Das Erkennen der umgebenden Welt ist unmöglich, ohne das Zeitalter der historischen Altertümer zu verstehen und wie lange die Welt selbst - unser Universum - existiert hat. Wissenschaftler haben viele Methoden entwickelt, um das Alter archäologischer Funde zu bestimmen und die Daten historischer Ereignisse zu bestimmen. Heute markiert die chronologische Zeitleiste sowohl die Daten der Ausbrüche antiker Vulkane als auch die Geburtszeit der Sterne, die wir am Nachthimmel sehen. Heute werden wir Ihnen die wichtigsten Datierungsmethoden erläutern.
Archäologische Funde
Wenn es um das Zeitalter archäologischer Funde geht, erinnert sich natürlich jeder an die Radiokohlenstoffmethode. Dies ist vielleicht die berühmteste, wenn auch nicht die einzige Methode, um Altertümer zu datieren. Bekannt auch für die ständige Kritik, der er ausgesetzt ist. Was ist diese Methode, was und wie wird sie angewendet?
Zunächst muss gesagt werden, dass diese Methode mit sehr seltenen Ausnahmen nur zur Datierung von Objekten und Materialien biologischen Ursprungs verwendet wird. Das heißt, das Zeitalter von allem, was einst lebte. Darüber hinaus sprechen wir über die Datierung genau des Todeszeitpunkts eines biologischen Objekts. Zum Beispiel eine Person, die unter den Trümmern eines durch ein Erdbeben zerstörten Hauses gefunden wurde, oder ein Baum, der gefällt wurde, um ein Schiff zu bauen. Im ersten Fall können Sie auf diese Weise die ungefähre Zeit des Erdbebens bestimmen (sofern dies nicht aus anderen Quellen bekannt war), im zweiten Fall das ungefähre Datum des Schiffsbaus. So datierten sie beispielsweise einen Vulkanausbruch auf der Insel Santorin, eines der wichtigsten Ereignisse in der alten Geschichte, eine mögliche Ursache für die Apokalypse der Bronzezeit. Für die Analyse nahmen die Wissenschaftler einen Olivenbaumast, der bei Ausgrabungen von vulkanischem Boden gefunden wurde.
Warum ist der Moment des Todes eines Organismus wichtig? Es ist bekannt, dass Kohlenstoffverbindungen die Grundlage des Lebens auf unserem Planeten bilden. Lebende Organismen beziehen es hauptsächlich aus der Atmosphäre. Mit dem Tod hört der Kohlenstoffaustausch mit der Atmosphäre auf. Aber Kohlenstoff auf unserem Planeten ist anders, obwohl er eine Zelle des Periodensystems einnimmt. Es gibt drei Kohlenstoffisotope auf der Erde, zwei stabile - 12C und 13C und ein radioaktives, zerfallendes - 14C. Solange ein Organismus lebt, ist das Verhältnis von stabilen und radioaktiven Isotopen in ihm das gleiche wie in der Atmosphäre. Sobald der Kohlenstoffaustausch stoppt, beginnt die Menge des instabilen Isotops 14C (Radiokohlenstoff) aufgrund des Zerfalls abzunehmen und das Verhältnis ändert sich. Nach etwa 5700 Jahren halbiert sich die Menge an Radiokohlenstoff, ein Prozess, der als Halbwertszeit bezeichnet wird.
Radiokohlenwasserstoff wird in der oberen Atmosphäre aus Stickstoff geboren und wandelt sich dann beim radioaktiven Zerfall in Stickstoff um
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Die Radiokarbondatierungsmethode wurde von Willard Libby entwickelt. Zunächst nahm er an, dass sich das Verhältnis von Kohlenstoffisotopen in der Atmosphäre in Zeit und Raum nicht ändert und das Verhältnis von Isotopen in lebenden Organismen dem Verhältnis in der Atmosphäre entspricht. Wenn ja, können wir durch Messung dieses Verhältnisses in der verfügbaren archäologischen Probe feststellen, wann es der Atmosphäre entspricht. Oder erhalten Sie das sogenannte "unendliche Alter", wenn die Probe keinen Radiokohlenstoff enthält.
