Apkārtējās pasaules izzināšana nav iespējama, ja neizprot vēsturisko senatnes laikmetu un to, cik ilgi ir pastāvējusi pati pasaule - mūsu Visums. Zinātnieki ir izveidojuši daudzas metodes arheoloģisko atradumu vecuma noteikšanai un vēsturisko notikumu datumu noteikšanai. Mūsdienās hronoloģiskais laika grafiks apzīmē gan seno vulkānu izvirdumu datumus, gan to zvaigžņu dzimšanas laiku, kuras mēs redzam nakts debesīs. Šodien mēs jums pastāstīsim par galvenajām iepazīšanās metodēm.
Arheoloģiskie atradumi
Runājot par arheoloģisko atradumu vecumu, tad, protams, visi atceras radiokarbona metodi. Šī, iespējams, ir slavenākā, kaut arī ne vienīgā, senatnes iepazīšanās metode. Zināms arī par pastāvīgo kritiku, kas viņam tiek pakļauta. Kas ir šī metode, kas un kā to izmanto?
Sākumā jāsaka, ka šī metode ar ļoti retiem izņēmumiem tiek izmantota tikai datēšanas objektiem un bioloģiskas izcelsmes materiāliem. Tas ir, visu, kas kādreiz bija dzīvs, vecums. Turklāt mēs runājam par datēšanu tieši ar bioloģiskā objekta nāves brīdi. Piemēram, persona, kas atrasta zem zemestrīces iznīcinātas mājas gruvešiem, vai koks, kas nogāzts, lai uzbūvētu kuģi. Pirmajā gadījumā tas ļauj noteikt aptuveno zemestrīces laiku (ja tas nebija zināms no citiem avotiem), otrajā - aptuveno kuģa uzbūves datumu. Tā, piemēram, viņi datēja vulkāna izvirdumu Santorini salā, kas ir viens no galvenajiem senās vēstures notikumiem, iespējams bronzas laikmeta apokalipse cēlonis. Analīzei zinātnieki paņēma olīvkoka zaru, kas tika atrasts vulkāniskās augsnes izrakumu laikā.
Kāpēc organisma nāves brīdim ir nozīme? Ir zināms, ka oglekļa savienojumi veido dzīves pamatu uz mūsu planētas. Dzīvie organismi to galvenokārt iegūst no atmosfēras. Ar nāvi oglekļa apmaiņa ar atmosfēru apstājas. Bet ogleklis uz mūsu planētas, kaut arī tas aizņem vienu periodiskās tabulas šūnu, ir atšķirīgs. Uz Zemes ir trīs oglekļa izotopi, divi stabili - 12C un 13C un viens radioaktīvs, sadalās - 14C. Kamēr organisms ir dzīvs, stabilo un radioaktīvo izotopu attiecība tajā ir tāda pati kā atmosfērā. Tiklīdz oglekļa apmaiņa apstājas, nestabilā izotipa 14C (radiokarbona) daudzums sāk samazināties sabrukšanas dēļ un mainās attiecība. Pēc apmēram 5700 gadiem radiokarbona daudzums tiek samazināts uz pusi - procesu sauc par pussabrukšanas periodu.
Radiokarbons rodas slāpekļa augšējā atmosfērā, un pēc tam radioaktīvās sabrukšanas procesā tas pārvēršas slāpeklī
Reklāmas video:
wikimedia.org
Radiokarbona iepazīšanās metodi izstrādāja Villards Libbijs. Sākotnēji viņš pieņēma, ka oglekļa izotopu attiecība atmosfērā laikā un telpā nemainās, un dzīvo organismu izotopu attiecība atbilst attiecībai atmosfērā. Ja tā, tad, izmērot šo attiecību pieejamajā arheoloģiskajā paraugā, mēs varam noteikt, kad tā atbilst atmosfēras iedarbībai. Vai arī iegūstiet tā saukto "bezgalīgo vecumu", ja paraugā nav radiokarbona.
