Poznání okolního světa je nemožné, aniž bychom pochopili věk historických starožitností a jak dlouho samotný svět - náš vesmír - existoval. Vědci vytvořili mnoho metod pro stanovení věku archeologických nálezů a stanovení dat historických událostí. Chronologická časová osa dnes označuje jak data erupcí starověkých sopek, tak čas narození hvězd, které vidíme na noční obloze. Dnes vám povíme o hlavních metodách datování.
Archeologické nálezy
Pokud jde o věk archeologických nálezů, pak si samozřejmě každý pamatuje metodu radiokarbonu. Toto je možná nejslavnější, i když ne jediná metoda randění se starožitnostmi. Známý také pro neustálé kritiky, kterým je vystaven. Co je tato metoda, co a jak se používá?
Nejprve je třeba říci, že tato metoda se až na vzácné výjimky používá pouze pro datování předmětů a materiálů biologického původu. To znamená, že věk všeho, co bylo kdysi naživu. Navíc mluvíme o datování přesně okamžiku smrti biologického objektu. Například osoba nalezená v troskách domu zničeného zemětřesením nebo strom kácený na stavbu lodi. V prvním případě to umožňuje určit přibližnou dobu zemětřesení (pokud to nebylo známo z jiných zdrojů), ve druhém - přibližné datum stavby lodi. Tak například datovali sopečnou erupci na ostrově Santorini, jednu z klíčových událostí ve starověké historii, možnou příčinu apokalypsy z doby bronzové. Pro analýzu vědci vzali větev olivovníků nalezenou během vykopávek sopečné půdy.
Proč záleží na okamžiku smrti organismu? O sloučeninách uhlíku je známo, že tvoří základ života na naší planetě. Živé organismy to získávají především z atmosféry. Se smrtí se výměna uhlíku s atmosférou zastaví. Ale uhlík na naší planetě, i když zabírá jednu buňku periodické tabulky, je jiný. Na Zemi jsou tři uhlíkové izotopy, dva stabilní - 12C a 13C a jeden radioaktivní, rozkládající se - 14C. Dokud je organismus naživu, je poměr stabilních a radioaktivních izotopů stejný jako v atmosféře. Jakmile se výměna uhlíku zastaví, množství nestabilního izotopu 14C (radiokarbon) začne klesat v důsledku rozkladu a mění se poměr. Po asi 5700 letech se množství radiokarbonu sníží na polovinu, což se nazývá poločas.
Radiokarbon se rodí v horní atmosféře z dusíku a pak se v procesu radioaktivního rozpadu mění na dusík
Propagační video:
wikimedia.org
Radiokarbonová datovací metoda byla vyvinuta Willardem Libbym. Zpočátku předpokládal, že poměr izotopů uhlíku v atmosféře v čase a prostoru se nemění, a poměr izotopů v živých organismech odpovídá poměru v atmosféře. Pokud ano, pak změřením tohoto poměru v dostupném archeologickém vzorku můžeme určit, kdy odpovídá atmosférickému. Nebo získejte tzv. „Nekonečný věk“, pokud ve vzorku není radioaktivní uhlík.
Tato metoda neumožňuje nahlédnout do minulosti. Jeho teoretická hloubka je 70 000 let (13 poločasů). Asi v této době nestabilní uhlík úplně rozpadne. Praktický limit je však 50 000–60 000 let. Není již možné, přesnost zařízení neumožňuje. Mohou měřit věk „ledového muže“, ale již není možné nahlédnout do historie planety před objevením člověka a určit například věk zbytků dinosaurů. Kromě toho je radiokarbonová metoda jednou z nejvíce kritizovaných. Spor kolem Turínského plátna a analýza metody pro stanovení věku relikvie jsou jen jednou z ilustrací nedokonalosti této metody. Jaký je argument ohledně kontaminace vzorků izotopem uhlíku po ukončení výměny uhlíku s atmosférou? Není vždy jisté, že objekt, který se vezme k analýze, je zcela bez uhlíku,zavedeny například po bakteriích a mikroorganismech, které se na předmětu usadily.
Stojí za zmínku, že po zahájení aplikace metody se ukázalo, že poměr izotopů v atmosféře se v průběhu času měnil. Vědci proto potřebovali vytvořit takzvanou kalibrační stupnici, na které jsou v průběhu let zaznamenávány změny obsahu radiokarbonu v atmosféře. Za tímto účelem byly pořízeny předměty, jejichž datování je známo. Dendrochronologie, věda založená na studiu stromových prstenů dřeva, přišla na pomoc vědcům.
