper i atmosfären förändrades över tid. Därför behövde forskare skapa en så kallad kalibreringsskala, på vilken förändringar i innehållet av radiokol i atmosfären noteras under åren. För detta togs föremål, vars datering är känt. Dendrochronology, en vetenskap baserad på studiet av trädringar av trä, kom till hjälp av forskare.
I början nämnde vi att det finns sällsynta fall när denna metod gäller för föremål av icke-biologiskt ursprung. Ett typiskt exempel är forntida byggnader, i den murbruk som quicklime CaO användes. I kombination med vatten och koldioxid i atmosfären omvandlades kalk till kalciumkarbonat CaCO3. I detta fall stannade kolutbytet med atmosfären från det ögonblick som murbruk härdat. På detta sätt kan du bestämma åldern för många forntida byggnader.
Rester av dinosaurier och antika växter
Låt oss nu prata om dinosaurier. Som ni vet, dinosauriernas era var en relativt liten (naturligtvis med hjälp av jordens geologiska historia) tid, som varade 186 miljoner år. Den mesozoiska eran, som den betecknas i vår geokronologiska skala, började för cirka 252 miljoner år sedan och slutade för 66 miljoner år sedan. Samtidigt delade forskare det med säkerhet in i tre perioder: triass, jura och krita. Och för var och en har de identifierat sina egna dinosaurier. Men hur? Trots allt är radiokolmetoden inte tillämplig under sådana perioder. I de flesta fall bestäms åldern på resterna av dinosaurier, andra forntida varelser, såväl som antika växter av den tid då stenar hittades. Om resterna av en dinosaurie hittades i klipporna i Upper Triassic, och detta är 237-201 miljoner år sedan, så levde dinosaurien vid den tiden. Nu är frågan,hur man bestämmer åldern på dessa stenar?
Dinosaur förblir i forntida sten
terrain.org
Vi har redan sagt att radiokolmetoden inte bara kan användas för att bestämma åldern för föremål av biologiskt ursprung. Men kolisotopen har för kort halveringstid, och för att bestämma åldern på samma geologiska bergarter är det inte tillämpligt. Denna metod, även om den är den mest kända, är bara en av metoderna för radioisotopdating. Det finns andra isotoper i naturen vars halveringstid är längre och känd. Och mineraler som kan användas för att åldras, till exempel zirkon.
Det är ett mycket användbart mineral för åldersbestämning med uran-bly-datering. Utgångspunkten för att bestämma åldern kommer att vara kristallisationsmomentet av zirkon, liknar det biologiska föremålets dödsmoment med radiokolmetoden. Zirkonkristaller är vanligtvis radioaktiva, eftersom de innehåller föroreningar av radioaktiva element och framför allt uranisotoper. Förresten, radiokolmetoden kan också kallas kol-kväve-metoden, eftersom kol-isotopens sönderfallsprodukt är kväve. Men vilka av kväveatomerna i provet bildades som ett resultat av förfall, och vilka som var där till en början, kan forskare inte fastställa. Därför, till skillnad från andra radioisotopmetoder, är det så viktigt att känna till förändringen i koncentrationen av radiokol i planetens atmosfär.
Zirkonkristall
wikimedia.org
När det gäller uran-bly-metoden är sönderfallsprodukten en isotop, vilket är intressant eftersom det inte kunde ha varit i provet tidigare eller dess ursprungliga koncentration först kändes. Forskare uppskattar sönderfallstiden för två isotoper av uran, vars förfall slutar med bildandet av två olika isotoper av bly. Det vill säga förhållandet mellan koncentrationen av de initiala isotoperna och dotterprodukterna bestäms. Radioisotopmetoder tillämpas av forskare på stolliga bergarter och visar tiden som har gått sedan stelningen.
Jorden och andra himmelkroppar
Andra metoder används för att bestämma ålder för geologiska bergarter: kalium-argon, argon-argon, bly-bly. Tack vare det sistnämnda var det möjligt att bestämma tidpunkten för bildandet av solsystemets planeter och följaktligen vår planets ålder, eftersom det tros att alla planeter i systemet bildades nästan samtidigt. 1953 mätte den amerikanska geokemisten Clare Patterson förhållandet mellan blyisotoper i prover av en meteorit som föll cirka 20-40 tusen år i det territorium som nu ockuperades av staten Arizona. Resultatet var en förfining av uppskattningen av jordens ålder till 4.550 miljarder år. Analys av terrestriska bergarter ger också siffror av liknande ordning. Så stenar som upptäcktes vid Hudsonbukten i Kanada är 4,28 miljarder år gamla. Och ligger också i Kanada grå gnejs (stenar,kemiskt likadana graniter och lerskiffer), som under lång tid hade ledningen i ålder, hade en uppskattning av 3,92 till 4,03 miljarder år. Denna metod är tillämplig på allt vi kan "nå" i solsystemet. Analys av prover av månklippor som fördes till jorden visade att deras ålder är 4,47 miljarder år.
Men med stjärnorna är allt helt annorlunda. De är långt ifrån oss. Att få en bit av en stjärna för att mäta sin ålder är orealistiskt. Men ändå vet forskare (eller är säkra) att till exempel den närmaste stjärnan till oss, Proxima Centauri, bara är lite äldre än vår sol: den är 4,85 miljarder år gammal, solen är 4,57 miljarder år gammal. Men natthimlen diamant, Sirius, är en tonåring: han är cirka 230 miljoner år gammal. North Star är ännu mindre: 70-80 miljoner år gammal. Relativt sett tänkte Sirius på himlen i början av dinosauriernas era och North Star redan i slutet. Så hur vet forskarna åldern på stjärnorna?
Vi kan inte ta emot något från avlägsna stjärnor utom deras ljus. Men det här är redan mycket. I själva verket är detta stjärnstycket som låter dig bestämma dess kemiska sammansättning. Att veta vad en stjärna är gjord av är nödvändigt för att bestämma dess ålder. Under deras livstid utvecklas stjärnor och går genom alla stadier från protostar till vita dvärgar. Som ett resultat av termonukleära reaktioner som inträffar i stjärnan förändras ständigt sammansättningen av elementen i den.
Omedelbart efter födseln faller stjärnan i den så kallade huvudsekvensen. Huvudsekvensstjärnor (inklusive vår sol) består huvudsakligen av väte och helium. Under termonukleära reaktioner av väteutbränning i kärnan i en stjärna ökar halten helium. Vätebränningsstadiet är den längsta perioden i en stjärns livslängd. I detta skede är stjärnan cirka 90% av den tid som tilldelas den. Hastigheten att passera genom etapperna beror på stjärnans massa: ju större den är, desto snabbare drar stjärnan ihop och desto snabbare "brinner den ut". Stjärnan förblir i huvudsekvensen så länge väte brinner ut i sin kärna. Varaktigheten för de återstående stegen, vid vilka de tyngre elementen bränner ut, är mindre än 10%. Ju äldre en stjärna i huvudsekvensen är, desto mer helium och mindre väte innehåller den.
För ett par hundra år sedan verkade det som om vi aldrig skulle kunna ta reda på sammansättningen av stjärnorna. Men upptäckten av spektralanalys i mitten av 1800-talet gav forskare ett kraftfullt verktyg för att studera avlägsna föremål. Men först förstörde Isaac Newton i början av 1700-talet med hjälp av ett prisma vitt ljus till separata komponenter i olika färger - solspektrumet. 100 år senare, 1802, tittade den engelska forskaren William Wollaston noggrant på solspektrumet och upptäckte smala mörka linjer i det. Han fäster inte mycket vikt vid dem. Men snart undersöker den tyska fysikern och optikern Josef Fraunhofer dem och beskriver dem i detalj. Dessutom förklarar han dem genom absorption av strålar genom gaserna i solens atmosfär. Förutom solspektrumet studerar han spektrumet Venus och Sirius och finner liknande linjer där. De finns också nära konstgjorda ljuskällor. Och först 1859 genomförde de tyska kemisterna Gustav Kirchhoff och Robert Bunsen en serie experiment, vilket resulterade i slutsatsen att varje kemiskt element har sin egen linje i spektrumet. Och därför kan, enligt spektrumet av himmelkroppar, dras slutsatser om deras sammansättning.
Solfotosfärspektrum och Fraunhofer absorptionslinjer
wikimedia.org
Metoden antogs omedelbart av forskare. Och snart upptäcktes ett okänt element i solens sammansättning, som inte hittades på jorden. Det var helium (från "helios" - solen). Först lite senare upptäcktes det på jorden.
Vår sol är 73,46% väte och 24,85% helium, andelen andra element är obetydlig. Förresten, det finns också metaller bland dem, som inte talar så mycket om åldern, utan snarare om "ärftigheten" hos vår stjärna. Solen är en ung tredje generationens stjärna, vilket innebär att den bildades av det som återstår av stjärnorna i första och andra generationen. Det vill säga de stjärnor i kärnorna som dessa metaller syntetiserades. I solen har detta av uppenbara skäl inte hänt ännu. Solens sammansättning tillåter oss att säga att den är 4,57 miljarder år gammal. Vid en ålder av 12,2 miljarder år kommer solen att lämna huvudsekvensen och bli en röd jätte, men långt innan detta ögonblick kommer livet på jorden att vara omöjligt.
Huvudbefolkningen i vår Galaxy är stjärnor. Galaxens ålder bestäms av de äldsta föremål som har upptäckts. Idag är de äldsta stjärnorna i galaxen den röda jätten HE 1523-0901 och Methuselah Star, eller HD 140283. Båda stjärnorna är i riktning mot konstellationen Vågen, och deras ålder uppskattas till cirka 13,2 miljarder år.
Förresten, HE 1523-0901 och HD 140283 är inte bara mycket gamla stjärnor, de är stjärnor i den andra generationen, som har ett obetydligt metallinnehåll i sin sammansättning. Det vill säga stjärnorna som tillhör den generation som föregick vår sol och dess "kamrater".
Ett annat äldsta föremål är, enligt vissa uppskattningar, det globulära stjärnklustret NGC6397, vars stjärnor är 13,4 miljarder år gamla. I detta fall beräknas forskarna av intervallet mellan bildandet av den första generationen av stjärnor och födelsen av den andra till 200-300 miljoner år. Dessa studier gör det möjligt för forskare att hävda att vår Galaxy är 13,2-13,6 miljarder år gammal.
Universum
Liksom med galaxen kan universumets ålder antas genom att bestämma hur gamla dess äldsta föremål är. Hittills anses galaxen GN-z11, som ligger i riktning mot konstellationen Ursa Major, som den äldsta bland de föremål som vi känner till. Ljuset från galaxen tog 13,4 miljarder år, vilket betyder att det släpptes 400 miljoner år efter Big Bang. Och om ljus har kommit så långt, kan universum inte ha en mindre ålder. Men hur bestämdes detta datum?
För 2016 är galaxen GN-z11 det mest avlägsna kända objektet i universum.
wikimedia.org
Siffran 11 i beteckningen på galaxen indikerar att den har en rödförskjutning av z = 11.1. Ju högre indikator, desto längre objektet kommer från oss, desto längre gick ljuset från det och ju äldre objektet. Den tidigare åldersmästaren, Egsy8p7-galaxen, har en rödförskjutning på z = 8,68 (13,1 miljarder ljusår bort från oss). Utmanaren till senioriteten är galaxen UDFj-39546284, har förmodligen z = 11,9, men detta har ännu inte bekräftats fullt ut. Universum kan inte ha en ålder mindre än dessa objekt.
Lite tidigare pratade vi om spektra av stjärnor, som bestämmer sammansättningen av deras kemiska element. I spektrumet för en stjärna eller galax, som rör sig bort från oss, är det en förskjutning i spektralinjerna för kemiska element till den röda (långvåg) sidan. Ju längre ett objekt kommer från oss, desto större är dess rödrift. Förskjutningen av linjer till den violetta (kortvågsidan), på grund av ett föremålsinstrument, kallas blå eller violettskift. En förklaring till detta fenomen är den allestädes närvarande Doppler-effekten. De förklarar till exempel sänkning av tonen för siren på en förbipasserande bil eller ljudet från motorn i ett flygplan. Arbetet för de flesta kameror för att fixa kränkningar är baserat på Doppler-effekten.
Spektrala linjer har flyttats till den röda sidan
wikimedia.org
Så det är känt att universum expanderar. Och genom att veta hastigheten för dess expansion kan du bestämma universumets ålder. Konstanten som visar hur snabbt två galaxer, åtskilda med ett avstånd på 1 Mpc (megaparsek), flyger i olika riktningar, kallas Hubble-konstanten. Men för att bestämma universums ålder behövde forskare veta dess täthet och sammansättning. För detta ändamål skickades rymdobservatorierna WMAP (NASA) och Planck (Europeiska rymdorganisationen) ut i rymden. WMAP-uppgifterna gjorde det möjligt att bestämma universums ålder vid 13,75 miljarder år. Data från en europeisk satellit som sjösattes åtta år senare gjorde det möjligt att förfina de nödvändiga parametrarna och universumets ålder bestämdes till 13,81 miljarder år.
Space Observatory Planck
esa.int
Sergey Sobol
