我們是怎麼知道太陽系年齡的？進來我告訴你

數十億年前在銀河系一些被遺忘的角落，分子雲和許多其他雲一樣崩塌，形成了新的恆星。其中一個是相對孤立地形成的，在它周圍的一個原行星盤中收集物質，最終形成的太陽，八顆行星，以及太陽系的其餘部分。今天科學家們宣稱太陽系已經有46億年的歷史，這是怎麼知道的？比如說地球和太陽的年齡是一樣的嗎？如何知道太陽系的歷史及年齡？45億年前Theia（泰亞）撞擊原始地球，使大量的物質融化。

對一顆被原行星盤包圍年輕恆星的概念圖，關於類太陽恆星周圍的原行星盤有許多未知性質，包括各種類型原子的元素分離。圖片：ESO/L.Cal ada

博科園-科學科普：怎麼知道實際上是在和太陽系約會，而不僅僅是找到了幾十種方法來確定泰亞碰撞的日期？這是一個偉大而微妙的問題，但科學是要面對挑戰解決問題的。人類對太陽系歷史和它是如何形成的了解很多。通過觀察其他恆星的形態，考察遙遠的恆星形成區域，測量原行星盤，觀察恆星在生命周期中的各個階段，我們學到了很多東西。但每個星系的演化方式都是獨一無二的，在我們自己的太陽系裡，太陽和行星形成數十億年後，剩下的只是倖存者。

間隙、團塊、螺旋形狀和其他不對稱現象表明，在Elias 2-27周圍的原行星盤中有行星形成的跡象。然而系統各個組成部分最終形成的時間有多長，並不是眾所周知的事情。圖片：L.Pérez/B.Saxton/MPIfR/NRAO/AUI/NSF/ALMA/ESO/NAOJ/NASA/JPL Caltech/WISE小組

最初所有恆星都是從形成恆星前的星雲中形成，該星雲將物質吸引進來，外部區域仍然很冷，無定形硅酸鹽、碳基化合物和冰都聚集在那裡。一旦恆星前星雲形成一顆原恆星，然後形成一顆成熟的恆星，這種外層物質就會進入，並開始形成更大的團塊。隨著時間的推移，這些集群的生長和下降，在那裡他們相互作用，合併，遷移，並潛在地彈出另一個。在幾百到數百萬年的時間範圍內，一旦有了一顆恆星，行星就會形成；這在宇宙時間尺度上是很快的。

雖然可能有許多中間天體，但到了幾百萬年過去，太陽系看起來與我們今天的非常相似。但可能有幾個重要的區別。可能有第五個氣體巨行星；太陽系所擁有的四個氣態巨行星可能更接近太陽，已經向外遷移了；也許最重要的是在金星和火星之間，可能有兩個世界：一個原始地球和一個更小的火星大小的行星，名為Theia（泰亞）。很久以後，也許在其他行星形成數千萬年後，地球和Theia（泰亞）相撞了。

這個巨大的撞擊假說指出，一個火星大小的天體與早期地球相撞，碎片會形成月球，因此地球和月球應該比太陽系的其餘部分年輕。圖片：NASA/JPL-加州理工學院

我們懷疑是這種碰撞創造了月球：稱之為巨大撞擊假說。阿波羅任務發現的月球岩石與地球的組成相似，這讓我們懷疑月球是由地球形成的。其他岩態行星，可疑地缺少大衛星，在它們過去的歷史中可能沒有那麼大影響。氣態巨行星的質量比其他星球要大得多，它們能夠保持太陽系最初形成時存在的氫和氦(最輕的元素)；其他星球擁有這些元素中的絕大多數。由於來自太陽的能量過多，沒有足夠的引力來保持這些輕元素（太陽系開始形成，就像我們今天所知道的那樣）。

年輕的太陽系貝塔·皮克托里斯概念圖，在形成過程中有點類似於太陽系。內部行星，除非它們足夠大，否則將無法保存的氫和氦。圖片：Avi M.Mandell，NASA

但幾十億年過去了，怎麼知道太陽系有多老？地球和其他行星的年齡是一樣的嗎？有辦法區分這一點嗎？那個年齡的最終數字是多少？也許令人驚訝的是，最準確的答案來自地球物理學。這並不一定意味著「地球的物理」，而是指各種岩石、礦物和固體的物理。所有這樣的天體都包含在周期表中的各種元素，不同的密度/成分對應於太陽系中從太陽向外輻射的地方形成。

