Fragen Sie Ethan: Woher kennen wir das Alter des Sonnensystems?

Die Idee des Künstlers von einem jungen Stern, umgeben von einer protoplanetaren Scheibe. Protoplanetare Scheiben, die zu sonnenähnlichen Sternen gehören, haben viele unbekannte Eigenschaften, einschließlich der elementaren Trennung verschiedener Arten von Atomen

Vor Milliarden von Jahren zog sich in einer vergessenen Ecke der Milchstraße eine Molekülwolke, die sich nicht von vielen anderen unterscheidet, zusammen und bildete neue Sterne. Einer von ihnen erschien relativ isoliert und sammelte Material von der ihn umgebenden protoplanetaren Scheibe, die sich in unsere Sonne, acht Planeten und den Rest des Sonnensystems verwandelte. Heute sagen Wissenschaftler, dass das Sonnensystem 4,6 Milliarden Jahre alt ist, plus oder minus mehrere Millionen. Aber woher wissen wir das? Ist das Alter von beispielsweise Erde und Sonne gleich? Genau das möchte unser Leser wissen:

Woher kennen wir das Alter des Sonnensystems? Ich stelle mir sehr vage vor, wie man das Alter eines Steins misst, seit er flüssig ist, aber vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kollidierte Teia mit der Protoerde und machte fast alles flüssig. Woher wissen wir, dass wir das Alter des Sonnensystems bestimmen und nicht nur Dutzende neuer Wege finden, um das Datum einer Kollision mit Theia zu bestimmen?

Eine großartige Frage voller Nuancen - aber die Wissenschaft wird eine solche Aufgabe bewältigen. Hier ist die Geschichte, wie es war.


Lücken, Materieklumpen, Spiralformen und andere Asymmetrien zeigen Hinweise auf eine fortlaufende Planetenbildung in der protoplanetaren Scheibe um Elias 2-27 . Wie alt die verschiedenen Komponenten des Systems sein werden, die sich dadurch bilden, kann im allgemeinen Fall nicht gesagt werden.

Wir wissen ziemlich viel über das Alter und den Ursprung unseres Sonnensystems. Wir haben viel gelernt, indem wir die Bildung anderer Sterne beobachtet, entfernte Regionen der Sternkeimbildung untersucht, protoplanetare Scheiben gemessen, beobachtet haben, wie Sterne verschiedene Phasen des Lebenszyklus durchlaufen usw. Aber jedes System entwickelt sich auf seine Weise, und hier, in unserem Sonnensystem, bleiben Milliarden von Jahren nach dem Erscheinen der Sonne und der Planeten nur noch überlebende Objekte übrig.

Anfänglich werden alle Sterne aus einem Vornebel gebildet, der Materie zusammen sammelt, wobei die äußere Außenschicht kalt bleibt, wo amorphe Silikate, Kohlenstoffkomponenten und Eis gesammelt werden. Sobald ein Protostern im Prä-Nebel-Nebel und dann ein echter Stern erscheint, beginnt dieses äußere Material, größere Klumpen anzuziehen und zu bilden.


Mit der Zeit wachsen die Klumpen, rücken näher an das Zentrum heran, interagieren, verschmelzen, bewegen sich und werfen sich möglicherweise sogar gegenseitig aus dem System. Über einen Zeitraum von Hunderttausenden bis Millionen von Jahren nach dem Erscheinen eines Sterns erscheinen auch Planeten - im kosmischen Maßstab ist es ziemlich schnell. Und obwohl es wahrscheinlich viele Zwischenobjekte im Sonnensystem gab, sah das Sonnensystem nach einigen Millionen Jahren sehr ähnlich aus wie heute.

Aber es könnte sehr wichtige Unterschiede geben. Es hätte einen fünften Gasriesen geben können; Die vier Riesen, die bei uns blieben, könnten der Sonne viel näher sein und sich dann weiter bewegen. und vor allem zwischen Venus und Mars gab es höchstwahrscheinlich nicht eine, sondern zwei Welten: Proto-Erde und eine kleinere Welt von der Größe des Mars, Teia. Viel später, vielleicht zig Millionen Jahre nach der Bildung anderer Planeten, kollidierten die Erde und Teia.


Das Schockbildungsmodell postuliert, dass ein Körper von der Größe des Mars mit der frühen Erde kollidierte und Fragmente, die nicht zurückfielen, den Mond bildeten. Erde und Mond müssen daher jünger sein als der Rest des Sonnensystems.

