Tanyakan Ethan: Bagaimana kita tahu umur tata surya?

Ide artis tentang bintang muda yang dikelilingi oleh piringan protoplanet. Disk protoplanet milik bintang seperti matahari memiliki banyak sifat yang tidak diketahui, termasuk pemisahan elementer dari berbagai jenis atom

Miliaran tahun yang lalu, di beberapa sudut Bimasakti yang terlupakan, awan molekul, yang tidak berbeda dari banyak lainnya, berkontraksi dan membentuk bintang-bintang baru. Salah satu dari mereka muncul dalam isolasi relatif, mengumpulkan materi dari piringan protoplanet yang mengelilinginya, yang, sebagai hasilnya, berubah menjadi Matahari kita, delapan planet dan sisanya dari tata surya. Saat ini, para ilmuwan mengatakan tata surya berusia 4,6 miliar tahun, plus atau minus beberapa juta. Tapi bagaimana kita tahu itu? Apakah usia, katakanlah, Bumi dan Matahari sama? Inilah yang ingin diketahui oleh pembaca kami:

Bagaimana kita tahu umur tata surya? Saya sangat samar membayangkan proses mengukur usia batu sejak itu cair, tetapi sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu Teia bertabrakan dengan bumi proto, membuat hampir semuanya cair. Bagaimana kita tahu bahwa kita menentukan usia tata surya, dan tidak hanya menemukan lusinan cara baru untuk menentukan tanggal tabrakan dengan Theia?

Sebuah pertanyaan besar, penuh nuansa - tetapi sains akan mengatasi tugas semacam itu. Ini adalah kisah bagaimana itu terjadi.


Celah, gumpalan materi, bentuk spiral, dan asimetri lainnya menunjukkan bukti pembentukan planet yang sedang berlangsung di cakram protoplanet di sekitar Elias 2-27 . Namun, berapakah usia dalam berbagai komponen sistem yang akan terbentuk sebagai hasilnya, dalam kasus umum tidak dapat dikatakan.

Kita tahu banyak tentang umur dan asal usul tata surya kita. Kami belajar banyak dengan mengamati pembentukan bintang-bintang lain, mempelajari daerah terpencil dari nukleasi bintang, mengukur cakram protoplanet, mengamati bagaimana bintang melewati berbagai tahap siklus kehidupan, dll. Tetapi setiap sistem berkembang dengan caranya sendiri, dan di sini, di tata surya kita, miliaran tahun setelah kemunculan Matahari dan planet-planet, hanya benda-benda yang masih hidup yang tersisa.

Awalnya, semua bintang terbentuk dari nebula pra-nebula, yang mengumpulkan materi bersama-sama, dengan lapisan luar massal tetap dingin, di mana silikat amorf, komponen karbon, dan es dikumpulkan. Segera setelah protobintang muncul di pra-nebula nebula, dan kemudian bintang nyata, materi eksternal ini mulai menarik dan membentuk gumpalan yang lebih besar.


Seiring waktu, benjolan tumbuh, bergerak lebih dekat ke pusat, berinteraksi, bergabung, bergerak, dan mungkin bahkan saling membuang keluar dari sistem. Selama periode waktu dari ratusan ribu hingga jutaan tahun setelah kemunculan bintang, planet-planet juga muncul - dalam skala kosmik itu cukup cepat. Dan meskipun mungkin ada banyak objek perantara di Tata Surya, setelah beberapa juta tahun Tata Surya mulai terlihat sangat mirip dengan yang kita miliki saat ini.

Tetapi mungkin ada perbedaan yang sangat penting di dalamnya. Mungkin ada raksasa gas kelima; empat raksasa yang tetap bersama kita bisa lebih dekat ke Matahari, dan kemudian bergerak lebih jauh; dan, yang paling penting, antara Venus dan Mars, kemungkinan besar tidak ada satu, tetapi dua dunia: Proto-Earth dan dunia yang lebih kecil seukuran Mars, Teia. Jauh kemudian, mungkin puluhan juta tahun setelah pembentukan planet lain, Bumi dan Teia bertabrakan.


Model pembentukan syok mendalilkan bahwa tubuh seukuran Mars bertabrakan dengan Bumi awal, dan fragmen yang tidak jatuh kembali membentuk bulan. Bumi dan Bulan, sebagai akibatnya, harus lebih muda daripada bagian Tata Surya lainnya.

