Pergunte a Ethan: Como sabemos a idade do sistema solar?

A idéia do artista de uma jovem estrela cercada por um disco protoplanetário. Discos protoplanetários pertencentes a estrelas semelhantes ao sol têm muitas propriedades desconhecidas, incluindo segregação elementar de vários tipos de átomos

Há bilhões de anos, em algum canto esquecido da Via Láctea, uma nuvem molecular, não diferente de muitas outras, contraiu e formou novas estrelas. Um deles apareceu em relativo isolamento, coletando material do disco protoplanetário ao seu redor, que, como resultado, transformou em nosso Sol, oito planetas e o restante do sistema Solar. Hoje, os cientistas dizem que o sistema solar tem 4,6 bilhões de anos, mais ou menos vários milhões. Mas como sabemos disso? A idade da Terra e do Sol é igual? É exatamente isso que nosso leitor deseja saber:

Como sabemos a idade do sistema solar? Imagino muito vagamente o processo de medir a idade de uma pedra, uma vez que era líquida, mas há cerca de 4,5 bilhões de anos atrás Teia colidiu com a proto-terra, tornando quase tudo líquido. Como sabemos que determinamos a idade do sistema solar, e não apenas encontramos dezenas de novas maneiras de determinar a data de uma colisão com Theia?

Uma ótima pergunta, cheia de nuances - mas a ciência vai lidar com essa tarefa. Aqui está a história de como foi.


Lacunas, pedaços de matéria, formas espirais e outras assimetrias mostram evidências de formação planetária contínua no disco protoplanetário em torno de Elias 2-27 . No entanto, qual será a idade nos vários componentes do sistema que se formarão como resultado, no caso geral, não pode ser dito.

Sabemos muito sobre a idade e origem do nosso sistema solar. Aprendemos muito observando a formação de outras estrelas, estudando regiões remotas da nucleação de estrelas, medindo discos protoplanetários, observando como as estrelas passam por vários estágios do ciclo de vida, etc. Mas cada sistema se desenvolve à sua maneira, e aqui, em nosso sistema solar, bilhões de anos após o aparecimento do Sol e dos planetas, apenas os objetos sobreviventes permanecem.

Inicialmente, todas as estrelas são formadas a partir de uma nebulosa pré-nebular, que coleta a matéria, mantendo a camada externa a granel fria, onde são coletados silicatos amorfos, componentes de carbono e gelo. Assim que um protoestrela aparece na nebulosa pré-nebulosa e depois uma estrela real, esse material externo começa a atrair e formar aglomerados maiores.


Com o tempo, os nódulos crescem, se aproximam do centro, interagem, se fundem, se movem e, possivelmente, até se jogam fora do sistema. Durante um período de tempo de centenas de milhares a milhões de anos após o aparecimento de uma estrela, os planetas também aparecem - em uma escala cósmica é bastante rápido. E, embora provavelmente existam muitos objetos intermediários no Sistema Solar, após vários milhões de anos, o Sistema Solar começou a parecer muito semelhante ao que temos hoje.

Mas pode haver diferenças muito importantes nisso. Poderia ter havido um quinto gigante do gás; os quatro gigantes que permaneceram conosco poderiam estar muito mais próximos do Sol e depois se mover mais; e, o mais importante, entre Vênus e Marte, provavelmente não havia um, mas dois mundos: a Proto-Terra e um mundo menor do tamanho de Marte, Teia. Muito mais tarde, talvez dezenas de milhões de anos após a formação de outros planetas, a Terra e Teia colidiram.


O modelo de formação de choque postula que um corpo do tamanho de Marte colidiu com a Terra primitiva e fragmentos que não caíram para trás formaram a lua. A Terra e a Lua, como resultado, devem ser mais jovens que o resto do Sistema Solar.

É nessa colisão, como suspeitamos, que a Lua apareceu: chamamos esse fenômeno de hipótese de uma colisão gigante. A semelhança das pedras lunares trazidas pela missão Apollo com a composição da terra nos fez suspeitar que a lua foi formada a partir da Terra. Outros planetas rochosos que, suspeitosamente, não possuem grandes satélites provavelmente não sobreviveram a conflitos tão importantes em sua história.

Os gigantes gasosos, possuindo uma massa muito maior que o restante, foram capazes de reter hidrogênio e hélio (os elementos mais leves) que existiam quando o sistema solar apenas começou a se formar; de outros mundos, a maioria desses elementos foi deslumbrada. Devido à muita energia do sol e não forte o suficiente para manter a gravidade, o sistema solar começou a tomar a forma que conhecemos hoje.


Ilustração do jovem sistema estelar do Beta Painter , em algo semelhante ao nosso sistema solar, durante sua formação. Os mundos interiores não serão capazes de reter hidrogênio e hélio, a menos que sejam maciços o suficiente.

Mas agora bilhões de anos se passaram. Como sabemos a idade do sistema solar? A idade da Terra coincide com a idade de outros planetas; podemos detectar essa diferença?

Surpreendentemente, a geofísica fornece a resposta mais precisa. E isso não significa necessariamente "física da Terra", pode ser a física de todos os tipos de pedras, minerais e sólidos. Todos esses objetos contêm muitos elementos da tabela periódica, e várias densidades e composições correspondem a onde no sistema solar, no sentido da distância do sol, se formaram.


Densidades de diferentes corpos do sistema solar. Observe a relação entre densidade e distância do sol

Isso sugere que vários planetas, asteróides, luas, objetos do cinturão de Kuiper, etc. deve consistir em vários materiais. Os elementos pesados ​​da tabela periódica, por exemplo, devem estar presentes principalmente em Mercúrio, e não, por exemplo, Ceres, que, por sua vez, devem ser mais ricos que Plutão. Mas parece que a porcentagem de diferentes isótopos dos mesmos elementos deve ser universal.