Na začátku jsme zmínili, že existují vzácné případy, kdy se tato metoda vztahuje na objekty nebiologického původu. Typickým příkladem jsou starobylé budovy, v jejichž maltě byly použity vápno CaO. V kombinaci s vodou a oxidem uhličitým v atmosféře se vápno přeměnilo na uhličitan vápenatý CaCO3. V tomto případě se výměna uhlíku s atmosférou zastavila od okamžiku, kdy malta ztuhla. Tímto způsobem můžete určit stáří mnoha starých budov.
Zbytky dinosaurů a starých rostlin
Nyní pojďme mluvit o dinosaurech. Jak víte, éra dinosaurů byla relativně malá (samozřejmě podle standardů geologické historie Země) časové období, které trvalo 186 milionů let. Mezozoická éra, jak je určena v geochronologickém měřítku naší planety, začala asi před 252 miliony let a skončila před 66 miliony let. Současně to vědci s jistotou rozdělili do tří období: triasu, jury a křídy. A pro každého určili své vlastní dinosaury. Ale jak? Koneckonců, radiokarbonová metoda není pro taková období použitelná. Ve většině případů je věk pozůstatků dinosaurů, dalších starověkých tvorů i starověkých rostlin určen dobou, ve které byly nalezeny skály. Pokud byly zbytky dinosaura nalezeny ve skalách horní triasy a to je před 237–201 miliony let, pak dinosaurus tehdy žil. Nyní je otázkou:jak zjistit věk těchto hornin?
Dinosaurus zůstává ve starověké skále
terrain.org
Již jsme řekli, že radiokarbonovou metodu lze použít nejen ke stanovení stáří objektů biologického původu. Izotop uhlíku má však příliš krátký poločas a při určování věku stejných geologických hornin není použitelný. Tato metoda, i když je nejslavnější, je pouze jednou z metod radioizotopového datování. V přírodě existují i jiné izotopy, jejichž poločasy jsou delší a známé. A minerály, které lze použít na stárnutí, například zirkon.
Je to velmi užitečný minerál pro stanovení věku pomocí datování olovnatým olovem. Výchozím bodem pro stanovení věku bude okamžik krystalizace zirkonu, podobný momentu smrti biologického objektu radiokarbonovou metodou. Krystaly zirkonu jsou obvykle radioaktivní, protože obsahují nečistoty radioaktivních prvků a především izotopy uranu. Mimochodem, radiokarbonovou metodu lze také nazvat metodou uhlík-dusík, protože produktem rozkladu izotopu uhlíku je dusík. Ale které z atomů dusíku ve vzorku byly vytvořeny v důsledku rozkladu a které tam byly zpočátku, vědci nemohou určit. Proto je na rozdíl od jiných radioizotopových metod tak důležité znát změnu koncentrace radiokarbonu v atmosféře planety.
Krystal zirkonu
wikimedia.org
V případě metody s obsahem uranu a olova je produktem rozkladu izotop, což je zajímavé, protože nemohl být ve vzorku dříve nebo byla původně známa jeho počáteční koncentrace. Vědci odhadují dobu rozpadu dvou izotopů uranu, jejíž rozpad končí koncem dvou různých izotopů olova. To znamená, že se stanoví poměr koncentrace počátečních izotopů a dceřiných produktů. Vědci aplikují radioizotopové metody na vyvřelé horniny a ukazují čas, který uplynul od tuhnutí.
Země a jiná nebeská těla
Jiné metody se používají ke stanovení stáří geologických hornin: draslík-argon, argon-argon, olovo-olovo. Díky tomu bylo možné určit čas vytvoření planet sluneční soustavy a podle toho i věk naší planety, protože se věří, že všechny planety v systému byly vytvořeny téměř současně. V roce 1953 měřil americký geochemista Claire Patterson poměr izotopů olova ve vzorcích meteoritu, který padl asi 20–40 tisíc let na území nyní obsazeném státem Arizona. Výsledkem bylo upřesnění odhadu věku Země na 4 550 miliard let. Analýza pozemských hornin také poskytuje údaje podobného řádu. Kameny objevené na pobřeží Hudsonského zálivu v Kanadě tedy mají 4,28 miliardy let. A nachází se také v Kanadě šedé ruly (skály,chemicky podobné žulovým a jílovitým břidlicím), které po dlouhou dobu držely vedoucí postavení ve věku, měly odhad 3,92 až 4,03 miliard let. Tato metoda je aplikovatelná na vše, čeho můžeme ve sluneční soustavě „dosáhnout“. Analýza vzorků lunárních hornin přivedených na Zemi ukázala, že jejich věk je 4,47 miliardy let.
