Erkenning van de omringende wereld is onmogelijk zonder de ouderdom van historische oudheden te begrijpen en hoe lang de wereld zelf - ons universum - bestaat. Wetenschappers hebben veel methoden ontwikkeld om de ouderdom van archeologische vondsten te bepalen en de data van historische gebeurtenissen vast te stellen. Tegenwoordig markeert de chronologische tijdlijn zowel de data van de uitbarstingen van oude vulkanen als de geboortetijd van de sterren die we aan de nachtelijke hemel zien. Vandaag vertellen we je over de belangrijkste dateringsmethoden.
Archeologische vondsten
Als het gaat om het tijdperk van archeologische vondsten, herinnert iedereen zich natuurlijk de radiokoolstofmethode. Dit is misschien wel de meest bekende, maar niet de enige methode om oudheden te dateren. Ook bekend om de constante kritiek waaraan hij wordt blootgesteld. Dus wat is deze methode, wat en hoe wordt deze gebruikt?
Om te beginnen moet worden gezegd dat deze methode, op zeer zeldzame uitzonderingen na, alleen wordt gebruikt voor het dateren van objecten en materialen van biologische oorsprong. Dat wil zeggen, de ouderdom van alles dat ooit leefde. Bovendien hebben we het over het dateren van precies het moment van overlijden van een biologisch object. Bijvoorbeeld een persoon gevonden onder het puin van een huis dat door een aardbeving is verwoest, of een boom die is gekapt om een schip te bouwen. In het eerste geval kunt u hiermee het geschatte tijdstip van de aardbeving bepalen (als dit niet bekend was uit andere bronnen), in het tweede geval - de geschatte datum van de constructie van het schip. Ze dateerden bijvoorbeeld van een vulkaanuitbarsting op het eiland Santorini, een van de belangrijkste gebeurtenissen in de oude geschiedenis, een mogelijke oorzaak van de apocalyps uit de bronstijd. Voor analyse namen de wetenschappers een olijftak die was gevonden tijdens opgravingen van vulkanische grond.
Waarom is het moment van overlijden van een organisme belangrijk? Het is bekend dat koolstofverbindingen de basis vormen van het leven op onze planeet. Levende organismen halen het voornamelijk uit de atmosfeer. Met de dood stopt de koolstofuitwisseling met de atmosfeer. Maar koolstof op onze planeet, hoewel het een cel van het periodiek systeem beslaat, is anders. Er zijn drie koolstofisotopen op aarde, twee stabiele - 12C en 13C en één radioactief, in verval - 14C. Zolang een organisme leeft, is de verhouding tussen stabiele en radioactieve isotopen erin hetzelfde als in de atmosfeer. Zodra de koolstofuitwisseling stopt, begint de hoeveelheid van de onstabiele isotoop 14C (radiokoolstof) af te nemen als gevolg van verval en verandert de verhouding. Na ongeveer 5700 jaar is de hoeveelheid radiokoolstof gehalveerd, een proces dat halfwaardetijd wordt genoemd.
Radiokoolstof wordt in de bovenste atmosfeer uit stikstof geboren en verandert vervolgens in stikstof tijdens het proces van radioactief verval
Promotie video:
wikimedia.org
De radiokoolstofdateringmethode is ontwikkeld door Willard Libby. Aanvankelijk suggereerde hij dat de verhouding tussen koolstofisotopen in de atmosfeer in tijd en ruimte niet verandert, en dat de verhouding tussen isotopen in levende organismen overeenkomt met de verhouding in de atmosfeer. Als dat zo is, kunnen we door het meten van deze verhouding in het beschikbare archeologische monster bepalen wanneer deze overeenkomt met atmosferisch. Of neem de zogenaamde "oneindige leeftijd" als er geen radiokoolstof in het monster zit.