Dalam tabrakan ini, seperti yang kita duga, bulan muncul: kita menyebut fenomena ini hipotesis dari tabrakan raksasa. Kesamaan batu bulan yang dibawa oleh misi Apollo dengan komposisi bumi membuat kami curiga bahwa bulan terbentuk dari Bumi. Planet berbatu lain yang curiga kekurangan satelit besar kemungkinan besar tidak bertahan dari bentrokan besar seperti itu dalam sejarah mereka.

Raksasa gas, yang memiliki massa jauh lebih besar daripada yang lain, mampu mempertahankan hidrogen dan helium (unsur paling ringan) yang ada ketika tata surya baru mulai terbentuk; dari dunia lain, sebagian besar unsur-unsur ini terpesona. Karena terlalu banyak energi matahari dan tidak cukup kuat untuk menahan gravitasi, tata surya mulai mengambil bentuk yang kita kenal sekarang.


Ilustrasi sistem bintang muda dari Beta Painter , dalam sesuatu yang mirip dengan tata surya kita, selama pembentukannya. Dunia batin tidak akan mampu mempertahankan hidrogen dan helium, kecuali mereka cukup besar.

Tetapi sekarang miliaran tahun telah berlalu. Bagaimana kita tahu umur tata surya? Apakah usia Bumi bertepatan dengan usia planet lain; dapatkah kita mendeteksi perbedaan ini?

Anehnya, geofisika memberikan jawaban paling akurat. Dan ini tidak selalu berarti "fisika Bumi," itu bisa menjadi fisika dari semua jenis batu, mineral, dan padatan. Semua objek tersebut mengandung banyak elemen dari tabel periodik, dan berbagai kepadatan dan komposisi sesuai dengan tempat di tata surya, dalam arti jarak dari matahari, mereka terbentuk.


Kepadatan tubuh yang berbeda dari tata surya. Perhatikan hubungan antara kerapatan dan jarak dari matahari

Ini menunjukkan bahwa berbagai planet, asteroid, bulan, objek sabuk Kuiper, dll. harus terdiri dari berbagai bahan. Unsur-unsur berat tabel periodik, misalnya, terutama harus ada pada Merkurius, dan tidak, katakanlah, Ceres, yang, pada gilirannya, harus lebih kaya daripada Pluto. Tetapi tampaknya persentase isotop yang berbeda dari unsur yang sama harus bersifat universal.

Ketika membentuk tata surya, proporsi tertentu, katakanlah, karbon-12 sampai karbon-13 dan karbon-14 harus dipertahankan di dalamnya. Karbon-14, menurut standar kosmik, memiliki waktu paruh yang pendek (beberapa ribu tahun), sehingga semua karbon-14 prasejarah telah hilang. Tetapi karbon-12 dan karbon-13 stabil, yang berarti bahwa ketika karbon terdeteksi di seluruh tata surya, ia harus memiliki kandungan isotop relatif yang sama. Ini berlaku untuk semua elemen yang stabil dan tidak stabil, dan isotop tata surya.


Jumlah elemen di alam semesta saat ini, diukur oleh tata surya kita

Karena tata surya sudah berusia milyaran tahun, kita dapat mencari isotop dengan waktu paruh miliaran tahun. Seiring waktu, isotop ini akan membusuk, dan dengan mempelajari proporsi produk peluruhan relatif terhadap bahan asli yang tersisa, kita dapat menentukan berapa banyak waktu yang telah berlalu sejak pembentukan benda-benda ini. Untuk tujuan ini, uranium dan thorium akan menjadi elemen yang paling dapat diandalkan. Uranium memiliki dua isotop utama yang ditemukan di alam, U-238 dan U-235, dan mereka berbeda dalam produk dan tingkat peluruhan, dalam miliaran tahun. Di thorium, Th-232 adalah isotop yang paling berguna.

Tetapi yang paling menarik - bukti terbaik dari umur Bumi dan tata surya tidak ditemukan di Bumi sama sekali!


