La connaissance du monde environnant est impossible sans comprendre l'âge des antiquités historiques et depuis combien de temps le monde lui-même - notre Univers - existe. Les scientifiques ont créé de nombreuses méthodes pour déterminer l'âge des découvertes archéologiques et établir les dates des événements historiques. Aujourd'hui, la chronologie chronologique marque à la fois les dates des éruptions des anciens volcans et l'heure de naissance des étoiles que nous voyons dans le ciel nocturne. Aujourd'hui, nous allons vous parler des principales méthodes de datation.
Découvertes archéologiques
Quand il s'agit de l'âge des découvertes archéologiques, alors, bien sûr, tout le monde se souvient de la méthode au radiocarbone. C'est peut-être la méthode la plus célèbre, mais pas la seule, de datation des antiquités. Connu aussi pour les critiques constantes auxquelles il est soumis. Alors, quelle est cette méthode, quoi et comment est-elle utilisée?
Pour commencer, il faut dire que cette méthode n'est utilisée, à de très rares exceptions, que pour la datation d'objets et de matériaux d'origine biologique. Autrement dit, l'âge de tout ce qui était autrefois vivant. De plus, il s'agit de dater exactement le moment de la mort d'un objet biologique. Par exemple, une personne retrouvée sous les décombres d'une maison détruite par un tremblement de terre ou un arbre abattu pour construire un bateau. Dans le premier cas, cela vous permet de déterminer l'heure approximative du tremblement de terre (si elle n'était pas connue d'autres sources), dans le second - la date approximative de la construction du navire. Ainsi, par exemple, ils ont daté une éruption volcanique sur l'île de Santorin, l'un des événements clés de l'histoire ancienne, une cause possible de l'apocalypse de l'âge du bronze. Pour l'analyse, les scientifiques ont pris une branche d'olivier trouvée lors de fouilles de sol volcanique.
Pourquoi le moment de la mort d'un organisme est-il important? Les composés de carbone sont connus pour former la base de la vie sur notre planète. Les organismes vivants l'obtiennent principalement de l'atmosphère. Avec la mort, l'échange de carbone avec l'atmosphère s'arrête. Mais le carbone sur notre planète, bien qu'il occupe une cellule du tableau périodique, est différent. Il existe trois isotopes du carbone sur Terre, deux stables - 12C et 13C et un radioactif en décomposition - 14C. Tant qu'un organisme est vivant, le rapport entre les isotopes stables et radioactifs est le même que dans l'atmosphère. Dès que l'échange de carbone s'arrête, la quantité de l'isotope instable 14C (radiocarbone) commence à diminuer en raison de la désintégration et le rapport change. Après environ 5700 ans, la quantité de radiocarbone est divisée par deux, un processus appelé demi-vie.
Le radiocarbone est né dans la haute atmosphère de l'azote, puis il se transforme en azote dans le processus de désintégration radioactive
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La méthode de datation au radiocarbone a été développée par Willard Libby. Au départ, il a suggéré que le rapport des isotopes du carbone dans l'atmosphère dans le temps et dans l'espace ne change pas, et que le rapport des isotopes dans les organismes vivants correspond au rapport dans l'atmosphère. Si tel est le cas, alors en mesurant ce rapport dans l'échantillon archéologique disponible, nous pouvons déterminer quand il correspond à l'atmosphère. Ou obtenez le soi-disant «âge infini» s'il n'y a pas de radiocarbone dans l'échantillon.
La méthode ne permet pas de regarder loin dans le passé. Sa profondeur théorique est de 70 000 ans (13 demi-vies). À peu près à ce moment, le carbone instable se décomposera complètement. Mais la limite pratique est de 50 000 à 60 000 ans. Ce n'est plus possible, la précision de l'équipement ne le permet pas. Ils peuvent mesurer l'âge de «l'homme de glace», mais il n'est plus possible de se pencher sur l'histoire de la planète avant l'apparition de l'homme et de déterminer, par exemple, l'âge des restes de dinosaures. De plus, la méthode au radiocarbone est l'une des plus critiquées. La controverse entourant le Suaire de Turin et l'analyse de la méthode de détermination de l'âge de la relique n'est qu'une des illustrations de l'imperfection de cette méthode. Quel est l'argument concernant la contamination des échantillons par un isotope de carbone après la fin de l'échange de carbone avec l'atmosphère. Il n'est pas toujours certain que l'objet analysé soit totalement exempt de carbone,introduits après, par exemple, des bactéries et des micro-organismes qui se sont installés sur le sujet.
Il est à noter qu'après le début de l'application de la méthode, il s'est avéré que le rapport des isotopes dans l'atmosphère a changé avec le temps. Par conséquent, les scientifiques devaient créer une soi-disant échelle d'étalonnage, sur laquelle les changements de la teneur en radiocarbone dans l'atmosphère sont notés au fil des ans. Pour cela, des objets ont été prélevés, dont la datation est connue. La dendrochronologie, une science basée sur l'étude des anneaux de bois, est venue au secours des scientifiques.
