[Перевод] Спросите Итана: откуда нам известен возраст Солнечной системы?
Представление художника о молодой звезде, окружённой протопланетным диском. У протопланетных дисков, принадлежащих солнцеподобным звёздам, есть множество неизвестных свойств, включая и элементарную сегрегацию различных типов атомов
Миллиарды лет назад, в каком-то забытом уголке Млечного Пути, молекулярное облако, не отличающееся от множества остальных, сжалось и сформировало новые звёзды. Одна из них появилась в относительной изоляции, собирая материал из окружающего её протопланетного диска, который, в итоге, превратился в наше Солнце, восемь планет и всю остальную Солнечную систему. Сегодня учёные заявляют, что Солнечной системе 4,6 млрд лет, плюс-минус несколько миллионов. Но откуда мы это знаем? Равен ли возраст, допустим, Земли и Солнца? Именно это хочет узнать наш читатель:
Откуда нам известен возраст Солнечной системы? Я весьма смутно представляю себе процесс измерения возраста камня с тех пор, как он был жидким, но примерно 4,5 млрд лет назад Тейя столкнулась с протоземлёй, сделав жидким практически всё. Откуда мы знаем, что мы определяем возраст Солнечной системы, а не просто находим десятки новых способов определения даты столкновения с Тейей?
Отличный вопрос, полный нюансов –, но наука справится с такой задачей. Вот вам история того, как всё было.
Разрывы, комки материи, спиральные формы и другие асимметрии демонстрируют свидетельства происходящего формирования планет в протопланетном диске вокруг Elias 2–27. Однако какой возраст окажется у различных компонентов системы, которые сформируются в итоге, в общем случае сказать нельзя.
Нам довольно многое известно по поводу возраста и происхождения нашей Солнечной системы. Мы очень многое узнали, наблюдая за формированием других звёзд, изучая удалённые регионы зарождения звёзд, измеряя протопланетные диски, наблюдая за тем, как звёзды проходят различные этапы жизненного цикла, и т.д. Но каждая система развивается по своему, и здесь, в нашей Солнечной системе, через миллиарды лет после появления Солнца и планет остались лишь выжившие объекты.
Изначально все звёзды формируются из предзвёздной туманности, собирающей вместе материю, с объёмным внешним слоем, остающимся холодным, где собираются аморфные силикаты, углеродные компоненты и лёд. Как только в предзвёздной туманности появляется протозвезда, а потом и настоящая звезда, этот внешний материал начинает притягиваться и формировать более крупные комки.
Со временем комки вырастают, перемещаются ближе к центру, взаимодействуют, сливаются, сдвигаются и, возможно, даже выбрасывают друг друга из системы. За промежуток времени от сотен тысяч до миллионов лет после появления звезды появляются и планеты — на космических масштабах это довольно быстро. И хотя, вероятно, в Солнечной системе было множество промежуточных объектов, по прошествии нескольких миллионов лет Солнечная система стала выглядеть очень похоже на то, что мы имеем сегодня.
Но в ней могли быть и очень важные отличия. Тут мог существовать пятый газовый гигант; четыре оставшихся у нас гиганта могли быть гораздо ближе к Солнцу, и затем отодвинуться дальше; и, что самое важное, между Венерой и Марсом, скорее всего, был не один, а два мира: Протоземля и меньший мир размером с Марс, Тейя. Гораздо позже, возможно, через десятки миллионов лет после формирования других планет, Земля и Тейя столкнулись.
Модель ударного формирования постулирует, что тело размером с Марс столкнулось с ранней Землёй, а осколки, не упавшие обратно, сформировали Луну. Земля и Луна, в результате, должны быть моложе остальной Солнечной системы.
Именно в этом столкновении, как мы подозреваем, и появилась Луна: мы называем это явление гипотезой гигантского столкновения. Схожесть лунных камней, привезённых миссией «Аполло», с земным составом, заставило нас подозревать, что Луна сформировалась из Земли. Другие каменистые планеты, которым подозрительно не хватает крупных спутников, скорее всего, не пережили таких крупных столкновений в своей истории.
Газовые гиганты, обладая гораздо большей массой, чем остальные, смогли удержать водород и гелий (самые лёгкие элементы), существовавшие, когда Солнечная система только начала формироваться; с других миров большую часть этих элементов сдуло. Благодаря слишком большой энергии Солнца и недостаточно сильной для их удержания гравитации, Солнечная система начала принимать известную нам сегодня форму.
Иллюстрация молодой звёздной системы Бета Живописца, в чём-то аналогичной нашей Солнечной системе, во время её формирования. Внутренние миры не смогут удержать водород и гелий, если только не будут достаточно массивными.
Но теперь уже прошли миллиарды лет. Откуда нам известен возраст Солнечной системы? Совпадает ли возраст Земли с возрастом других планет; можем ли мы обнаружить эту разницу?
Самый точный ответ, как это ни удивительно, даёт геофизика. И это не обязательно означает «физику Земли», это может быть физика всяческих камней, минералов и твёрдых тел. Все такие объекты содержат множество элементов периодической таблицы, и различные плотности и составы соответствуют тому, в каком месте Солнечной системы, в смысле расстояния от Солнца, они сформировались.
