La cognición del mundo circundante es imposible sin comprender la edad de las antigüedades históricas y cuánto tiempo ha existido el mundo mismo, nuestro Universo. Los científicos han creado muchos métodos para determinar la edad de los hallazgos arqueológicos y establecer las fechas de los eventos históricos. Hoy, la línea de tiempo cronológica marca tanto las fechas de las erupciones de volcanes antiguos como la hora del nacimiento de las estrellas que vemos en el cielo nocturno. Hoy te contamos los principales métodos de citas.
Hallazgos arqueológicos
Cuando se trata de la edad de los hallazgos arqueológicos, entonces, por supuesto, todos recuerdan el método de radiocarbono. Este es quizás el método más famoso, aunque no el único, para fechar antigüedades. Conocido también por las constantes críticas a las que es sometido. Entonces, ¿qué es este método, qué y cómo se usa?
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Para empezar, hay que decir que este método se utiliza, con muy raras excepciones, solo para fechar objetos y materiales de origen biológico. Es decir, la edad de todo lo que alguna vez estuvo vivo. Además, estamos hablando de fechar exactamente el momento de la muerte de un objeto biológico. Por ejemplo, una persona encontrada debajo de los escombros de una casa destruida por un terremoto o un árbol talado para construir un barco. En el primer caso, esto le permite determinar el tiempo aproximado del terremoto (si no se conocía de otras fuentes), en el segundo, la fecha aproximada de la construcción del barco. Entonces, por ejemplo, fecharon una erupción volcánica en la isla de Santorini, uno de los eventos clave de la historia antigua, una posible causa del apocalipsis de la Edad del Bronce. Para el análisis, los científicos tomaron una rama de olivo encontrada durante las excavaciones de suelo volcánico.
¿Por qué importa el momento de la muerte de un organismo? Se sabe que los compuestos de carbono forman la base de la vida en nuestro planeta. Los organismos vivos la obtienen principalmente de la atmósfera. Con la muerte, el intercambio de carbono con la atmósfera se detiene. Pero el carbono en nuestro planeta, aunque ocupa una celda de la tabla periódica, es diferente. Hay tres isótopos de carbono en la Tierra, dos estables, 12C y 13C, y uno radiactivo, en descomposición, 14C. Mientras un organismo esté vivo, la proporción de isótopos estables y radiactivos en él es la misma que en la atmósfera. Tan pronto como se detiene el intercambio de carbono, la cantidad del isótopo inestable 14C (radiocarbono) comienza a disminuir debido a la desintegración y la proporción cambia. Después de aproximadamente 5700 años, la cantidad de radiocarbono se reduce a la mitad, un proceso llamado vida media.
El radiocarbono nace en la atmósfera superior a partir del nitrógeno y luego se convierte en nitrógeno en el proceso de desintegración radiactiva.
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El método de datación por radiocarbono fue desarrollado por Willard Libby. Inicialmente, asumió que la proporción de isótopos de carbono en la atmósfera en el tiempo y el espacio no cambia, y la proporción de isótopos en los organismos vivos corresponde a la proporción en la atmósfera. Si es así, midiendo esta relación en la muestra arqueológica disponible, podemos determinar cuándo corresponde a la atmosférica. O obtenga la llamada "edad infinita" si no hay radiocarbono en la muestra.
El método no permite mirar hacia el pasado. Su profundidad teórica es de 70.000 años (13 vidas medias). Aproximadamente en este tiempo, el carbono inestable se descompondrá por completo. Pero el límite práctico es de 50.000 a 60.000 años. No más, la precisión del equipo no lo permite. Pueden medir la edad del "Hombre de Hielo", pero ya no es posible mirar la historia del planeta antes de la aparición del hombre y determinar, por ejemplo, la edad de los restos de dinosaurios. Además, el método del radiocarbono es uno de los más criticados. La controversia en torno a la Sábana Santa de Turín y el análisis del método para determinar la edad de la reliquia es solo una de las ilustraciones de la imperfección de este método. ¿Cuál es el argumento sobre la contaminación de muestras con un isótopo de carbono después de la terminación del intercambio de carbono con la atmósfera? No siempre es seguro que el objeto analizado esté completamente libre de carbono,introducido después, por ejemplo, de bacterias y microorganismos que se han asentado en el sujeto.
Vale la pena señalar que después del inicio de la aplicación del método, resultó que la proporción de isótopos en la atmósfera cambió con el tiempo. Por lo tanto, los científicos necesitaban crear una escala de calibración, en la que se anotan los cambios en el contenido de radiocarbono en la atmósfera a lo largo de los años. Para ello se llevaron objetos cuya datación se conoce. La dendrocronología, una ciencia basada en el estudio de los anillos de los árboles de la madera, acudió en ayuda de los científicos.
