Poznanie okolitého sveta je nemožné bez pochopenia veku historických starožitností a toho, ako dlho samotný svet - náš vesmír - existuje. Vedci vytvorili mnoho metód na určenie veku archeologických nálezov a stanovenie dátumov historických udalostí. Chronologická časová os dnes predstavuje dátum erupcie starovekých sopiek a čas narodenia hviezd, ktoré vidíme na nočnej oblohe. Dnes vám povieme o hlavných metódach zoznamovania.
Archeologické nálezy
Pokiaľ ide o vek archeologických nálezov, potom si samozrejme každý pamätá metódu rádioaktívneho uhlia. Toto je možno najslávnejšia, hoci nie jediná metóda datovania starožitností. Známy aj pre neustálu kritiku, ktorej je vystavený. Čo je táto metóda, čo a ako sa používa?
Na úvod treba povedať, že táto metóda sa až na zriedkavé výnimky používa iba na datovanie objektov a materiálov biologického pôvodu. To znamená vek všetkého, čo bolo kedysi nažive. Okrem toho hovoríme o presnom dátume okamihu smrti biologického objektu. Napríklad osoba nájdená v troskách domu zničeného zemetrasením alebo strom vyťažený na stavbu lode. V prvom prípade vám to umožňuje určiť približný čas zemetrasenia (ak to nebolo známe z iných zdrojov), v druhom - približný dátum stavby lode. Napríklad datovali sopečnú erupciu na ostrove Santorini, jednu z kľúčových udalostí v starej histórii, možnú príčinu apokalypsy z doby bronzovej. Pre analýzu vedci vzali vetvu olivovníka nájdenú pri vykopávkach sopečnej pôdy.
Prečo je dôležitý okamih smrti organizmu? O zlúčeninách uhlíka je známe, že tvoria základ života na našej planéte. Živé organizmy ho získavajú predovšetkým z atmosféry. So smrťou sa výmena uhlíka s atmosférou zastaví. Ale uhlík na našej planéte, hoci zaberá jednu bunku periodickej tabuľky, je iný. Na Zemi sú tri uhlíkové izotopy, dva stabilné - 12C a 13C a jeden rádioaktívny, rozpadajúci sa - 14C. Pokiaľ je organizmus nažive, pomer stabilných a rádioaktívnych izotopov v ňom je rovnaký ako v atmosfére. Hneď ako sa výmena uhlíka zastaví, množstvo nestabilného izotopu 14C (rádioaktívny uhlík) začne klesať v dôsledku rozkladu a zmeny pomeru. Po asi 5700 rokoch sa množstvo rádioaktívneho uhlia zníži na polovicu, čo je proces nazývaný polčas.
V hornej atmosfére sa rádioaktívny uhlík rodí z dusíka, ktorý sa v procese rádioaktívneho rozkladu premení na dusík
Propagačné video:
wikimedia.org
Rádiokarbónová datovacia metóda bola vyvinutá Willardom Libbym. Spočiatku navrhol, že pomer izotopov uhlíka v atmosfére v čase a priestore sa nemení, a pomer izotopov v živých organizmoch zodpovedá pomeru v atmosfére. Ak je to tak, potom zmeraním tohto pomeru v dostupnej archeologickej vzorke môžeme určiť, kedy zodpovedá atmosférickej. Alebo získajte tzv. „Nekonečný vek“, ak vo vzorke nie je rádioaktívny uhlík.