Au début, nous avons mentionné qu'il existe de rares cas où cette méthode s'applique à des objets d'origine non biologique. Un exemple typique est les bâtiments anciens, dans le mortier desquels de la chaux vive CaO a été utilisée. Lorsqu'elle était combinée avec de l'eau et du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, la chaux était convertie en carbonate de calcium CaCO3. Dans ce cas, l'échange de carbone avec l'atmosphère s'est arrêté à partir du moment où le mortier a durci. De cette façon, vous pouvez déterminer l'âge de nombreux bâtiments anciens.
Vestiges de dinosaures et de plantes anciennes
Parlons maintenant des dinosaures. Comme vous le savez, l'ère des dinosaures était une période relativement petite (bien sûr, selon les normes de l'histoire géologique de la Terre), qui a duré 186 millions d'années. L'ère mésozoïque, telle qu'elle est désignée à l'échelle géochronologique de notre planète, a commencé il y a environ 252 millions d'années et s'est terminée il y a 66 millions d'années. Dans le même temps, les scientifiques l'ont divisé en trois périodes: Trias, Jurassique et Crétacé. Et pour chacun, ils ont identifié leurs propres dinosaures. Mais comment? Après tout, la méthode au radiocarbone n'est pas applicable pour de telles périodes. Dans la plupart des cas, l'âge des restes de dinosaures, d'autres créatures anciennes, ainsi que des plantes anciennes est déterminé par le moment où les roches ont été trouvées. Si les restes d'un dinosaure ont été trouvés dans les roches du Trias supérieur, il y a 237-201 millions d'années, alors le dinosaure vivait à cette époque. Maintenant la question est,comment déterminer l'âge de ces roches?
Dinosaure reste dans la roche ancienne
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Nous avons déjà dit que la méthode au radiocarbone peut être utilisée non seulement pour déterminer l'âge des objets d'origine biologique. Mais l'isotope du carbone a une demi-vie trop courte et, pour déterminer l'âge des mêmes roches géologiques, il n'est pas applicable. Cette méthode, bien qu'elle soit la plus connue, n'est qu'une des méthodes de datation radio-isotopique. Il existe d'autres isotopes dans la nature dont les demi-vies sont plus longues et connues. Et des minéraux qui peuvent être utilisés pour vieillir, comme le zircon.
C'est un minéral très utile pour la détermination de l'âge à l'aide de la datation uranium-plomb. Le point de départ pour déterminer l'âge sera le moment de la cristallisation du zircon, similaire au moment de la mort d'un objet biologique avec la méthode au radiocarbone. Les cristaux de zircon sont généralement radioactifs, car ils contiennent des impuretés d'éléments radioactifs et, surtout, des isotopes d'uranium. À propos, la méthode au radiocarbone pourrait également être appelée méthode carbone-azote, puisque le produit de désintégration de l'isotope du carbone est l'azote. Mais lesquels des atomes d'azote de l'échantillon ont été formés à la suite de la désintégration, et lesquels étaient là au départ, les scientifiques ne peuvent pas déterminer. Par conséquent, contrairement aux autres méthodes radio-isotopiques, il est si important de connaître le changement de concentration de radiocarbone dans l'atmosphère de la planète.
Cristal de zircon
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Dans le cas de la méthode uranium-plomb, le produit de désintégration est un isotope, ce qui est intéressant car il ne pouvait pas avoir été dans l'échantillon plus tôt ou sa concentration initiale était initialement connue. Les scientifiques estiment le temps de désintégration de deux isotopes de l'uranium, dont la désintégration se termine par la formation de deux isotopes différents du plomb. C'est-à-dire que le rapport de la concentration des isotopes initiaux et des produits filles est déterminé. Les méthodes radio-isotopiques sont appliquées par les scientifiques aux roches ignées et montrent le temps qui s'est écoulé depuis la solidification.
Terre et autres corps célestes
D'autres méthodes sont utilisées pour déterminer l'âge des roches géologiques: potassium-argon, argon-argon, plomb-plomb. Grâce à ce dernier, il a été possible de déterminer le moment de la formation des planètes du système solaire et, par conséquent, l'âge de notre planète, car on pense que toutes les planètes du système se sont formées presque simultanément. En 1953, le géochimiste américain Clare Patterson a mesuré le rapport des isotopes de plomb dans des échantillons d'une météorite tombée environ 20 à 40 000 ans sur le territoire maintenant occupé par l'état de l'Arizona. Le résultat a été un affinement de l'estimation de l'âge de la Terre à 4,550 milliards d'années. L'analyse des roches terrestres donne également des chiffres d'un ordre similaire. Ainsi, les pierres découvertes sur les rives de la baie d'Hudson au Canada ont 4,28 milliards d'années. Et situé aussi au Canada gneiss gris (roches,chimiquement similaire aux granites et aux schistes argileux), qui a longtemps tenu la tête en âge, avait une estimation de 3,92 à 4,03 milliards d'années. Cette méthode est applicable à tout ce que nous pouvons «atteindre» dans le système solaire. L'analyse des échantillons de roches lunaires amenées sur Terre a montré que leur âge est de 4,47 milliards d'années.