Ao formar o sistema solar, uma certa proporção de, digamos, carbono 12 a carbono 13 e carbono 14 deve ser preservada nele. O carbono-14, pelos padrões cósmicos, tem uma meia-vida curta (vários milhares de anos); portanto, todo o carbono-14 pré-histórico já desapareceu. Mas o carbono 12 e o carbono 13 são estáveis, o que significa que, quando o carbono é detectado em todo o sistema solar, ele deve ter o mesmo conteúdo relativo de isótopos. Isso se aplica a todos os elementos estáveis ​​e instáveis ​​e isótopos do sistema solar.


O número de elementos no universo de hoje, medido pelo nosso sistema solar

Como o sistema solar já tem bilhões de anos, podemos procurar isótopos com meia-vida de bilhões de anos. Com o tempo, esses isótopos decaem e, estudando as proporções dos produtos em decomposição em relação ao material restante original, podemos determinar quanto tempo se passou desde a formação desses objetos. Para esse fim, urânio e tório serão os elementos mais confiáveis. O urânio possui dois isótopos principais encontrados na natureza, o U-238 e o U-235, e eles diferem em produtos e taxa de decaimento, no entanto, em bilhões de anos. No tório, o Th-232 é o isótopo mais útil.

Mas o mais interessante - a melhor evidência da idade da Terra e do sistema solar não é encontrada na Terra!


Desenho do artista que descreve uma colisão que 466 milhões de anos atrás deu origem a muitos meteoritos que caem hoje

Muitos meteoritos caíram na Terra e medimos e analisamos sua composição por elementos e isótopos. Observamos principalmente chumbo : a proporção de Pb-207 para Pb-206 muda ao longo do tempo devido ao decaimento do U-235 (que leva ao aparecimento do Pb-207) e do U-238 (de onde vem o Pb-206). Em relação à Terra e aos meteoritos como parte de um sistema em evolução - ou seja, que as proporções do número de isótopos neles devem ser os mesmos - podemos observar o minério de chumbo mais antigo encontrado na Terra para calcular a idade da Terra, meteoritos e sistema solar.

Essa é uma estimativa bastante boa, dando-nos uma figura da ordem de 4,54 bilhões de anos. O erro de estimativa não excede 1%, mas ainda é uma incerteza de dezenas de milhões de anos.


1997 Chuva de meteoros de Leonids , vista do espaço. Quando os meteoros colidem com a parte superior da atmosfera da Terra, eles queimam e dão origem a linhas brilhantes e flashes de luz que associamos às chuvas de meteoros. Às vezes, uma pedra que cai é grande o suficiente para alcançar a superfície e se torna um meteorito.

Mas podemos fazer melhor do que apenas juntar tudo! Obviamente, isso dá uma boa avaliação geral, mas achamos que a Terra e a Lua são mais jovens que os meteoritos.

• Podemos estudar os meteoritos mais antigos , ou aqueles que mostram a maior proporção de isótopos de chumbo, para tentar estimar a idade do sistema solar. Temos um valor de 4.568 bilhões de anos.
• Podemos estudar pedras da lua que não estão sujeitas às mudanças geológicas que ocorreram na Terra. A idade deles é de 4,51 bilhões de anos .

E, finalmente, podemos testar a nós mesmos. Tudo isso foi baseado no pressuposto de que a proporção de U-238 para U-235 é a mesma em todo o sistema solar. Mas novas evidências dos últimos 10 anos mostraram que esse provavelmente não é o caso.



Há lugares onde o U-235 é enriquecido em 6% a mais do que o valor típico. De acordo com Gregory Brenneke:

Desde a década de 1950, ou mesmo antes, ninguém foi capaz de detectar diferenças nas proporções de urânio. Agora conseguimos encontrar pequenas diferenças. E isso foi um problema para várias pessoas no campo da geocronologia. Para dizer com certeza que sabemos a idade do sistema solar com base na idade das pedras, elas devem necessariamente coincidir uma com a outra.

Mas há dois anos, uma solução para o problema foi descoberta: outro elemento desempenha um papel. O cúrio , um elemento mais pesado e com uma meia-vida mais curta que o plutônio, se transforma no U-235 durante a decadência, o que explica essas diferenças. Como resultado, o erro [determinação da idade] é de apenas alguns milhões de anos.


Os discos protoplanetários, dos quais se acredita que os sistemas estelares são formados, acabarão se reunindo em planetas, como na figura. É importante entender que a estrela central, os planetas individuais e o material original restante (que, por exemplo, podem se transformar em asteróides) podem diferir na idade em dezenas de milhões de anos.

Portanto, em geral, podemos dizer que o mais antigo dos materiais sólidos que conhecemos no Sistema Solar remonta a 4.568 bilhões de anos, com um erro de 1 milhão de anos. A Terra e a Lua são cerca de 60 milhões de anos mais jovens, elas assumiram sua forma final mais tarde. Além disso, não podemos descobrir estudando apenas a Terra.

Mas o Sol, surpreendentemente, pode ser um pouco mais antigo, pois sua aparência deve preceder a aparência de objetos sólidos que compõem os componentes restantes do sistema solar. O sol pode ser dezenas de milhões de anos mais antigo que as pedras mais antigas do sistema solar, possivelmente chegando à marca de 4,6 bilhões. O principal é procurar todas as respostas fora da Terra. Ironicamente, esta é a única maneira de conhecer a idade exata de nosso próprio planeta!