Metode neļauj ieskatīties tālu pagātnē. Tā teorētiskais dziļums ir 70 000 gadu (13 pusperiodi). Apmēram šajā laikā nestabilais ogleklis pilnībā sabruks. Bet praktiskais ierobežojums ir 50 000–60 000 gadu. Tas vairs nav iespējams, aprīkojuma precizitāte to neļauj. Viņi var izmērīt "Ledus cilvēka" vecumu, taču pirms cilvēka parādīšanās vairs nav iespējams ieskatīties planētas vēsturē un noteikt, piemēram, dinozauru mirstīgo atlieku vecumu. Turklāt radiokarbona metode ir viena no visvairāk kritizētajām. Strīdi par Turīnas apvalku un relikvijas vecuma noteikšanas metodes analīze ir tikai viens no šīs metodes nepilnību ilustrējumiem. Kāds ir arguments par paraugu piesārņošanu ar oglekļa izotopu pēc oglekļa apmaiņas pārtraukšanas ar atmosfēru. Ne vienmēr ir skaidrs, vai analīzē ņemtajā priekšmetā nav oglekļa,ieviesti pēc, piemēram, baktērijām un mikroorganismiem, kas ir apmetušies uz vietas.
Ir vērts atzīmēt, ka pēc metodes pielietošanas sākuma izrādījās, ka laika gaitā izotopu attiecība atmosfērā mainījās. Tāpēc zinātniekiem bija jāizveido tā saucamā kalibrēšanas skala, kurā gadu gaitā tiek novērotas izmaiņas radiokarbona saturā atmosfērā. Tam tika ņemti objekti, kuru datēšana ir zināma. Dendrohronoloģija - zinātne, kuras pamatā ir koku gredzenu izpēte, nāca pie zinātnieku palīdzības.
Sākumā mēs minējām, ka ir reti gadījumi, kad šī metode attiecas uz objektiem, kas nav bioloģiski. Tipisks piemērs ir senās celtnes, kuru javā tika izmantots nedzīstošais CaO. Kombinējot ar ūdeni un oglekļa dioksīdu atmosfērā, kaļķi tika pārveidoti par kalcija karbonātu CaCO3. Šajā gadījumā oglekļa apmaiņa ar atmosfēru apstājās no brīža, kad java sacietēja. Tādā veidā jūs varat noteikt daudzu seno ēku vecumu.
Dinozauru un seno augu paliekas
Tagad parunāsim par dinozauriem. Kā jūs zināt, dinozauru laikmets bija salīdzinoši neliels (protams, pēc Zemes ģeoloģiskās vēstures standartiem) laika periods, kas ilga 186 miljonus gadu. Mezozoja laikmets, kā tas tiek apzīmēts mūsu planētas ģeohronoloģiskajā mērogā, sākās apmēram pirms 252 miljoniem gadu un beidzās pirms 66 miljoniem gadu. Tajā pašā laikā zinātnieki to pārliecinoši sadalīja trīs periodos: triassic, jurassic un cretaceous. Un katram viņi ir identificējuši savus dinozaurus. Bet kā? Galu galā radiokarbona metode šādos periodos nav piemērojama. Dinozauru, citu seno radību, kā arī seno augu atlieku vecumu vairumā gadījumu nosaka laiks, kurā tika atrastas klintis. Ja augšējā triasa klintīs tika atrastas dinozaura paliekas, un tas ir pirms 237-201 miljoniem gadu, tad dinozaurs tajā laikā dzīvoja. Tagad jautājums irkā noteikt šo iežu vecumu?
Dinozaurs paliek senajā klintī
reljefs.org
Mēs jau teicām, ka ogļūdeņraža metodi var izmantot ne tikai bioloģiskās izcelsmes priekšmetu vecuma noteikšanai. Bet oglekļa izotopam ir pārāk īss pussabrukšanas periods, un, nosakot to pašu ģeoloģisko iežu vecumu, tas nav piemērojams. Šī metode, kaut arī tā ir slavenākā, ir tikai viena no radioizotopu iepazīšanās metodēm. Dabā ir arī citi izotopi, kuru pusperiodi ir garāki un zināmi. Un minerālvielas, kuras var novecot, piemēram, cirkons.
