Ümbritseva maailma tundmine on võimatu ilma ajalooliste muististe ajastut ja seda, kui kaua maailm ise - meie Universum - on eksisteerinud. Teadlased on loonud palju meetodeid arheoloogiliste leidude vanuse määramiseks ja ajalooliste sündmuste kuupäevade kindlaksmääramiseks. Täna tähistab kronoloogiline ajakava nii iidsete vulkaanide pursete kuupäevi kui ka tähtede sündimise aega, mida me öötaevas näeme. Täna räägime teile peamistest tutvumisviisidest.
Arheoloogilised leiud
Kui rääkida arheoloogiliste leidude ajastust, siis loomulikult mäletavad kõik raadiosüsiniku meetodit. See on võib-olla kõige kuulsam, kuid mitte ainus muististe tutvumisviis. Tuntud ka pideva kriitika all, mida ta allutab. Mis on see meetod, mida ja kuidas seda kasutatakse?
Alustuseks tuleb öelda, et seda meetodit kasutatakse väga harvade eranditega ainult tutvumisobjektide ja bioloogilise päritoluga materjalide jaoks. St kõigi vanus, mis kunagi elus oli. Veelgi enam, me räägime tutvumisest täpselt bioloogilise objekti surmahetkega. Näiteks maavärina tagajärjel hävinud maja killustiku alt leitud inimene või laeva ehitamiseks langetatud puu. Esimesel juhul võimaldab see teil määrata maavärina ligikaudse aja (kui see ei olnud teada teistest allikatest), teisel - laeva ehituse ligikaudne kuupäev. Nii dateerisid nad näiteks Santorini saarel vulkaanipurske, mis on muinasajaloo üks võtmesündmusi, pronksiaja apokalüpsise võimalik põhjus. Analüüsiks võtsid teadlased oliivipuu oksa, mis leiti vulkaanilise pinnase kaevamiste käigus.
Miks on oluline organismi surma hetk? Teadaolevalt moodustavad süsinikuühendid meie planeedi elu aluse. Elusorganismid saavad selle peamiselt atmosfäärist. Surmaga peatub süsinikuvahetus atmosfääriga. Kuid süsinik meie planeedil, ehkki see hõivab perioodilise tabeli ühe lahtri, on erinev. Maakeral on kolm süsiniku isotoopi, kaks stabiilset - 12C ja 13C ning üks radioaktiivne, lagunev - 14C. Kuni organism on elus, on stabiilsete ja radioaktiivsete isotoopide suhe atmosfääris sama. Niipea kui süsinikuvahetus peatub, hakkab ebastabiilse isotoobi 14C (radiosüsiniku) hulk lagunemise tõttu vähenema ja suhe muutub. Umbes 5700 aasta pärast väheneb radiosüsiniku kogus pooleks, seda protsessi nimetatakse poolestusajaks.
Radiosüsinik sünnib ülemises atmosfääris lämmastikust ja seejärel muutub see radioaktiivse lagunemise käigus lämmastikuks
Reklaamvideo:
wikimedia.org
Radiosüsiniku tutvumismeetodi töötas välja Willard Libby. Algselt eeldas ta, et süsiniku isotoopide suhe atmosfääris ajas ja ruumis ei muutu ning elusorganismide isotoopide suhe vastab atmosfääri suhtele. Kui jah, siis mõõtes seda suhet olemasolevas arheoloogilises proovis, saame kindlaks teha, millal see vastas atmosfäärile. Või hankige nn lõpmatu vanus, kui proovis pole süsivesinikke.