Die Methode erlaubt es nicht, weit in die Vergangenheit zu schauen. Seine theoretische Tiefe beträgt 70.000 Jahre (13 Halbwertszeiten). In ungefähr dieser Zeit wird der instabile Kohlenstoff vollständig zerfallen. Die praktische Grenze liegt jedoch zwischen 50.000 und 60.000 Jahren. Es ist nicht mehr möglich, die Genauigkeit der Ausrüstung erlaubt nicht. Sie können das Alter des "Eismanns" messen, aber es ist nicht mehr möglich, die Geschichte des Planeten vor dem Erscheinen des Menschen zu untersuchen und beispielsweise das Alter der Überreste von Dinosauriern zu bestimmen. Darüber hinaus ist die Radiokohlenstoffmethode eine der am meisten kritisierten. Die Kontroverse um das Grabtuch von Turin und die Analyse der Methode zur Bestimmung des Alters des Relikts ist nur ein Beispiel für die Unvollkommenheit dieser Methode. Was ist das Argument für die Kontamination von Proben mit einem Kohlenstoffisotop nach Beendigung des Kohlenstoffaustauschs mit der Atmosphäre? Es ist nicht immer sicher, dass das zu analysierende Objekt vollständig kohlenstofffrei ist.eingeführt nach zum Beispiel Bakterien und Mikroorganismen, die sich auf dem Thema niedergelassen haben.
Es ist anzumerken, dass sich nach Beginn der Anwendung der Methode herausstellte, dass sich das Verhältnis der Isotope in der Atmosphäre im Laufe der Zeit änderte. Daher mussten die Wissenschaftler eine sogenannte Kalibrierungsskala erstellen, auf der im Laufe der Jahre Änderungen des Radiokohlenstoffgehalts in der Atmosphäre festgestellt werden. Hierzu wurden Gegenstände genommen, deren Datierung bekannt ist. Die Dendrochronologie, eine Wissenschaft, die auf der Untersuchung von Baumringen aus Holz basiert, kam Wissenschaftlern zu Hilfe.
Zu Beginn haben wir erwähnt, dass es seltene Fälle gibt, in denen diese Methode auf Objekte nicht biologischen Ursprungs angewendet wird. Ein typisches Beispiel sind alte Gebäude, in deren Mörtel Branntkalk CaO verwendet wurde. In Kombination mit Wasser und Kohlendioxid in der Atmosphäre wurde Kalk in Calciumcarbonat CaCO3 umgewandelt. In diesem Fall hörte der Kohlenstoffaustausch mit der Atmosphäre ab dem Moment auf, in dem der Mörtel aushärtete. Auf diese Weise können Sie das Alter vieler alter Gebäude bestimmen.
Überreste von Dinosauriern und alten Pflanzen
Sprechen wir jetzt über Dinosaurier. Wie Sie wissen, war die Ära der Dinosaurier eine relativ kleine Zeitspanne (natürlich nach den Maßstäben der geologischen Geschichte der Erde), die 186 Millionen Jahre dauerte. Das Mesozoikum, wie es auf der geochronologischen Skala unseres Planeten bezeichnet wird, begann vor etwa 252 Millionen Jahren und endete vor 66 Millionen Jahren. Gleichzeitig teilten die Wissenschaftler es zuversichtlich in drei Perioden ein: Trias, Jura und Kreidezeit. Und für jeden haben sie ihre eigenen Dinosaurier identifiziert. Aber wie? Schließlich ist die Radiokohlenstoffmethode für solche Zeiträume nicht anwendbar. In den meisten Fällen wird das Alter der Überreste von Dinosauriern, anderen alten Kreaturen sowie alten Pflanzen durch die Zeit bestimmt, in der Steine gefunden wurden. Wenn die Überreste eines Dinosauriers in den Felsen der oberen Trias gefunden wurden und dies vor 237-201 Millionen Jahren war, dann lebte der Dinosaurier zu dieser Zeit. Nun ist die Frage:Wie kann man das Alter dieser Gesteine bestimmen?
Dinosaurier bleibt in alten Felsen
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Wir haben bereits gesagt, dass die Radiokohlenstoffmethode nicht nur zur Bestimmung des Alters von Objekten biologischen Ursprungs verwendet werden kann. Das Kohlenstoffisotop hat jedoch eine zu kurze Halbwertszeit und ist bei der Bestimmung des Alters derselben geologischen Gesteine nicht anwendbar. Diese Methode ist zwar die bekannteste, aber nur eine der Methoden der Radioisotopendatierung. Es gibt andere Isotope in der Natur, deren Halbwertszeiten länger und bekannt sind. Und Mineralien, die zum Altern verwendet werden können, wie Zirkon.