Wie wir vermuten, ist bei dieser Kollision der Mond erschienen: Wir nennen dieses Phänomen die Hypothese einer riesigen Kollision. Die Ähnlichkeit der von der Apollo-Mission mitgebrachten Mondsteine ​​mit der Erdzusammensetzung ließ uns vermuten, dass der Mond aus der Erde geformt wurde. Andere felsige Planeten, denen verdächtig große Satelliten fehlen, haben solche großen Zusammenstöße in ihrer Geschichte höchstwahrscheinlich nicht überlebt.

Die Gasriesen, die eine viel größere Masse als die anderen besaßen, konnten Wasserstoff und Helium (die leichtesten Elemente) zurückhalten, die existierten, als sich das Sonnensystem erst zu bilden begann; Aus anderen Welten wurden die meisten dieser Elemente weggeblasen. Aufgrund der zu großen Energie der Sonne und nicht stark genug, um die Schwerkraft zu halten, nahm das Sonnensystem die Form an, die wir heute kennen.


Illustration des jungen Sternensystems des Beta-Malers , ähnlich wie unser Sonnensystem, während seiner Entstehung. Innere Welten können Wasserstoff und Helium nur dann zurückhalten, wenn sie massiv genug sind.

Aber jetzt sind Milliarden von Jahren vergangen. Woher kennen wir das Alter des Sonnensystems? Stimmt das Alter der Erde mit dem Alter anderer Planeten überein? Können wir diesen Unterschied feststellen?

Überraschenderweise gibt die Geophysik die genaueste Antwort. Und dies bedeutet nicht unbedingt "Physik der Erde", sondern kann die Physik aller Arten von Steinen, Mineralien und Festkörpern sein. Alle diese Objekte enthalten viele Elemente des Periodensystems, und verschiedene Dichten und Zusammensetzungen entsprechen dem Ort, an dem sie sich im Sonnensystem im Sinne der Entfernung von der Sonne gebildet haben.


Dichte verschiedener Körper des Sonnensystems. Beachten Sie die Beziehung zwischen Dichte und Entfernung von der Sonne

Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Planeten, Asteroiden, Monde, Kuipergürtelobjekte usw. sollte aus verschiedenen Materialien bestehen. Die schweren Elemente des Periodensystems sollten zum Beispiel hauptsächlich auf Merkur vorhanden sein und nicht etwa auf Ceres, das wiederum reicher sein sollte als Pluto. Es scheint jedoch, dass der Prozentsatz verschiedener Isotope derselben Elemente universell sein sollte.

Bei der Bildung des Sonnensystems sollte ein gewisser Anteil von beispielsweise Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 darin erhalten bleiben. Kohlenstoff-14 hat nach kosmischen Maßstäben eine kurze Halbwertszeit (mehrere tausend Jahre), so dass der gesamte prähistorische Kohlenstoff-14 bereits verschwunden ist. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 sind jedoch stabil, was bedeutet, dass Kohlenstoff, wenn er im gesamten Sonnensystem nachgewiesen wird, den gleichen relativen Isotopengehalt aufweisen muss. Dies gilt für alle stabilen und instabilen Elemente sowie für Isotope des Sonnensystems.


Die Anzahl der Elemente im heutigen Universum, gemessen von unserem Sonnensystem

Da das Sonnensystem bereits Milliarden Jahre alt ist, können wir nach Isotopen mit einer Halbwertszeit von Milliarden von Jahren suchen. Mit der Zeit zerfallen diese Isotope, und indem wir die Anteile der Zerfallsprodukte relativ zum ursprünglichen verbleibenden Material untersuchen, können wir feststellen, wie viel Zeit seit der Bildung dieser Objekte vergangen ist. Zu diesem Zweck sind Uran und Thorium die zuverlässigsten Elemente. Uran hat zwei Hauptisotope in der Natur, U-238 und U-235, und sie unterscheiden sich in Produkten und Zerfallsrate jedoch innerhalb von Milliarden von Jahren. In Thorium ist Th-232 das nützlichste Isotop.

Aber das Interessanteste - der beste Beweis für das Alter der Erde und des Sonnensystems ist auf der Erde überhaupt nicht zu finden!


