Spoznavanje okoliškega sveta je nemogoče brez razumevanja dobe zgodovinskih starin in tega, kako dolgo obstaja sam svet - naše Vesolje. Znanstveniki so ustvarili številne metode za določitev starosti arheoloških najdb in določitev datumov zgodovinskih dogodkov. Danes kronološka časovnica označuje tako datume izbruhov starodavnih vulkanov kot čas rojstva zvezd, ki jih vidimo na nočnem nebu. Danes vam bomo povedali o glavnih metodah zmenkov.
Arheološke najdbe
Ko gre za starost arheoloških najdb, se seveda vsi spomnijo radiokarbonske metode. To je morda najbolj znana, čeprav ne edina metoda datiranja antikvitet. Znan tudi po nenehnih kritikah, ki jim je izpostavljen. Kaj je torej ta metoda, kaj in kako se uporablja?
Za začetek je treba povedati, da se ta metoda uporablja z zelo redkimi izjemami le za datiranje predmetov in materialov biološkega izvora. Se pravi starost vsega, kar je bilo nekoč živo. Še več, govorimo o datiranju točno trenutka smrti biološkega objekta. Na primer oseba, ki so jo našli pod ruševinami hiše, ki jo je potres porušil, ali drevo, podrto za gradnjo ladje. V prvem primeru vam to omogoča, da določite približni čas potresa (če ni bil znan iz drugih virov), v drugem - približni datum izgradnje ladje. Tako so na primer dali datum izbruha vulkana na otoku Santorini, enega ključnih dogodkov v starodavni zgodovini, možnega vzroka apokalipse bronaste dobe. Znanstveniki so za analizo vzeli vejo oljčnega drevesa, ki so jo našli med izkopavanji vulkanske zemlje.
Zakaj je pomemben trenutek smrti organizma? Znano je, da ogljikove spojine tvorijo osnovo življenja na našem planetu. Živi organizmi ga pridobivajo predvsem iz atmosfere. S smrtjo se izmenjava ogljika z atmosfero ustavi. Toda ogljik na našem planetu, čeprav zaseda eno celico periodične tabele, je drugačen. Na Zemlji so trije izotopi ogljika, dva stabilna - 12C in 13C in en radioaktivni, razpadajoč - 14C. Dokler je organizem živ, je razmerje med stabilnimi in radioaktivnimi izotopi v njem enako kot v atmosferi. Takoj, ko se izmenjava ogljika ustavi, se zaradi razpadanja začne količina nestabilnega izotopa 14C (radioogljika) zmanjševati in razmerje se spreminja. Po približno 5700 letih se količina radiokarbona prepolovi, proces, ki se imenuje razpolovni čas.
Radiokarbon se v zgornji atmosferi rodi iz dušika, nato pa se v procesu radioaktivnega razpadanja spremeni v dušik
Promocijski video:
wikimedia.org
Metodo radiokarbonskega datiranja je razvil Willard Libby. Na začetku je predlagal, da se razmerje ogljikovih izotopov v atmosferi v času in prostoru ne spremeni, razmerje izotopov v živih organizmih pa ustreza razmerju v atmosferi. Če je tako, lahko z merjenjem tega razmerja v razpoložljivem arheološkem vzorcu ugotovimo, kdaj je ustrezalo atmosferskemu. Ali pa dobite tako imenovano "neskončno starost", če v vzorcu ni radiokarbona.
Metoda ne dovoljuje pogleda daleč v preteklost. Njegova teoretska globina je 70.000 let (13 razpolovnih življenj). Približno v tem času bo nestabilni ogljik popolnoma razpadel. Toda praktična meja je 50.000–60.000 let. Nič več, natančnost opreme ne omogoča. Lahko merijo starost "ledenega človeka", vendar ni več mogoče pogledati v zgodovino planeta pred pojavom človeka in določiti na primer starosti ostankov dinozavrov. Poleg tega je radiokarbonska metoda ena najbolj kritiziranih. Polemika o torinskem plašču in analiza metode določanja starosti relikvije je le ena od ilustracij nepopolnosti te metode. Kakšen je argument o kontaminaciji vzorcev z izotopom ogljika po prenehanju izmenjave ogljika z atmosfero. Ni vedno gotovo, da je predmet, odvzet za analizo, popolnoma brez ogljika,uveden po, na primer, bakterijah in mikroorganizmih, ki so se naselili na tej temi.