Meetod ei võimalda kaugele minevikku vaadata. Selle teoreetiline sügavus on 70 000 aastat (13 poolestusaega). Umbes selle aja jooksul laguneb ebastabiilne süsinik täielikult. Kuid praktiline piir on 50 000–60 000 aastat. See pole enam võimalik, seadmete täpsus ei võimalda. Nad saavad mõõta "Jäämehe" vanust, kuid enne inimese ilmumist pole enam võimalik uurida planeedi ajalugu ja määrata näiteks dinosauruste jäänuste vanust. Lisaks on raadiosüsiniku meetod üks enim kritiseeritud. Torino surilina ümbritsev poleemika ja reliikvia vanuse määramise meetodi analüüs on vaid üks näide selle meetodi ebatäiuslikkusest. Milline on proovide saastumine süsiniku isotoobiga pärast süsinikuvahetuse lõppemist atmosfääriga. Alati pole kindel, kas analüüsimiseks võetud objekt on täielikult süsinikuvaba,sisse toodud näiteks bakterite ja mikroorganismide suhtes, kes on asustatud subjektile.
Tuleb märkida, et pärast meetodi rakendamise algust selgus, et isotoopide suhe atmosfääris on aja jooksul muutunud. Seetõttu oli teadlastel vaja luua niinimetatud kalibreerimisskaala, mille põhjal märgitakse atmosfääri radiosüsiniku sisalduse muutusi aastate jooksul. Selleks võeti objekte, mille dateerimine on teada. Teadlastele tuli appi dendrokronoloogia, puidurõngaste uurimisel põhinev teadus.
Alguses mainisime, et on harvad juhtumid, kui seda meetodit rakendatakse mittebioloogilise päritoluga objektide suhtes. Tüüpiline näide on iidsed ehitised, mille uhmris kasutati kustutatud lubi CaO. Kombineerituna atmosfääri vee ja süsinikdioksiidiga muudeti lubi kaltsiumkarbonaadiks CaCO3. Sel juhul peatus süsiniku vahetus atmosfääriga alates mördi kõvenemise hetkest. Sel viisil saate määrata paljude iidsete ehitiste vanuse.
Dinosauruste ja iidsete taimede jäänused
Räägime nüüd dinosaurustest. Nagu teate, oli dinosauruste ajastu suhteliselt väike (muidugi Maa geoloogilise ajaloo standardite järgi) periood, mis kestis 186 miljonit aastat. Mesosoikumide ajastu, nagu seda tähistatakse meie planeedi geokronoloogilises mõõtkavas, algas umbes 252 miljonit aastat tagasi ja lõppes 66 miljonit aastat tagasi. Samal ajal jagasid teadlased selle enesekindlalt kolmeks perioodiks: triassiline, juraani ja kriidiajastu. Ja igaüks on tuvastanud oma dinosaurused. Aga kuidas? Lõppude lõpuks ei ole radiosüsiniku meetod selliste perioodide jaoks rakendatav. Enamasti määrab dinosauruste, teiste iidsete olendite, aga ka iidsete taimede jäänuste vanuse kivide leidmise aeg. Kui Ülem-Triase kivimitest leiti dinosauruse jäänuseid ja see on 237-201 miljonit aastat tagasi, siis dinosaurus elas sel ajal. Nüüd on küsimus selles,kuidas määrata nende kivimite vanust?
Dinosaurus jääb muistsesse kaljusse
terrain.org
Oleme juba öelnud, et radiosüsiniku meetodit saab kasutada mitte ainult bioloogilise päritoluga objektide vanuse määramiseks. Kuid süsiniku isotoobi poolestusaeg on liiga lühike ja samade geoloogiliste kivimite vanuse määramisel see ei kehti. Kuigi see meetod on kõige kuulsam, on see vaid üks radioisotoopide tutvumise meetodeid. Looduses on ka teisi isotoope, mille poolestusajad on pikemad ja teada. Ja mineraalid, mida saab vananeda, näiteks tsirkoon.
