Познанието за заобикалящия ни свят е невъзможно без да се разбере епохата на историческите антики и колко дълго е съществувал самият свят - нашата Вселена. Учените са създали много методи за определяне на възрастта на археологическите находки и установяване на датите на историческите събития. Днес хронологичната хронология отбелязва както датите на изригванията на древните вулкани, така и времето на раждане на звездите, които виждаме на нощното небе. Днес ще ви разкажем за основните методи за запознанства.
Археологически находки
Когато става въпрос за ерата на археологическите находки, тогава, разбира се, всички помнят радиовъглеродния метод. Това е може би най-известният, макар и не единствен метод за датиране на антики. Известен е и с постоянната критика, на която е подложен. И така, какъв е този метод, какво и как се използва?
Като начало трябва да се каже, че този метод се използва, с много редки изключения, само за датиране на предмети и материали от биологичен произход. Тоест, епохата на всичко, което някога е било живо. Освен това говорим за датиране точно на момента на смъртта на биологичен обект. Например човек, намерен под развалините на къща, разрушена от земетресение, или дърво, срутено, за да построи кораб. В първия случай това ви позволява да определите приблизителното време на земетресението (ако не е било известно от други източници), във втория - приблизителната дата на строежа на кораба. Така, например, те датират изригване на вулкан на остров Санторини, едно от ключовите събития в древната история, възможна причина за апокалипсиса на бронзовата епоха. За анализа учените взеха клонче от маслиново дърво, намерено при разкопки на вулканична почва.
Защо има значение момента на смъртта на организма? Известно е, че въглеродните съединения формират основата на живота на нашата планета. Живите организми го получават предимно от атмосферата. Със смъртта обменът на въглерод с атмосферата спира. Но въглеродът на нашата планета, въпреки че заема една клетка от периодичната таблица, е различен. На Земята има три изотопа на въглерода, два стабилни - 12С и 13С и един радиоактивен, разпадащ се - 14С. Докато организмът е жив, съотношението на стабилни и радиоактивни изотопи в него е същото като в атмосферата. Веднага след като обменът на въглерод спре, количеството на нестабилния изотоп 14С (радиовъглерод) започва да намалява поради разпад и съотношението се променя. След около 5700 години количеството радиовъглерод се намалява наполовина, процес, наречен полуживот.
Радиовъглеродът се ражда в горната атмосфера от азот и след това той се превръща в азот в процеса на радиоактивно разпад
Промоционално видео:
wikimedia.org
Методът за радиовъглеродни датировки е разработен от Уилард Либи. Първоначално той предположи, че съотношението на въглеродните изотопи в атмосферата във времето и пространството не се променя, а съотношението на изотопите в живите организми съответства на съотношението в атмосферата. Ако е така, тогава измервайки това съотношение в наличната археологическа проба, можем да определим кога то съответства на атмосферното. Или вземете така наречената "безкрайна възраст", ако в пробата няма радиовъглерод.
Методът не позволява да се гледа далеч в миналото. Теоретичната му дълбочина е 70 000 години (13 полуживота). Приблизително за това време нестабилният въглерод ще се разпадне напълно. Но практическата граница е 50 000-60 000 години. Вече не е възможно, точността на оборудването не позволява. Те могат да измерят възрастта на „Ледения човек“, но вече не е възможно да се вникне в историята на планетата преди появата на човека и да се определи например възрастта на останките на динозаврите. Освен това радиовъглеродният метод е един от най-критикуваните. Спорът около Ториновата плащеница и анализът на метода за определяне възрастта на реликвата е само една от илюстрациите на несъвършенството на този метод. Какъв е аргументът за замърсяването на пробите с въглероден изотоп след прекратяване на обмена на въглерод с атмосферата. Не винаги е сигурно, че обектът, взет за анализ, е напълно без въглерод, т.е.въведени след, например, бактерии и микроорганизми, които са се заселили по темата.
Заслужава да се отбележи, че след началото на прилагането на метода се оказа, че съотношението на изотопите в атмосферата се променя с течение на времето. Затова учените трябваше да създадат така наречената скала за калибриране, върху която през годините да се отбележат промени в съдържанието на радиовъглерод в атмосферата. За това са взети предмети, чието датиране е известно. Dendrochronology, наука, базирана на изучаването на дървесни пръстени, дойде на помощ на учените.