Es ist ein sehr nützliches Mineral zur Altersbestimmung unter Verwendung der Uran-Blei-Datierung. Der Ausgangspunkt für die Bestimmung des Alters ist der Moment der Kristallisation von Zirkon, ähnlich dem Moment des Todes eines biologischen Objekts mit der Radiokohlenstoffmethode. Zirkonkristalle sind üblicherweise radioaktiv, da sie Verunreinigungen radioaktiver Elemente und vor allem Uranisotope enthalten. Das Radiokohlenstoffverfahren könnte übrigens auch als Kohlenstoff-Stickstoff-Verfahren bezeichnet werden, da das Zerfallsprodukt des Kohlenstoffisotops Stickstoff ist. Welche der Stickstoffatome in der Probe durch Zerfall entstanden sind und welche ursprünglich vorhanden waren, können Wissenschaftler nicht bestimmen. Daher ist es im Gegensatz zu anderen Radioisotopenmethoden so wichtig, die Änderung der Radiokohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre des Planeten zu kennen.
Zirkonkristall
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Bei der Uran-Blei-Methode ist das Zerfallsprodukt ein Isotop, was interessant ist, weil es nicht früher in der Probe gewesen sein konnte oder seine anfängliche Konzentration ursprünglich bekannt war. Wissenschaftler schätzen die Zerfallszeit von zwei Isotopen des Urans, deren Zerfall mit der Bildung von zwei verschiedenen Isotopen des Bleis endet. Das heißt, das Verhältnis der Konzentration der Anfangsisotope und der Tochterprodukte wird bestimmt. Radioisotopenmethoden werden von Wissenschaftlern auf magmatische Gesteine angewendet und zeigen die Zeit, die seit der Verfestigung vergangen ist.
Erde und andere Himmelskörper
Andere Methoden werden verwendet, um das Alter von geologischen Gesteinen zu bestimmen: Kalium-Argon, Argon-Argon, Blei-Blei. Dank letzterer war es möglich, den Zeitpunkt der Bildung der Planeten des Sonnensystems und dementsprechend das Alter unseres Planeten zu bestimmen, da angenommen wird, dass alle Planeten im System fast gleichzeitig gebildet wurden. 1953 maß die amerikanische Geochemikerin Clare Patterson das Verhältnis der Bleiisotope in Proben eines Meteoriten, der in dem Gebiet, das jetzt vom Bundesstaat Arizona besetzt ist, etwa 20 bis 40.000 Jahre lang gefallen war. Das Ergebnis war eine Verfeinerung der Schätzung des Erdalters auf 4,550 Milliarden Jahre. Die Analyse von terrestrischen Gesteinen liefert auch Zahlen in ähnlicher Reihenfolge. Steine, die an den Ufern der Hudson Bay in Kanada entdeckt wurden, sind 4,28 Milliarden Jahre alt. Und befindet sich auch in Kanada graue Gneise (Felsen,chemisch ähnlich wie Granite und Tonschiefer), die lange Zeit das Blei im Alter hatten, hatten eine Schätzung von 3,92 bis 4,03 Milliarden Jahren. Diese Methode ist auf alles anwendbar, was wir im Sonnensystem "erreichen" können. Die Analyse der Proben von Mondgesteinen, die auf die Erde gebracht wurden, ergab, dass sie 4,47 Milliarden Jahre alt sind.
Aber bei den Sternen ist alles ganz anders. Sie sind weit von uns entfernt. Es ist unrealistisch, ein Stück eines Sterns dazu zu bringen, sein Alter zu messen. Dennoch wissen Wissenschaftler (oder sind sich sicher), dass beispielsweise der uns am nächsten liegende Stern, Proxima Centauri, nur geringfügig älter ist als unsere Sonne: Er ist 4,85 Milliarden Jahre alt, die Sonne ist 4,57 Milliarden Jahre alt. Aber der Diamant des Nachthimmels, Sirius, ist ein Teenager: Er ist ungefähr 230 Millionen Jahre alt. Der Nordstern ist noch weniger: 70-80 Millionen Jahre alt. Relativ gesehen leuchtete Sirius zu Beginn der Ära der Dinosaurier am Himmel und der Nordstern bereits am Ende. Woher kennen Wissenschaftler das Alter der Sterne?
Wir können nichts von fernen Sternen empfangen, außer ihrem Licht. Das ist aber schon viel. Tatsächlich ist dies das Stück des Sterns, mit dem Sie seine chemische Zusammensetzung bestimmen können. Zu wissen, woraus ein Stern besteht, ist notwendig, um sein Alter zu bestimmen. Zu ihren Lebzeiten entwickeln sich Sterne, die alle Phasen von Protosternen bis zu weißen Zwergen durchlaufen. Infolge der im Stern auftretenden thermonuklearen Reaktionen ändert sich die Zusammensetzung der darin enthaltenen Elemente ständig.