De methode laat niet toe ver in het verleden te kijken. De theoretische diepte is 70.000 jaar (13 halfwaardetijden). Rond deze tijd zal de onstabiele koolstof volledig vervallen. Maar de praktische limiet is 50.000-60.000 jaar. Het is niet meer mogelijk, de nauwkeurigheid van de apparatuur staat het niet toe. Ze kunnen de leeftijd van de ‘ijsman’ meten, maar het is niet meer mogelijk om in de geschiedenis van de planeet te kijken voordat de mens verscheen en bijvoorbeeld de ouderdom van de overblijfselen van dinosauriërs te bepalen. Bovendien is de radiokoolstofmethode een van de meest bekritiseerde. De controverse rond de lijkwade van Turijn en de analyse van de methode om de ouderdom van het relikwie te bepalen, is slechts een van de voorbeelden van de onvolmaaktheid van deze methode. Wat is het argument over de vervuiling van monsters met een koolstofisotoop na beëindiging van de koolstofuitwisseling met de atmosfeer. Het is niet altijd zeker dat het te analyseren object volledig koolstofvrij is,geïntroduceerd na bijvoorbeeld bacteriën en micro-organismen die zich op het onderwerp hebben gevestigd.
Het is vermeldenswaard dat na het begin van de toepassing van de methode bleek dat de verhouding van isotopen in de atmosfeer in de loop van de tijd veranderde. Daarom moesten wetenschappers een zogenaamde kalibratieschaal maken, waarop veranderingen in het gehalte aan radiokoolstof in de atmosfeer door de jaren heen worden opgemerkt. Hiervoor zijn voorwerpen meegenomen waarvan de datering bekend is. Dendrochronologie, een wetenschap gebaseerd op de studie van boomringen van hout, kwam wetenschappers te hulp.
In het begin zeiden we dat er zeldzame gevallen zijn waarin deze methode wordt toegepast op voorwerpen van niet-biologische oorsprong. Een typisch voorbeeld zijn oude gebouwen, in de mortel waarvan ongebluste kalk CaO werd gebruikt. In combinatie met water en kooldioxide in de atmosfeer werd kalk omgezet in calciumcarbonaat CaCO3. In dit geval stopte de koolstofuitwisseling met de atmosfeer vanaf het moment dat de mortel uithardde. Op deze manier kun je de ouderdom van veel oude gebouwen bepalen.
Overblijfselen van dinosauriërs en oude planten
Laten we het nu hebben over dinosaurussen. Zoals u weet, was het tijdperk van de dinosauriërs een relatief korte (natuurlijk naar de maatstaven van de geologische geschiedenis van de aarde) tijdsperiode, die 186 miljoen jaar duurde. Het Mesozoïcum, zoals het wordt aangeduid op de geochronologische schaal van onze planeet, begon ongeveer 252 miljoen jaar geleden en eindigde 66 miljoen jaar geleden. Tegelijkertijd verdeelden wetenschappers het zelfverzekerd in drie perioden: Trias, Jurassic en Krijt. En voor elk hebben ze hun eigen dinosauriërs geïdentificeerd. Maar hoe? De radiokoolstofmethode is voor dergelijke periodes immers niet toepasbaar. In de meeste gevallen wordt de ouderdom van de overblijfselen van dinosaurussen, andere oude wezens en oude planten bepaald door de tijd waarin rotsen werden gevonden. Als de overblijfselen van een dinosaurus werden gevonden in de rotsen van het Boven-Trias, en dit is 237-201 miljoen jaar geleden, dan leefde de dinosaurus in die tijd. Nu is de vraag,hoe bepaal je de ouderdom van deze rotsen?
Dinosaurus blijft in oude rots
terrein.org
We hebben al gezegd dat de radiokoolstofmethode niet alleen kan worden gebruikt om de ouderdom van objecten van biologische oorsprong te bepalen. Maar de koolstofisotoop heeft een te korte halfwaardetijd, en bij het bepalen van de ouderdom van dezelfde geologische gesteenten is hij niet toepasbaar. Deze methode, hoewel het de meest bekende is, is slechts een van de methoden voor het dateren van radio-isotopen. Er zijn andere isotopen in de natuur waarvan de halfwaardetijden langer en bekend zijn. En mineralen die kunnen worden gebruikt om te verouderen, zoals zirkoon.
