От «Ледяного человека» до Вселенной: как ученые определяют возраст всего

Археологические находки

Когда речь идет о возрасте археологических находок, то, конечно, все вспоминают радиоуглеродный метод. Это, пожалуй, самый известный, хотя и не единственный, метод датирования древностей. Известный в том числе благодаря постоянной критике, которой он подвергается. Так что это за метод, для чего и как он используется?

Для начала нужно сказать, что этот метод применяется, за очень редким исключением, только для датировки предметов и материалов биологического происхождения. То есть возраста всего, что некогда было живым. Более того, речь идет о датировке именно момента гибели биологического объекта. К примеру, человека, обнаруженного под завалами жилища, разрушенного землетрясением, или дерева, срубленного для того, чтобы построить корабль. В первом случае это позволяет определить примерное время землетрясения (если оно не было известно из других источников), во втором – примерную дату постройки корабля. Так, например, датировали извержение вулкана на острове Санторин, одного из ключевых событий древней истории, возможной причины апокалипсиса бронзового века. Для анализа ученые взяли найденную при раскопках вулканического грунта ветвь оливкового дерева.

Почему имеет значение именно момент гибели организма? Соединения углерода, как известно, составляют основу жизни на нашей планете. Живые организмы получают его в первую очередь из атмосферы. С гибелью углеродный обмен с атмосферой прекращается. Но углерод на нашей планете, хоть и занимает одну клетку таблицы Менделеева, однако бывает разный. На Земле встречаются три изотопа углерода, два стабильных – ¹²C и ¹³C и один радиоактивный, подверженный распаду, – ¹⁴C. Пока организм жив, соотношение стабильных и радиоактивных изотопов в нем то же, что и в атмосфере. Как только углеродный обмен прекращается, количество нестабильного изотопа ¹⁴C (радиоуглерода) за счет распада начинает снижаться и соотношение меняется. Примерно через 5700 лет количество радиоуглерода снижается вдвое, этот процесс называется периодом полураспада. 

Метод радиоуглеродного датирования разработал Уиллард Либби. Первоначально он предположил, что соотношение изотопов углерода в атмосфере во времени и пространстве не меняется, а соотношение изотопов в живых организмах соответствует соотношению в атмосфере. Если так, то измерив это соотношение в имеющемся археологическом образце, мы можем определить, когда оно соответствовало атмосферному. Либо получить так называемый «бесконечный возраст», если радиоуглерода в образце нет.

Метод не позволяет заглянуть далеко в прошлое. Его теоретическая глубина – 70 000 лет (13 периодов полураспада). Примерно за это время нестабильный углерод полностью распадется. Но практический предел – 50 000–60 000 лет. Больше нельзя, не позволяет точность оборудования. Измерить возраст «Ледяного человека»  им можно, а вот заглянуть в историю планеты до появления человека  и определить, например, возраст останков динозавров уже нельзя. Кроме того, радиоуглеродный метод – один из самых критикуемых. Споры вокруг Туринской плащаницы и разбор методики установления возраста реликвии лишь одна из иллюстраций несовершенства данного метода. Чего только стоит аргумент о загрязнении образцов изотопом углерода уже после прекращения углеродного обмена с атмосферой. Не всегда есть уверенность, что взятый для анализа предмет полностью очищен от углерода, привнесенного уже после, например бактериями и микроорганизмами, поселившимися на предмете.

Стоит заметить, что после начала применения метода выяснилось, что соотношение изотопов в атмосфере со временем менялось. Поэтому ученым понадобилось создать так называемую калибровочную шкалу, на которой отмечено по годам изменение содержания радиоуглерода в атмосфере. Для этого были взяты объекты, датировка которых известна. На помощь ученым пришла дендрохронология – наука, основанная на исследовании годичных колец древесины.

Вначале мы упомянули о том, что есть редкие случаи, когда данный метод распространяется на предметы небиологического происхождения. Характерный пример – древние постройки, в строительном растворе которых применялась негашеная известь CaO. При соединении с водой и углекислым газом, содержащимся в атмосфере, известь превращалась в карбонат кальция CaCO₃. Углеродный обмен с атмосферой в этом случае прекращался с момента затвердевания строительного раствора. Таким способом можно определить возраст многих древних построек.

Останки динозавров и древних растений

Теперь поговорим о динозаврах. Как известно, эрой динозавров был сравнительно небольшой (конечно, по меркам геологической истории Земли) отрезок времени, который продлился 186 млн лет. Мезозойская эра, так она обозначена на геохронологической шкале нашей планеты, началась примерно 252 млн лет назад и закончилась 66 млн лет назад. При этом ученые уверенно разделили ее на три периода: триасовый, юрский и меловой. И для каждого определили своих динозавров. Но как? Ведь радиоуглеродный метод для таких сроков не применим. В большинстве случаев возраст останков динозавров, других древних существ, а также древних растений определяют по тому, в породах какого периода они обнаружены. Если останки динозавра были найдены в породах верхнего триаса, а это 237–201 млн лет назад, значит, в это время динозавр и жил. Теперь встает вопрос, как определить возраст этих пород?