Táto metóda neumožňuje nahliadnuť do minulosti. Jeho teoretická hĺbka je 70 000 rokov (13 polčasov). Okolo tohto času sa nestabilný uhlík úplne rozpadne. Praktický limit je však 50 000 - 60 000 rokov. Presnosť zariadenia už nie je možná. Môžu merať vek „Ľadového muža“, ale už nie je možné nahliadnuť do histórie planéty pred objavením sa človeka a určiť napríklad vek zvyškov dinosaurov. Okrem toho je rádiokarbónová metóda jednou z najviac kritizovaných. Kontroverzia okolo Turínskeho plátna a analýza metódy na určenie veku relikvie sú iba jednou z ilustrácií nedokonalosti tejto metódy. Aký je argument o kontaminácii vzoriek izotopom uhlíka po ukončení výmeny uhlíka s atmosférou. Nie je vždy isté, či predmet, ktorý sa berie do úvahy, je úplne bez uhlíka,zavedené po napríklad baktériách a mikroorganizmoch, ktoré sa na predmete usadili.
Je potrebné poznamenať, že po začiatku uplatňovania tejto metódy sa ukázalo, že pomer izotopov v atmosfére sa v priebehu času menil. Preto vedci potrebovali vytvoriť takzvanú kalibračnú stupnicu, v ktorej sa v priebehu rokov zaznamená zmena obsahu rádioaktívneho uhlia v atmosfére. Za týmto účelom boli odobraté predmety, ktorých dátumové údaje sú známe. Dendrochronológia, veda založená na štúdiu drevených krúžkov z dreva, prišla na pomoc vedcom.
Na začiatku sme uviedli, že v zriedkavých prípadoch sa táto metóda uplatňuje na objekty nebiologického pôvodu. Typickým príkladom sú starobylé budovy, v ktorých boli použité malty na báze vápna. Po zmiešaní s vodou a oxidom uhličitým v atmosfére sa vápno premenilo na uhličitan vápenatý CaCO3. V tomto prípade sa výmena uhlíka s atmosférou zastavila od momentu, keď malta stvrdla. Týmto spôsobom môžete určiť vek mnohých starobylých budov.
Zvyšky dinosaurov a prastarých rastlín
Teraz sa porozprávajte o dinosauroch. Ako viete, obdobie dinosaurov bolo relatívne malé (samozrejme, podľa štandardov geologickej histórie Zeme) časové obdobie, ktoré trvalo 186 miliónov rokov. Mesozoická éra, tak ako je určená v geochronologickom meradle našej planéty, sa začala asi pred 252 miliónmi rokov a skončila pred 66 miliónmi rokov. Zároveň ju vedci s istotou rozdelili na tri obdobia: triasové, jurské a kriedové. A pre každého určili svojich dinosaurov. Ale ako? Koniec koncov, metóda rádioaktívneho uhlia nie je pre takéto obdobia použiteľná. Vo väčšine prípadov je vek zvyškov dinosaurov, iných starodávnych tvorov, ako aj starodávnych rastlín, určený časom, v ktorom sa našli skaly. Ak sa našli zvyšky dinosaura v skalách Horného triasu, a to je pred 237 - 201 miliónmi rokov, potom dinosaurus žil v tom čase. Teraz je otázkou:ako určiť vek týchto hornín?
Dinosaurus zostáva v starovekej skale
terrain.org
Už sme povedali, že rádiokarbónová metóda sa môže použiť nielen na určenie veku objektov biologického pôvodu. Izotop uhlíka má však príliš krátky polčas a pri určovaní veku rovnakých geologických hornín to nie je použiteľné. Táto metóda, hoci je najslávnejšia, je iba jednou z metód rádioizotopového datovania. V prírode existujú ďalšie izotopy, ktorých polčasy sú dlhšie a známe. A minerály, ktoré je možné použiť na starnutie, napríklad zirkón.
Je to veľmi užitočný minerál na určovanie veku pomocou randenia s obsahom uránu. Východiskovým bodom pre určenie veku bude okamih kryštalizácie zirkónu, podobný okamihu úmrtia biologického objektu rádioaktívnou metódou. Kryštály zirkónu sú zvyčajne rádioaktívne, pretože obsahujú nečistoty rádioaktívnych prvkov a predovšetkým izotopy uránu. Mimochodom, rádiokarbónová metóda by sa mohla nazývať aj metóda uhlík-dusík, pretože produkt rozpadu izotopu uhlíka je dusík. Ale ktoré z atómov dusíka vo vzorke sa vytvorili v dôsledku rozpadu a ktoré tam boli spočiatku, vedci nedokážu určiť. Preto je na rozdiel od iných rádioizotopových metód také dôležité poznať zmenu koncentrácie rádioaktívneho uhlia v atmosfére planéty.