Unmittelbar nach der Geburt fällt der Stern in die sogenannte Hauptsequenz. Hauptreihensterne (einschließlich unserer Sonne) bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Bei thermonuklearen Reaktionen des Wasserstoffbrennens im Kern eines Sterns steigt der Heliumgehalt an. Die Wasserstoffverbrennungsstufe ist die längste Zeit im Leben eines Sterns. Zu diesem Zeitpunkt ist der Stern ungefähr 90% der ihm zugewiesenen Zeit. Die Geschwindigkeit, mit der die Stufen durchlaufen werden, hängt von der Masse des Sterns ab: Je größer er ist, desto schneller zieht sich der Stern zusammen und desto schneller "brennt" er aus. Der Stern bleibt in der Hauptsequenz, solange Wasserstoff in seinem Kern ausbrennt. Die Dauer der verbleibenden Phasen, in denen die schwereren Elemente ausbrennen, beträgt weniger als 10%. Je älter ein Stern in der Hauptsequenz ist, desto mehr Helium und weniger Wasserstoff enthält er.
Vor ein paar hundert Jahren schien es uns nie möglich zu sein, die Zusammensetzung der Sterne herauszufinden. Die Entdeckung der Spektralanalyse Mitte des 19. Jahrhunderts gab den Wissenschaftlern jedoch ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung entfernter Objekte. Aber zuerst zerlegte Isaac Newton zu Beginn des 18. Jahrhunderts mit Hilfe eines Prismas weißes Licht in separate Komponenten unterschiedlicher Farben - das Sonnenspektrum. 100 Jahre später, 1802, betrachtete der englische Wissenschaftler William Wollaston das Sonnenspektrum genau und entdeckte darin schmale dunkle Linien. Er legte nicht viel Wert auf sie. Der deutsche Physiker und Optiker Josef Fraunhofer untersucht sie jedoch bald und beschreibt sie ausführlich. Darüber hinaus erklärt er sie durch die Absorption von Strahlen durch die Gase der Sonnenatmosphäre. Neben dem Sonnenspektrum untersucht er das Spektrum von Venus und Sirius und findet dort ähnliche Linien. Sie sind auch in der Nähe von künstlichen Lichtquellen zu finden. Und erst 1859 führten die deutschen Chemiker Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen eine Reihe von Experimenten durch, die zu dem Schluss führten, dass jedes chemische Element seine eigene Linie im Spektrum hat. Entsprechend dem Spektrum der Himmelskörper können daher Rückschlüsse auf deren Zusammensetzung gezogen werden.
Sonnenphotosphärenspektrum und Fraunhofer-Absorptionslinien
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Die Methode wurde sofort von Wissenschaftlern übernommen. Und bald wurde ein unbekanntes Element in der Zusammensetzung der Sonne entdeckt, das auf der Erde nicht gefunden wurde. Es war Helium (von "Helios" - der Sonne). Nur wenig später wurde es auf der Erde entdeckt.
Unsere Sonne besteht zu 73,46% aus Wasserstoff und zu 24,85% aus Helium, der Anteil anderer Elemente ist unbedeutend. Übrigens gibt es auch Metalle unter ihnen, die nicht so sehr über das Alter sprechen, sondern über die "Vererbung" unseres Sterns. Die Sonne ist ein junger Stern der dritten Generation, was bedeutet, dass er aus den Überresten der Sterne der ersten und zweiten Generation gebildet wurde. Das heißt, jene Sterne, in deren Kernen diese Metalle synthetisiert wurden. In der Sonne ist dies aus offensichtlichen Gründen noch nicht geschehen. Die Zusammensetzung der Sonne lässt vermuten, dass sie 4,57 Milliarden Jahre alt ist. Im Alter von 12,2 Milliarden Jahren wird die Sonne die Hauptsequenz verlassen und ein roter Riese werden, aber lange vor diesem Moment wird das Leben auf der Erde unmöglich sein.
Die Hauptbevölkerung unserer Galaxie sind Sterne. Das Alter der Galaxie wird durch die ältesten entdeckten Objekte bestimmt. Heute sind die ältesten Sterne in der Galaxie der rote Riese HE 1523-0901 und der Methusalah-Stern oder HD 140283. Beide Sterne sind in Richtung Sternbild Waage gerichtet und ihr Alter wird auf etwa 13,2 Milliarden Jahre geschätzt.
