Prepoznavanje okolnog svijeta nemoguće je bez razumijevanja doba povijesnih starina i koliko dugo je postojao sam svijet - naš Univerzum. Znanstvenici su stvorili mnoge metode za utvrđivanje starosti arheoloških nalaza i utvrđivanje datuma povijesnih događaja. Danas hronološka vremenska traka označava i datume erupcije drevnih vulkana i vrijeme rođenja zvijezda koje vidimo na noćnom nebu. Danas ćemo vam reći o glavnim metodama upoznavanja.
Arheološki nalazi
Kad je u pitanju doba arheoloških nalaza, onda se, naravno, svi sjećaju radiokarbonske metode. Ovo je možda najpoznatija, iako ne jedina, metoda datiranja antika. Poznat je i po stalnim kritikama kojima je podvrgnut. Pa što je ova metoda, što i kako se koristi?
Za početak, mora se reći da se ova metoda koristi, s vrlo rijetkim iznimkama, samo za datiranje predmeta i materijala biološkog podrijetla. Odnosno, doba svega što je nekad bilo živo. Štoviše, govorimo o datiranju točno trenutka smrti biološkog objekta. Na primjer, osoba koja se našla ispod ruševina kuće uništene u zemljotresu, ili drvo srušeno za izgradnju broda. U prvom slučaju to vam omogućuje utvrđivanje približnog vremena potresa (ako nije bilo poznato iz drugih izvora), u drugom - približni datum izgradnje broda. Tako su, na primjer, datirali erupciju vulkana na otoku Santorini, jedan od ključnih događaja u drevnoj povijesti, mogući uzrok apokalipse brončanog doba. Za analizu su znanstvenici uzeli grančicu masline koja je pronađena tijekom iskopavanja vulkanskog tla.
Zašto je važan trenutak smrti organizma? Za ugljikove spojeve se zna da čine osnovu života na našem planetu. Živi organizmi dobivaju ga uglavnom iz atmosfere. Sa smrću prestaje razmjena ugljika s atmosferom. Ali ugljik na našem planetu, iako zauzima jednu ćeliju periodične tablice, različit je. Na Zemlji postoje tri izotopa ugljika, dva stabilna - 12C i 13C i jedan radioaktivni, koji propada - 14C. Sve dok je organizam živ, omjer stabilnih i radioaktivnih izotopa u njemu je isti kao u atmosferi. Čim prestaje razmjena ugljika, količina nestabilnog izotopa 14C (radiokarbona) počinje se smanjivati uslijed propadanja i promjena omjera. Nakon približno 5700 godina, količina radiokarbona se prepolovila, proces nazvan poluživot.
Radiokarbon se u gornjoj atmosferi rađa iz dušika, a zatim se pretvara u dušik u procesu radioaktivnog raspada
Promotivni video:
wikimedia.org
Metodu datiranja radiokarbona razvio je Willard Libby. U početku je pretpostavio da se omjer izotopa ugljika u atmosferi u vremenu i prostoru ne mijenja, a omjer izotopa u živim organizmima odgovara omjeru u atmosferi. Ako je tako, mjereći taj omjer u raspoloživom arheološkom uzorku, možemo utvrditi kada je on odgovarao atmosferskom. Ili dobiti takozvanu "beskonačnu dob" ako u uzorku nema radiokarbona.
Metoda ne dopušta pogled daleko u prošlost. Njegova teorijska dubina je 70 000 godina (13 poluživota). Otprilike u ovo vrijeme nestabilni ugljik potpuno će propadati. Ali praktična granica je 50.000-60.000 godina. To više nije moguće, točnost opreme ne dopušta. Oni mogu izmjeriti starost "ledenog čovjeka", ali više nije moguće gledati u povijest planete prije pojave čovjeka i utvrditi, na primjer, dob dinosaura. Uz to je radiokarbonska metoda jedna od najkritičnijih. Kontroverza oko Torinog plaštanja i analiza metode utvrđivanja starosti relikvije samo je jedna od ilustracija nesavršenosti ove metode. Što je argument o onečišćenju uzoraka ugljikovim izotopom nakon prestanka razmjene ugljika s atmosferom. Nije uvijek sigurno da je predmet uzet za analizu potpuno bez ugljika,unesene nakon, na primjer, bakterija i mikroorganizama koji su se naselili na tu temu.
Vrijedi napomenuti da se nakon početka primjene metode pokazalo da se omjer izotopa u atmosferi s vremenom mijenjao. Stoga su znanstvenici trebali stvoriti takozvanu kalibracijsku skalu na kojoj se tijekom godina bilježe promjene u sadržaju radiokarbona u atmosferi. Za to su uzeti predmeti, čije se datiranje zna. Dendrokronologija, znanost koja se temelji na proučavanju drvenih prstenova drveta, priskočila je u pomoć znanstvenicima.