Het is een zeer nuttig mineraal voor leeftijdsbepaling met behulp van uranium-looddatering. Het startpunt voor het bepalen van de leeftijd is het moment van kristallisatie van zirkoon, vergelijkbaar met het moment van overlijden van een biologisch object met de radiokoolstofmethode. Zirkoonkristallen zijn meestal radioactief, omdat ze onzuiverheden bevatten van radioactieve elementen en vooral uraniumisotopen. Overigens zou de radiokoolstofmethode ook wel de koolstof-stikstofmethode kunnen worden genoemd, aangezien het vervalproduct van de koolstofisotoop stikstof is. Maar welke van de stikstofatomen in het monster werden gevormd als gevolg van verval en welke er aanvankelijk waren, kunnen wetenschappers niet bepalen. Daarom is het, in tegenstelling tot andere radio-isotopenmethoden, zo belangrijk om de verandering in de concentratie van radiokoolstof in de atmosfeer van de planeet te kennen.
Zirkoon kristal
wikimedia.org
In het geval van de uranium-lood-methode is het vervalproduct een isotoop, wat interessant is omdat het niet eerder in het monster had kunnen zitten of omdat de initiële concentratie aanvankelijk bekend was. Wetenschappers schatten de vervaltijd van twee isotopen van uranium, waarvan het verval eindigt met de vorming van twee verschillende isotopen van lood. Dat wil zeggen, de verhouding van de concentratie van de aanvankelijke isotopen en dochterproducten wordt bepaald. Radio-isotopenmethoden worden door wetenschappers toegepast op stollingsgesteenten en tonen de tijd die is verstreken sinds het stollen.
Aarde en andere hemellichamen
Andere methoden worden gebruikt om de ouderdom van geologische gesteenten te bepalen: kalium-argon, argon-argon, lood-lood. Dankzij de laatste was het mogelijk om het tijdstip van vorming van de planeten van het zonnestelsel te bepalen en, dienovereenkomstig, de leeftijd van onze planeet, aangezien wordt aangenomen dat alle planeten in het systeem bijna gelijktijdig werden gevormd. In 1953 mat de Amerikaanse geochemicus Claire Patterson de verhouding van loodisotopen in monsters van een meteoriet die ongeveer 20-40 duizend jaar viel in het gebied dat nu wordt bezet door de staat Arizona. Het resultaat was een verfijning van de schatting van de leeftijd van de aarde tot 4.550 miljard jaar. Analyse van terrestrische gesteenten geeft ook cijfers van een vergelijkbare volgorde. Stenen die aan de oevers van Hudson Bay in Canada zijn ontdekt, zijn dus 4,28 miljard jaar oud. En ook gelegen in Canada grijze gneis (rotsen,chemisch vergelijkbaar met graniet en kleischalie), die lange tijd de leiding in leeftijd behielden, had een schatting van 3,92 tot 4,03 miljard jaar. Deze methode is toepasbaar op alles wat we kunnen "bereiken" in het zonnestelsel. Analyse van de monsters van maangesteenten die naar de aarde zijn gebracht, toonde aan dat hun leeftijd 4,47 miljard jaar is.
Maar met de sterren is alles compleet anders. Ze zijn ver van ons verwijderd. Het is onrealistisch om een stukje van een ster te krijgen om de leeftijd te meten. Maar toch weten wetenschappers (of zijn er zeker van) dat bijvoorbeeld de ster die het dichtst bij ons staat, Proxima Centauri, maar iets ouder is dan onze zon: hij is 4,85 miljard jaar oud, de zon is 4,57 miljard jaar oud. Maar de diamant van de nachtelijke hemel, Sirius, is een tiener: hij is ongeveer 230 miljoen jaar oud. De North Star is zelfs nog minder: 70-80 miljoen jaar oud. Relatief gezien lichtte Sirius op aan het begin van het tijdperk van de dinosauriërs en de Poolster al aan het einde. Dus hoe weten wetenschappers de leeftijd van de sterren?
We kunnen niets ontvangen van verre sterren behalve hun licht. Maar dit is al veel. In feite is dit het stuk van de ster waarmee u de chemische samenstelling ervan kunt bepalen. Weten waaruit een ster is gemaakt, is nodig om de leeftijd te bepalen. Tijdens hun leven evolueren sterren en doorlopen ze alle stadia van protosterren tot witte dwergen. Als gevolg van thermonucleaire reacties die plaatsvinden in de ster, verandert de samenstelling van de elementen erin voortdurend.