Mais avec les étoiles, tout est complètement différent. Ils sont loin de nous. Obtenir un morceau d'étoile pour mesurer son âge n'est pas réaliste. Mais, néanmoins, les scientifiques savent (ou sont sûrs) que, par exemple, l'étoile la plus proche de nous, Proxima Centauri, n'est que légèrement plus âgée que notre Soleil: elle a 4,85 milliards d'années, le Soleil a 4,57 milliards d'années. Mais le diamant du ciel nocturne, Sirius, est un adolescent: il a environ 230 millions d'années. L'étoile du Nord a encore moins: 70 à 80 millions d'années. Relativement parlant, Sirius s'est éclairé dans le ciel au début de l'ère des dinosaures, et l'étoile du Nord déjà à la fin. Alors, comment les scientifiques connaissent-ils l'âge des étoiles?
Nous ne pouvons rien recevoir d'étoiles lointaines sauf leur lumière. Mais c'est déjà beaucoup. En fait, c'est le morceau de l'étoile qui permet de déterminer sa composition chimique. Savoir de quoi est faite une étoile est nécessaire pour déterminer son âge. Au cours de leur vie, les étoiles évoluent, passant par toutes les étapes, des protoétoiles aux naines blanches. En raison des réactions thermonucléaires qui se produisent dans l'étoile, la composition des éléments qu'elle contient est en constante évolution.
Immédiatement après la naissance, l'étoile tombe dans la soi-disant séquence principale. Les étoiles de la séquence principale (y compris notre Soleil) sont composées principalement d'hydrogène et d'hélium. Au cours des réactions thermonucléaires de combustion de l'hydrogène dans le cœur d'une étoile, la teneur en hélium augmente. L'étape de combustion de l'hydrogène est la période la plus longue de la vie d'une étoile. A ce stade, l'étoile occupe environ 90% du temps qui lui est alloué. La vitesse de passage des étages dépend de la masse de l'étoile: plus elle est grande, plus l'étoile se contracte vite et plus vite elle «brûle». L'étoile reste sur la séquence principale tant que l'hydrogène brûle dans son noyau. La durée des étapes restantes, au cours desquelles les éléments les plus lourds brûlent, est inférieure à 10%. Ainsi, plus une étoile est âgée sur la séquence principale, plus elle contient d'hélium et moins d'hydrogène.
Il y a quelques centaines d'années, il semblait que nous ne pourrions jamais découvrir la composition des étoiles. Mais la découverte de l'analyse spectrale au milieu du XIXe siècle a donné aux scientifiques un outil puissant pour étudier des objets éloignés. Mais d'abord, Isaac Newton au début du 18ème siècle, à l'aide d'un prisme, a décomposé la lumière blanche en composants séparés de différentes couleurs - le spectre solaire. 100 ans plus tard, en 1802, le scientifique anglais William Wollaston a examiné de près le spectre solaire et y a découvert d'étroites lignes sombres. Il ne leur accordait pas beaucoup d'importance. Mais bientôt le physicien et opticien allemand Josef Fraunhofer les étudie et les décrit en détail. De plus, il les explique par l'absorption des rayons par les gaz de l'atmosphère du Soleil. En plus du spectre solaire, il étudie le spectre de Vénus et Sirius et y trouve des raies similaires. On les trouve également à proximité de sources de lumière artificielle. Et ce n'est qu'en 1859 que les chimistes allemands Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen ont mené une série d'expériences, qui ont abouti à la conclusion que chaque élément chimique a sa propre ligne dans le spectre. Et, par conséquent, selon le spectre des corps célestes, des conclusions peuvent être tirées sur leur composition.
Spectre de photosphère solaire et raies d'absorption de Fraunhofer
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La méthode a été immédiatement adoptée par les scientifiques. Et bientôt un élément inconnu a été découvert dans la composition du Soleil, qui n'a pas été trouvé sur Terre. C'était de l'hélium (de "helios" - le soleil). Seulement un peu plus tard, il a été découvert sur Terre.