Na početku smo spomenuli da su rijetki slučajevi kada se ova metoda primjenjuje na objekte nebiološkog porijekla. Tipičan primjer su drevne građevine u čijim su malterima upotrijebljeni brzi kamen CaO. U kombinaciji s vodom i ugljičnim dioksidom u atmosferi vapno se pretvara u kalcijev karbonat CaCO3. U ovom slučaju izmjena ugljika s atmosferom zaustavila se od trenutka kad se malter očvrsnuo. Na taj način možete odrediti starost mnogih drevnih građevina.
Ostaci dinosaura i drevnih biljaka
Sada razgovarajmo o dinosaurima. Kao što znate, doba dinosaura bilo je relativno malo (naravno, prema standardima geološke povijesti Zemlje) vremensko razdoblje, koje je trajalo 186 milijuna godina. Mezozojsko doba, kako je označeno na geohronološkoj ljestvici našeg planeta, započelo je prije oko 252 milijuna godina i završilo prije 66 milijuna godina. Istovremeno, znanstvenici su ga samouvjereno podijelili u tri razdoblja: trijasni, jurski i kredni. I za svakog su odredili svoje dinosaure. Ali kako? Uostalom, radiokarbonska metoda nije primjenjiva za takva razdoblja. U većini slučajeva starost ostataka dinosaura, drugih drevnih stvorenja, kao i drevnih biljaka određuje se vremenom u kojem su pronađene stijene. Ako su ostaci dinosaura pronađeni u stijenama gornjeg trijasa, a to je bilo prije 237-201 milijuna godina, tada je dinosaur živio u to vrijeme. Pitanje je:kako odrediti starost ovih stijena?
Dinosaur ostaje u drevnoj stijeni
terrain.org
Već smo rekli da se radiokarbonska metoda može koristiti ne samo za utvrđivanje starosti objekata biološkog podrijetla. Ali ugljikov izotop ima prekratak poluživot, a za određivanje starosti istih geoloških stijena nije primjenjiv. Ova metoda, iako je najpoznatija, samo je jedna od metoda radioizotopskog datiranja. U prirodi postoje i drugi izotopi čiji su poluživoti duži i poznati. I minerali koji se mogu koristiti za starost, poput cirkona.
Vrlo je koristan mineral za utvrđivanje starosti pomoću davanja urana i olova. Polazna točka za utvrđivanje starosti bit će trenutak kristalizacije cirkona, sličan trenutku smrti biološkog objekta radiokarbonskom metodom. Cirkonski kristali su obično radioaktivni, jer sadrže nečistoće radioaktivnih elemenata i prije svega izotope urana. Uzgred, radiokarbonsku metodu bismo mogli nazvati i metodom ugljik-dušik, jer je produkt raspada ugljičnog izotopa dušik. No, koji su od dušikovih atoma u uzorku nastali kao rezultat propadanja, a koji su tamo bili u početku, znanstvenici ne mogu utvrditi. Stoga je, za razliku od drugih radioizotopskih metoda, tako važno znati promjenu koncentracije radiokarbona u atmosferi planeta.
Cirkonski kristal
wikimedia.org
U slučaju metode urano-olovo, produkt raspada je izotop, što je zanimljivo jer nije mogao biti u uzorku ranije ili je njegova početna koncentracija bila u početku poznata. Znanstvenici procjenjuju vrijeme raspada dva izotopa urana, čije raspadanje završava formiranjem dva različita izotopa olova. Odnosno, određuje se omjer koncentracije početnih izotopa i produkata kćeri. Radioizotopne metode znanstvenici primjenjuju na magnetskim stijenama i pokazuju vrijeme koje je prošlo od skrućivanja.
Zemlja i druga nebeska tijela
Za određivanje starosti geoloških stijena koriste se druge metode: kalij-argon, argon-argon, olovo-olovo. Zahvaljujući potonjem, bilo je moguće odrediti vrijeme formiranja planeta Sunčevog sustava i, prema tome, starost našeg planeta, jer se vjeruje da su svi planeti u sustavu formirani gotovo istovremeno. 1953. američka geokemičarka Clare Patterson izmjerila je omjer izotopa olova u uzorcima meteorita koji je pao oko 20-40 tisuća godina na teritoriju koji je sada okupirala država Arizona. Rezultat je bio preciziranje procjene starosti Zemlje na 4,550 milijardi godina. Analiza zemaljskih stijena također daje figure sličnog reda. Dakle, kamenje otkriveno na obalama zaljeva Hudson u Kanadi staro je 4,28 milijardi godina. A u Kanadi se nalaze i sivi gneisi (stijene,kemijski slični granitima i glinenim škriljevcima) koji su dugo vremena bili vodeći u dobi, imali su procjenu od 3,92 do 4,03 milijarde godina. Ova metoda je primjenjiva na sve ono što možemo „dosegnuti“u Sunčevom sustavu. Analiza uzoraka mjesečevih stijena dovedenih na Zemlju pokazala je da njihova starost iznosi 4,47 milijardi godina.
Ali sa zvijezdama je sve potpuno drugačije. Daleko su od nas. Dobiti komad zvijezde za mjerenje njegove starosti nerealno je. Ali, ipak, znanstvenici znaju (ili su sigurni) da je, primjerice, najbliža zvijezda za nas, Proxima Centauri, tek nešto starija od našeg Sunca: stara je 4,85 milijardi godina, Sunce je 4,57 milijardi godina. Ali dijamant noćnog neba, Sirius, tinejdžer je: star je oko 230 milijuna godina. Sjeverna zvijezda je još manje: stara je 70-80 milijuna godina. Relativno gledano, Sirius je svijetlio na nebu na početku ere dinosaura, a Sjeverna zvijezda već na kraju. Pa kako znanstvenici znaju starost zvijezda?
Od dalekih zvijezda ne možemo dobiti ništa osim njihove svjetlosti. Ali to je već puno. U stvari, ovo je dio zvijezde koji vam omogućuje da odredite njegov kemijski sastav. Znajući od čega se zvijezda radi potrebno je utvrditi njezinu dob. Tijekom života zvijezde se razvijaju, prolazeći kroz sve faze, od protostara do bijelih patuljaka. Kao rezultat termonuklearnih reakcija koje se događaju u zvijezdi, sastav elemenata u njoj se stalno mijenja.
Neposredno nakon rođenja, zvijezda pada u takozvani glavni slijed. Zvijezde glavnih sekvenci (uključujući i naše Sunce) sastavljene su uglavnom od vodika i helija. Tijekom termonuklearnih reakcija izgaranja vodika u jezgri zvijezde, sadržaj helija se povećava. Stadij izgaranja vodika najduži je period zvijezde u životu. U ovoj fazi, zvijezda je otprilike 90% svog vremena dodijeljena njoj. Brzina prolaska kroz stadij ovisi o masi zvijezde: što je veća, brže se zvijezda brže steže i brže će "izgorjeti". Zvijezda ostaje na glavnom slijedu sve dok vodik izgori u svojoj jezgri. Trajanje preostalih faza, u kojima teži elementi izgaraju, manje je od 10%. Dakle, što je starija zvijezda u glavnom slijedu, više je helija i manje vodika.
Prije nekoliko stotina godina činilo se da nikada nećemo moći saznati sastav zvijezda. No otkriće spektralne analize sredinom 19. stoljeća znanstvenicima je pružilo moćan alat za proučavanje udaljenih objekata. Ali prvo, Isaac Newton početkom 18. stoljeća uz pomoć prizme razgradio je bijelu svjetlost u zasebne komponente različitih boja - solarni spektar. 100 godina kasnije, 1802., engleski znanstvenik William Wollaston pomno je pogledao solarni spektar i otkrio u njemu uske tamne crte. Nije im pridavao veliku važnost. Ali ubrzo ih njemački fizičar i optičar Josef Fraunhofer istražuje i detaljno ih opisuje. Pored toga, on ih objašnjava apsorpcijom zraka plinovima Sunčeve atmosfere. Osim solarnog spektra, on proučava spektar Venere i Siriusa i tamo pronalazi slične crte. Također se nalaze u blizini umjetnih izvora svjetlosti. I tek 1859. godine njemački kemičari Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen proveli su niz eksperimenata, što je rezultiralo zaključkom da svaki kemijski element ima svoju liniju u spektru. I, prema tome, prema spektru nebeskih tijela mogu se izvući zaključci o njihovom sastavu.
Solarni fotosferni spektar i Fraunhofer apsorpcijske linije
wikimedia.org
Metodu su znanstvenici odmah usvojili. I ubrzo je u sastavu Sunca otkriven nepoznati element, koji nije pronađen na Zemlji. Bio je helij (od "helios" - sunce). Tek nešto kasnije otkriven je na Zemlji.
