از کجا می‌دانیم سن منظومه شمسی و سیاره‌ها چند میلیارد سال است؟

زومیت/ چگونه می‌توان سن زمین و خورشید را تعیین کرد؛ وقتی هر دو میلیاردها سال قدمت دارند و هیچ مشاهده مستقیمی از زمان شکل‌گیری‌شان وجود ندارد؟

حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش، در گوشه‌ای از کهکشان راه شیری، ابر عظیمی از گاز و غبار فروپاشید. این ابر پر از عناصری بود که در دل ستاره‌های قدیمی‌تر و در انفجار ابرنواخترها ساخته شده بودند. در مرکز این ابر، توده‌ای چگال شکل گرفت که خورشید از آن متولد شد. در اطراف خورشید، دیسک بزرگی از گاز و غبار وجود داشت که قرص پیش‌سیاره‌ای نامیده می‌شود. در این دیسک، دانه‌های ریز گرد و غبار آرام‌آرام به هم چسبیدند و تبدیل به سنگ‌ریزه، سپس سیارک و در نهایت سیاره‌ها شدند.

---

بازار

---

خورشید و سیاره‌ها: همه با هم ساخته نشدند

فرایند تشکیل منظومه مثل پروژه‌‌ای یک‌مرحله‌ای نبود. خورشید اولین عضو خانواده بود. وقتی چگالی و دما در مرکز سحابی به حد کافی رسید، واکنش همجوشی هسته‌ای روشن شد و خورشید شروع به درخشیدن کرد. این اتفاق احتمالاً حدود ۴٫۵۷ میلیارد سال پیش رخ داد.

بعد از آن، سیاره‌ها در دیسک اطراف شکل گرفتند. اما سرعتشان یکی نبود: مشتری خیلی زودتر از بقیه به دنیا آمد. مدل‌های مختلف نشان می‌دهند هسته‌ سیاره مشتری در کمتر از ۱۰ میلیون سال اول و حتی شاید فقط ۱ تا ۲ میلیون سال بعد از شروع ماجرا تشکیل شد. این سرعت فوق‌العاده باعث شد مشتری گاز زیادی جذب کند و به غول امروزی تبدیل شود.

وجود مشتری مثل یک «جاروبرقی کیهانی» بود: مواد زیادی را جمع کرد، بعضی‌ها را بیرون انداخت و حتی روی مدار سایر سیاره‌ها اثر گذاشت. همین امر باعث شد منظومه شمسی خیلی زود دو «مخزن شیمیایی» مجزا پیدا کند. این جدایی را امروز در ترکیب شیمیایی شهاب‌سنگ‌های قدیمی می‌بینیم.

زمین و خواهران سنگی‌اش (عطارد، زهره و مریخ) دیرتر کامل شدند. زمین جوان در مرحله نهایی با سیاره‌ای هم‌اندازه مریخ، به نام تیا برخورد کرد. این برخورد عظیم بخش بزرگی از پوسته زمین را به فضا پرتاب کرد و از همان مواد ماه ساخته شد. این نظریه به نام «فرضیه برخورد بزرگ» شناخته می‌شود. شباهت ترکیب سنگ‌های ماه به زمین که فضانوردان آپولو همراه خود آوردند، بزرگ‌ترین شاهد این ماجرا است.

شهاب‌سنگ‌ها: کپسول‌های زمان

شهاب‌سنگ‌ها تکه‌هایی از گذشته‌ی دور هستند و به کپسول زمانی می‌مانند که اطلاعات ۴٫۵۶ میلیارد سال قبل را برای ما نگه داشته‌اند.

وقتی دیسک گازی و غبار اطراف خورشید شکل گرفت، ذرات ریز غبار به هم چسبیدند و تبدیل به سنگ‌ریزه شدند. بعضی از این سنگ‌ریزه‌ها به‌مرور به سیاره‌ها پیوستند، اما بسیاری از آن‌ها هرگز به سیاره‌ای تبدیل نشدند. همین اجرام کوچک که در کمربند سیارک‌ها یا مناطق دورتر منظومه باقی مانده‌اند، بعدها به شکل شهاب‌سنگ به زمین رسیدند.

زمین در طول تاریخش آتشفشان، زمین‌لرزه، ذوب‌شدن پوسته و چرخه‌های فرسایش را تجربه کرده است، بنابراین سنگ‌های اولیه‌اش تغییر کرده‌اند و اطلاعات سن واقعی‌اش پاک شده است. اما شهاب‌سنگ‌ها مثل فسیل‌های فضایی‌اند: آن‌ها در همان حالت اولیه یخ زده‌اند و هیچ‌وقت بازسازی نشده‌اند. به همین دلیل می‌توانیم با مطالعه آن‌ها به گذشته‌ی دقیق منظومه شمسی نگاه کنیم.