В началото споменахме, че има редки случаи, когато този метод се прилага за обекти с небиологичен произход. Типичен пример са древни сгради, в хоросана за които е използван бърз вар CaO. Когато се комбинира с вода и въглероден диоксид в атмосферата, вар се превръща в калциев карбонат CaCO3. В този случай обменът на въглерод с атмосферата спира от момента, в който втвърдяването на хоросана. По този начин можете да определите възрастта на много древни сгради.
Останки от динозаври и древни растения
Сега да поговорим за динозаврите. Както знаете, ерата на динозаврите беше сравнително малък (разбира се, според стандартите на геоложката история на Земята) период от време, продължил 186 милиона години. Мезозойската ера, както е определена в геохронологичния мащаб на нашата планета, е започнала преди около 252 милиона години и е приключила преди 66 милиона години. В същото време учените го разделиха уверено на три периода: триасен, юрски и креда. И за всеки са идентифицирали собствените си динозаври. Но как? В крайна сметка радиовъглеродният метод не е приложим за такива периоди. В повечето случаи възрастта на останките на динозаври, други древни създания, както и древните растения се определя от времето, през което са открити скали. Ако останките на динозавър са били открити в скалите на Горния триас, а това е преди 237-201 милиона години, тогава динозавърът е живял по това време. Въпросът е,как да определим възрастта на тези скали?
Динозавърът остава в древна скала
terrain.org
Вече казахме, че радиовъглеродният метод може да се използва не само за определяне възрастта на обектите от биологичен произход. Но въглеродният изотоп има твърде кратък полуживот и при определяне на възрастта на същите геоложки скали той не е приложим. Този метод, макар и най-известният, е само един от методите за радиоизотопно датиране. В природата има и други изотопи, чийто полуживот е по-дълъг и известен. И минерали, които могат да се използват за стареене, като циркон.
Той е много полезен минерал за определяне на възрастта, използвайки датиране на олово-олово. Отправната точка за определяне на възрастта ще бъде момента на кристализация на циркона, подобен на момента на смъртта на биологичен обект с радиовъглеродния метод. Кристалните кристали обикновено са радиоактивни, тъй като съдържат примеси от радиоактивни елементи и най-вече изотопи на уран. Между другото, радиовъглеродният метод би могъл да се нарече също метод на въглерод-азот, тъй като продуктът на разпадане на въглеродния изотоп е азот. Но кой от азотните атоми в пробата се е образувал в резултат на разпад и кои са били там първоначално, учените не могат да определят. Следователно, за разлика от други радиоизотопни методи, е толкова важно да се знае промяната в концентрацията на радиовъглерод в атмосферата на планетата.
Кристал циркон
wikimedia.org
В случая на уран-олово методът на разпадането е изотоп, което е интересно, защото не е могло да бъде в пробата по-рано или първоначалната му концентрация е била известна първоначално. Учените оценяват времето на гниене на два изотопа на уран, разпадането на които завършва с образуването на два различни изотопа на олово. Тоест, определя се съотношението на концентрацията на първоначалните изотопи и дъщерните продукти. Радиоизотопните методи се прилагат от учените за магматични скали и показват времето, изминало от втвърдяването.
Земята и други небесни тела
Други методи се използват за определяне на възрастта на геоложките скали: калий-аргон, аргон-аргон, олово-олово. Благодарение на последното беше възможно да се определи времето на формиране на планетите на Слънчевата система и съответно възрастта на нашата планета, тъй като се смята, че всички планети в системата са формирани почти едновременно. През 1953 г. американският геохимик Клер Патерсън измерва съотношението на оловни изотопи в проби от метеорит, паднал около 20-40 хиляди години на територията, сега заета от щата Аризона. Резултатът беше прецизиране на приблизителната оценка на възрастта на Земята до 4,550 милиарда години. Анализът на земните скали също дава данни от подобен ред. И така, откритите камъни на брега на залива Хъдсън в Канада са на възраст 4,28 милиарда години. И намира се също в Канада сиви гнайси (скали,химически подобни на гранитите и глинените шисти), които дълго време държат водеща роля във възрастта, имаха приблизителна оценка от 3,92 до 4,03 милиарда години. Този метод е приложим за всичко, до което можем да "достигнем" в Слънчевата система. Анализът на пробите от лунните скали, донесени на Земята, показа, че тяхната възраст е 4.47 милиарда години.