Kryštál zirkónu
wikimedia.org
V prípade metódy s obsahom uránu a olova je produkt rozpadu izotop, čo je zaujímavé, pretože nemohol byť vo vzorke skôr alebo bola pôvodne známa jeho počiatočná koncentrácia. Vedci odhadujú čas rozkladu dvoch izotopov uránu, ktorého rozklad končí tvorbou dvoch rôznych izotopov olova. To znamená, že sa stanoví pomer koncentrácie počiatočných izotopov a dcérskych produktov. Vedci používajú rádioizotopové metódy na vyvrelých horninách a ukazujú čas, ktorý uplynul od tuhnutia.
Zem a iné nebeské telá
Na určenie veku geologických hornín sa používajú iné metódy: draslík-argón, argón-argón, olovo-olovo. Vďaka tomu bolo možné určiť čas vytvorenia planét slnečnej sústavy a podľa toho aj vek našej planéty, pretože sa predpokladá, že všetky planéty v systéme boli tvorené takmer súčasne. V roku 1953 americký geochemik Claire Patterson zmeral pomer izotopov olova vo vzorkách meteoritu, ktorý padol asi 20 - 40 tisíc rokov na území, ktoré je teraz obsadené arizonským štátom. Výsledkom bolo spresnenie odhadu veku Zeme na 4 550 miliárd rokov. Analýza suchozemských hornín tiež poskytuje údaje podobného poradia. Kamene objavené na brehoch Hudsonského zálivu v Kanade majú teda 4,28 miliardy rokov. A nachádza sa tiež v Kanade sivé ruly (skaly,chemicky podobné granitom a ílovitým bridlíkom), ktoré už dlhú dobu mali vedúce postavenie vo veku, mali odhad 3,92 až 4,03 miliardy rokov. Táto metóda je použiteľná na všetko, čo môžeme „dosiahnuť“v slnečnej sústave. Analýza vzoriek lunárnych hornín prinesených na Zem ukázala, že ich vek je 4,47 miliárd rokov.
Ale s hviezdami je všetko úplne iné. Sú od nás ďaleko. Získať kúsok hviezdy na meranie jeho veku je nereálne. Vedci však napriek tomu vedia (alebo sú si istí), že napríklad najbližšia hviezda, ktorú máme k dispozícii, Proxima Centauri, je iba o niečo staršia ako naše Slnko: má 4,85 miliárd rokov, Slnko 4,57 miliárd rokov. Diamant nočnej oblohy, Sirius, je však teenager: má asi 230 miliónov rokov. North Star má ešte menej: 70 až 80 miliónov rokov. Relatívne povedané, Sirius sa rozžiaril na oblohe na začiatku éry dinosaurov a severná hviezda už na konci. Ako vedci poznajú vek hviezd?
Od vzdialených hviezd nemôžeme prijať nič okrem ich svetla. Ale to už je veľa. V skutočnosti je to časť hviezdy, ktorá vám umožňuje určiť jej chemické zloženie. Vedieť, z čoho je hviezda vyrobená, je potrebné určiť jej vek. Hviezdy sa vyvíjajú v priebehu ich života a prechádzajú všetkými fázami od protostarov po bielych trpaslíkov. V dôsledku termonukleárnych reakcií vyskytujúcich sa v hviezde sa zloženie prvkov v nej neustále mení.