شهاب‌سنگ‌های مشهور

شهاب‌سنگ Erg Chech 002: یکی از قدیمی‌ترین سنگ‌های شناخته‌شده در منظومه شمسی است. این شهاب‌سنگ که حدود ۴٫۵۶۵ میلیارد سال قدمت دارد، احتمالاً بخشی از یک سیاره اولیه بوده که طی برخوردهای بزرگ نابود شده است.

شهاب‌سنگ NWA 11119: قدمتی نزدیک به ۴٫۵۶۴۸ میلیارد سال دارد و از نظر ترکیب شیمیایی بسیار خاص است؛ زیرا بلورهای معدنی کمیابی دارد که نشان می‌دهد در محیطی متفاوت از زمین و مریخ شکل گرفته است.

کُندریت‌های کربنی: این نوع شهاب‌سنگ‌ها ذراتی به نام کُندرول دارند که اولین مواد جامد منجمدشده از گاز خورشیدی هستند. سن این دانه‌ها حدود ۴٫۵۶۸ میلیارد سال است؛ یعنی کهن‌ترین تاریخ ثبت‌شده از آغاز شکل‌گیری منظومه شمسی به شمار می‌روند.

دانشمندان نسبت ایزوتوپ‌های رادیواکتیو مثل اورانیوم و سرب یا آلومینیوم و منیزیم را در شهاب‌سنگ‌ها می‌سنجند. از آنجایی که این ایزوتوپ‌ها نیمه‌عمر میلیاردساله دارند، به ما می‌گویند چه زمانی از حالت داغ و مذاب به سنگ جامد تبدیل شده‌اند. به همین دلیل وقتی می‌خواهیم سن واقعی منظومه را بفهمیم، به جای نگاه کردن به زمین، باید به این سنگ‌های سرگردان نگاه کنیم.

فرضیه برخورد بزرگ می‌گوید یک جسم به اندازه مریخ با زمین اولیه برخورد کرده و آوار باقی‌مانده از آن، ماه را ساخته است. بنابراین زمین و ماه کمی جوان‌تر از بقیه منظومه شمسی هستند.

برای اینکه بفهمیم یک سنگ یا یک شهاب‌سنگ دقیقاً چه زمانی شکل گرفته است، دانشمندان از تکنیک دقیقی به نام تاریخ‌گذاری رادیومتریک استفاده می‌کنند. این روش مثل ساعت درونی درون سنگ کار می‌کند.

هر عنصر (مثلاً اورانیوم، کربن یا پتاسیم) می‌تواند چند ایزوتوپ داشته باشد. ایزوتوپ‌ها فقط در تعداد نوترون‌ها فرق می‌کنند. بعضی ایزوتوپ‌ها پایدارند و برای همیشه همان‌طور باقی می‌مانند. اما بعضی ایزوتوپ‌ها ناپایدار یا رادیواکتیو هستند. آن‌ها با گذشت زمان به عناصر یا ایزوتوپ‌های دیگر تبدیل می‌شوند. این تغییر یک قانون ثابت دارد: هر ایزوتوپ یک «نیمه‌عمر» دارد، یعنی مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا نصف مقدار اولیه آن از بین برود.

نیمه‌عمر مثل عقربه ساعت است، اما خیلی آهسته‌تر:

اورانیوم-۲۳۸ یک ایزوتوپ رادیواکتیو است که نیمه‌عمر آن حدود ۴٫۵ میلیارد سال است و با گذشت زمان به ایزوتوپ پایدار سرب-۲۰۶ تبدیل می‌شود.

اورانیوم-۲۳۵ نیز ایزوتوپی رادیواکتیو با نیمه‌عمر ۷۰۰ میلیون سال است که در نهایت به سرب-۲۰۷ پایدار تبدیل می‌شود.

توریم-۲۳۲ ایزوتوپی با نیمه‌عمر حدود ۱۴ میلیارد سال است و پس از واپاشی به سرب-۲۰۸ پایدار تبدیل می‌شود.

از آنجایی که این نیمه‌عمرها بسیار طولانی‌اند، برای اندازه‌گیری سن‌های بسیار قدیمی (در مقیاس میلیارد سال) فوق‌العاده مناسب هستند.

سن‌یابی چگونه انجام می‌شود؟

وقتی یک سنگ مذاب سرد و جامد می‌شود (مثلاً سنگی در یک سیاره اولیه یا یک شهاب‌سنگ)، از آن لحظه به بعد، ترکیب ایزوتوپ‌هایش قفل می‌شود؛ یعنی دیگر نه اورانیوم جدیدی وارد آن و نه سرب جدیدی از بیرون به آن اضافه می‌شود. فقط اورانیوم درونی آرام‌آرام وامی‌پاشد و به سرب تبدیل می‌شود.