Ale s hvězdami je všechno úplně jiné. Jsou od nás daleko. Získat kousek hvězdy k měření jejího věku je nerealistické. Vědci však vědí (nebo jsou si jisti), že například nejbližší hvězda, kterou máme k dispozici, Proxima Centauri, je jen o něco starší než naše Slunce: je stará 4,85 miliard let, Slunce je 4,57 miliard let. Ale diamant noční oblohy, Sirius, je teenager: má asi 230 milionů let. Severní hvězda je ještě méně: 70–80 milionů let stará. Relativně řečeno, Sirius se rozzářil na obloze na začátku éry dinosaurů a severní hvězda už na konci. Jak tedy vědí vědci věk hvězd?
Ze vzdálených hvězd nemůžeme přijmout nic kromě jejich světla. Ale to už je hodně. Ve skutečnosti je to část hvězdy, která vám umožňuje určit její chemické složení. Abychom věděli, z čeho je hvězda vytvořena, je nutné určit její věk. Během svého života se hvězdy vyvíjejí a procházejí všemi fázemi od protostarů po bílé trpaslíky. V důsledku termonukleárních reakcí vyskytujících se ve hvězdě se složení prvků v ní neustále mění.
Ihned po narození spadne hvězda do tzv. Hlavní sekvence. Hvězdy hlavní sekvence (včetně našeho Slunce) se skládají převážně z vodíku a helia. V průběhu termonukleárních reakcí vyhoření vodíku v jádru hvězdy se zvyšuje obsah hélia. Fáze spalování vodíku je nejdelší období v životě hvězdy. V této fázi je hvězdě asi 90% času, který jí byl přidělen. Rychlost průchodu etapami závisí na hmotnosti hvězdy: čím větší je, tím rychleji se hvězda smršťuje a čím rychleji „shoří“. Hvězda zůstává v hlavní sekvenci, dokud v jejím jádru shoří vodík. Trvání zbývajících fází, ve kterých těžší prvky shoří, je méně než 10%. Čím starší tedy hvězda v hlavní sekvenci, tím více hélia a méně vodíku obsahuje.
Před několika stovkami let se zdálo, že nikdy nebudeme schopni zjistit složení hvězd. Objev spektrální analýzy v polovině 19. století však vědcům poskytl mocný nástroj pro studium vzdálených objektů. Nejprve však Isaac Newton na začátku 18. století pomocí hranolu rozložil bílé světlo na samostatné složky různých barev - sluneční spektrum. O 100 let později, v roce 1802, se anglický vědec William Wollaston podrobně podíval na sluneční spektrum a objevil v něm úzké tmavé linie. Neměl jim příliš velký význam. Německý fyzik a optik Josef Fraunhofer je však brzy prozkoumá a podrobně popisuje. Kromě toho je vysvětluje absorpcí paprsků plyny sluneční atmosféry. Kromě slunečního spektra studuje také spektrum Venuše a Siria a najde tam podobné linie. Nacházejí se také v blízkosti umělých světelných zdrojů. A až v roce 1859 provedli němečtí chemici Gustav Kirchhoff a Robert Bunsen řadu experimentů, které vedly k závěru, že každý chemický prvek má ve spektru svou vlastní linii. A podle spektra nebeských těles lze tedy vyvodit závěry o jejich složení.
Spektrum sluneční fotosféry a Fraunhoferovy absorpční linie
wikimedia.org
Vědci tuto metodu okamžitě přijali. A brzy byl ve složení Slunce objeven neznámý prvek, který nebyl na Zemi nalezen. Bylo to helium (od "helios" - slunce). Teprve o něco později bylo objeveno na Zemi.