Direct na de geboorte valt de ster in de zogenaamde hoofdreeks. Hoofdreekssterren (inclusief onze zon) zijn voornamelijk samengesteld uit waterstof en helium. In de loop van thermonucleaire reacties van waterstof burn-out, neemt het heliumgehalte in de kern van de ster toe. De waterstofverbrandingsfase is de langste periode in het leven van een ster. In dit stadium is de ster ongeveer 90% van de tijd die eraan wordt besteed. De snelheid van het passeren van de fasen hangt af van de massa van de ster: hoe groter hij is, hoe sneller de ster samentrekt en hoe sneller hij "uitbrandt". De ster blijft op de hoofdreeks zolang waterstof in zijn kern opbrandt. De duur van de resterende fasen, waarbij de zwaardere elementen doorbranden, is minder dan 10%. Dus hoe ouder een ster in de hoofdreeks, hoe meer helium en minder waterstof het bevat.
Een paar honderd jaar geleden leek het erop dat we nooit de samenstelling van de sterren zouden kunnen achterhalen. Maar de ontdekking van spectrale analyse in het midden van de 19e eeuw gaf wetenschappers een krachtig hulpmiddel om verre objecten te bestuderen. Maar eerst ontbond Isaac Newton aan het begin van de 18e eeuw met behulp van een prisma wit licht in afzonderlijke componenten van verschillende kleuren - het zonnespectrum. 100 jaar later, in 1802, keek de Engelse wetenschapper William Wollaston aandachtig naar het zonnespectrum en ontdekte daarin smalle donkere lijnen. Hij hechtte niet veel belang aan hen. Maar al snel onderzoekt de Duitse natuurkundige en opticien Josef Fraunhofer ze en beschrijft ze in detail. Bovendien verklaart hij ze door de absorptie van stralen door de gassen van de atmosfeer van de zon. Naast het zonnespectrum bestudeert hij het spectrum van Venus en Sirius en vindt daar gelijkaardige lijnen. Ze worden ook gevonden in de buurt van kunstmatige lichtbronnen. En pas in 1859 voerden Duitse chemici Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen een reeks experimenten uit, die tot de conclusie leidden dat elk chemisch element zijn eigen lijn in het spectrum heeft. En daarom kunnen er volgens het spectrum van hemellichamen conclusies worden getrokken over hun samenstelling.
Zonne-fotosfeerspectrum en Fraunhofer-absorptielijnen
wikimedia.org
De methode werd onmiddellijk overgenomen door wetenschappers. En al snel werd een onbekend element ontdekt in de samenstelling van de zon, dat niet op aarde werd gevonden. Het was helium (van "helios" - de zon). Pas even later werd het op aarde ontdekt.
Onze zon is 73,46% waterstof en 24,85% helium, het aandeel van andere elementen is onbeduidend. Trouwens, er zitten ook metalen tussen, wat niet zozeer over de leeftijd spreekt, maar eerder over de "erfelijkheid" van onze ster. De zon is een jonge ster van de derde generatie, wat betekent dat hij is gevormd uit de overblijfselen van de sterren van de eerste en tweede generatie. Dat wil zeggen, die sterren in de kernen waarvan deze metalen werden gesynthetiseerd. In de zon is dit om voor de hand liggende redenen nog niet gebeurd. Door de samenstelling van de zon kunnen we zeggen dat hij 4,57 miljard jaar oud is. Op de leeftijd van 12,2 miljard jaar zal de zon de hoofdreeks verlaten en een rode reus worden, maar lang voor dit moment zal leven op aarde onmogelijk zijn.
De belangrijkste populatie van onze Melkweg bestaat uit sterren. De ouderdom van de Melkweg wordt bepaald door de oudste objecten die zijn ontdekt. Tegenwoordig zijn de oudste sterren in de Melkweg de rode reus HE 1523-0901 en de Methuselah-ster, of HD 140283. Beide sterren bevinden zich in de richting van het sterrenbeeld Weegschaal en hun leeftijd wordt geschat op ongeveer 13,2 miljard jaar.