Hneď po narodení hviezda spadne do tzv. Hlavnej sekvencie. Hviezdy hlavnej sekvencie (vrátane nášho Slnka) sa skladajú predovšetkým z vodíka a hélia. V priebehu termonukleárnych reakcií vyhorenia vodíka v jadre hviezdy sa zvyšuje obsah hélia. Fáza horenia vodíka je najdlhšou dobou života hviezdy. Hviezda je v tejto fáze asi 90% času, ktorý je jej pridelený. Rýchlosť prechodu etapami závisí od hmotnosti hviezdy: čím je väčšia, tým rýchlejšie sa hviezda zmenšuje a tým rýchlejšie „vyhorí“. Hviezda zostáva v hlavnej sekvencii, pokiaľ v jadre vyhorí vodík. Trvanie zvyšných etáp, v ktorých ťažšie prvky vyhoria, je menej ako 10%. Čím staršia je teda hviezda v hlavnej sekvencii, tým viac hélia a menej vodíka obsahuje.
Pred pár sto rokmi sa zdalo, že nikdy nebudeme schopní zistiť zloženie hviezd. Objav spektrálnej analýzy v polovici 19. storočia však vedcom poskytol silný nástroj na štúdium vzdialených objektov. Najskôr však Isaac Newton začiatkom 18. storočia pomocou hranolu rozložil biele svetlo na jednotlivé zložky rôznych farieb - solárne spektrum. O 100 rokov neskôr, v roku 1802, anglický vedec William Wollaston pozorne sledoval slnečné spektrum a objavil v ňom úzke tmavé čiary. Neprikladal im veľký význam. Nemecký fyzik a optik Josef Fraunhofer ich však čoskoro vyšetrí a podrobne ich opíše. Okrem toho ich vysvetľuje absorpciou lúčov plynmi slnečnej atmosféry. Okrem slnečného spektra študuje aj spektrum Venuše a Síria a nachádza tam podobné línie. Nachádzajú sa tiež v blízkosti umelých svetelných zdrojov. A až v roku 1859 nemeckí chemici Gustav Kirchhoff a Robert Bunsen uskutočnili sériu experimentov, ktoré viedli k záveru, že každý chemický prvok má v spektre svoju vlastnú líniu. Preto podľa spektra nebeských telies možno vyvodiť závery o ich zložení.
Spektrum slnečnej fotosféry a absorpčné vedenia Fraunhofer
wikimedia.org
Vedci túto metódu okamžite prijali. A čoskoro sa v zložení Slnka, ktoré sa nenašlo na Zemi, objavil neznámy prvok. Bolo to hélium (od „helios“- slnka). Iba o niečo neskôr bolo objavené na Zemi.
Naše Slnko je 73,46% vodík a 24,85% hélium, podiel ostatných prvkov je zanedbateľný. Mimochodom, medzi nimi sú aj kovy, ktoré nehovoria ani tak o veku, ale skôr o „dedičnosti“našej hviezdy. Slnko je mladá hviezda tretej generácie, čo znamená, že vzniklo z pozostatkov hviezd prvej a druhej generácie. To znamená, že tie hviezdy v jadrách, z ktorých boli tieto kovy syntetizované. Na slnku sa to očividne ešte nestalo. Zloženie Slnka nám umožňuje povedať, že má 4,57 miliardy rokov. Vo veku 12,2 miliárd rokov Slnko opustí hlavnú sekvenciu a stane sa červeným obrom, ale dlho pred týmto okamihom nebude život na Zemi nemožný.
Hlavnou populáciou našej Galaxie sú hviezdy. Vek galaxie je určený najstaršími objavenými predmetmi. Dnes sú najstaršími hviezdami v galaxii červený gigant HE 1523-0901 a hviezda Metuzalem alebo HD 140283. Obidve hviezdy smerujú k konštelácii Váhy a ich vek sa odhaduje na približne 13,2 miliardy rokov.
