问伊森:我们如何知道太阳系的年龄?


艺术家的想法是,一颗年轻的恒星被原行星盘包围。 属于类太阳恒星的原行星盘具有许多未知的特性,包括各种原子的基本分离

数十亿年前,在银河系某个被遗忘的角落,与其他分子没有什么不同的分子云收缩并形成了新的恒星。 其中一个相对孤立地出现,从围绕它的原行星盘收集物质,结果变成了我们的太阳,八个行星和太阳系的其余部分。 如今,科学家说,太阳系已有46亿年的历史,正负数百万年。 但是我们怎么知道呢? 举例来说,地球与太阳的年龄相等吗? 这正是我们的读者想知道的:
我们如何知道太阳系的年龄? 我非常模糊地想象,既然是液态的,就可以测量石头的年龄,但是大约在45亿年前, Teia与原始地球相撞,几乎使一切都变成液态。 我们如何知道我们确定太阳系的年龄,而不仅仅是找到许多新方法来确定与Theia发生碰撞的日期?

一个充满细微差别的好问题-但科学将应付这样的任务。 这是它的故事。


间隙,物质团块,螺旋形状和其他不对称性表明,在埃里亚斯2-27周围的原行星盘中正在进行行星形成。 但是,结果将形成的系统各个组成部分的年龄是多少,在一般情况下不能说。

我们对太阳系的年龄和起源了解很多。 通过观察其他恒星的形成,研究恒星成核的偏远区域,测量原行星盘,观察恒星如何经历生命周期的各个阶段等,我们学到了很多东西。 但是每个系统都是以自己的方式发展的,在这里,在我们的太阳系中,太阳和行星出现数十亿年之后,仅存有存活的物体。

最初,所有恒星都是由前星云形成的,该星云将物质聚集在一起,而整个外层保持冷态,在那里收集了无定形硅酸盐,碳成分和冰。 一旦原恒星出现在星云前星云中,然后出现了一颗真正的恒星,这种外部物质便开始吸引并形成更大的团块。


随着时间的流逝,这些团块会增长,移近中心,进行交互,合并,移动,甚至可能相互抛出系统。 在恒星出现后的数十万到数百万年的时间里,行星也出现了-在宇宙范围内,速度非常快。 尽管太阳系中可能有很多中间物体,但在几百万年之后,太阳系开始看起来与我们今天的非常相似。

但是其中可能会有非常重要的差异。 可能会有第五家天然气巨头。 与我们在一起的四大巨人可能离太阳更近,然后又往前走。 最重要的是,在金星和火星之间,很可能没有一个世界,而是两个世界:原始地球和一个较小的世界,大小相当于火星Teia。 很久以后,大约在其他行星形成几千万年之后,地球和Teia发生了碰撞。


震动形成模型假定火星大小的物体与早期地球相撞,并且没有回落的碎片形成了月球。 结果,地球和月球必须比太阳系的其余部分年轻。

正如我们所怀疑的,正是在这次碰撞中,月亮出现了:我们称这种现象为巨大碰撞的假设。 阿波罗任务带来的月球石与地球成分的相似性使我们怀疑月亮是由地球形成的。 可疑缺乏大型卫星的其他岩石行星极有可能没有幸免于其历史上的重大冲突。

这些气体巨人的质量比其他气体大得多,它们能够保留太阳系刚刚开始形成时存在的氢和氦(最轻的元素)。 从其他世界来看,这些元素大多数都被吹走了。 由于太阳的能量过多,强度不足以承受重力,因此太阳系开始采用我们今天所知道的形式。


Beta Painter的年轻恒星系统的插图,类似于太阳系的形成过程。 除非内部世界足够大,否则它们将无法保留氢和氦。

但是现在已经过去了数十亿年。 我们如何知道太阳系的年龄? 地球的年龄是否与其他行星的年龄一致? 我们可以检测到这种差异吗?