Overigens zijn HE 1523-0901 en HD 140283 niet alleen heel oude sterren, het zijn sterren van de tweede generatie, die een onbeduidend metaalgehalte in hun samenstelling hebben. Dat wil zeggen, de sterren die behoren tot de generatie die aan onze zon en zijn "leeftijdsgenoten" voorafging.
Een ander oudste object is volgens sommige schattingen de bolvormige sterrenhoop NGC6397, waarvan de sterren 13,4 miljard jaar oud zijn. In dit geval wordt het interval tussen de vorming van de eerste generatie sterren en de geboorte van de tweede door onderzoekers geschat op 200-300 miljoen jaar. Dankzij deze studies kunnen wetenschappers beweren dat onze Melkweg 13,2-13,6 miljard jaar oud is.
Universum
Net als bij de Melkweg kan de ouderdom van het heelal worden aangenomen door te bepalen hoe oud de oudste objecten zijn. Tot op heden wordt het sterrenstelsel GN-z11, gelegen in de richting van het sterrenbeeld Ursa Major, beschouwd als het oudste van de ons bekende objecten. Het licht van de melkweg nam 13,4 miljard jaar in beslag, wat betekent dat het 400 miljoen jaar na de oerknal werd uitgezonden. En als het licht zo ver is gekomen, dan kan het heelal geen kleinere leeftijd hebben. Maar hoe werd deze datum bepaald?
Voor 2016 is het sterrenstelsel GN-z11 het verst bekende object in het heelal.
wikimedia.org
Het getal 11 in de aanduiding van het sterrenstelsel geeft aan dat het een roodverschuiving heeft van z = 11,1. Hoe hoger deze indicator, hoe verder het object van ons verwijderd is, hoe langer het licht er vandaan ging en hoe ouder het object. De kampioen van de vorige leeftijd, het Egsy8p7-sterrenstelsel, heeft een roodverschuiving van z = 8,68 (13,1 miljard lichtjaar van ons verwijderd). De kanshebber voor de anciënniteit is het sterrenstelsel UDFj-39546284, heeft waarschijnlijk z = 11,9, maar dit is nog niet volledig bevestigd. Het universum kan niet ouder zijn dan deze objecten.
Iets eerder hadden we het over de spectra van sterren, die de samenstelling van hun chemische elementen bepalen. In het spectrum van een ster of melkweg die van ons af beweegt, is er een verschuiving in de spectraallijnen van chemische elementen naar de rode (langegolf) zijde. Hoe verder een object van ons is, hoe groter de roodverschuiving. De verschuiving van lijnen naar de violette (kortegolf) zijde, als gevolg van de nadering van een object, wordt blauwe of violette verschuiving genoemd. Een verklaring voor dit fenomeen is het alomtegenwoordige Doppler-effect. Ze geven bijvoorbeeld uitleg over het verlagen van de toon van de sirene van een passerende auto of het geluid van de motor van een vliegend vliegtuig. Het werk van de meeste camera's voor het oplossen van overtredingen is gebaseerd op het Doppler-effect.
Spectraallijnen zijn naar de rode kant verschoven
wikimedia.org
Het is dus bekend dat het universum zich uitbreidt. En als je de snelheid van zijn expansie kent, kun je de ouderdom van het universum bepalen. De constante die laat zien hoe snel twee sterrenstelsels, gescheiden door een afstand van 1 Mpc (megaparsec), in verschillende richtingen vliegen, wordt de Hubble-constante genoemd. Maar om de ouderdom van het universum te bepalen, moesten wetenschappers de dichtheid en samenstelling ervan kennen. Hiervoor werden de ruimteobservatoria WMAP (NASA) en Planck (European Space Agency) de ruimte in gestuurd. De WMAP-gegevens maakten het mogelijk om de leeftijd van het universum te bepalen op 13,75 miljard jaar. Gegevens van een Europese satelliet die acht jaar later werd gelanceerd, maakten het mogelijk om de nodige parameters te verfijnen en de leeftijd van het universum werd bepaald op 13,81 miljard jaar.
Space Observatory Planck
esa.int
Sergey Sobol