See on väga kasulik mineraal vanuse määramiseks, kasutades uraan-pliid. Vanuse määramise lähtepunktiks on tsirkooni kristalliseerumise hetk, mis sarnaneb bioloogilise objekti surmahetkega radiosüsiniku meetodil. Tsirkooni kristallid on tavaliselt radioaktiivsed, kuna need sisaldavad radioaktiivsete elementide lisandeid ja ennekõike uraani isotoope. Muide, radiosüsiniku meetodit võiks nimetada ka süsiniku-lämmastiku meetodiks, kuna süsiniku isotoobi lagunemissaadus on lämmastik. Millised proovi lämmastikuaatomitest moodustusid lagunemise tagajärjel ja millised olid seal esialgu, ei suuda teadlased kindlaks teha. Seetõttu on erinevalt teistest radioisotoopide meetoditest nii oluline teada radioaktiivse süsiniku kontsentratsiooni muutust planeedi atmosfääris.
Tsirkooni kristall
wikimedia.org
Uraan-pliimeetodi puhul on lagunemissaadus isotoop, mis on huvitav, kuna see ei saanud varem proovis olla või selle algkontsentratsioon oli algselt teada. Teadlased hindavad uraani kahe isotoobi lagunemisaega, mille lagunemine lõpeb kahe erineva plii isotoobi moodustumisega. See tähendab, et määratakse algsete isotoopide ja tütarproduktide kontsentratsiooni suhe. Radioisotoopide meetodeid rakendavad teadlased tardkivimite suhtes ja need näitavad tahkestumisest möödunud aega.
Maa ja muud taevakehad
Geoloogiliste kivimite vanuse määramiseks kasutatakse muid meetodeid: kaalium-argoon, argoon-argoon, plii-plii. Tänu viimasele oli võimalik kindlaks teha Päikesesüsteemi planeetide tekkimise aeg ja vastavalt ka meie planeedi vanus, kuna arvatakse, et kõik süsteemis olevad planeedid moodustusid peaaegu üheaegselt. Aastal 1953 mõõtis ameerika geokeemik Clare Patterson pliisotoopide suhet meteoriidi proovides, mis langesid Arizona osariigi nüüd okupeeritud territooriumil umbes 20–40 tuhat aastat. Tulemuseks oli Maa vanuseprognoosi täpsustamine 4.550 miljardi aastani. Maapealsete kivimite analüüs annab ka sarnase järjekorraga arvandmeid. Nii on Kanadas Hudsoni lahe kaldalt avastatud kivid 4,28 miljardit aastat vanad. Ja asuvad ka Kanadas hallid gneissid (kivid,keemiliselt sarnane graniitide ja savikildudega), mis pikka aega pidasid vanust juhtrollis, oli hinnanguliselt 3,92–4,03 miljardit aastat. See meetod on rakendatav kõige suhtes, milleni me päikesesüsteemis "jõuame". Maale toodud kuukivimite proovide analüüs näitas, et nende vanus on 4,47 miljardit aastat.
Tähtedega on kõik aga hoopis teisiti. Nad on meist kaugel. Tähe tüki saamine selle vanuse mõõtmiseks on ebareaalne. Kuid sellegipoolest teavad teadlased (või on kindlad), et näiteks meile lähim täht Proxima Centauri on meie Päikesest vaid pisut vanem: ta on 4,85 miljardit aastat vana, Päike on 4,57 miljardit aastat vana. Öötaeva teemant Sirius on aga teismeline: ta on umbes 230 miljonit aastat vana. Põhjatäht on veelgi vähem: 70–80 miljonit aastat vana. Suhteliselt öeldes süttis Sirius taevalaotuses dinosauruste ajastu alguses ja Põhjatäht juba lõpus. Kuidas teadlased teavad tähtede vanust?
Me ei saa kaugetelt tähtedelt midagi vastu võtta, välja arvatud nende valgus. Kuid seda on juba palju. Tegelikult võimaldab see tähe tükk määrata selle keemilise koostise. Selle vanuse kindlakstegemiseks on vaja teada, millest täht on tehtud. Oma elu jooksul arenevad tähed, läbides kõik etapid protostaaridest valgete kääbusteni. Tähes esinevate termotuumareaktsioonide tagajärjel muutub selles olevate elementide koostis pidevalt.