Мы уже говорили, что радиоуглеродный метод можно использовать не только для определения возраста объектов, имеющих биологическое происхождение. Но изотоп углерода имеет слишком малый период полураспада, и при определении возраста тех же геологических пород он не применим. Этот метод, хоть и является самым известным, всего лишь один из методов радиоизотопного датирования. В природе есть и другие изотопы, чьи периоды полураспада более длительны и известны. И минералы, которые могут быть использованы для определения возраста, например циркон.

Для определения возраста методом уран-свинцового датирования это очень удобный минерал. Точкой отсчета для определения возраста будет момент кристаллизации циркона, аналогично моменту гибели биологического объекта при радиоуглеродном методе. Кристаллы циркона обычно радиоактивны, так как содержат в себе примеси радиоактивных элементов и прежде всего изотопы урана. К слову, радиоуглеродный метод можно было бы назвать и углерод-азотным методом, так как продуктом распада изотопа углерода является азот. Вот только какие из находящихся в образце атомов азота образовались в результате распада, а какие там были изначально, ученые определить не могут. Поэтому, в отличие от других радиоизотопных методов, здесь так важно знать изменение концентрации радиоуглерода в атмосфере планеты.

В случае с уран-свинцовым методом продуктом распада является изотоп, который интересен тем, что его в образце ранее быть не могло или его первоначальная концентрация изначально известна. Ученые оценивают время распада двух изотопов урана, распад которых завершается образованием двух различных изотопов свинца. То есть определяется соотношение концентрации исходных изотопов и дочерних продуктов. Радиоизотопные методы применяются учеными к изверженным породам и показывают время, которое прошло с момента отвердения.

Земля и другие небесные тела

Для определения возраста геологических пород применяют и другие методы: калий-аргоновый, аргон-аргоновый, свинец-свинцовый. Благодаря последнему удалось определить время формирования планет Солнечной системы и, соответственно, возраст нашей планеты, так как считается, что все планеты в системе сформировались практически одновременно. В 1953 году американский геохимик Клер Паттерсон измерил соотношение изотопов свинца в образцах метеорита, упавшего около 20–40 тыс. лет на территории, занимаемой сейчас штатом Аризона. Результатом оказалось уточнение оценки возраста Земли до 4,550 млрд лет. Анализ земных пород тоже дает цифры подобного порядка. Так, обнаруженные на берегах Гудзонова залива в Канаде камни имеют возраст 4,28 млрд лет. А расположенные также в Канаде серые гнейсы (горные породы, по химическому составу близкие гранитам и глинистым сланцам), долгое время удерживавшие лидерство по возрасту, имели оценку от 3,92 до 4,03 млрд лет. Этот метод применим ко всему, до чего мы можем «дотянутся» в Солнечной системе. Анализ образцов лунных камней, привезенных на Землю, показал, что их возраст равен 4,47 млрд лет.

А вот со звездами все совсем по-другому. Они от нас далеко. Достать кусочек звезды, чтобы измерить ее возраст, нереально. Но, тем не менее, ученые знают (или уверены), что, к примеру, ближайшая к нам звезда Проксима Центавра всего лишь немного старше нашего Солнца: ей 4,85 млрд лет, Солнцу – 4,57 млрд лет. А вот бриллиант ночного неба Сириус совсем подросток: ему примерно 230 млн. лет. Полярной звезде и того меньше: 70–80 млн. лет. Условно говоря, Сириус зажегся на небе в начале эпохи динозавров, а Полярная звезда уже в конце. Так откуда ученым известен возраст звезд?

Мы не можем получить от далеких звезд ничего, кроме их света. Но и это уже немало. Фактически это тот кусочек звезды, который позволяет определить ее химический состав. Знание того, из чего состоит звезда, и необходимо для определения ее возраста. В течение своей жизни звезды эволюционируют, проходя все этапы от протозвезд до белых карликов. В результате происходящих в звезде термоядерных реакций состав элементов в ней постоянно меняется.

Сразу после рождения звезда попадает на так называемую главную последовательность. Звезды главной последовательности (к ним относится и наше Солнце) состоят в основном из водорода и гелия. В процессе термоядерных реакций выгорания водорода в ядре звезды растет содержание гелия. Стадия горения водорода – самый продолжительный период в жизни звезды. В этой стадии звезда находится около 90% отведенного ей времени. Скорость же прохождения стадий зависит от массы звезды: чем она больше, тем быстрее звезда сжимается и быстрее «сгорает». На главной последовательности звезда находится до тех пор, пока происходит выгорание водорода в ее ядре. Длительность остальных стадий, на которых выгорают более тяжелые элементы, менее 10 %. Таким образом, чем старше звезда, находящаяся на главной последовательности, тем больше в ней гелия и меньше водорода.