چرا هنوز نتوانسته‌ایم همتایی برای منظومه شمسی پیدا کنیم؟

دانشمندان امروز با ابزارهای فوق‌العاده دقیق مقدار ایزوتوپ‌های مختلف را در یک سنگ می‌سنجند. اگر بدانند نسبت اولیه چه بوده (یا بتوانند تخمین بزنند) و اکنون چه نسبتی از اورانیوم و سرب موجود است، می‌توانند دقیقاً محاسبه کنند چند میلیارد سال از زمان سردشدن آن سنگ گذشته است.

مثال: فرض کنید سنگی در ابتدا فقط اورانیوم-۲۳۸ داشته باشد. بعد از ۴٫۵ میلیارد سال (یک نیمه‌عمر)، نصف آن به سرب-۲۰۶ تبدیل می‌شود. بعد از ۹ میلیارد سال، سه‌چهارم آن تبدیل به سرب می‌شود و فقط یک‌چهارم اورانیوم باقی می‌ماند. حالا اگر دانشمندان ببینند در یک سنگ ۷۵ درصد اورانیوم و ۲۵ درصد سرب وجود دارد، می‌فهمند که تقریباً ۱٫۵ میلیارد سال از عمر آن می‌گذرد. (این فقط مثالی ساده است؛ در عمل چندین ایزوتوپ با هم سنجیده می‌شوند.)

از کجا مطمئن هستیم؟

واپاشی رادیواکتیو تحت تأثیر دما، فشار، واکنش‌های شیمیایی یا میدان مغناطیسی تغییر نمی‌کند. یعنی چه سنگ روی زمین باشد چه در فضا، «ساعت درونی‌اش» همیشه دقیق کار می‌کند.

تصویر هنری از برخوردی فضایی در ۴۶۶ میلیون سال پیش که به شکل‌گیری بسیاری از شهاب‌سنگ‌هایی منجر شد که امروز به زمین می‌رسند.

وقتی دانشمندان می‌خواهند سن یک سنگ، شهاب‌سنگ یا سیاره را مشخص کنند، فقط به یک عنصر بسنده نمی‌کنند. آن‌ها از چند سیستم رادیومتری متفاوت استفاده می‌کنند، هر کدام مانند یک ساعت جداگانه عمل می‌کند. ترکیب نتایج این ساعت‌ها باعث می‌شود تاریخ دقیق‌تر و مطمئن‌تر باشد. در این بخش چند نمونه از سیستم‌های رادیومتری که برای تعیین سن سنگ‌ها و سیاره‌ها استفاده می‌شوند، معرفی می‌شوند:

۱.سیستم اورانیوم-سرب

سیستم اورانیوم-سرب برای مواد بسیار قدیمی بهترین است. اورانیوم-۲۳۸ به سرب-۲۰۶ و اورانیوم-۲۳۵ به سرب-۲۰۷ تبدیل می‌شود. نیمه‌عمر هر دو ایزوتوپ میلیاردها سال است. به همین دلیل، این روش برای سنگ‌ها و شهاب‌سنگ‌های چند میلیارد ساله که متعلق به آغاز منظومه شمسی هستند، دقیق‌ترین انتخاب است.

۲. سیستم آلومینیوم-۲۶، منیزیم-۲۶

آلومینیوم-۲۶ یک ایزوتوپ رادیواکتیو با نیمه‌عمر حدود ۷۳۰ هزار سال است، یعنی بسیار کوتاه نسبت به عمر منظومه شمسی است. وقتی آلومینیوم-۲۶ در سنگ یا شهاب‌سنگ موجود بوده، با گذشت زمان به منیزیم-۲۶ تبدیل می‌شود. به علت کوتاه‌بودن نیمه‌عمر، این روش برای سنگ‌ها و شهاب‌سنگ‌هایی مناسب است که در چند میلیون سال نخست شکل‌گیری منظومه شمسی تشکیل شده‌اند. به زبان ساده، این ساعت برای تاریخ‌گذاری «کودکی منظومه شمسی» عالی است.

۳. سیستم روبیدیوم-۸۷ ، استرانسیم-۸۷

سیستم روبیدیوم-استرانسیم نیمه‌عمر حدود ۴۹ میلیارد سال دارد. این سیستم برای سنگ‌ها و سیاره‌هایی با سن‌های متفاوت و همچنین برای مقایسه ترکیب شیمیایی مواد در مناطق مختلف منظومه مناسب است. به کمک این ساعت می‌توان فهمید که سنگ‌ها در چه بازه زمانی طولانی شکل گرفته‌اند و رابطه زمانی بین سیاره‌ها و شهاب‌سنگ‌ها را بررسی کرد.