Но със звездите всичко е напълно различно. Те са далеч от нас. Да си вземеш парче звезда, което да измери възрастта му, е нереалистично. Но въпреки това учените знаят (или са сигурни), че например най-близката до нас звезда, Проксима Кентавър, е само малко по-стара от нашето Слънце: тя е на 4,85 милиарда години, Слънцето е на 4,57 милиарда години. Но диамантът на нощното небе Сириус е юноша: той е на около 230 милиона години. Северната звезда е още по-малко: 70-80 милиона години. Сравнително казано, Сириус светеше на небето в началото на ерата на динозаврите, а Северната звезда вече в края. И така, как учените знаят възрастта на звездите?
Не можем да получим нищо от далечни звезди, освен светлината им. Но това вече е много. Всъщност това е парчето на звездата, което ви позволява да определите нейния химичен състав. Знаейки от какво е направена звезда е необходимо, за да се определи нейната възраст. По време на живота си звездите се развиват, преминавайки през всички етапи от протостари до бели джуджета. В резултат на възникнали термоядрени реакции в звездата, съставът на елементите в нея постоянно се променя.
Веднага след раждането звездата попада в така наречената основна последователност. Звездите на основната последователност (включително нашето Слънце) са съставени предимно от водород и хелий. В хода на термоядрените реакции на изгарянето на водород съдържанието на хелий в сърцевината на звездата се увеличава. Етапът на изгаряне на водород е най-дългият период в живота на звезда. На този етап звездата е около 90% от времето, отредено за нея. Скоростта на преминаване през етапите зависи от масата на звездата: колкото по-голяма е тя, толкова по-бързо звездата се свива и по-бързо тя "изгаря". Звездата остава на основната последователност, докато водородът изгаря в сърцевината си. Продължителността на останалите етапи, на които изгарят по-тежките елементи, е по-малка от 10%. По този начин, колкото по-стара е звездата в основната последователност, толкова повече хелий и по-малко водород съдържа.
Преди няколкостотин години изглеждаше, че никога няма да успеем да разберем състава на звездите. Но откритието на спектралния анализ в средата на 19 век даде на учените мощен инструмент за изучаване на далечни обекти. Но първо, Исаак Нютон в началото на 18 век с помощта на призмата разлага бяла светлина на отделни компоненти от различни цветове - слънчевия спектър. 100 години по-късно, през 1802 г., английският учен Уилям Уолъстън погледна внимателно слънчевия спектър и откри тесни тъмни линии в него. Той не им придаваше голямо значение. Но скоро немският физик и оптик Йозеф Фраунхофер ги изследва и описва подробно. Освен това той ги обяснява с поглъщането на лъчите от газовете на атмосферата на Слънцето. В допълнение към слънчевия спектър той изучава спектъра на Венера и Сириус и намира подобни линии там. Те също се намират в близост до изкуствени източници на светлина. И едва през 1859 г. германските химици Густав Кирхоф и Робърт Бунсън провеждат серия от експерименти, в резултат на които се прави изводът, че всеки химичен елемент има своя собствена линия в спектъра. И следователно, според спектъра на небесните тела, могат да се правят изводи за техния състав.
Соларен фотосферен спектър и поглъщащи линии по Fraunhofer
wikimedia.org
Методът веднага е приет от учените. И скоро в състава на Слънцето беше открит неизвестен елемент, който не беше открит на Земята. Беше хелий (от "helios" - слънцето). Едва малко по-късно той е открит на Земята.
