Другая возможность — оценить возраст звезд. Оценив яркость самых старых белых карликов, группа ученых в 1996 году пришла к выводу, что возраст Вселенной не может быть меньше 11,5 миллиардов лет. Это подтверждает возраст Вселенной, определяемый постоянной Хаббла.
От «Ледяного человека» до Вселенной: как ученые определяют возраст всего
Невозможно понять окружающий нас мир, не зная возраста исторических древностей и времени существования самого мира — нашей Вселенной. Ученые разработали множество методов определения возраста археологических объектов и датировки исторических событий. Сегодня хронология также фиксирует даты древних извержений вулканов и время рождения звезд, которые мы видим на ночном небе. Сегодня мы обсудим основные методы знакомства.
Когда речь заходит о возрасте археологических находок, все, естественно, вспоминают радиоуглеродный метод. Это, вероятно, самый известный, хотя и не единственный, метод датировки древностей. Хорошо известен также из-за постоянной критики в свой адрес. Что это за метод, для чего и как он используется?
Прежде всего, следует отметить, что, за редким исключением, этот метод используется только для датировки объектов и материалов биологического происхождения. То есть, возраст всего, что когда-то было живым. Она также включает в себя точное определение времени смерти биологического объекта. Например, человек, обнаруженный под обломками дома, разрушенного землетрясением, или дерево, срубленное для строительства корабля. В первом случае это позволяет им определить приблизительную дату землетрясения (если она не известна из других источников), а во втором — приблизительную дату постройки судна. Таким образом они датировали, например, извержение вулкана на острове Санторини, одно из ключевых событий древней истории, которое, возможно, вызвало апокалипсис бронзового века. Ученые исследовали оливковую ветвь, найденную в вулканической почве во время раскопок.
Почему важно, когда организм умирает? Известно, что соединения углерода составляют основу жизни на нашей планете. Живые организмы получают его в основном из атмосферы. После смерти обмен углерода с атмосферой прекращается. Но углерод на нашей планете другой, хотя он и занимает одну клетку таблицы Менделеева. На Земле существует три изотопа углерода, два стабильных — 12 C и 13 C — и один радиоактивный распадающийся изотоп — 14 C. Пока организм жив, соотношение стабильных и радиоактивных изотопов в нем такое же, как в атмосфере. Как только обмен углерода прекращается, количество нестабильного изотопа 14 C (радиоуглерода) начинает уменьшаться в результате распада, и соотношение меняется. Примерно через 5700 лет количество радиоуглерода уменьшилось вдвое — этот процесс называется периодом полураспада.
Метод радиоуглеродного датирования был разработан Уиллардом Либби. Первоначально он предполагал, что соотношение изотопов углерода в атмосфере не меняется во времени и пространстве и что соотношение изотопов в живых организмах такое же, как и в атмосфере. Если это так, то, измерив это соотношение в существующем археологическом образце, мы сможем определить, когда он соответствовал атмосфере. Или мы можем получить так называемый «бесконечный возраст», если в образце нет радиоуглерода.
Этот метод не позволяет нам заглянуть очень далеко в прошлое. Его теоретическая глубина составляет 70 000 лет (13 периодов полураспада). Примерно через это время нестабильный углерод полностью распадется. Практический предел, однако, составляет 50 000-60 000 лет. Больше — невозможно, точность приборов не позволяет. Если возраст Iceman можно измерить, то изучить дочеловеческую историю планеты и определить возраст останков динозавров, например, уже невозможно. Более того, радиоуглеродное датирование является одним из самых противоречивых методов. Споры вокруг Туринской плащаницы и анализ метода, использованного для определения возраста останков, являются лишь одним из примеров недостатков этого метода. Аргумент о загрязнении образцов изотопами углерода после окончания обмена углерода с атмосферой. Не всегда есть уверенность в том, что объект, взятый для анализа, полностью свободен от углерода, впоследствии внесенного, например, бактериями и микроорганизмами, поселившимися на объекте.
Останки динозавров и древних растений
Давайте теперь поговорим о динозаврах. Эпоха динозавров, как мы знаем, была относительно коротким периодом времени (по крайней мере, по меркам геологической истории Земли), длившимся 186 миллионов лет. Мезозойская эра, как она выглядит на геологической шкале времени Земли, началась около 252 миллионов лет назад и закончилась 66 миллионов лет назад. Ученые твердо разделили его на три периода: Триасовый, юрский и меловой периоды. И для каждого из них они назвали своих собственных динозавров. Но как? Потому что радиоуглеродный метод не подходит для таких дат. В большинстве случаев возраст останков динозавров, других доисторических существ и растений определяется породой, в которой они были найдены. Если окаменелости динозавра найдены в верхнем триасе, то есть 237-201 миллионов лет назад, это означает, что динозавр жил в это время. Теперь вопрос в том, как определить возраст этих пород.