Еще пару сотен лет назад казалось, что узнать состав звезд мы никогда не сможем. Но открытие спектрального анализа в середине 19 века дало в руки ученым мощный инструмент исследования далеких объектов. Вот только сначала Исаак Ньютон в начале 18 века с помощью призмы разложил белый свет на отдельные компоненты различной цветности – солнечный спектр. Через 100 лет, в 1802 году, английский ученый Уильям Волластон присмотрелся к солнечному спектру и обнаружил в нем узкие темные линии. Он не придал им большого значения. Но вскоре уже немецкий физик и оптик Йозеф Фраунгофер исследует их и подробно описывает. Кроме того, он объясняет их поглощением лучей газами атмосферы Солнца. Кроме солнечного спектра он изучает спектр Венеры и Сириуса и находит там аналогичные линии. Обнаруживаются они и у искусственных источников света. И только уже в 1859 году немецкие химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен провели серию опытов, по итогам которых пришли к выводу, что каждому химическому элементу соответствует своя линия в спектре. А, следовательно, по спектру небесных светил можно сделать выводы об их составе.

Наше Солнце на 73,46% состоит из водорода и на 24,85% – из гелия, доля остальных элементов незначительна. Кстати, среди них есть и металлы, что говорит уже не столько о возрасте, а сколько о «наследственности» нашей звезды. Солнце – молодая звезда третьего поколения, а это значит, что оно образовалось из того, что осталось от звезд первого и второго поколений. То есть тех звезд, в ядрах которых эти металлы и были синтезированы. В Солнце, по понятным причинам, этого еще не произошло. Состав Солнца и позволяет сказать, что ему 4,57 млрд лет. К возрасту 12,2 млрд лет Солнце покинет главную последовательность и станет красным гигантом, но уже задолго до этого момента жизнь на Земле будет невозможна.

Основное население нашей Галактики – это звезды. Возраст Галактики определяют по самым старым ее объектам, которые удалось обнаружить. На сегодня самыми старыми звездами в Галактике являются красный гигант HE 1523-0901 и «Звезда Мафусаила», или HD 140283. Обе звезды находятся в направлении созвездия Весов, и их возраст оценен примерно в 13,2 млрд лет.

Другим старейшим объектом, по некоторым оценкам, является шаровое звездное скопление NGC6397, звезды которого имеют возраст 13,4 млрд лет. При этом интервал между формированием первого поколения звезд и рождением второго оценивается исследователями в 200–300 миллионов лет. Эти исследования позволяют ученым утверждать, что наша Галактика имеет возраст 13,2–13,6 млрд лет.

Вселенная

Так же как и с Галактикой, возраст Вселенной можно предположить, определив, сколько лет ее самым старым объектам. На сегодняшний день рекордсменом по возрасту среди известных нам объектов считается галактика GN-z11, расположенная в направлении созвездия Большая Медведица. Свет от галактики шел 13,4 млрд лет, то есть он был испущен спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва. А если свет проделал столь долгий путь, то Вселенная не может иметь меньший возраст. Но как же был определен этот срок?

Число 11 в обозначении галактики говорит о том, что она имеет красное смещение z = 11,1. Чем больше этот показатель, тем дальше объект находится от нас, тем дольше шел свет от него и тем объект старше. Предыдущий чемпион по возрасту – галактика Egsy8p7 – имеет красное смещение z = 8,68 (удалена от нас 13,1 млрд световых лет). Претендент на старшинство – галактика UDFj-39546284, вероятно, имеет z =11,9, но это пока до конца не подтверждено. Вселенная не может иметь возраст менее этих объектов.

Чуть раньше мы рассказали о спектрах звезд, по которым определяется состав их химических элементов. В спектре звезды или галактики, которая удаляется от нас, происходит сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Чем дальше объект от нас, тем больше его красное смещение. Смещение линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону, обусловленное приближением объекта, называется синим или фиолетовым смещением. Одним из объяснений этого явления является вездесущий эффект Доплера. Им, к примеру, объясняется и понижение тона сирены проезжающей мимо машины или звука двигателя пролетающего самолета. На доплеровском эффекте основана работа и большинства камер фиксации нарушений.                        

Итак, известно, что Вселенная расширяется. А зная скорость ее расширения, можно определить и возраст Вселенной. Константа, показывающая, с какой скоростью две галактики, разделенные расстоянием в 1 Мпк (мегапарсек), разлетаются в разные стороны, называется постоянной Хаббла. Но чтобы определить возраст Вселенной, ученым понадобилось узнать ее плотность и состав. С этой целью в космос были отправлены космические обсерватории WMAP (NASA) и Planck (Европейское космическое агентство). Данные WMAP позволили определить возраст Вселенной в 13,75 млрд лет. Данные европейского спутника, запущенного восемь лет спустя, позволили уточнить необходимые параметры, и возраст Вселенной был определен в 13,81 млрд лет.