وقتی همه این روش‌ها تاریخ مشابهی بدهند، تقریباً مطمئن می‌شویم که عدد درست است.

با همین روش‌ها، قدیمی‌ترین مواد جامد منظومه (در شهاب‌سنگ‌ها) سن ۴٫۵۶۸ میلیارد سال دارند.

زمین و ماه کمی جوان‌ترند (حدود ۴٫۵۱ میلیارد سال). خورشید احتمالاً حدود ۴٫۵۷ میلیارد سال قدمت دارد. به همین دلیل با دقتی در حد چند میلیون سال، می‌گوییم منظومه شمسی ما ۴٫۶ میلیارد ساله است.

کشف‌های جدید درباره دقت سن منظومه شمسی

تا چند دهه پیش، همه دانشمندان تصور می‌کردند که نسبت ایزوتوپ‌های اورانیوم (یعنی U-۲۳۵ و U-۲۳۸) در کل منظومه شمسی همیشه یکسان بوده است. برهمین اساس، تاریخ‌گذاری رادیومتریک انجام می‌شد و عدد حدود ۴٫۵۴ تا ۴٫۵۷ میلیارد سال به‌دست می‌آمد.

اما در حدود ۱۰ سال گذشته، دستگاه‌های فوق‌العاده دقیق‌تری ساخته شد که توانایی اندازه‌گیری اختلاف‌های خیلی کم را داشتند و ناگهان نتیجه‌ای غیرمنتظره رخ داد: بعضی از شهاب‌سنگ‌ها نشان دادند که نسبت U-۲۳۵ به U-۲۳۸ دقیقاً برابر با آن چیزی نیست که همیشه فرض می‌کردیم. در بعضی نمونه‌ها تا ۶ درصد اختلاف دیده شد!

این اختلاف مثل یک زنگ خطر بود؛ زیرا اگر نسبت اولیه نادرست فرض شده باشد، همه محاسبات سن هم می‌تواند کمی اشتباه دربیاید. این موضوع حتی برای بعضی دانشمندان زمین‌شناسی مثل یک «سیلی علمی» بود؛ زیرا دهه‌ها مطمئن بودند که آن نسبت ثابت است.

بعدها کشف شد که پای عنصر دیگری هم در میان است: کوریوم؛ عنصری بسیار سنگین‌تر از اورانیوم که نیمه‌عمر کوتاه‌تری دارد. این عنصر در همان اوایل منظومه شمسی وجود داشته، اما حالا کاملاً از بین رفته است. در روند واپاشی‌اش، بخشی از آن به U-۲۳۵ تبدیل شده است.

پس دلیل اینکه بعضی شهاب‌سنگ‌ها اورانیوم-۲۳۵ بیشتری نسبت به بقیه دارند، همین میراث کوریوم است. یعنی در واقع «ساعت طبیعی» ما یک عقربه مخفی دیگر داشته که تازه متوجه‌اش شده‌ایم!

با در نظر گرفتن نقش کوریوم، محققان توانستند اختلاف‌ها را توضیح دهند و دوباره ساعت رادیومتری را با دقت بالاتر کالیبره کنند. اکنون می‌دانیم که قدیمی‌ترین مواد جامد منظومه دقیقاً ۴٫۵۶۸ میلیارد سال قدمت دارند. میزان خطا به کمتر از ۱ میلیون سال رسیده است، که برای چنین بازه‌ی عظیمی فوق‌العاده دقیق به‌حساب می‌آید.

کشفیات اخیر نشان می‌دهد که علم همیشه قابل بازنگری است. حتی وقتی مطمئن هستیم، باز باید با ابزارهای بهتر بررسی کنیم. از سوی دیگر، منظومه شمسی مثل یک آزمایشگاه طبیعی است. عناصر رادیواکتیو منقرض‌شده مثل کوریوم یا آلومینیوم-۲۶ به ما اطلاعاتی می‌دهند که هیچ‌جا روی زمین دیگر در دسترس نیست. این سطح دقت باعث می‌شود ما بتوانیم جدول زمانی تشکیل سیارات، برخورد تِیا با زمین، و شکل‌گیری ماه را با وضوح بسیار بیشتری بازسازی کنیم.

جمع‌بندی:

خورشیدبه عنوان اولین عضو منظومه شمسی: حدود ۴٫۵۷ میلیارد سال

قدیمی‌ترین مواد جامد (شهاب‌سنگ‌ها): حدود ۴٫۵۶۸ میلیارد سال: نشان‌دهنده‌ی آغاز تشکیل سیارات

زمین و ماه: حدود ۴٫۵۱ میلیارد سال

مشتری: احتمالاً اولین سیاره‌ای که شکل گرفت، شاید در همان ۱ تا ۲ میلیون سال اول

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله