A környező világ megismerése lehetetlen anélkül, hogy megértenénk a történelmi antikvitás korát és azt, hogy meddig létezik maga a világ - a mi világegyetemünk. A tudósok számos módszert dolgoztak ki a régészeti leletek korának meghatározására és a történelmi események dátumainak meghatározására. Ma a kronológiai ütemterv jelöli mind az ókori vulkánok kitörésének idejét, mind az éjszakai égbolton látható csillagok születési idejét. Ma elmondjuk a fő randevúzási módszereket.
Régészeti leletek
A régészeti leletek korakor természetesen mindenki emlékszik a radiokarbon módszerre. Ez talán a leghíresebb, bár nem az egyetlen, a régiségek randi módja. Ismert a folyamatos kritikája miatt is, amelyet ő alá vet. Szóval mi ez a módszer, mit és hogyan használnak?
Először azt kell mondani, hogy ezt a módszert - nagyon ritka kivételekkel - csak biológiai eredetű tárgyak és anyagok felhasználására használják. Vagyis mindazok kora, amelyek valaha éltek. Sőt, a biológiai tárgy pontosan a halálának pillanatáról beszélünk. Például egy ember, akit földrengés által elpusztított ház szemetes alatt találtak, vagy egy hajó építésére hajlított fa. Az első esetben ez lehetővé teszi a földrengés hozzávetőleges időpontjának meghatározását (ha más forrásokból nem volt ismert), a második esetben a hajó építésének hozzávetőleges időpontját. Tehát például egy vulkáni kitörés keltek a Santorini-szigeten, amely az ókori történelem egyik legfontosabb eseménye, a bronzkor apokalipszisének lehetséges oka. Az elemzéshez a tudósok a vulkáni talaj ásatásainál talált olajfaágot vettek.
Miért számít egy szervezet halálának pillanata? A szénvegyületekről ismert, hogy a bolygónk életének alapját képezik. Az élő szervezetek elsősorban a légkörből kapják meg. A halállal a széncsere a légkörrel leáll. De a szén a bolygónkon, bár a periódusos rendszer egyik celláját foglalja el, más. Három szén izotóp van a Földön, kettő stabil - 12C és 13C, és egy radioaktív, bomló - 14C. Mindaddig, amíg egy organizmus életben van, a stabil és radioaktív izotópok aránya benne megegyezik a légkörben levőkkel. Amint a széncsere leáll, az instabil 14C izotóp (radiokarbon) mennyisége csökkenni kezd a bomlás miatt, és az arány megváltozik. Körülbelül 5700 év elteltével a radiokarbon mennyisége felére csökken, ezt a folyamatot felezési időnek hívják.
A radioaktív szén a légkörben a nitrogénből születik, majd radioaktív bomlás során nitrogénré alakul
Promóciós videó:
wikimedia.org
A radiokarbon társkereső módszert Willard Libby fejlesztette ki. Kezdetben azt feltételezte, hogy a szén izotópok aránya a légkörben az időben és a térben nem változik, az élő organizmusokban az izotópok aránya a légkörben mutatott aránynak felel meg. Ha igen, akkor a rendelkezésre álló régészeti mintában ezt az arányt megmérve meghatározhatjuk, hogy mikor felel meg a légköri viszonyoknak. Vagy szerezze be az úgynevezett "végtelen korot", ha a mintában nincs radiokarbon.
A módszer nem teszi lehetővé a múltba való betekintést. Elméleti mélysége 70 000 év (13 felezési idő). Körülbelül ebben az időben az instabil szén teljesen lebomlik. De a gyakorlati határ 50 000–60 000 év. Ez már nem lehetséges, a felszerelés pontossága nem teszi lehetővé. Meg tudják mérni az "Jégember" életkorát, de már nem lehetséges az ember megjelenése előtt bepillantani a bolygó történetébe, és meghatározni például a dinoszauruszok maradványainak korát. Ezenkívül a radiokarbon módszer az egyik legkritikusabb. A torinói burkolatot körülvevő viták és az ereklye korának meghatározására szolgáló módszer elemzése a módszer tökéletlenségének egyik példája. Mi az érv a minták szennyeződése szén-izotóppal való szennyeződése után a széncserének a légkörrel történő lezárása után? Nem mindig biztos, hogy az elemzésre vett tárgy teljesen szénmentes,bevezett például baktériumok és mikroorganizmusok után, amelyek letelepedtek a témán.
Érdemes megjegyezni, hogy a módszer alkalmazásának megkezdése után kiderült, hogy az izotópok aránya a légkörben az idő múlásával megváltozott. Ezért a tudósoknak el kellett készíteniük az úgynevezett kalibrációs skálát, amelyen az atmoszférában található radioszéntartalom változásai észlelhetők az évek során. Ehhez tárgyakat készítettek, amelyek ismert randisa. A dendrokronológia, a fa gyűrűinek vizsgálatán alapuló tudomány segítette a tudósokat.