Naše Sunce je 73,46% vodika i 24,85% helija, udio ostalih elemenata je beznačajan. Uzgred, među njima ima i metala, što ne govori toliko o dobi, već o "nasljednosti" naše zvijezde. Sunce je mlada zvijezda treće generacije, što znači da je nastala od ostataka zvijezda prve i druge generacije. Odnosno, one zvijezde u jezgrama kojih su ti metali bili sintetizirani. Na Suncu se iz očitih razloga to još nije dogodilo. Sastav Sunca omogućava nam da kažemo da je star 4,57 milijardi godina. Do dobi od 12,2 milijarde godina, Sunce će napustiti glavni slijed i postati crveni div, ali mnogo prije ovog trenutka život na Zemlji će biti nemoguć.
Glavno stanovništvo naše Galaksije su zvijezde. Starost Galaksije određena je najstarijim predmetima koji su otkriveni. Danas su najstarije zvijezde u Galaksiji crveni div HE 1523-0901 i zvijezda Metuzalah, ili HD 140283. Obje zvijezde su u smjeru zviježđa Vaga, a njihova se starost procjenjuje na oko 13,2 milijarde godina.
Usput, HE 1523-0901 i HD 140283 nisu samo vrlo stare zvijezde, to su zvijezde druge generacije, koje u svom sastavu imaju neznatan metalni sadržaj. Odnosno, zvijezde koje pripadaju generaciji koja je prethodila našem Suncu i njegovim "vršnjacima".
Drugi najstariji objekt, prema nekim procjenama, je globularni zvjezdani skup NGC6397, čije su zvijezde stare 13,4 milijarde godina. U ovom slučaju, interval između formiranja prve generacije zvijezda i rođenja druge procjenjuju istraživači na 200-300 milijuna godina. Ova istraživanja omogućavaju znanstvenicima da tvrde kako je naša Galaksija stara 13,2-13,6 milijardi godina.
Svemir
Kao i kod Galaksije, može se pretpostaviti starost Svemira određivanjem koliko su stari njegovi najstariji objekti. Do danas se galaksija GN-z11, smještena u smjeru zviježđa glavna Ursa, smatra najstarijom među nama poznatim objektima. Svjetlost iz galaksije trajalo je 13,4 milijarde godina, što znači da je bila emitovana 400 milijuna godina nakon Velikog praska. A ako je svjetlost prešla tako dug put, tada Univerzum ne može imati manju starost. Ali kako je utvrđen taj datum?
Za 2016. godinu, galaksija GN-z11 najdalje je poznati objekt u Svemiru.
wikimedia.org
Broj 11 u oznaci galaksije ukazuje na to da ima crveni pomak z = 11.1. Što je viši ovaj pokazatelj, što je objekt dalje od nas, dulje je od njega svjetlost i objekt je stariji. Prethodni dobni prvak, galaksija Egsy8p7, ima crveni pomak z = 8,68 (13,1 milijardi svjetlosnih godina udaljeno od nas). Pretpostavka za seniorsku korist je galaksija UDFj-39546284, vjerojatno ima z = 11,9, ali to još nije u potpunosti potvrđeno. Svemir ne može imati dob manju od ovih objekata.
Nešto ranije razgovarali smo o spektrima zvijezda, koji određuju sastav njihovih kemijskih elemenata. U spektru zvijezde ili galaksije koji se udaljava od nas dolazi do pomaka u spektralnim linijama kemijskih elemenata na crvenu (dugovalnu) stranu. Što je daljnji objekt od nas veći, to je njegovo crveno pomicanje veće. Pomak linija na ljubičastu (kratkotalasnu) stranu, zbog približavanja objekta, naziva se plavim ili ljubičastim pomakom. Jedno od objašnjenja ovog fenomena je sveprisutni Doplerov efekt. Oni, na primjer, objašnjavaju snižavanje tona sirene automobila u prolazu ili zvuka motora letećeg aviona. Rad većine kamera za ispravljanje kršenja zasnovan je na Dopplerovom učinku.
Spektralne linije premjestile su se na crvenu stranu
wikimedia.org
Dakle, poznato je da se svemir širi. I znajući brzinu njegovog širenja, možete odrediti starost svemira. Konstanta koja pokazuje kako dvije galaksije, odvojene udaljenosti od 1 Mpc (megaparsec), lete u različitim smjerovima, naziva se Hubble konstanta. Ali kako bi odredili starost svemira, znanstvenici su trebali znati njegovu gustoću i sastav. U tu svrhu u svemir su poslani svemirski opservatoriji WMAP (NASA) i Planck (Europska svemirska agencija). Podaci WMAP omogućili su utvrđivanje starosti svemira od 13,75 milijardi godina. Podaci s europskog satelita lansirani osam godina kasnije omogućili su preciziranje potrebnih parametara, a starost svemira određena je na 13,81 milijardu godina.
Svemirski opservatorij Planck
esa.int
Sergej Sobol
