La conoscenza del mondo circostante è impossibile senza comprendere l'età delle antichità storiche e da quanto tempo esiste il mondo stesso - il nostro Universo. Gli scienziati hanno creato molti metodi per determinare l'età dei reperti archeologici e stabilire le date degli eventi storici. Oggi, la linea temporale cronologica segna sia le date delle eruzioni di antichi vulcani sia l'ora di nascita delle stelle che vediamo nel cielo notturno. Oggi vi parleremo dei principali metodi di datazione.
Reperti archeologici
Quando si parla dell'età dei reperti archeologici, poi, ovviamente, tutti ricordano il metodo del radiocarbonio. Questo è forse il metodo più famoso, anche se non l'unico, per datare le antichità. Noto anche per le continue critiche a cui è sottoposto. Allora, qual è questo metodo, cosa e come viene utilizzato?
Per cominciare, va detto che questo metodo viene utilizzato, con rarissime eccezioni, solo per datare oggetti e materiali di origine biologica. Cioè, l'età di tutto ciò che una volta era vivo. Inoltre, stiamo parlando di datare esattamente il momento della morte di un oggetto biologico. Ad esempio, una persona trovata sotto le macerie di una casa distrutta da un terremoto o un albero abbattuto per costruire una nave. Nel primo caso, questo consente di determinare l'ora approssimativa del terremoto (se non era noto da altre fonti), nel secondo - la data approssimativa della costruzione della nave. Così, ad esempio, hanno datato un'eruzione vulcanica sull'isola di Santorini, uno degli eventi chiave della storia antica, una possibile causa dell'apocalisse dell'età del bronzo. Per l'analisi, gli scienziati hanno preso un ramo di ulivo trovato durante gli scavi del suolo vulcanico.
Perché è importante il momento della morte di un organismo? È noto che i composti del carbonio costituiscono la base della vita sul nostro pianeta. Gli organismi viventi lo ottengono principalmente dall'atmosfera. Con la morte, lo scambio di carbonio con l'atmosfera si ferma. Ma il carbonio sul nostro pianeta, sebbene occupi una cella della tavola periodica, è diverso. Ci sono tre isotopi di carbonio sulla Terra, due stabili - 12C e 13C e uno radioattivo, in decomposizione - 14C. Finché un organismo è vivo, il rapporto tra isotopi stabili e radioattivi in esso contenuti è lo stesso dell'atmosfera. Non appena si interrompe lo scambio di carbonio, la quantità di isotopo instabile 14C (radiocarbonio) inizia a diminuire a causa del decadimento e il rapporto cambia. Dopo circa 5700 anni, la quantità di radiocarbonio si dimezza, un processo chiamato emivita.
Il radiocarbonio nasce nell'alta atmosfera dall'azoto e poi si trasforma in azoto nel processo di decadimento radioattivo
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Il metodo di datazione al radiocarbonio è stato sviluppato da Willard Libby. Inizialmente, ha ipotizzato che il rapporto degli isotopi di carbonio nell'atmosfera nel tempo e nello spazio non cambi, e il rapporto degli isotopi negli organismi viventi corrisponde al rapporto nell'atmosfera. In tal caso, misurando questo rapporto nel campione archeologico disponibile, possiamo determinare quando corrispondeva all'atmosfera. Oppure ottieni la cosiddetta "età infinita" se non c'è radiocarbonio nel campione.
Il metodo non consente di guardare lontano nel passato. La sua profondità teorica è di 70.000 anni (13 emivite). In circa questo periodo, il carbonio instabile decadrà completamente. Ma il limite pratico è di 50.000-60.000 anni. Non è più possibile, la precisione dell'attrezzatura non lo consente. Possono misurare l'età dell '"uomo di ghiaccio", ma non è più possibile guardare nella storia del pianeta prima della comparsa dell'uomo e determinare, ad esempio, l'età dei resti di dinosauri. Inoltre, il metodo del radiocarbonio è uno dei più criticati. La controversia intorno alla Sindone di Torino e l'analisi del metodo per stabilire l'età della reliquia è solo uno degli esempi dell'imperfezione di questo metodo. Qual è l'argomento sulla contaminazione dei campioni con un isotopo di carbonio dopo la cessazione dello scambio di carbonio con l'atmosfera? Non è sempre certo che l'oggetto preso in analisi sia completamente privo di carbonio,introdotto dopo, ad esempio, batteri e microrganismi che si sono insediati sull'argomento.