Tas ir ļoti noderīgs minerāls vecuma noteikšanai, izmantojot urāna-svina datumus. Sākuma punkts vecuma noteikšanai būs cirkona kristalizācijas brīdis, līdzīgs bioloģiskā objekta nāves brīdim ar radiokarbona metodi. Cirkona kristāli parasti ir radioaktīvi, jo tie satur radioaktīvo elementu piemaisījumus un, pats galvenais, urāna izotopus. Starp citu, radiokarbona metodi varētu saukt arī par oglekļa-slāpekļa metodi, jo oglekļa izotipa sabrukšanas produkts ir slāpeklis. Bet kurš no paraugā esošajiem slāpekļa atomiem izveidojās sabrukšanas rezultātā, un kuri sākotnēji bija, zinātnieki nevar noteikt. Tāpēc atšķirībā no citām radioizotopu metodēm ir tik svarīgi zināt radiokarbona koncentrācijas izmaiņas planētas atmosfērā.
Cirkona kristāls
wikimedia.org
Urāna-svina metodes gadījumā sabrukšanas produkts ir izotops, kas ir interesants, jo tas agrāk nevarēja atrasties paraugā vai sākotnēji bija zināma tā sākotnējā koncentrācija. Zinātnieki lēš divu urāna izotopu sabrukšanas laiku, kuru sadalīšanās beidzas ar divu dažādu svina izotopu veidošanos. Tas ir, tiek noteikta sākotnējo izotopu un meitas produktu koncentrācijas attiecība. Radioizotopu metodes zinātnieki izmanto nezināmajiem iežiem un parāda laiku, kas pagājis kopš sacietēšanas.
Zeme un citi debess ķermeņi
Ģeoloģisko iežu vecuma noteikšanai tiek izmantotas citas metodes: kālija-argons, argona-argons, svins. Pateicoties pēdējam, bija iespējams noteikt Saules sistēmas planētu veidošanās laiku un attiecīgi arī mūsu planētas vecumu, jo tiek uzskatīts, ka visas sistēmā esošās planētas izveidojās gandrīz vienlaicīgi. 1953. gadā amerikāņu ģeoķīmiķis Klārs Pattersons izmērīja svina izotopu attiecību meteorīta paraugos, kas nokrita apmēram 20–40 tūkstošus gadu teritorijā, kuru tagad aizņem Arizonas štats. Rezultātā tika precizēts Zemes vecuma novērtējums līdz 4.550 miljardiem gadu. Zemes iežu analīze dod arī līdzīgas kārtas skaitļus. Tātad Kanādas Hadsona līča krastos atklātie akmeņi ir 4,28 miljardus gadu veci. Un kas atrodas arī Kanādā pelēko gneisu (ieži,ķīmiski līdzīgs granītiem un māla slānekļiem), kas ilgu laiku bija vadošie vecumposmā, tika lēsts no 3,92 līdz 4,03 miljardiem gadu. Šī metode ir piemērojama visam, ko mēs varam "sasniegt" Saules sistēmā. Uz Zemi atvesto Mēness iežu paraugu analīze parādīja, ka to vecums ir 4,47 miljardi gadu.
Bet ar zvaigznēm viss ir pavisam savādāk. Viņi ir tālu no mums. Zvaigznes gabala iegūšana, lai izmērītu tās vecumu, nav reāla. Bet, neskatoties uz to, zinātnieki zina (vai ir pārliecināti), ka, piemēram, mums tuvākā zvaigzne Proxima Centauri ir tikai nedaudz vecāka par mūsu Sauli: tā ir 4,85 miljardus gadu veca, Saule ir 4,57 miljardus gadu veca. Bet nakts debesu dimants Siriuss ir pusaudzis: viņam ir apmēram 230 miljoni gadu. Ziemeļzvaigzne ir vēl mazāk: 70-80 miljoni gadu veca. Salīdzinoši runājot, Siriuss iedegās debesīs dinozauru laikmeta sākumā, bet Ziemeļzvaigzne - jau beigās. Tātad, kā zinātnieki zina zvaigžņu vecumu?
No tālām zvaigznēm mēs neko nevaram saņemt, izņemot to gaismu. Bet tas jau ir daudz. Faktiski tas ir zvaigznes gabals, kas ļauj noteikt tā ķīmisko sastāvu. Lai noteiktu tās vecumu, ir jāzina, no kā tiek veidota zvaigzne. Viņu dzīves laikā zvaigznes attīstās, iziet cauri visiem posmiem no prostatoriem līdz baltajiem punduriem. Tā kā zvaigznājā notiek kodolreakcijas, tajā esošo elementu sastāvs pastāvīgi mainās.