Vahetult pärast sündi langeb täht nn põhijärjestusse. Põhijärjestuse tähed (sealhulgas meie Päike) koosnevad peamiselt vesinikust ja heeliumist. Tähe tuumas vesiniku läbipõlemise termotuumareaktsioonide käigus suureneb heeliumi sisaldus. Vesiniku põletamise staadium on tähe elus kõige pikem periood. Selles etapis on täht umbes 90% ajast talle eraldatud. Etappide läbimise kiirus sõltub tähe massist: mida suurem see on, seda kiiremini täht tõmbub kokku ja seda kiiremini see "läbi põleb". Täht püsib põhijärjestusel seni, kuni selle tuumas põleb vesinik. Ülejäänud etappide kestus, mille jooksul raskemad elemendid põlevad läbi, on vähem kui 10%. Seega, mida vanem on põhijärjestuse täht, seda rohkem heeliumi ja vähem vesinikku see sisaldab.
Paarsada aastat tagasi tundus, et me ei saa kunagi tähtede koosseisu teada. Spektrianalüüsi avastus 19. sajandi keskel andis teadlastele aga võimsa vahendi kaugete objektide uurimiseks. Kuid kõigepealt lagundas Isaac Newton 18. sajandi alguses prisma abil valge valguse eri värvi komponentideks - päikesespektriks. 100 aastat hiljem, 1802. aastal, vaatas inglise teadlane William Wollaston tähelepanelikult Päikesespektrit ja avastas selles kitsad tumedad jooned. Ta ei pööranud neile suurt tähtsust. Kuid varsti uurib Saksa füüsik ja optik Josef Fraunhofer neid ja kirjeldab neid üksikasjalikult. Lisaks selgitab ta neid kiirte neeldumisega Päikese atmosfääri gaasidest. Lisaks päikesespektrile uurib ta Veenuse ja Siriuse spektrit ning leiab sealt sarnaseid jooni. Neid leidub ka kunstlike valgusallikate lähedal. Ja alles 1859. aastal viisid Saksa keemikud Gustav Kirchhoff ja Robert Bunsen läbi rea katseid, mille tulemusel jõuti järeldusele, et igal keemilisel elemendil on spektris oma joon. Ja seetõttu saab vastavalt taevakehade spektrile teha järeldusi nende koosseisu kohta.
Päikese fotosfääri spekter ja Fraunhoferi neeldumisjooned
wikimedia.org
Teadlased võtsid selle meetodi kohe kasutusele. Ja varsti avastati Päikese koostises tundmatu element, mida Maal ei leitud. See oli heelium (filmist "helios" - päike). Alles veidi hiljem avastati see Maal.
Meie Päikeses on 73,46% vesinikku ja 24,85% heeliumi, muude elementide osakaal on ebaoluline. Muide, nende seas on ka metalle, mis ei räägi mitte niivõrd vanusest, kuivõrd meie tähe "pärilikkusest". Päike on noor kolmanda põlvkonna täht, mis tähendab, et ta moodustati esimese ja teise põlvkonna tähtede jääkidest. St need tähed, mille südamikes need metallid sünteesiti. Päikeses pole seda ilmsetel põhjustel veel juhtunud. Päikese koostis lubab öelda, et ta on 4,57 miljardit aastat vana. 12,2 miljardi aasta vanuseks lahkub Päike põhijärjestusest ja saab punaseks hiiglaseks, kuid kaua enne seda hetke on elu Maal võimatu.
Meie galaktika peamine populatsioon on tähed. Galaktika vanuse määravad vanimad avastatud objektid. Tänapäeval on galaktika vanimad tähed punane hiiglane HE 1523-0901 ja Methuselah Star ehk HD 140283. Mõlemad tähed on Kaalude tähtkuju suunas ja nende vanuseks hinnatakse umbes 13,2 miljardit aastat.
Muide, HE 1523-0901 ja HD 140283 ei ole lihtsalt väga vanad tähed, nad on teise põlvkonna tähed, mille koostises metalli sisaldus on ebaoluline. See tähendab, et tähed, mis kuuluvad põlvkonda, mis eelnes meie Päikesele ja tema "eakaaslastele".
Teine vanim objekt, mõnede hinnangute kohaselt, on ümmargune täheparv NGC6397, mille tähed on 13,4 miljardit aastat vanad. Sel juhul on teadlaste hinnangul ajavahemik tähtede esimese põlvkonna moodustumise ja teise sündimise vahel 200-300 miljonit aastat. Need uuringud võimaldavad teadlastel väita, et meie galaktika on 13,2–13,6 miljardit aastat vana.
Universum
Nagu galaktika puhul, võib ka Universumi vanust oletada, määrates, kui vanad on tema vanimad objektid. Praeguseks peetakse Ursa Majori tähtkuju suunas asuvat galaktikat GN-z11 vanimaks meile teadaolevate objektide seas. Galaktikast väljuv valgus võttis aega 13,4 miljardit aastat, mis tähendab, et see eraldus 400 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Ja kui valgus on jõudnud nii kaugele, siis ei saa Universum olla väiksemat vanust. Kuid kuidas see kuupäev määrati?
2016. aasta jaoks on galaktika GN-z11 universumi kõige kaugem teadaolev objekt.
wikimedia.org
Number 11 galaktika tähistamisel näitab, et selle punanihk on z = 11,1. Mida kõrgem on see indikaator, seda kaugemale objekt meist on, seda pikemaks tuli sellest läks ja seda vanemaks objekt läks. Eelmise vanuseklassi meistri, Egsy8p7 galaktika punane nihe on z = 8,68 (meist eemal on 13,1 miljardit valgusaastat). Vanemuse kandidaat on galaktika UDFj-39546284, arvatavasti z = 11,9, kuid seda pole veel täielikult kinnitatud. Universum ei saa olla vanem kui need objektid.
Veidi varem rääkisime tähtede spektritest, mis määravad nende keemiliste elementide koostise. Meist kaugeneva tähe või galaktika spektris toimub keemiliste elementide spektraaljoonte nihkumine punasele (pikalaine) küljele. Mida kaugemale objekt meist asub, seda suurem on selle punane nihe. Joonte nihkumist violetsele (lühilaine) küljele objekti lähenemise tõttu nimetatakse siniseks või violetseks nihkeks. Selle nähtuse üheks seletuseks on üldlevinud Doppleri efekt. Need selgitavad näiteks mööduva auto sireeni heli langemist või lendava lennuki mootori häält. Enamiku kaamerate töö rikkumiste fikseerimiseks põhineb Doppleri efektil.
Spektrijooned on nihkunud punasele küljele
wikimedia.org
Niisiis, on teada, et universum laieneb. Ja teades selle laienemise kiirust, saate määrata universumi vanuse. Konstanti, mis näitab kiirust, millega kaks galaktikat, eraldatud 1 Mpc (megaparsec) kaugusel, lendavad eri suundades, nimetatakse Hubble'i konstandiks. Kuid universumi vanuse määramiseks pidid teadlased teadma selle tihedust ja koostist. Sel eesmärgil saadeti kosmosesse vaatluskeskused WMAP (NASA) ja Planck (Euroopa Kosmoseagentuur). WMAP-i andmed võimaldasid määrata universumi vanuseks 13,75 miljardit aastat. Kaheksa aastat hiljem käivitatud Euroopa satelliidi andmed võimaldasid täpsustada vajalikke parameetreid ja universumi vanuseks määrati 13,81 miljardit aastat.
Kosmosevaatlusplats
esa.int
Sergei Sobol