Vale la pena notare che dopo l'inizio dell'applicazione del metodo, si è scoperto che il rapporto degli isotopi nell'atmosfera è cambiato nel tempo. Pertanto, gli scienziati dovevano creare una cosiddetta scala di calibrazione, sulla quale si notano cambiamenti nel contenuto di radiocarbonio nell'atmosfera nel corso degli anni. Per questo, sono stati presi oggetti, la cui datazione è nota. La dendrocronologia, una scienza basata sullo studio degli anelli degli alberi di legno, venne in aiuto degli scienziati.
All'inizio, abbiamo detto che ci sono rari casi in cui questo metodo si applica a oggetti di origine non biologica. Un tipico esempio sono gli edifici antichi, nella cui malta veniva usata la calce viva CaO. Quando combinato con acqua e anidride carbonica nell'atmosfera, la calce è stata convertita in carbonato di calcio CaCO3. In questo caso, lo scambio di carbonio con l'atmosfera si è fermato dal momento in cui la malta si è indurita. In questo modo, puoi determinare l'età di molti edifici antichi.
Resti di dinosauri e piante antiche
Ora parliamo di dinosauri. Come sapete, l'era dei dinosauri fu un periodo di tempo relativamente piccolo (ovviamente, per gli standard della storia geologica della Terra), che durò 186 milioni di anni. L'era mesozoica, come viene designata sulla scala geocronologica del nostro pianeta, iniziò circa 252 milioni di anni fa e terminò 66 milioni di anni fa. Allo stesso tempo, gli scienziati lo hanno diviso con sicurezza in tre periodi: Triassico, Giurassico e Cretaceo. E per ognuno hanno identificato i propri dinosauri. Ma come? Dopo tutto, il metodo del radiocarbonio non è applicabile per tali periodi. Nella maggior parte dei casi, l'età dei resti di dinosauri, altre creature antiche e piante antiche è determinata dal momento in cui sono state trovate le rocce. Se i resti di un dinosauro sono stati trovati nelle rocce del Triassico superiore, e questo è 237-201 milioni di anni fa, allora il dinosauro viveva in quel momento. Ora la domanda è:come determinare l'età di queste rocce?
Il dinosauro rimane nella roccia antica
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Abbiamo già detto che il metodo del radiocarbonio può essere utilizzato non solo per determinare l'età degli oggetti di origine biologica. Ma l'isotopo di carbonio ha un'emivita troppo breve e nel determinare l'età delle stesse rocce geologiche non è applicabile. Questo metodo, sebbene sia il più famoso, è solo uno dei metodi di datazione dei radioisotopi. Esistono altri isotopi in natura le cui emivite sono più lunghe e note. E minerali che possono essere usati per invecchiare, come lo zircone.
È un minerale molto utile per la determinazione dell'età utilizzando la datazione uranio-piombo. Il punto di partenza per la determinazione dell'età sarà il momento della cristallizzazione dello zircone, simile al momento della morte di un oggetto biologico con il metodo del radiocarbonio. I cristalli di zircone sono generalmente radioattivi, in quanto contengono impurità di elementi radioattivi e, soprattutto, isotopi di uranio. A proposito, il metodo del radiocarbonio potrebbe anche essere chiamato il metodo carbonio-azoto, poiché il prodotto di decadimento dell'isotopo del carbonio è l'azoto. Ma quali degli atomi di azoto nel campione si sono formati a seguito del decadimento e quali erano presenti inizialmente, gli scienziati non possono determinare. Pertanto, a differenza di altri metodi radioisotopici, è così importante conoscere il cambiamento nella concentrazione di radiocarbonio nell'atmosfera del pianeta.
Cristallo di zircone
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Nel caso del metodo uranio-piombo, il prodotto di decadimento è un isotopo, il che è interessante perché non poteva essere presente nel campione prima o la sua concentrazione iniziale era inizialmente nota. Gli scienziati stimano il tempo di decadimento di due isotopi dell'uranio, il cui decadimento termina con la formazione di due diversi isotopi di piombo. Cioè, viene determinato il rapporto tra la concentrazione degli isotopi iniziali e dei prodotti derivati. I metodi radioisotopici vengono applicati dagli scienziati alle rocce ignee e mostrano il tempo trascorso dalla solidificazione.
Terra e altri corpi celesti
Altri metodi sono usati per determinare l'età delle rocce geologiche: potassio-argon, argon-argon, piombo-piombo. Grazie a quest'ultimo, è stato possibile determinare il tempo di formazione dei pianeti del sistema solare e, di conseguenza, l'età del nostro pianeta, poiché si ritiene che tutti i pianeti del sistema si siano formati quasi contemporaneamente. Nel 1953, la geochimica americana Claire Patterson misurò il rapporto degli isotopi del piombo in campioni di un meteorite caduto per circa 20-40mila anni nel territorio ora occupato dallo stato dell'Arizona. Il risultato è stato un raffinamento della stima dell'età della Terra a 4.550 miliardi di anni. Anche l'analisi delle rocce terrestri fornisce cifre di un ordine simile. Quindi, le pietre scoperte sulle rive della Baia di Hudson in Canada hanno 4,28 miliardi di anni. E si trova anche in Canada gneiss grigi (rocce,chimicamente simile ai graniti e agli scisti argillosi), che per lungo tempo ha tenuto il comando in età, aveva una stima di 3,92-4,03 miliardi di anni. Questo metodo è applicabile a tutto ciò che possiamo "raggiungere" nel sistema solare. L'analisi dei campioni di rocce lunari portati sulla Terra ha mostrato che la loro età è di 4,47 miliardi di anni.
Ma con le stelle, tutto è completamente diverso. Sono lontani da noi. Ottenere un pezzo di una stella per misurare la sua età non è realistico. Tuttavia, gli scienziati sanno (o sono sicuri) che, ad esempio, la stella più vicina a noi, Proxima Centauri, è solo leggermente più vecchia del nostro Sole: ha 4,85 miliardi di anni, il Sole ha 4,57 miliardi di anni. Ma il diamante del cielo notturno, Sirius, è un adolescente: ha circa 230 milioni di anni. La stella polare ha ancora meno: 70-80 milioni di anni. Relativamente parlando, Sirius si è acceso nel cielo all'inizio dell'era dei dinosauri e la stella polare già alla fine. Allora come fanno gli scienziati a conoscere l'età delle stelle?
Non possiamo ricevere nulla da stelle lontane tranne la loro luce. Ma questo è già molto. In effetti, questo è il pezzo della stella che consente di determinarne la composizione chimica. Sapere di cosa è fatta una stella è necessario per determinarne l'età. Durante la loro vita, le stelle si evolvono, attraversando tutte le fasi, dalle protostelle alle nane bianche. Come risultato delle reazioni termonucleari che si verificano nella stella, la composizione degli elementi al suo interno cambia costantemente.
Immediatamente dopo la nascita, la stella cade nella cosiddetta sequenza principale. Le stelle della sequenza principale (compreso il nostro Sole) sono composte principalmente da idrogeno ed elio. Nel corso delle reazioni termonucleari di esaurimento dell'idrogeno, il contenuto di elio nel nucleo della stella aumenta. Lo stadio di combustione dell'idrogeno è il periodo più lungo nella vita di una stella. In questa fase, alla stella viene assegnato circa il 90% del tempo. La velocità di attraversamento degli stadi dipende dalla massa della stella: più è grande, più velocemente la stella si contrae e più velocemente "brucia". La stella rimane sulla sequenza principale fintanto che l'idrogeno brucia nel suo nucleo. La durata delle fasi rimanenti, in cui si bruciano gli elementi più pesanti, è inferiore al 10%. Quindi, più vecchia è una stella sulla sequenza principale, più elio e meno idrogeno contiene.
Un paio di centinaia di anni fa, sembrava che non saremmo mai stati in grado di scoprire la composizione delle stelle. Ma la scoperta dell'analisi spettrale a metà del XIX secolo ha fornito agli scienziati un potente strumento per studiare oggetti distanti. Ma prima Isaac Newton all'inizio del XVIII secolo con l'aiuto di un prisma ha scomposto la luce bianca in componenti separati di diversi colori: lo spettro solare. 100 anni dopo, nel 1802, lo scienziato inglese William Wollaston osservò da vicino lo spettro solare e vi scoprì strette linee scure. Non dava loro molta importanza. Ma presto il fisico e ottico tedesco Josef Fraunhofer li indaga e li descrive in dettaglio. Inoltre, li spiega con l'assorbimento dei raggi da parte dei gas dell'atmosfera solare. Oltre allo spettro solare, studia lo spettro di Venere e Sirio e vi trova linee simili. Si trovano anche vicino a sorgenti di luce artificiale. E solo nel 1859, i chimici tedeschi Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen condussero una serie di esperimenti, che portarono alla conclusione che ogni elemento chimico ha una propria linea nello spettro. E, quindi, secondo lo spettro dei corpi celesti, si possono trarre conclusioni sulla loro composizione.
Spettro della fotosfera solare e righe di assorbimento di Fraunhofer
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Il metodo è stato immediatamente adottato dagli scienziati. E presto fu scoperto un elemento sconosciuto nella composizione del Sole, che non fu trovato sulla Terra. Era elio (da "helios" - il sole). Solo poco dopo è stato scoperto sulla Terra.