Нашето Слънце е 73,46% водород и 24,85% хелий, съотношението на останалите елементи е незначително. Между другото, сред тях има метали, което говори не толкова за епохата, колкото за "наследствеността" на нашата звезда. Слънцето е млада звезда от трето поколение, което означава, че тя се е образувала от останките на звездите от първо и второ поколение. Тоест онези звезди, в ядрата на които са синтезирани тези метали. На Слънцето по очевидни причини това все още не се е случило. Съставът на Слънцето ни позволява да кажем, че е на 4,57 милиарда години. До възрастта на 12,2 милиарда години Слънцето ще напусне основната последователност и ще се превърне в червен гигант, но много преди този момент животът на Земята ще бъде невъзможен.
Основното население на нашата Галактика са звезди. Възрастта на Галактиката се определя от най-старите обекти, които са били открити. Днес най-старите звезди в Галактиката са червеният гигант HE 1523-0901 и звездата Метусела, или HD 140283. И двете звезди са в посока на съзвездието Везни, а възрастта им се изчислява на около 13,2 милиарда години.
Между другото, HE 1523-0901 и HD 140283 не са само много стари звезди, те са звезди от второ поколение, които имат незначително метално съдържание. Тоест звездите, принадлежащи към поколението, предшестващо нашето Слънце и неговите „връстници“.
Друг най-стар обект, според някои оценки, е кълбовидният звезден клъстер NGC6397, чиито звезди са на възраст 13,4 милиарда години. В този случай интервалът между образуването на първото поколение звезди и раждането на второто се оценява от изследователите на 200-300 милиона години. Тези изследвания позволяват на учените да твърдят, че нашата Галактика е на 13,2-13,6 милиарда години.
вселена
Както при Галактиката, възрастта на Вселената може да се предположи чрез определяне на колко години са най-старите й обекти. Към днешна дата галактиката GN-z11, разположена в посока на съзвездието Урса Майор, се счита за най-старата сред познатите ни обекти. Светлината от галактиката отне 13,4 милиарда години, което означава, че е излъчена 400 милиона години след Големия взрив. И ако светлината е изминала толкова дълъг път, тогава Вселената не може да има по-малка възраст. Но как беше определена тази дата?
За 2016 г. галактиката GN-z11 е най-далечният известен обект във Вселената.
wikimedia.org
Числото 11 в обозначението на галактиката показва, че тя има червено изместване на z = 11.1. Колкото по-висок е този показател, толкова по-далеч е обектът от нас, толкова по-дълго светлината преминава от него и по-възрастният обект. Предишният възрастов шампион, галактиката Egsy8p7, има червено изместване на z = 8.68 (13.1 милиарда светлинни години отдалечени от нас). Претендентът за старшинство е галактиката UDFj-39546284, вероятно има z = 11,9, но това все още не е напълно потвърдено. Вселената не може да има възраст по-малка от тези обекти.
Малко по-рано говорихме за спектрите на звездите, които определят състава на техните химични елементи. В спектъра на звезда или галактика, който се отдалечава от нас, се наблюдава изместване на спектралните линии на химичните елементи към червената (дълговълнова) страна. Колкото по-нататък един обект е от нас, толкова по-голямо е червеното му изместване. Преместването на линиите към виолетовата (късоволна) страна, поради приближаването на обект, се нарича синьо или виолетово изместване. Едно от обясненията за това явление е повсеместният ефект на Доплер. Те например обясняват понижаването на тона на сирената на преминаваща кола или звука на двигателя на летящ самолет. Работата на повечето камери за коригиране на нарушенията се основава на ефекта на Доплер.
Спектралните линии са се изместили към червената страна
wikimedia.org
Значи, известно е, че Вселената се разширява. И знаейки скоростта на нейното разширяване, можете да определите възрастта на Вселената. Константата, показваща колко бързо две галактики, разделени на разстояние от 1 Mpc (мегапарсек), летят в различни посоки, се нарича константа на Хъбъл. Но за да определят възрастта на Вселената, учените трябваше да знаят нейната плътност и състав. За тази цел в космоса бяха изпратени космическите обсерватории WMAP (НАСА) и Планк (Европейска космическа агенция). Данните за WMAP позволиха да се определи възрастта на Вселената на 13,75 милиарда години. Данните от европейски сателит, изстреляни осем години по-късно, дават възможност за прецизиране на необходимите параметри, а възрастта на Вселената е определена на 13,81 милиарда години.
Космическа обсерватория Планк
esa.int
Сергей Собол