Gambar artis menggambarkan tabrakan yang 466 juta tahun lalu memunculkan banyak meteorit jatuh hari ini

Cukup banyak meteorit jatuh ke Bumi, dan kami mengukur dan menganalisis komposisi mereka dengan elemen dan isotop. Kami terutama mengamati timbal : rasio Pb-207 ke Pb-206 berubah seiring waktu karena peluruhan U-235 (yang mengarah pada penampilan Pb-207) dan U-238 (dari mana Pb-206 berasal). Mengenai Bumi dan meteorit sebagai bagian dari satu sistem yang berkembang - yaitu, bahwa rasio jumlah isotop di dalamnya harus sama - kita dapat melihat bijih timah tertua yang ditemukan di Bumi untuk menghitung usia Bumi, meteorit, dan tata surya.

Ini adalah perkiraan yang cukup bagus, memberi kita gambaran urutan 4,54 miliar tahun. Kesalahan estimasi tidak melebihi 1%, tetapi masih merupakan ketidakpastian puluhan juta tahun.


1997 Hujan meteor Leonids , pemandangan dari luar angkasa. Ketika meteor bertabrakan dengan bagian atas atmosfer Bumi, meteor terbakar dan menimbulkan garis-garis terang dan kilatan cahaya yang kita kaitkan dengan hujan meteor. Terkadang batu yang jatuh cukup besar untuk mencapai permukaan dan menjadi meteorit.

Tapi kita bisa melakukan yang lebih baik daripada hanya menyatukan semuanya! Tentu saja, ini memberikan penilaian keseluruhan yang baik, tetapi kami berpikir bahwa Bumi dan Bulan lebih muda dari meteorit.

• Kita dapat mempelajari meteorit tertua , atau yang menunjukkan rasio isotop timbal terbesar, untuk mencoba memperkirakan usia tata surya. Kami mendapatkan angka 4,568 miliar tahun.
• Kita dapat mempelajari batu bulan yang tidak mengalami perubahan geologis yang terjadi di Bumi. Usia mereka 4,51 miliar tahun .

Dan akhirnya, kita bisa menguji diri kita sendiri. Semua ini didasarkan pada asumsi bahwa rasio U-238 ke U-235 adalah sama di seluruh tata surya. Tetapi bukti baru dari 10 tahun terakhir telah menunjukkan bahwa ini mungkin tidak terjadi.



Ada tempat di mana U-235 diperkaya dengan 6% lebih dari nilai tipikal. Menurut Gregory Brenneke:

Sejak 1950-an, atau bahkan lebih awal, tidak ada yang mampu mendeteksi perbedaan dalam proporsi uranium. Sekarang kami dapat menemukan perbedaan kecil. Dan ini merupakan masalah bagi beberapa orang di bidang geokronologi. Untuk mengatakan dengan pasti bahwa kita mengetahui usia tata surya berdasarkan usia batu, mereka harus bertepatan satu sama lain.

Tapi dua tahun lalu, solusi untuk masalah itu ditemukan: elemen lain berperan. Kurium , suatu unsur yang lebih berat dan dengan waktu paruh lebih pendek daripada plutonium, berubah menjadi U-235 selama peluruhan, yang menjelaskan perbedaan-perbedaan ini. Akibatnya, kesalahan [penentuan usia] hanya beberapa juta tahun.


Disk protoplanet, dari mana diyakini bahwa sistem bintang terbentuk, pada akhirnya akan berkumpul menjadi planet-planet, seperti pada gambar. Penting untuk dipahami bahwa bintang pusat, planet individual, dan bahan asli yang tersisa (yang, misalnya, dapat berubah menjadi asteroid) dapat berbeda dalam usia puluhan juta tahun.

Jadi, secara umum, kita dapat mengatakan bahwa bahan padat tertua yang kita kenal di Tata Surya berasal dari 4.568 miliar tahun, dengan kesalahan 1 juta tahun. Bumi dan Bulan sekitar 60 juta tahun lebih muda, mereka mengambil bentuk terakhirnya nanti. Selain itu, kita tidak dapat mengetahuinya dengan hanya mempelajari Bumi.

Namun, Matahari, mungkin, sedikit lebih tua, karena penampilannya harus mendahului penampilan benda padat yang membentuk komponen yang tersisa dari tata surya. Matahari mungkin berusia puluhan juta tahun lebih tua dari batu tertua di tata surya, mungkin mendekati tanda 4,6 miliar. Hal utama adalah mencari semua jawaban di luar Bumi. Ironisnya, ini adalah satu-satunya cara untuk mengetahui usia tepat planet kita sendiri!