Il nostro Sole è per il 73,46% di idrogeno e per il 24,85% di elio, la proporzione di altri elementi è insignificante. A proposito, ci sono anche metalli tra loro, che non parlano tanto dell'età, ma piuttosto dell '"eredità" della nostra stella. Il Sole è una giovane stella di terza generazione, il che significa che si è formata da ciò che resta delle stelle della prima e della seconda generazione. Cioè, quelle stelle nei nuclei di cui questi metalli sono stati sintetizzati. Al Sole, per ovvie ragioni, questo non è ancora accaduto. La composizione del Sole ci permette di dire che ha 4,57 miliardi di anni. All'età di 12,2 miliardi di anni, il Sole lascerà la sequenza principale e diventerà una gigante rossa, ma molto prima di questo momento, la vita sulla Terra sarà impossibile.
La popolazione principale della nostra galassia sono le stelle. L'età della Galassia è determinata dagli oggetti più antichi che sono stati scoperti. Oggi le stelle più antiche della Galassia sono la gigante rossa HE 1523-0901 e la stella Matusalemme, o HD 140283. Entrambe le stelle sono nella direzione della costellazione della Bilancia e la loro età è stimata in circa 13,2 miliardi di anni.
A proposito, HE 1523-0901 e HD 140283 non sono solo stelle molto vecchie, sono stelle della seconda generazione, che hanno un contenuto di metallo insignificante. Cioè, le stelle appartenenti alla generazione che ha preceduto il nostro Sole e i suoi "pari".
Un altro oggetto più antico, secondo alcune stime, è l'ammasso stellare globulare NGC6397, le cui stelle hanno 13,4 miliardi di anni. In questo caso, l'intervallo tra la formazione della prima generazione di stelle e la nascita della seconda è stimato dai ricercatori in 200-300 milioni di anni. Questi studi consentono agli scienziati di sostenere che la nostra galassia ha 13,2-13,6 miliardi di anni.
Universo
Come con la Galassia, l'età dell'Universo può essere presunta determinando l'età dei suoi oggetti più antichi. Ad oggi, la galassia GN-z11, situata in direzione della costellazione dell'Orsa Maggiore, è considerata la più antica tra gli oggetti a noi noti. La luce della galassia ha impiegato 13,4 miliardi di anni, il che significa che è stata emessa 400 milioni di anni dopo il Big Bang. E se la luce ha fatto tanta strada, allora l'Universo non può avere un'età inferiore. Ma come è stata determinata questa data?
Per il 2016, la galassia GN-z11 è l'oggetto conosciuto più distante nell'universo.
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Il numero 11 nella designazione della galassia indica che ha uno spostamento verso il rosso di z = 11,1. Più alto è questo indicatore, più l'oggetto è lontano da noi, più a lungo la luce è passata da esso e più vecchio è l'oggetto. La precedente campionessa di età, la galassia Egsy8p7, ha un redshift di z = 8,68 (13,1 miliardi di anni luce di distanza da noi). Il contendente per l'anzianità è la galassia UDFj-39546284, probabilmente ha z = 11,9, ma questo non è stato ancora del tutto confermato. L'universo non può avere un'età inferiore a questi oggetti.
Poco prima abbiamo parlato degli spettri delle stelle, che determinano la composizione dei loro elementi chimici. Nello spettro di una stella o galassia, che si sta allontanando da noi, c'è uno spostamento nelle linee spettrali degli elementi chimici verso il lato rosso (onda lunga). Più un oggetto è lontano da noi, maggiore è il suo spostamento verso il rosso. Lo spostamento delle linee sul lato viola (onde corte), dovuto all'avvicinamento di un oggetto, è chiamato spostamento blu o viola. Una spiegazione di questo fenomeno è l'onnipresente effetto Doppler. Ad esempio, spiegano l'abbassamento del tono della sirena di un'auto di passaggio o il rumore del motore di un aereo in volo. Il lavoro della maggior parte delle telecamere per correggere le violazioni si basa sull'effetto Doppler.
Le linee spettrali si sono spostate sul lato rosso
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Quindi, è noto che l'universo si sta espandendo. E conoscendo la velocità della sua espansione, puoi determinare l'età dell'universo. La costante che mostra la velocità alla quale due galassie, separate da una distanza di 1 Mpc (megaparsec), volano in direzioni diverse, è chiamata costante di Hubble. Ma per determinare l'età dell'universo, gli scienziati dovevano conoscerne la densità e la composizione. A tal fine, sono stati inviati nello spazio gli osservatori spaziali WMAP (NASA) e Planck (Agenzia spaziale europea). I dati WMAP hanno permesso di determinare l'età dell'universo a 13,75 miliardi di anni. I dati di un satellite europeo lanciato otto anni dopo hanno permesso di affinare i parametri necessari e l'età dell'universo è stata determinata a 13,81 miliardi di anni.
Osservatorio spaziale Planck
esa.int
Sergey Sobol