Omeniti velja, da se je po začetku uporabe metode izkazalo, da se je razmerje izotopov v atmosferi sčasoma spreminjalo. Zato so morali znanstveniki ustvariti tako imenovano kalibracijsko lestvico, na kateri se skozi leta opazijo spremembe vsebnosti radioakljikovodika v atmosferi. Za to so vzeli predmete, katerih datiranje je znano. Na pomoč je znanstvenikom priskočila na pomoč dendrokronologija, ki temelji na preučevanju drevesnih obročev.
Na začetku smo omenili, da so redki primeri, ko ta metoda velja za predmete nebiološkega izvora. Značilen primer so starodavne zgradbe, v malti katerih je bil uporabljen hitri apno CaO. V kombinaciji z vodo in ogljikovim dioksidom v ozračju se apno pretvori v kalcijev karbonat CaCO3. V tem primeru se je izmenjava ogljika z atmosfero ustavila od trenutka, ko se je malta strdila. Na ta način lahko določite starost mnogih starodavnih zgradb.
Ostanki dinozavrov in starodavne rastline
Zdaj pa govorimo o dinozavrovih. Kot veste, je bila doba dinozavrov razmeroma majhna (seveda po merilih geološke zgodovine Zemlje) časovno obdobje, ki je trajalo 186 milijonov let. Mezozojska doba, kot jo označujejo na geohronološki lestvici našega planeta, se je začela pred približno 252 milijoni let in se je končala pred 66 milijoni let. Obenem so jo znanstveniki samozavestno razdelili na tri obdobja: triasno, jursko in kredno. In za vsakega so opredelili svoje dinozavre. Ampak kako? Konec koncev radiokarbonska metoda za taka obdobja ni uporabna. V večini primerov starost ostankov dinozavrov, drugih starodavnih bitij, pa tudi starodavnih rastlin določa čas, v katerem so bile najdene kamnine. Če so bili v skalah zgornjega trijasa najdeni ostanki dinozavra, in to pred 237–201 milijoni let, je takrat živel dinozaver. Zdaj je vprašanje,kako določiti starost teh kamnin?
Dinozaver ostaja v starodavni skali
terrain.org
Rekli smo že, da se radiokarbonska metoda lahko uporablja ne le za določanje starosti predmetov biološkega izvora. Toda ogljikov izotop ima prekratek razpolovni čas, zato pri določanju starosti istih geoloških kamnin ne pride v poštev. Ta metoda, čeprav je najbolj znana, je le ena od metod radioizotopskega datiranja. V naravi obstajajo tudi drugi izotopi, katerih razpolovni čas je daljši in znan. In minerali, ki jih je mogoče uporabiti za starost, na primer cirkon.
To je zelo uporaben mineral za določanje starosti z uporabo urana-svinca. Izhodišče za določitev starosti bo trenutek kristalizacije cirkona, podoben trenutku smrti biološkega objekta z radiokarbonsko metodo. Cirkonovi kristali so običajno radioaktivni, saj vsebujejo nečistoče radioaktivnih elementov in predvsem uranove izotope. Mimogrede, radiokarbonsko metodo bi lahko imenovali tudi metoda ogljikovega dušika, saj je produkt razpada ogljikovega izotopa dušik. Toda kateri izmed dušikovih atomov v vzorcu so nastali kot posledica razpada in kateri so bili na začetku, znanstveniki ne morejo določiti. Zato je za razliko od drugih radioizotopskih metod tako pomembno poznati spremembo koncentracije radiokarbona v atmosferi planeta.
Cirkonov kristal
wikimedia.org
V primeru metode urana-svinca je produkt razpadanja izotop, kar je zanimivo, ker ga prej ni bilo mogoče v vzorcu ali je bila njegova začetna koncentracija sprva znana. Znanstveniki ocenjujejo čas razpadanja dveh izotopov urana, katerih razpad se konča s tvorbo dveh različnih izotopov svinca. To pomeni, da se določi razmerje koncentracije začetnih izotopov in hčerinskih produktov. Radioizotopne metode znanstveniki uporabljajo za magnetne kamnine in prikazujejo čas, ki je minil od strjevanja.
Zemlja in druga nebesna telesa
Za določitev starosti geoloških kamnin se uporabljajo druge metode: kalij-argon, argon-argon, svinec-svinec. Zahvaljujoč slednjim je bilo mogoče določiti čas nastanka planetov osončja in s tem starost našega planeta, saj velja, da so bili vsi planeti v sistemu oblikovani skoraj istočasno. Leta 1953 je ameriška geokemičarka Clare Patterson izmerila razmerje svinčenih izotopov v vzorcih meteorita, ki je padel približno 20-40 tisoč let na ozemlju, ki ga zdaj zaseda zvezna država Arizona. Rezultat je bil natančna ocena starosti Zemlje na 4.550 milijard let. Analiza kopenskih kamnin daje tudi podobne vrstice. Torej, kamni, odkriti na obali zaliva Hudson v Kanadi, so stari 4,28 milijarde let. Nahaja se tudi v Kanadi sive gneise (kamnine,kemično podobni granitom in glinenim skrilavcem), ki so dolgo časa vodili v starosti, ocenili so 3,92 do 4,03 milijarde let. Ta metoda je uporabna za vse, kar lahko "dosežemo" v osončju. Analiza vzorcev lunarnih kamnin, ki so jih prinesli na Zemljo, je pokazala, da je njihova starost 4,57 milijarde let.