Az elején megemlítettük, hogy ritka esetekben alkalmazzák ezt a módszert nem biológiai eredetű tárgyakra. Jellemző példa az ősi épületek, amelyek habarcsában a CaO-t használták. A vizet és a légköri szén-dioxidot kombinálva a mész kalcium-karbonáttá, CaCO3-ra alakult. Ebben az esetben a széncsere a légkörrel abban a pillanatban megállt, amikor a habarcs megszilárdult. Ily módon meghatározhatja sok ősi épület korát.
A dinoszauruszok és az ősi növények maradványai
Most beszéljünk a dinoszauruszokról. Mint tudod, a dinoszauruszok korszaka viszonylag kicsi (természetesen a Föld geológiai története szerint) 186 millió évig tartó időszakban. A mezozoik korszak, ahogyan azt bolygónk geokonológiai léptékében jelölik, körülbelül 252 millió évvel ezelőtt kezdődött és 66 millió évvel ezelőtt fejeződött be. Ugyanakkor a tudósok magabiztosan osztották azt három időszakra: triász, jura és kréta. És mindegyikük azonosította a saját dinoszauruszát. De hogyan? Végül is a radiokarbon módszer nem alkalmazható ilyen időszakokra. A legtöbb esetben a dinoszauruszok, más ősi lények, valamint az ősi növények maradványainak korát a sziklák megtalálásának ideje határozza meg. Ha egy dinoszaurusz maradványait a Felső-triász szikláiban találták, és ez 237-201 millió évvel ezelőtt volt, akkor a dinoszaurusz abban az időben élt. Most a kérdés az,hogyan lehet meghatározni ezeknek a szikláknak a kora?
A dinoszaurusz az ősi sziklaban marad
terrain.org
Már említettük, hogy a radiokarbon módszer nemcsak a biológiai eredetű tárgyak életkorának meghatározására használható. De a szén izotópnak túl rövid a felezési ideje, és ugyanazon geológiai kőzetek életkorának meghatározásakor ez nem alkalmazható. Ez a módszer, bár ez a leghíresebb, csak a radioizotópos randevú egyik módszere. A természetben vannak más izotópok is, amelyek felezési ideje hosszabb és ismert. És ásványi anyagok, amelyek felhasználhatók az öregedésre, mint például a cirkon.
Nagyon hasznos ásványi anyag az életkor meghatározásához urán-ólom randevú felhasználásával. Az életkor meghatározásának kiindulópontja a cirkon kristályosodásának pillanata, hasonlóan egy biológiai tárgy halálához a radiokarbon módszerrel. A cirkon kristályok általában radioaktívak, mivel radioaktív elemek szennyeződéseit és mindenekelőtt urán izotópokat tartalmaznak. Mellesleg, a radiokarbon módszer szén-nitrogén módszernek is nevezhető, mivel a szén izotóp bomlásterméke nitrogén. A mintában szereplő nitrogénatomok közül melyik képződött bomlás eredményeként, és melyik volt ott kezdetben, a tudósok nem tudják meghatározni. Ezért, más radioizotóp módszerekkel ellentétben, annyira fontos tudni, hogy változott-e a radiokarbon koncentráció a bolygó légkörében.
Cirkon kristály
wikimedia.org
Az urán-ólom módszer esetén a bomlástermék izotóp, ami érdekes, mivel korábban nem lehetett volna a mintában, vagy az eredeti koncentrációja eredetileg ismert volt. A tudósok becsülik az urán két izotópjának bomlási idejét, amelyek bomlása két különféle ólom izotóp képződésével ér véget. Vagyis meghatározzuk a kiindulási izotópok és a leánytermékek koncentrációjának arányát. A radioizotóp módszereket a tudósok alkalmazzák a mulatságos kőzetekre, és megmutatják a megszilárdulás óta eltelt időt.
Föld és más égitestek
A geológiai kőzetek korának meghatározására más módszereket használnak: kálium-argon, argon-argon, ólom-ólom. Ez utóbbinak köszönhetően meghatározható volt a Naprendszer bolygóinak kialakulásának ideje és ennek megfelelően a bolygónk kora, mivel úgy gondolják, hogy a rendszer összes bolygója szinte egyidejűleg alakult ki. 1953-ban az amerikai geokémikus, Clare Patterson megmérte az ólom-izotópok arányát egy meteorit mintáiban, amelyek körülbelül 20–40 ezer éve estek az Arizona állam által elfoglalt területen. Az eredmény a Föld kora becsült értékének 4.550 milliárd évre finomítása volt. A földi kőzetek elemzése szintén hasonló sorrendű adatokat ad. Tehát a kanadai Hudson-öböl partján felfedezett kövek 4,28 milliárd évesek. És Kanadában is található, szürke gneissek (sziklák,kémiailag hasonló a gránitokhoz és az agyagpalakhoz), amelyek hosszú ideig vezettek az életkorban vezető szerepet, becslések szerint 3,92–4,03 milliárd év volt. Ez a módszer mindazokra alkalmazható, amelyeket a Naprendszerben elérünk. A Földre vitt holdkőzetek mintáinak elemzése kimutatta, hogy életkoruk 4,47 milliárd év.
De a csillagokkal minden teljesen más. Messze vannak tőlünk. Nem realisztikus megszerezni egy csillagdarabot korának mérésére. Ennek ellenére a tudósok tudják (vagy biztosak), hogy például a legközelebbi csillag, a Proxima Centauri csak kicsit régebbi, mint a Napunk: 4,85 milliárd éves, a Nap 4,57 milliárd éves. Az éjszakai égbolt gyémántja, Sirius azonban tinédzser: körülbelül 230 millió éves. Az Északi Csillag még kevesebb: 70-80 millió éves. Viszonylag véve Sirius megvilágult az égen a dinoszauruszok korszakának kezdetén, az Északi csillag pedig már a végén. Tehát hogyan tudják a tudósok a csillagok kora?
Távoli csillagoktól nem kaphatunk semmit, kivéve a fényüket. De ez már sokat jelent. Valójában ez a csillag darabja, amely lehetővé teszi annak kémiai összetételének meghatározását. Korának meghatározásához meg kell tudni, hogy miből készül egy csillag. Életük során a csillagok fejlődnek, és minden szakaszon átmennek a protosztároktól a fehér törpékig. A csillagban fellépő termo-nukleáris reakciók eredményeként a benne lévő elemek összetétele folyamatosan változik.
Közvetlenül a születés után a csillag az úgynevezett fő sorrendbe esik. A fő sorozatcsillagok (beleértve a Napunkat) elsősorban hidrogénből és héliumból állnak. A csillag magjában a hidrogén kiégésének termikus nukleáris reakciói során a héliumtartalom növekszik. A hidrogén égési szakasz a csillag életében a leghosszabb időszak. Ebben a szakaszban a csillag az odaítélt idő kb. 90% -a. A szakaszok áthaladásának sebessége a csillag tömegétől függ: minél nagyobb, annál gyorsabban csökken a csillag, és annál gyorsabban "ég ki". A csillag a fő szekvencián marad, mindaddig, amíg a hidrogén kiég a magjában. A fennmaradó szakaszok időtartama, amikor a nehezebb elemek kiégnek, kevesebb, mint 10%. Így minél idősebb egy csillag a fő szekvencián, annál több héliumot és kevesebb hidrogént tartalmaz.
Pár száz évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy soha nem leszünk képesek megtudni a csillagok összetételét. A spektrális elemzés felfedezése a XIX. Század közepén azonban a tudósok számára hatékony eszközt adott a távoli tárgyak tanulmányozásához. De először, Isaac Newton a 18. század elején egy prizma segítségével a fehér fényt különböző színű különálló komponensekre - a nap spektrumára - bontotta fel. 100 évvel később, 1802-ben, William Wollaston angol tudós alaposan megnézte a nap spektrumát, és szűk sötét vonalakat fedez fel benne. Nem tulajdonított nekik nagy jelentőséget. De hamarosan a német fizikus és optikus, Josef Fraunhofer megvizsgálja őket, és részletesen leírja. Ezenkívül elmagyarázza azokat a sugarak abszorpciójával a Nap légkörének gázai által. A napspektrumon kívül a Vénusz és a Szíriusz spektrumát kutatja, és hasonló vonalakat talál ott. A mesterséges fényforrások közelében is megtalálhatók. És csak 1859-ben a német vegyészek, Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen kísérleteket végeztek, amelyek arra a következtetésre jutottak, hogy minden kémiai elemnek saját vonal van a spektrumában. Ezért az égitestek spektruma szerint következtetéseket lehet levonni összetételükről.
Napelemes fénykörzet és Fraunhofer abszorpciós vonalak
wikimedia.org
A módszert a tudósok azonnal alkalmazták. És hamarosan ismeretlen elemet fedeztek fel a Nap összetételében, amelyet a Földön nem találtak. Hélium volt (a "hélios" - a nap). Csak egy kicsit később fedezték fel a Földön.
Napunkban 73,46% hidrogén és 24,85% hélium van, a többi elem aránya jelentéktelen. Mellesleg vannak fémek is, amelyek nem annyira a korról szólnak, hanem csillagunk "öröklődéséről". A Nap egy fiatal, harmadik generációs csillag, ami azt jelenti, hogy az első és a második generációs csillag maradványaiból jött létre. Vagyis azok a csillagok, amelyek magjában ezek a fémek szintetizálódtak. A Napban nyilvánvaló okokból ez még nem történt meg. A Nap összetétele azt mondhatja, hogy 4,57 milliárd éves. 12,2 milliárd éves korára a Nap elhagyja a fő szekvenciát, és vörös óriássá válik, de jóval e pillanat előtt a földi élet lehetetlen lesz.
Galaxisunk fő népessége a csillagok. A galaxis korát a legrégebbi felfedezett tárgyak határozzák meg. Manapság a galaxis legrégebbi csillagai a vörös óriás, a HE 1523-0901 és a Methuselah csillag, vagy HD 140283. Mindkét csillag a Mérleg csillagkép irányába halad és koruk becslések szerint körülbelül 13,2 milliárd év.
Mellesleg, a HE 1523-0901 és a HD 140283 nem csupán nagyon öreg csillagok, hanem a második generáció csillagai, amelyek összetételükben jelentéktelen fémtartalommal bírnak. Vagyis a Napot és annak társait megelőző nemzedékhez tartozó csillagok.
Egy másik legrégebbi objektum, bizonyos becslések szerint, az NGC6397 gömbös csillagfürt, amelynek csillagai 13,4 milliárd évesek. Ebben az esetben a csillagok első generációja és a második születése közötti időtartamot a kutatók 200-300 millió évre becsülik. Ezek a tanulmányok lehetővé teszik a tudósok számára, hogy azt állítsák, hogy Galaxisunk 13,2-13,6 milliárd éves.
Világegyetem
A galaxishoz hasonlóan az Univerzum kora is feltételezhető, ha meghatározzuk a legöregebb tárgyainak életkorát. A mai napig a UN Major csillagkép irányában található GN-z11 galaxist a legrégebbinek tekintik a nekünk ismert tárgyak között. A galaxisból származó fény 13,4 milliárd évet vett igénybe, azaz azt 400 millió évvel a Nagyrobbanás után bocsátották ki. És ha a fény ilyen hosszú utat tett meg, akkor az Univerzum nem lehet kisebb korú. De hogyan határozták meg ezt a dátumot?
2016-ra a GN-z11 galaxis a legtávolabbi ismert tárgy az univerzumban.
wikimedia.org
A galaxis megnevezésében a 11-es szám azt jelzi, hogy vöröseltolódása z = 11,1. Minél magasabb ez a jelző, minél távolabb van a tárgy tőlünk, annál hosszabb a fény ettől és minél idősebb az objektum. Az előző életkori bajnok, az Egsy8p7 galaxis vöröseltolódása z = 8,68 (tőlünk 13,1 milliárd fényév távol van). Az idősek versenyzője az UDFj-39546284 galaxis, valószínűleg z = 11,9, de ezt még nem erősítették meg teljes mértékben. Az univerzum nem lehet ilyen életkornál rövidebb.
Kicsit korábban a csillagok spektrumáról beszéltünk, amelyek meghatározzák kémiai elemeik összetételét. A tőlünk távolodó csillag vagy galaxis spektrumában a kémiai elemek spektrumvonalai eltolódnak a piros (hosszú hullámú) oldalra. Minél távolabb van egy tárgy tőlünk, annál nagyobb a vöröseltolódása. A vonalak eltolódását az ibolya (rövidhullámú) oldalra, az objektum megközelítése miatt, kéknek vagy lila eltolásnak hívják. Ennek a jelenségnek az egyik magyarázata a mindenütt jelen lévő Doppler-hatás. Például magyarázatot adnak az elhaladó autó sziréna hangjának vagy a repülő repülőgép motorjának hangjának csökkentésére. A legtöbb kamera munkája a jogsértések rögzítésére a Doppler-effektuson alapszik.
A spektrális vonalak a piros oldalra tolódtak
wikimedia.org
Tehát ismert, hogy az univerzum bővül. És tudva, hogy mennyire terjeszkedik, meghatározhatja a világegyetem korát. Habble-állandónak nevezzük azt az állandó értéket, amely azt mutatja, hogy a két galaxis milyen gyorsan repül különböző irányokba, egymástól 1 Mpc (megaparsec) távolságra. De a világegyetem kora meghatározásához a tudósoknak tudniuk kellett annak sűrűségét és összetételét. E célból a WMAP (NASA) és a Planck (Európai Űrügynökség) űrmegfigyelőket küldték az űrbe. A WMAP adatai lehetővé tették a világegyetem életkorának meghatározását 13,75 milliárd évnél. A nyolc évvel később elindított európai műhold adatai lehetővé tették a szükséges paraméterek finomítását, és a világegyetem kora 13,81 milliárd év volt.
Űrmegfigyelő Intézet
esa.int
Szergej Sobol