Notre Soleil est à 73,46% d'hydrogène et 24,85% d'hélium, la proportion d'autres éléments est insignifiante. À propos, il y a aussi des métaux parmi eux, ce qui ne parle pas tant de l'âge, mais plutôt de «l'hérédité» de notre étoile. Le Soleil est une jeune étoile de troisième génération, ce qui signifie qu'il a été formé à partir de ce qui reste des étoiles des première et deuxième générations. Autrement dit, ces étoiles dans les noyaux desquelles ces métaux ont été synthétisés. Au Soleil, pour des raisons évidentes, cela ne s'est pas encore produit. La composition du Soleil nous permet de dire qu'il a 4,57 milliards d'années. À l'âge de 12,2 milliards d'années, le Soleil quittera la séquence principale et deviendra une géante rouge, mais bien avant ce moment, la vie sur Terre sera impossible.
La population principale de notre galaxie est constituée d'étoiles. L'âge de la Galaxie est déterminé par les objets les plus anciens découverts. Aujourd'hui, les étoiles les plus anciennes de la Galaxie sont la géante rouge HE 1523-0901 et l'étoile Methuselah, ou HD 140283. Les deux étoiles sont dans la direction de la constellation de la Balance, et leur âge est estimé à environ 13,2 milliards d'années.
À propos, HE 1523-0901 et HD 140283 ne sont pas seulement de très vieilles étoiles, ce sont des stars de la deuxième génération, qui ont une teneur en métal insignifiante dans leur composition. Autrement dit, les étoiles appartenant à la génération qui a précédé notre Soleil et ses «pairs».
Un autre objet le plus ancien, selon certaines estimations, est l'amas d'étoiles globulaires NGC6397, dont les étoiles ont 13,4 milliards d'années. Dans ce cas, l'intervalle entre la formation de la première génération d'étoiles et la naissance de la seconde est estimé par les chercheurs à 200-300 millions d'années. Ces études permettent aux scientifiques de soutenir que notre galaxie a entre 13,2 et 13,6 milliards d'années.
Univers
Comme pour la Galaxie, l'âge de l'Univers peut être supposé en déterminant l'âge de ses objets les plus anciens. À ce jour, la galaxie GN-z11, située en direction de la constellation Ursa Major, est considérée comme la plus ancienne parmi les objets que nous connaissons. La lumière de la galaxie a pris 13,4 milliards d'années, ce qui signifie qu'elle a été émise 400 millions d'années après le Big Bang. Et si la lumière a parcouru un si long chemin, alors l'Univers ne peut pas avoir un âge plus petit. Mais comment cette date a-t-elle été déterminée?
Pour 2016, la galaxie GN-z11 est l'objet connu le plus éloigné de l'Univers.
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Le nombre 11 dans la désignation de la galaxie indique qu'elle a un décalage vers le rouge de z = 11,1. Plus cet indicateur est élevé, plus l'objet est éloigné de nous, plus la lumière s'en est éloignée et plus l'objet est ancien. Le champion de l'âge précédent, la galaxie Egsy8p7, a un redshift de z = 8,68 (13,1 milliards d'années-lumière de nous). Le prétendant à l'ancienneté est la galaxie UDFj-39546284, a probablement z = 11,9, mais cela n'a pas encore été entièrement confirmé. L'univers ne peut pas avoir un âge inférieur à ces objets.
Un peu plus tôt, nous avons parlé des spectres des étoiles, qui déterminent la composition de leurs éléments chimiques. Dans le spectre d'une étoile ou d'une galaxie, qui s'éloigne de nous, il y a un déplacement des raies spectrales des éléments chimiques vers le côté rouge (ondes longues). Plus un objet est éloigné de nous, plus son décalage vers le rouge est important. Le décalage des lignes vers le côté violet (ondes courtes), dû à l'approche d'un objet, est appelé décalage bleu ou violet. Une explication de ce phénomène est l'effet Doppler omniprésent. Ils expliquent par exemple l'abaissement de la tonalité de la sirène d'une voiture qui passe ou le son du moteur d'un avion en vol. Le travail de la plupart des caméras pour corriger les violations est basé sur l'effet Doppler.
Les raies spectrales se sont déplacées vers le côté rouge
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Ainsi, on sait que l'univers est en expansion. Et connaissant le taux de son expansion, vous pouvez déterminer l'âge de l'univers. La constante montrant à quelle vitesse deux galaxies, séparées par une distance de 1 Mpc (mégaparsec), volent dans des directions différentes, est appelée constante de Hubble. Mais pour déterminer l'âge de l'univers, les scientifiques avaient besoin de connaître sa densité et sa composition. A cet effet, les observatoires spatiaux WMAP (NASA) et Planck (Agence spatiale européenne) ont été envoyés dans l'espace. Les données WMAP ont permis de déterminer l'âge de l'univers à 13,75 milliards d'années. Les données d'un satellite européen lancé huit ans plus tard ont permis d'affiner les paramètres nécessaires, et l'âge de l'univers a été déterminé à 13,81 milliards d'années.
Observatoire spatial Planck
esa.int
Sergey Sobol