HE 1523-0901 und HD 140283 sind übrigens nicht nur sehr alte Sterne, sondern auch Sterne der zweiten Generation, deren Zusammensetzung einen unbedeutenden Metallgehalt aufweist. Das heißt, die Sterne der Generation, die unserer Sonne und ihren "Kollegen" vorausging.
Ein weiteres ältestes Objekt ist nach einigen Schätzungen der Kugelsternhaufen NGC6397, dessen Sterne 13,4 Milliarden Jahre alt sind. In diesem Fall wird das Intervall zwischen der Bildung der ersten Generation von Sternen und der Geburt der zweiten Generation von Forschern auf 200 bis 300 Millionen Jahre geschätzt. Diese Studien lassen Wissenschaftler argumentieren, dass unsere Galaxie 13,2 bis 13,6 Milliarden Jahre alt ist.
Universum
Wie bei der Galaxie kann das Alter des Universums angenommen werden, indem bestimmt wird, wie alt seine ältesten Objekte sind. Bis heute gilt die Galaxie GN-z11 in Richtung des Sternbildes Ursa Major als das älteste der uns bekannten Objekte. Das Licht der Galaxie brauchte 13,4 Milliarden Jahre, was bedeutet, dass es 400 Millionen Jahre nach dem Urknall emittiert wurde. Und wenn das Licht so weit gekommen ist, kann das Universum kein kleineres Alter haben. Aber wie wurde dieses Datum bestimmt?
Für 2016 ist die Galaxie GN-z11 das am weitesten entfernte bekannte Objekt im Universum.
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Die Zahl 11 in der Bezeichnung der Galaxie zeigt an, dass sie eine Rotverschiebung von z = 11,1 hat. Je höher dieser Indikator ist, desto weiter ist das Objekt von uns entfernt, desto länger ist das Licht von ihm entfernt und desto älter ist das Objekt. Der frühere Altersmeister, die Egsy8p7-Galaxie, hat eine Rotverschiebung von z = 8,68 (13,1 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt). Der Anwärter auf das Dienstalter ist die Galaxie UDFj-39546284, die wahrscheinlich z = 11,9 hat, aber dies wurde noch nicht vollständig bestätigt. Das Universum kann kein Alter haben, das unter diesen Objekten liegt.
Etwas früher haben wir über die Spektren von Sternen gesprochen, die die Zusammensetzung ihrer chemischen Elemente bestimmen. Im Spektrum eines Sterns oder einer Galaxie, die sich von uns wegbewegt, verschieben sich die Spektrallinien chemischer Elemente zur roten (langwelligen) Seite. Je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, desto größer ist seine Rotverschiebung. Die Verschiebung von Linien zur violetten (kurzwelligen) Seite aufgrund der Annäherung eines Objekts wird als blaue oder violette Verschiebung bezeichnet. Eine Erklärung für dieses Phänomen ist der allgegenwärtige Doppler-Effekt. Sie erklären zum Beispiel das Absenken des Sirenentones eines vorbeifahrenden Autos oder das Geräusch des Motors eines fliegenden Flugzeugs. Die Arbeit der meisten Kameras zur Behebung von Verstößen basiert auf dem Doppler-Effekt.
Die Spektrallinien haben sich zur roten Seite verschoben
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Es ist also bekannt, dass sich das Universum ausdehnt. Wenn Sie die Expansionsrate kennen, können Sie das Alter des Universums bestimmen. Die Konstante, die zeigt, wie schnell zwei Galaxien, die durch einen Abstand von 1 Mpc (Megaparsec) voneinander getrennt sind, in verschiedene Richtungen fliegen, wird als Hubble-Konstante bezeichnet. Um das Alter des Universums zu bestimmen, mussten die Wissenschaftler seine Dichte und Zusammensetzung kennen. Zu diesem Zweck wurden die Weltraumobservatorien WMAP (NASA) und Planck (Europäische Weltraumorganisation) in den Weltraum geschickt. Die WMAP-Daten ermöglichten es, das Alter des Universums auf 13,75 Milliarden Jahre zu bestimmen. Daten eines europäischen Satelliten, der acht Jahre später gestartet wurde, ermöglichten die Verfeinerung der erforderlichen Parameter, und das Alter des Universums wurde auf 13,81 Milliarden Jahre festgelegt.
Weltraumobservatorium Planck
esa.int
Sergey Sobol