太陽系中各種天體的密度，注意密度和離太陽的距離之間的關係。圖片：Karim Khaidarov

這意味著不同的行星、小行星、衛星、柯伊伯帶天體等，應該優先由不同的元素組成。例如元素周期表中較重的元素應該優先出現在水星中，而穀神星本身應該比冥王星更豐富。但是應該是普遍的，至少你會這樣認為：應該是相同元素的不同同位素的比率。例如當太陽系形成時，碳12比碳13比碳-4的比例應該是特定的。碳14的半衰期相當短(幾千年)，所以原始碳14應該全部消失。但是碳12和碳13都是穩定的，這意味著無論我們在太陽系哪裡發現碳，它們的同位素比率都是相同的。這適用於太陽系中所有穩定和不穩定的元素和同位素。

太陽系測量的今天宇宙中元素丰度。圖片：Wikimedia Commons user 28bytes

因為太陽系已經有數十億年的歷史，可以尋找具有同位素的元素，這些元素的半衰期在數十億年內。隨著時間的推移，即隨著太陽系老化，這些同位素會放射性地衰變，通過觀察衰變產物與仍然存在的初始物質比率，可以確定自這些天體形成以來已經過去了多少時間。為此最可靠的元素是鈾和釷。對於鈾來說，它的兩種自然存在的主要同位素U-238和U-235有不同的衰變產物和不同的衰變率，但兩者都存在數十億年。對於釷來說，放射性Th-232是最有用的。然而最值得注意的是，地球和太陽系歷史最好的證據不是來自地球本身！

四億六千六百萬年前的太空碰撞，造成了今天許多隕石的墜落。圖片：Don Davis, Southwest Research Institute

已經有很多隕石降落在地球上，它們的同位素，元素丰度被測量和分析。關鍵是通過觀察元素鉛由於U-235(導致Pb-207)和U-238(導致Pb-206)的衰變，Pb-207與Pb-206的比值隨著時間的推移而變化。通過將地球和隕石視為同一演化系統的一部分（假設初始同位素比率相同）就可以查看地球上發現的最古老的鉛礦石，以計算地球、隕石和太陽系的年齡。這是一個很好的估計，給了我們一個45.4億年的數字。這比1%的準確度更好，但這仍然是一個數千萬年的不確定性。

（從太空看）1997年獅子座流星雨。當流星撞擊地球大氣層的頂端時會燃燒，形成與流星雨聯繫在一起的明亮條紋和閃光。偶爾隕石會大到足以到達地表，變成一塊隕石。圖片：NASA / public domain

但我們可以做得比把所有東西聚集在一起更好！當然，這給出了一個很好的總體估計，比如說地球和月球比隕石年輕一點點。可以看最古老隕石或顯示出最極端鉛比率的那些，試圖估計太陽系的年齡：如果我們這樣做，得到的數字約為45.68億年。可以看到月球上的岩石，它還沒有經歷地球岩石的地質處理，則為45.1億歲.。最後必須保持理智，所有這一切都是基於這樣的假設，即太陽系中U-238與U-235的比值是相同的。但在過去10年內的新證據表明這可能是不真實的。

對LUX探測器背景的影響，包括放射性物質丰度隨時間的衰減，LUX所見信號僅與背景相一致，隨著時間的推移，元素逐漸衰變，反應物和產物的丰度也隨之變化。圖片：D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299

根據格雷戈裡布雷內卡，有些地方U-235比典型值高出6％。自20世紀50年代以來，甚至在此之前，沒有人能夠發現[鈾比率]的任何差異。現在我們可以測量細微的差異了。對一些地理年代學的人來說，這是一隻黑眼圈。要說我們知道太陽系年代是基於岩石的時代，他們都同意是很重要的。還有另一個因素起著作用：Cur元素重，半衰期甚至比鈈短，它將放射性衰變成鈾-235，這就解釋了這些變化，遺留下來的不確定性最多不過幾百萬年。

所有太陽系都被認為與之形成的原行星盤，將隨著時間的推移合併成行星。重要的是要認識到，中心恆星、單個行星和殘留的原始物質(例如將成為小行星)都可能在數千萬年的時間內發生變化。圖片：NAOJ

所以總的來說，我們可以說太陽系中最古老的固態物質是45.68億年前的，可能只有100萬年的不確定性。另外不能通過觀察地球本身來了解這一點，這裡留下的岩石都比地球古老。但是，也許令人驚訝的是太陽可能更古老一些，因為它的形成應該早於構成太陽系其他組成部分的固態天體。太陽可能比太陽系中最古老的岩石古老數千萬年，可能接近46億年的年齡。無論如何，關鍵是要特別地尋找答案，這是唯一能準確了解我們星球年齡的方法！

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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