Плотности разных тел Солнечной системы. Заметьте взаимосвязь между плотностью и расстоянием от Солнца
Это говорит о том, что различные планеты, астероиды, луны, объекты пояса Койпера, и т.п. должны состоять из различных материалов. Тяжёлые элементы периодической таблицы, к примеру, должны в основном присутствовать на Меркурии, а не, допустим, Церере, которая, в свою очередь, должна быть богаче Плутона. Но думается, что универсальным должен быть процент различных изотопов одних и тех же элементов.
При формировании Солнечной системы в ней должен сохраняться определённая пропорция, допустим, углерода-12 к углероду-13 и к углероду-14. У углерода-14 по космическим меркам маленький период полураспада (несколько тысяч лет), поэтому весь доисторический углерод-14 уже исчез. Но углерод-12 и углерод-13 стабильны, и значит, что при обнаружении углерода по всей Солнечной системе у него должно быть одно и то же относительное содержание изотопов. Это касается всех стабильных и нестабильных элементов, и изотопов Солнечной системы.
Количество элементов в сегодняшней Вселенной, измеренное по нашей Солнечной системе
Поскольку Солнечной системе уже миллиарды лет, мы можем искать изотопы с периодами полураспада в миллиарды лет. Со временем эти изотопы будут распадаться, и изучая пропорции продуктов распада по отношению к изначальному оставшемуся материалу, мы можем определить, сколько времени прошло с момента формирования этих объектов. Для этой цели наиболее надёжными элементами будут уран и торий. У урана есть два основных, встречающихся в природе изотопа, U-238 и U-235, и они отличаются продуктами и скоростью распада, однако, находящимися в пределах миллиардов лет. У тория наиболее полезным изотопом оказывается Th-232.
Но самое интересное — лучшее свидетельство возраста Земли и Солнечной системы обнаруживается вовсе не на Земле!
Рисунок художника с изображением столкновения, которое 466 млн лет назад породило множество падающих сегодня метеоритов
На Землю падало достаточно много метеоритов, и мы измерили и проанализировали их состав по элементам и изотопам. Главным образом мы наблюдаем за свинцом: отношение Pb-207 к Pb-206 меняется со временем из-за распада U-235 (что приводит к появлению Pb-207) и U-238 (откуда появляется Pb-206). Расценивая Землю и метеориты как части одной развивавшейся системы — то есть, что отношения количества изотопов в них должны быть одинаковыми — мы можем посмотреть на самые старые из найденных на Земле свинцовых руд, чтобы подсчитать возраст Земли, метеоритов и Солнечной системы.
Это довольно неплохая оценка, дающая нам цифру порядка 4,54 млрд лет. Погрешность оценки не превышает 1%, но это всё же неопределённость размером в десятки миллионов лет.
Метеорный дождь Леониды 1997 года, вид из космоса. Когда метеоры сталкиваются с верхней частью атмосферы Земли, они сгорают и порождают яркие чёрточки и вспышки света, которые мы связываем с метеорными дождями. Иногда падающий камень оказывается достаточно большим, чтобы достичь поверхности, и становится метеоритом.
Но мы можем поступить лучше, чем просто собрать всё вместе! Конечно, это даёт хорошую общую оценку, но мы думаем, что Земля и Луна моложе метеоритов.
- Мы можем изучить самые старые метеориты, или те, что демонстрируют наиболее крупное отношение изотопов свинца, чтобы попробовать оценить возраст Солнечной системы. Мы получим цифру в 4,568 млрд лет.
- Мы можем изучить лунные камни, не подверженные геологическим изменениям, какие проходили на Земле. Их возраст составляет 4,51 млрд лет.
И, наконец, мы можем проверить сами себя. Всё это было основано на предположении, что отношение U-238 к U-235 одинаково по всей Солнечной системе. Но новые свидетельства, полученные за последние 10 лет, показали, что это, вероятно, не так.
Существуют места, где U-235 обогащён на 6% больше типичного значения. Согласно Грегори Бреннеке:
С 1950-х, или даже ещё раньше, никто не мог обнаружить разницы в пропорциях урана. Теперь мы смогли найти небольшие различия. И это была проблемой для нескольких людей в области геохронологии. Чтобы точно сказать, что нам известен возраст Солнечной системы на основании возраста камней, они обязательно должны совпадать друг с другом.
Но два года назад было обнаружено решение проблемы: ещё один элемент играет свою роль. Кюрий, элемент более тяжёлый и с меньшим периодом полураспада, чем даже плутоний, при распаде превращается в U-235, что объясняет эти различия. В результате погрешность [определения возраста] составляет всего несколько миллионов лет.
Протопланетные диски, из которых, как считается, формируются звёздные системы, со временем соберутся в планеты, как на рисунке. Важно понять, что центральная звезда, отдельные планеты и оставшийся изначальный материал (который, к примеру, может превратиться в астероиды), могут отличаться по возрасту на десятки миллионов лет.
Так что, в целом, мы можем сказать, что старейший из известных нам в Солнечной системе твёрдых материалов датируется 4,568 млрд лет, с погрешностью в 1 млн лет. Земля и Луна примерно на 60 млн лет моложе, они приняли свою окончательную форму позже. Кроме того, мы не можем узнать это, изучая только Землю.
Но Солнце, как ни удивительно, может быть немного старше, поскольку его появление должно предшествовать появлению твёрдых объектов, составляющих остальные компоненты Солнечной системы. Солнце может быть на десятки миллионов лет старше самых старых камней Солнечной системы, возможно, приближаясь к отметке в 4,6 млрд лет. Главное — искать все ответы за пределами Земли. По иронии, это единственный способ точно узнать возраст нашей собственной планеты!