Tūlīt pēc piedzimšanas zvaigzne iekrīt tā sauktajā galvenajā secībā. Galveno secību zvaigznes (ieskaitot mūsu Sauli) galvenokārt veido ūdeņradis un hēlijs. Zvaigznes kodolā notiekošā ūdeņraža izdegšanas termokodolu reakciju laikā hēlija saturs palielinās. Ūdeņraža sadedzināšanas stadija ir visilgākais periods zvaigznes dzīvē. Šajā posmā zvaigzne ir apmēram 90% no tai piešķirtā laika. Posmu šķērsošanas ātrums ir atkarīgs no zvaigznes masas: jo lielāka tā ir, jo ātrāk zvaigzne saraujas un jo ātrāk tā “izdeg”. Zvaigzne paliek galvenajā secībā, kamēr tās kodolā izdeg ūdeņradis. Atlikušo posmu ilgums, kurā izdeg smagākie elementi, ir mazāks par 10%. Tādējādi, jo vecāka ir galvenā secības zvaigzne, jo vairāk hēlija un mazāk ūdeņraža tā satur.
Pirms pāris simtiem gadu šķita, ka mēs nekad nevarēsim uzzināt zvaigžņu sastāvu. Bet spektrālās analīzes atklāšana 19. gadsimta vidū deva zinātniekiem spēcīgu instrumentu tālu objektu izpētei. Bet vispirms Īzaks Ņūtons 18. gadsimta sākumā ar prizmas palīdzību sadalīja balto gaismu atsevišķās dažādu krāsu sastāvdaļās - saules spektrā. 100 gadus vēlāk, 1802. gadā, angļu zinātnieks Viljams Voltastons cieši apskatīja saules spektru un atklāja tajā šauras tumšas līnijas. Viņš tiem nepiešķīra lielu nozīmi. Bet drīz vācu fiziķis un optiķis Josefs Fraunhofers tos izmeklē un sīki apraksta. Turklāt viņš tos skaidro ar Saules atmosfēras gāzu absorbciju. Papildus saules spektram viņš pēta Venēras un Siriusa spektru un tur atrod līdzīgas līnijas. Tie ir atrodami arī mākslīgās gaismas avotu tuvumā. Un tikai 1859. gadā vācu ķīmiķi Gustavs Kiršhofs un Roberts Bunsens veica virkni eksperimentu, kā rezultātā tika secināts, ka katram ķīmiskajam elementam ir sava līnija spektrā. Un tāpēc, ņemot vērā debess ķermeņu spektru, var izdarīt secinājumus par to sastāvu.
Saules fotosfēras spektrs un Fraunhofera absorbcijas līnijas
wikimedia.org
Metodi nekavējoties pieņēma zinātnieki. Un drīz Saules kompozīcijā tika atklāts nezināms elements, kas nebija atrasts uz Zemes. Tas bija hēlijs (no "helios" - saule). Tikai nedaudz vēlāk tas tika atklāts uz Zemes.
Mūsu Saule ir 73,46% ūdeņraža un 24,85% hēlija, pārējo elementu īpatsvars ir nenozīmīgs. Starp citu, starp tiem ir arī metāli, kas runā ne tik daudz par vecumu, bet drīzāk par mūsu zvaigznes "iedzimtību". Saule ir jauna trešās paaudzes zvaigzne, kas nozīmē, ka tā tika veidota no pirmās un otrās paaudzes zvaigžņu paliekām. Tas ir, tās zvaigznes, kuru kodolos tika sintezēti šie metāli. Saulē acīmredzamu iemeslu dēļ tas vēl nav noticis. Saules sastāvs ļauj teikt, ka tā ir 4,57 miljardus gadu veca. Līdz 12,2 miljardu gadu vecumam Saule atstās galveno secību un kļūs par sarkano milzi, taču ilgi pirms šī brīža dzīvība uz Zemes nebūs iespējama.
Mūsu galaktikas galvenā populācija ir zvaigznes. Galaktikas vecumu nosaka senākie atklātie objekti. Mūsdienās vecākās zvaigznes Galaktikā ir sarkanais gigants HE 1523-0901 un Metuzelala zvaigzne jeb HD 140283. Abas zvaigznes atrodas Svaru zvaigznāja virzienā, un to vecums tiek lēsts aptuveni 13,2 miljardi gadu.