Mimochodom, HE 1523-0901 a HD 140283 nie sú len veľmi staré hviezdy, sú to hviezdy druhej generácie, ktoré majú zanedbateľný obsah kovu. To znamená, že hviezdy patriace do generácie, ktorá predchádzala nášmu Slnku a jeho „rovesníkom“.
Ďalším najstarším objektom je podľa niektorých odhadov klaster globulárnych hviezd NGC6397, ktorého hviezdy sú staré 13,4 miliárd rokov. V tomto prípade výskumníci odhadujú interval medzi vznikom prvej generácie hviezd a narodením druhej generácie na 200 až 300 miliónov rokov. Tieto štúdie umožňujú vedcom tvrdiť, že naša galaxia má 13,2 až 13,6 miliardy rokov.
vesmír
Rovnako ako v prípade galaxie, aj vek vesmíru sa dá určiť určením veku jeho najstarších predmetov. Doteraz sa galaxia GN-z11, ktorá sa nachádza v smere súhvezdia Ursa Major, považuje za najstaršiu z objektov, ktoré sú nám známe. Svetlo z galaxie trvalo 13,4 miliárd rokov, čo znamená, že bolo vyžarované 400 miliónov rokov po Veľkom tresku. A ak svetlo prešlo takú dlhú cestu, potom vesmír nemôže mať menší vek. Ale ako bol tento dátum určený?
Pre rok 2016 je galaxia GN-z11 najvzdialenejším známym objektom vo vesmíre.
wikimedia.org
Číslo 11 v označení galaxie naznačuje, že má červený posun z = 11,1. Čím vyšší je tento indikátor, tým viac je objekt od nás, čím dlhšie z neho svetlo vyšlo a tým starší je. Predchádzajúci majster veku, galaxia Egsy8p7, má červený posun z = 8,68 (vzdialený od nás 13,1 miliárd svetelných rokov). Uchádzačom o odpracované roky je galaxia UDFj-39546284, pravdepodobne má z = 11,9, ale zatiaľ to nebolo úplne potvrdené. Vesmír nemôže mať vek menší ako tieto objekty.
Trochu skôr sme hovorili o spektrách hviezd, ktoré určujú zloženie ich chemických prvkov. V spektre hviezdy alebo galaxie, ktorá sa od nás vzdiali, je posun spektrálnych čiar chemických prvkov k červenej (dlhej vlnovej) strane. Čím ďalej je objekt od nás, tým väčší je jeho červený posun. Posun čiar na fialovú (krátkovlnnú) stranu sa v dôsledku priblíženia k objektu nazýva modrý alebo fialový posun. Jedným z vysvetlení tohto javu je všadeprítomný Dopplerov efekt. Vysvetľujú napríklad zníženie tónu sirény prechádzajúceho automobilu alebo zvuk motora lietajúceho lietadla. Práca väčšiny kamier pri odstraňovaní porušení je založená na Dopplerovom efekte.
Spektrálne čiary sa posunuli na červenú stranu
wikimedia.org
Je známe, že vesmír sa rozširuje. A keď viete rýchlosť jeho expanzie, môžete určiť vek vesmíru. Konštanta, ktorá ukazuje rýchlosť, pri ktorej dve galaxie, oddelené vzdialenosťou 1 Mpc (megaparsec), prelietajú rôznymi smermi, sa nazýva Hubbleova konštanta. Ale aby vedci určili vek vesmíru, vedci potrebovali poznať jeho hustotu a zloženie. Na tento účel boli do vesmíru vyslané vesmírne observatóriá WMAP (NASA) a Planck (Európska vesmírna agentúra). Údaje WMAP umožnili určiť vek vesmíru na 13,75 miliárd rokov. Údaje z európskeho satelitu vypusteného o 8 rokov neskôr umožnili spresniť potrebné parametre a vek vesmíru bol stanovený na 13,81 miliárd rokov.
Vesmírne observatórium Planck
esa.int
Sergey Sobol