Toda z zvezdami je vse povsem drugače. Daleč so od nas. Pridobiti delček zvezde, ki bi meril njeno starost, je nerealno. Toda kljub temu znanstveniki vedo (ali so prepričani), da je na primer najbližja zvezda, Proxima Centauri, le nekoliko starejša od našega Sonca: stara je 4,85 milijarde let, Sonce pa 4,57 milijarde let. Toda diamant nočnega neba, Sirius, je najstnik: star je približno 230 milijonov let. Severna zvezda je še manj: stara 70–80 milijonov let. Relativno gledano je Sirius na začetku neba zasvetil na nebu, Severna zvezda pa že na koncu. Kako torej znanstveniki poznajo starost zvezd?
Od daljnih zvezd ne moremo sprejeti ničesar, razen njihove svetlobe. A to je že veliko. Pravzaprav je to delček zvezde, ki vam omogoča, da določite njeno kemično sestavo. Če želite vedeti, iz česa je zvezda sestavljena, je potrebno določiti njeno starost. V času njihovega življenja se zvezde razvijajo, skozi vse faze od protostarjev do belih palčkov. Zaradi termonuklearnih reakcij v zvezdi se sestava elementov v njej nenehno spreminja.
Takoj po rojstvu zvezda pade v tako imenovano glavno zaporedje. Zvezde glavnih sekvenc (vključno z našim Soncem) so sestavljene predvsem iz vodika in helija. Med termonuklearnimi reakcijami izgorevanja vodika v jedru zvezde se vsebnost helija poveča. Stopnja zgorevanja vodika je najdaljše obdobje v zvezdi. Na tej stopnji je zvezda približno 90% časa, ki ji je namenjen. Hitrost prehoda skozi etape je odvisna od mase zvezde: večja ko je, hitreje se zvezda strdi in hitreje "izgori". Zvezda ostane na glavnem zaporedju, dokler vodik izgori v svojem jedru. Trajanje preostalih stopenj, na katerih gorijo težji elementi, je manjše od 10%. Tako je starejša zvezda v glavnem zaporedju, več helija in manj vodika vsebuje.
Pred nekaj sto leti se je zdelo, da sestave zvezd nikoli ne bomo mogli izvedeti. Toda odkritje spektralne analize v sredini 19. stoletja je znanstvenikom nudilo močno orodje za preučevanje oddaljenih predmetov. Toda najprej je Isaac Newton na začetku 18. stoletja s pomočjo prizme razgradil belo svetlobo na ločene sestavne dele različnih barv - sončni spekter. 100 let pozneje, leta 1802, je angleški znanstvenik William Wollaston natančno pogledal sončni spekter in v njem odkril ozke temne črte. Ni jim pripisoval velikega pomena. Toda kmalu jih nemški fizik in optik Josef Fraunhofer razišče in jih podrobno opiše. Poleg tega jih razlaga z absorpcijo žarkov s plini sončeve atmosfere. Poleg sončnega spektra raziskuje spekter Venere in Siriusa in tam najde podobne črte. Najdemo jih tudi v bližini umetnih virov svetlobe. In šele leta 1859 sta nemška kemika Gustav Kirchhoff in Robert Bunsen opravila vrsto poskusov, iz katerih je prišlo do zaključka, da ima vsak kemični element svojo linijo v spektru. In zato lahko glede na spekter nebesnih teles sklepamo o njihovi sestavi.
Sončni fotosferni spekter in Fraunhoferjeva absorpcijska linija
wikimedia.org
Metodo so znanstveniki takoj sprejeli. In kmalu so v sestavi Sonca odkrili neznan element, ki ga na Zemlji ni bilo. Bil je helij (iz "helios" - sonce). Šele malo kasneje so jo odkrili na Zemlji.