Starp citu, HE 1523-0901 un HD 140283 nav tikai ļoti senas zvaigznes, tās ir otrās paaudzes zvaigznes, kurām to sastāvā ir nenozīmīgs metālu saturs. Tas ir, zvaigznes, kas pieder paaudzei, kas bija pirms mūsu Saules un tās "vienaudžiem".
Vēl viens vecākais objekts, pēc dažām aplēsēm, ir globular zvaigžņu kopums NGC6397, kura zvaigznes ir 13,4 miljardus gadu vecas. Šajā gadījumā pētnieki lēš, ka intervāls starp pirmās zvaigznes paaudzes veidošanos un otrās dzimšanu ir 200-300 miljoni gadu. Šie pētījumi ļauj zinātniekiem apgalvot, ka mūsu galaktika ir 13,2-13,6 miljardus gadu veca.
Visums
Tāpat kā Galaktikā, Visuma vecumu var pieņemt, nosakot, cik veci ir tā vecākie objekti. Līdz šim galaktika GN-z11, kas atrodas Ursa Major zvaigznāja virzienā, tiek uzskatīta par vecāko no mums zināmajiem objektiem. Gaisma no galaktikas aizņēma 13,4 miljardus gadu, tas nozīmē, ka tā tika izstarota 400 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena. Un, ja gaisma ir nogājusi tik tālu, tad Visumam nevar būt mazāks vecums. Bet kā tika noteikts šis datums?
2016. gadam galaktika GN-z11 ir visattālākais zināmais objekts Visumā.
wikimedia.org
Skaitlis 11 galaktikas apzīmējumā norāda, ka tā sarkanā nobīde ir z = 11,1. Jo augstāks ir šis indikators, jo tālāk objekts atrodas no mums, jo ilgāk gaisma no tā devās un jo vecāks bija objekts. Iepriekšējā vecuma čempiona, Egsy8p7 galaktikas, sarkanā nobīde ir z = 8,68 (13,1 miljardu gaismas gadu attālumā no mums). Pretendents uz darba stāžu ir galaktika UDFj-39546284, iespējams, tai ir z = 11,9, bet tas vēl nav pilnībā apstiprināts. Visumam nevar būt vecums, kas ir mazāks par šiem objektiem.
Nedaudz agrāk mēs runājām par zvaigžņu spektriem, kas nosaka to ķīmisko elementu sastāvu. Zvaigznes vai galaktikas spektrā, kas attālinās no mums, ķīmisko elementu spektrālās līnijas mainās uz sarkano (garo viļņu) pusi. Jo tālāk objekts atrodas no mums, jo lielāks ir tā sarkanais nobīde. Līniju maiņu uz violeto (īsviļņu) pusi objekta tuvošanās dēļ sauc par zilu vai violetu nobīdi. Viens šīs parādības izskaidrojums ir visuresošais Doplera efekts. Viņi, piemēram, izskaidro garāmbraucošās automašīnas sirēnas signāla vai lidojošās lidmašīnas motora skaņas pazemināšanos. Lielākās daļas kameru darbs pārkāpumu fiksēšanai ir balstīts uz Doplera efektu.
Spektrālās līnijas ir pārvietotas uz sarkano pusi
wikimedia.org
Tātad, ir zināms, ka Visums paplašinās. Un, zinot tā paplašināšanās ātrumu, jūs varat noteikt Visuma vecumu. Konstante, kas parāda ātrumu, ar kādu divas galaktikas, kas atdalītas ar 1 Mpc (megaparsec) attālumu, lido dažādos virzienos, tiek sauktas par Habla konstanci. Bet, lai noteiktu Visuma vecumu, zinātniekiem bija jāzina tā blīvums un sastāvs. Šim nolūkam kosmosa observatorijas WMAP (NASA) un Planck (Eiropas Kosmosa aģentūra) tika nosūtītas kosmosā. WMAP dati ļāva noteikt Visuma vecumu 13,75 miljardu gadu vecumā. Dati no Eiropas satelīta, kas tika palaists astoņus gadus vēlāk, ļāva precizēt nepieciešamos parametrus, un Visuma vecums tika noteikts 13,81 miljards gadu.
Kosmosa observatorijas planks
esa.int
Sergejs Sobols