Künstlerzeichnung mit einer Kollision, die vor 466 Millionen Jahren viele Meteoriten verursachte, die heute fallen

Viele Meteoriten fielen auf die Erde, und wir haben ihre Zusammensetzung anhand von Elementen und Isotopen gemessen und analysiert. Wir beobachten hauptsächlich Blei : Das Verhältnis von Pb-207 zu Pb-206 ändert sich im Laufe der Zeit aufgrund des Zerfalls von U-235 (was zum Auftreten von Pb-207 führt) und U-238 (woher kommt Pb-206). Wenn wir die Erde und die Meteoriten als Teil eines sich entwickelnden Systems betrachten - das heißt, dass die Verhältnisse der Anzahl der Isotope in ihnen gleich sein müssen -, können wir das älteste der auf der Erde gefundenen Bleierze betrachten, um das Alter der Erde, der Meteoriten und des Sonnensystems zu berechnen.

Dies ist eine ziemlich gute Schätzung, die uns eine Zahl in der Größenordnung von 4,54 Milliarden Jahren ergibt. Der Schätzfehler überschreitet nicht 1%, ist aber immer noch eine Unsicherheit von mehreren zehn Millionen Jahren.


1997 Leonids Meteorschauer, Blick aus dem Weltraum. Wenn Meteore mit dem oberen Teil der Erdatmosphäre kollidieren, brennen sie aus und verursachen helle Linien und Lichtblitze, die wir mit Meteorschauern assoziieren. Manchmal ist ein fallender Stein groß genug, um die Oberfläche zu erreichen, und wird zum Meteoriten.

Aber wir können es besser machen, als alles zusammenzufügen! Dies ergibt natürlich eine gute Gesamtbewertung, aber wir denken, dass die Erde und der Mond jünger als Meteoriten sind.

• Wir können die ältesten Meteoriten oder diejenigen, die den größten Anteil an Bleiisotopen aufweisen, untersuchen, um zu versuchen, das Alter des Sonnensystems abzuschätzen. Wir erhalten eine Zahl von 4,568 Milliarden Jahren.
• Wir können Mondsteine ​​untersuchen, die nicht den geologischen Veränderungen auf der Erde unterliegen. Ihr Alter beträgt 4,51 Milliarden Jahre .

Und schließlich können wir uns selbst testen. All dies beruhte auf der Annahme, dass das Verhältnis von U-238 zu U-235 im gesamten Sonnensystem gleich ist. Neue Erkenntnisse aus den letzten 10 Jahren haben jedoch gezeigt, dass dies wahrscheinlich nicht der Fall ist.



Es gibt Orte, an denen U-235 um 6% mehr als der typische Wert angereichert ist. Laut Gregory Brenneke:

Seit den 1950er Jahren oder noch früher konnte niemand Unterschiede in den Urananteilen feststellen. Jetzt konnten wir kleine Unterschiede feststellen. Und dies war ein Problem für mehrere Personen auf dem Gebiet der Geochronologie. Um sicher zu sein, dass wir das Alter des Sonnensystems anhand des Alters der Steine ​​kennen, müssen sie notwendigerweise miteinander übereinstimmen.

Vor zwei Jahren wurde jedoch eine Lösung für das Problem gefunden: Ein anderes Element spielt eine Rolle. Curium , ein Element, das schwerer und kürzer als Plutonium ist, verwandelt sich während des Zerfalls in U-235, was diese Unterschiede erklärt. Infolgedessen beträgt der Fehler [Altersbestimmung] nur wenige Millionen Jahre.


Protoplanetare Scheiben, von denen angenommen wird, dass Sternsysteme gebildet werden, werden sich schließlich wie in der Abbildung zu Planeten zusammensetzen. Es ist wichtig zu verstehen, dass der Zentralstern, einzelne Planeten und das verbleibende Originalmaterial (das sich beispielsweise in Asteroiden verwandeln kann) sich im Alter um mehrere zehn Millionen Jahre unterscheiden können.

Im Allgemeinen können wir also sagen, dass der älteste der uns im Sonnensystem bekannten festen Materialien 4,568 Milliarden Jahre zurückliegt, mit einem Fehler von 1 Million Jahren. Erde und Mond sind etwa 60 Millionen Jahre jünger, sie haben später ihre endgültige Form angenommen. Außerdem können wir es nicht herausfinden, indem wir nur die Erde studieren.

Überraschenderweise kann die Sonne jedoch etwas älter sein, da ihr Aussehen dem Erscheinen fester Objekte vorausgehen sollte, aus denen die verbleibenden Komponenten des Sonnensystems bestehen. Die Sonne ist möglicherweise mehrere zehn Millionen Jahre älter als die ältesten Steine ​​im Sonnensystem und nähert sich möglicherweise der 4,6-Milliarden-Marke. Die Hauptsache ist, nach allen Antworten außerhalb der Erde zu suchen. Ironischerweise ist dies der einzige Weg, das genaue Alter unseres eigenen Planeten zu kennen!