Naše Slunce je 73,46% vodíku a 24,85% hélium, podíl ostatních prvků je zanedbatelný. Mimochodem, mezi nimi jsou také kovy, které nemluví tolik o věku, ale spíše o „dědičnosti“naší hvězdy. Slunce je mladá hvězda třetí generace, což znamená, že bylo vytvořeno ze zbytků hvězd první a druhé generace. To znamená, že ty hvězdy v jádrech, z nichž byly tyto kovy syntetizovány. Na slunci se to z pochopitelných důvodů dosud nestalo. Složení Slunce nám umožňuje říci, že má 4,57 miliardy let. Ve věku 12,2 miliard let Slunce opustí hlavní sled a stane se červeným obrem, ale dlouho před tímto okamžikem nebude možný život na Zemi.
Hlavní populace naší Galaxie jsou hvězdy. Věk galaxie je určován nejstaršími objevenými předměty. Dnes jsou nejstaršími hvězdami v galaxii červený gigant HE 1523-0901 a Methuselahova hvězda, nebo HD 140283. Obě hvězdy jsou ve směru souhvězdí Váhy a jejich věk se odhaduje na asi 13,2 miliardy let.
Mimochodem, HE 1523-0901 a HD 140283 nejsou jen velmi staré hvězdy, jsou to hvězdy druhé generace, s nevýznamným obsahem kovů. To znamená, že hvězdy patří do generace, která předcházela našemu Slunci a jeho „vrstevníkům“.
Dalším nejstarším objektem je podle některých odhadů globulární hvězdokupa NGC6397, jejíž hvězdy jsou staré 13,4 miliardy let. V tomto případě vědci odhadují interval mezi vznikem první generace hvězd a narozením druhé na 200-300 milionů let. Tyto studie umožňují vědcům tvrdit, že naše Galaxie má 13,2–13,6 miliardy let.
Vesmír
Stejně jako u Galaxie lze i věk vesmíru předpokládat určením stáří jeho nejstarších objektů. Dosud je galaxie GN-z11, která se nachází ve směru souhvězdí Ursa Major, považována za nejstarší mezi známými objekty. Světlo z galaxie trvalo 13,4 miliard let, což znamená, že bylo emitováno 400 milionů let po Velkém třesku. A pokud světlo prošlo tak dlouhou cestu, pak vesmír nemůže mít menší věk. Jak ale bylo toto datum určeno?
Pro rok 2016 je galaxie GN-z11 nejvzdálenějším známým objektem ve vesmíru.
wikimedia.org
Číslo 11 v označení galaxie znamená, že má červený posun z = 11,1. Čím vyšší je tento indikátor, tím více je objekt od nás, čím déle z něj světlo vyšlo a čím starší je objekt. Předchozí šampión věku, galaxie Egsy8p7, má červený posun z = 8,68 (13,1 miliardy světelných let od nás). Uchazečem o senioritu je galaxie UDFj-39546284, pravděpodobně má z = 11,9, ale toto ještě nebylo plně potvrzeno. Vesmír nemůže mít věk menší než tyto objekty.
Trochu dříve jsme mluvili o spektrech hvězd, které určují složení jejich chemických prvků. Ve spektru hvězdy nebo galaxie, která se od nás vzdaluje, existuje posun ve spektrálních liniích chemických prvků na červenou (dlouhou vlnu) stranu. Čím dále je objekt od nás, tím větší je jeho červený posun. Posun linek na fialovou (krátkovlnnou) stranu v důsledku přístupu k objektu se nazývá modrý nebo fialový posun. Jedním vysvětlením tohoto jevu je všudypřítomný Dopplerův efekt. Vysvětlují například snížení tónu sirény projíždějícího auta nebo zvuk motoru létajícího letadla. Práce většiny kamer pro stanovení porušení je založena na Dopplerově efektu.
Spektrální čáry se posunuly k červené straně
wikimedia.org
Je tedy známo, že vesmír se rozšiřuje. A s vědomím rychlosti jeho expanze můžete určit věk vesmíru. Konstanta, která ukazuje rychlost, jakou dvě galaxie, oddělené vzdáleností 1 Mpc (megaparsec), létají různými směry, se nazývá Hubbleova konstanta. Vědci však potřebovali znát jeho hustotu a složení, aby určili věk vesmíru. Za tímto účelem byly do vesmíru vyslány vesmírné observatoře WMAP (NASA) a Planck (Evropská kosmická agentura). Data WMAP umožnila určit věk vesmíru na 13,75 miliard let. Údaje z evropského satelitu vypuštěného o osm let později umožnily upřesnit potřebné parametry a věk vesmíru byl stanoven na 13,81 miliard let.
Vesmírná observatoř Planck
esa.int
Sergey Sobol