Naše Sonce je 73,46% vodika in 24,85% helija, delež drugih elementov je nepomemben. Mimogrede, med njimi so tudi kovine, ki ne govorijo toliko o starosti, temveč o "dednosti" naše zvezde. Sonce je mlada zvezda tretje generacije, kar pomeni, da je nastala iz ostankov zvezd prve in druge generacije. Se pravi tiste zvezde, v jedrih katerih so bile sintetizirane te kovine. Na Soncu se iz očitnih razlogov to še ni zgodilo. Sestava Sonca nam omogoča, da lahko rečemo, da je stara 4,57 milijarde let. Do 12,2 milijarde let bo Sonce zapustilo glavno zaporedje in postalo rdeči velikan, toda še dolgo pred tem trenutkom življenje na Zemlji ne bo mogoče.
Glavna populacija naše Galaksije so zvezde. Starost Galaksije določa najstarejši predmet, ki so ga odkrili. Danes sta najstarejši zvezdi v Galaksiji rdeči velikan HE 1523-0901 in zvezda Methuselah oziroma HD 140283. Obe zvezdi sta v smeri ozvezdja Tehtnica, njihova starost pa je ocenjena na približno 13,2 milijarde let.
Mimogrede, HE 1523-0901 in HD 140283 nista le zelo stari zvezdi, sta zvezdi druge generacije, ki imata v svoji sestavi nepomembno vsebnost kovin. Se pravi zvezde generacije, ki je bila pred našim Soncem in njegovimi "vrstniki".
Drugi najstarejši objekt je po nekaterih ocenah kroglasta zvezdna kopica NGC6397, katere zvezde so stare 13,4 milijarde let. V tem primeru razmik med nastajanjem prve generacije zvezd in rojstvom druge ocenjujejo raziskovalci na 200-300 milijonov let. Te študije znanstvenikom omogočajo, da trdijo, da je naša Galaksija stara 13,2-13,6 milijarde let.
Vesolje
Tako kot pri Galaksiji lahko tudi starost Vesolja sklepamo, če določimo, koliko so stari najstarejši predmeti. Do danes je galaksija GN-z11, ki se nahaja v smeri ozvezdja Velika Ursa, velja za najstarejšo med znanimi predmeti. Svetloba iz galaksije je trajala 13,4 milijarde let, kar pomeni, da jo je oddajalo 400 milijonov let po velikem udaru. In če je svetloba prišla tako daleč, potem vesolje ne more imeti manjše starosti. Toda kako je bil določen ta datum?
Za leto 2016 je galaksija GN-z11 najbolj oddaljen znani objekt v vesolju.
wikimedia.org
Število 11 v označbi galaksije kaže, da ima rdeč premik z = 11.1. Višji kot je ta kazalnik, dlje kot je predmet od nas, daljša je svetloba od njega in predmet je starejši. Prejšnji starostni prvak, galaksija Egsy8p7, ima rdeč premik z = 8,68 (13,1 milijarde svetlobnih let od nas). Kandidat za prednost je galaksija UDFj-39546284, verjetno ima z = 11,9, vendar to še ni v celoti potrjeno. Vesolje ne more biti starost manj kot ti predmeti.
Malo prej smo govorili o spektrih zvezd, ki določajo sestavo njihovih kemičnih elementov. V spektru zvezde ali galaksije, ki se oddaljuje od nas, je premik spektralnih linij kemičnih elementov na rdečo (dolgo valovno) stran. Kolikor dlje je predmet od nas, večji je njegov rdeč premik. Premik črt na vijolično (kratko valovno) stran zaradi pristopa predmeta imenujemo modri ali vijolični premik. Ena od razlag tega pojava je vseprisotni Doplerov učinek. Na primer pojasnjujejo znižanje tona sirene mimo avtomobila ali zvok motorja letečega letala. Delo večine kamer za odpravljanje kršitev temelji na Dopplerjevem učinku.
Spektralne črte so se premaknile na rdečo stran
wikimedia.org
Torej, znano je, da se vesolje širi. In vedoč hitrost njegovega širjenja, lahko določite starost vesolja. Konstanta, ki prikazuje hitrost, s katero dve galaksiji, ločeni z razdaljo 1 Mpc (megaparsec), letita v različnih smereh, se imenuje Hubble konstanta. Toda za določitev starosti vesolja so morali znanstveniki poznati njegovo gostoto in sestavo. V ta namen sta bila v vesolje poslana vesoljska opazovalnika WMAP (NASA) in Planck (Evropska vesoljska agencija). S podatki WMAP je bilo mogoče določiti starost vesolja na 13,75 milijarde let. Podatki z evropskega satelita, predstavljenega osem let pozneje, so omogočili natančnejše določanje potrebnih parametrov, starost vesolja pa je bila določena na 13,81 milijarde let.
Vesoljski observatorij Planck
esa.int
Sergej Sobol