Мы уже говорили, что радиоуглеродный метод можно использовать не только для определения возраста объектов биологического происхождения. Однако изотоп углерода имеет очень короткий период полураспада, поэтому его нельзя использовать для определения возраста тех же геологических пород. Хотя этот метод наиболее известен, он является лишь одним из радиоизотопных методов датирования. В природе существуют и другие изотопы, чьи периоды полураспада длиннее и лучше известны. А также минералы, которые можно использовать для определения возраста, например, цирконий.
Это очень подходящий минерал для определения возраста методом ураново-свинцового датирования. Точкой отсчета для определения возраста будет время кристаллизации циркония, аналогично времени смерти биологического объекта при радиоуглеродном датировании. Кристаллы циркона, как правило, радиоактивны, поскольку содержат смеси радиоактивных элементов, в основном изотопов урана. Кстати, радиоуглеродный метод также можно назвать углеродно-азотным методом, поскольку продуктом распада изотопа углерода является азот. Единственная проблема заключается в том, что ученые не могут определить, какие атомы азота в образце были созданы в результате распада, а какие были там всегда. Вот почему, в отличие от других радиоизотопных методов, так важно знать изменяющуюся концентрацию радиоуглерода в атмосфере планеты.
В ураново-свинцовом методе продукт распада является изотопом, представляющим интерес, поскольку он не мог присутствовать в образце ранее или его начальная концентрация известна в первую очередь. Ученые оценивают время распада двух изотопов урана, распадающихся на два различных изотопа свинца. То есть, определяется соотношение между концентрацией исходных изотопов и концентрацией дочерних продуктов. Радиоизотопные методы используются учеными на взорвавшихся породах и дают информацию о времени, прошедшем с момента застывания.
Каков возраст нашей Вселенной? Этот вопрос занимал многие поколения астрономов и будет занимать еще многие годы, пока тайна творения не будет раскрыта.
Сканирование космического пространства телескопом «Planck»
Телескоп был введен в эксплуатацию в мае 2009 года для максимально точного определения возраста нашей Вселенной. Задачей телескопа «Планк» было долгосрочное сканирование Вселенной с целью получения как можно более объективной картины излучения всех возможных звездных объектов от так называемого Большого взрыва.
Телескоп Планка
Длительное сканирование проводилось в два этапа. Предварительные результаты были получены в 2010 году, а окончательные итоги космического исследования были подведены в 2013 году, что дало ряд очень интересных результатов.
Итог исследовательской работы ЕКА
Ученые ЕКА опубликовали интересный материал, в котором им удалось уточнить постоянную Хаббла на основе данных, собранных «глазом» телескопа «Планк». Оказывается, скорость расширения Вселенной составляет 67,15 километров в секунду на парсек. Для пояснения: парсек — это космическое расстояние, пройденное за 3,2616 световых года. Для наглядности и лучшего восприятия можно представить себе две галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью примерно 67 км/с. Цифры незначительны в космических масштабах, но, тем не менее, это доказанный факт.
Благодаря данным, собранным телескопом «Планк», удалось определить возраст Вселенной, который составляет 13,798 миллиарда лет.
Изображение из данных телескопа Planck
Это исследование ЕКА привело к пересмотру массовой доли не только «обычной» физической материи, которая теперь составляет 4,9%, но и темной материи, которая теперь составляет 26,8%.
Кроме того, телескоп «Планк» выявил и подтвердил существование так называемого холодного пятна в просторах космоса, которое имеет чрезвычайно низкую температуру, но для которого до сих пор нет четкого научного объяснения.
Другие способы оценки возраста Вселенной
Помимо космологических методов, возраст Вселенной можно определить, например, по возрасту химических элементов. В этом может помочь явление радиоактивного распада.
Другая возможность — оценить возраст звезд. Оценив яркость самых старых белых карликов, группа ученых в 1996 году пришла к выводу, что возраст Вселенной не может быть меньше 11,5 миллиардов лет. Это подтверждает возраст Вселенной, определяемый постоянной Хаббла.