出乎意料的是,地球物理学给出了最准确的答案。 这并不一定意味着“地球物理学”,它可以是各种石头,矿物和固体的物理学。 所有这些物体都包含元素周期表中的许多元素,从太阳到太阳的距离的意义上,各种密度和成分对应于太阳系中它们形成的位置。


太阳系不同物体的密度。 注意密度与到太阳的距离之间的关系

这表明各种行星,小行星,卫星,柯伊伯带天体等。 应该由各种材料组成。 例如,元素周期表中的重元素应主要存在于水星上,而不应存在于谷神星上,后者应比冥王星更丰富。 但是似乎相同元素的不同同位素的百分比应该是通用的。

在形成太阳系时,应保留一定比例的碳12至碳13和碳14。 按照宇宙标准,碳14的半衰期很短(数千年),因此所有史前碳14都已经消失了。 但是碳12和碳13是稳定的,这意味着当在整个太阳系中检测到碳时,它必须具有相同的相对同位素含量。 这适用于所有稳定和不稳定的元素以及太阳系的同位素。


由我们的太阳系测量的当今宇宙中元素的数量

由于太阳系已经存在了数十亿年,因此我们可以寻找具有数十亿年半衰期的同位素。 随着时间的流逝,这些同位素将衰减,并且通过研究衰减产物相对于原始剩余物质的比例,我们可以确定自这些物体形成以来已经经过了多少时间。 为此,铀和th将是最可靠的元素。 铀在自然界中发现了两种主要同位素,即U-238和U-235,但是在数十亿年内,它们的产物和衰变速率不同。 在th中,Th-232是最有用的同位素。

但是,最有趣的-根本没有在地球上找到地球和太阳系年龄的最佳证据!


艺术家的绘画描绘了4.66亿年前的碰撞导致今天坠落的许多陨石

大量的陨石落到了地球上,我们通过元素和同位素对其进行了测量和分析。 我们主要观察到铅 :由于U-235(导致Pb-207的出现)和U-238(Pb-206来自何处)的衰减,Pb-207与Pb-206的比率随时间变化。 将地球和陨石视为一个不断发展的系统的一部分-也就是说,它们中同位素的数量比必须相同-我们可以查看地球上发现的最古老的铅矿石,以计算地球,陨石和太阳系的年龄。

这是一个相当不错的估计,为我们提供了大约45.4亿年的数字。 估计误差不超过1%,但仍然是数千万年的不确定性。


1997 狮子座流星 ,从太空看。 当流星与地球大气的上部碰撞时,它们会燃烧并产生与流星雨相关的明亮的线条和闪光。 有时,一块掉落的石头足够大,可以到达地面并变成陨石。

但是我们可以做得比将所有内容放在一起要好! 当然,这提供了很好的整体评估,但是我们认为地球和月球比陨石还年轻。


最后,我们可以测试自己。 所有这些都是基于这样的假设,即整个太阳系中U-238与U-235的比率相同。 但是过去十年来的新证据表明,情况可能并非如此。



在某些地方,U-235的浓缩比典型值高6%。 格雷戈里·布伦内克(Gregory Brenneke)​​表示:
自1950年代甚至更早以来,没有人能够检测到铀比例的差异。 现在我们可以找到一些细微的差异。 对于地球年代学领域的几个人来说,这是一个问题。 为了确定我们根据石头的年龄知道太阳系的年龄,它们必须彼此一致。
但是两年前,发现了解决该问题的方法:另一个因素起作用。 decay是重于元素且半衰期甚至比even短的元素,在衰变过程中变成U-235,这解释了这些差异。 结果,误差[年龄确定]只有几百万年。


如图所示,据信形成恒星系统的原行星盘最终将组装成行星。 重要的是要了解,中央恒星,单个行星和剩余的原始物质(例如可以变成小行星的物质)的年龄可以相差数千万年。

因此,通常来说,我们可以说太阳系中我们所知道的最古老的固体材料可以追溯到45.68亿年,误差为100万年。 地球和月球大约年轻六千万年,后来才有了最终的形式。 另外,我们不能仅通过研究地球来发现。

但是,令人惊讶的是,太阳可能会更旧一些,因为它的外观应该先于构成太阳系其余部分的固体物体的外观。 太阳可能比太阳系中最古老的石头早几千万年,可能接近46亿马克。 最主要的是寻找地球以外的所有答案。 具有讽刺意味的是,这是知道我们星球确切年龄的唯一方法!

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN415845/


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