Al principio, mencionamos que hay casos raros en los que este método se aplica a objetos de origen no biológico. Un ejemplo típico son los edificios antiguos, en cuyo mortero se utilizó cal viva CaO. Cuando se combinó con agua y dióxido de carbono en la atmósfera, la cal se convirtió en carbonato de calcio CaCO3. En este caso, el intercambio de carbono con la atmósfera se detuvo desde el momento en que se endureció el mortero. De esta manera, puede determinar la edad de muchos edificios antiguos.
Restos de dinosaurios y plantas antiguas
Ahora hablemos de dinosaurios. Como saben, la era de los dinosaurios fue un período de tiempo relativamente pequeño (por supuesto, para los estándares de la historia geológica de la Tierra), que duró 186 millones de años. La era Mesozoica, como se la designa en la escala geocronológica de nuestro planeta, comenzó hace unos 252 millones de años y terminó hace 66 millones de años. Al mismo tiempo, los científicos lo dividieron con confianza en tres períodos: Triásico, Jurásico y Cretácico. Y para cada uno han identificado sus propios dinosaurios. ¿Pero cómo? Después de todo, el método de radiocarbono no es aplicable para tales períodos. En la mayoría de los casos, la edad de los restos de dinosaurios, otras criaturas antiguas y plantas antiguas está determinada por el momento en que se encontraron las rocas. Si se encontraron restos de un dinosaurio en las rocas del Triásico Superior, y esto es hace 237-201 millones de años, entonces el dinosaurio vivió en ese momento. Ahora la pregunta es¿Cómo determinar la edad de estas rocas?
Restos de dinosaurios en roca antigua
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Ya hemos dicho que el método del radiocarbono se puede utilizar no solo para determinar la edad de objetos de origen biológico. Pero el isótopo de carbono tiene una vida media demasiado corta y, para determinar la edad de las mismas rocas geológicas, no es aplicable. Este método, aunque es el más famoso, es solo uno de los métodos de datación por radioisótopos. Hay otros isótopos en la naturaleza cuyas vidas medias son más largas y conocidas. Y minerales que se pueden usar para envejecer, como el circón.
Es un mineral muy útil para la determinación de la edad mediante la datación con uranio y plomo. El punto de partida para determinar la edad será el momento de cristalización del circón, similar al momento de muerte de un objeto biológico con el método del radiocarbono. Los cristales de circón suelen ser radiactivos, ya que contienen impurezas de elementos radiactivos y, sobre todo, isótopos de uranio. Por cierto, el método de radiocarbono también podría llamarse método de carbono-nitrógeno, ya que el producto de desintegración del isótopo de carbono es el nitrógeno. Pero los científicos no pueden determinar cuáles de los átomos de nitrógeno de la muestra se formaron como resultado de la descomposición y cuáles estaban allí inicialmente. Por lo tanto, a diferencia de otros métodos de radioisótopos, es muy importante conocer el cambio en la concentración de radiocarbono en la atmósfera del planeta.
Cristal de circón
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En el caso del método de uranio-plomo, el producto de desintegración es un isótopo, lo cual es interesante porque no pudo haber estado en la muestra antes o su concentración inicial se conocía inicialmente. Los científicos estiman el tiempo de desintegración de dos isótopos de uranio, cuya desintegración termina con la formación de dos isótopos diferentes de plomo. Es decir, se determina la relación entre la concentración de los isótopos iniciales y los productos secundarios. Los científicos aplican métodos de radioisótopos a rocas ígneas y muestran el tiempo transcurrido desde la solidificación.
Tierra y otros cuerpos celestes
Se utilizan otros métodos para determinar la edad de las rocas geológicas: potasio-argón, argón-argón, plomo-plomo. Gracias a esto último, fue posible determinar el tiempo de formación de los planetas del sistema solar y, en consecuencia, la edad de nuestro planeta, ya que se cree que todos los planetas del sistema se formaron casi simultáneamente. En 1953, la geoquímica estadounidense Clare Patterson midió la proporción de isótopos de plomo en muestras de un meteorito que cayó hace unos 20-40 mil años en el territorio que ahora ocupa el estado de Arizona. El resultado fue un refinamiento de la estimación de la edad de la Tierra a 4.550 mil millones de años. El análisis de rocas terrestres también arroja cifras de un orden similar. Entonces, las piedras descubiertas en las costas de la Bahía de Hudson en Canadá tienen 4.280 millones de años. Y ubicado también en Canadá gneis grises (rocas,químicamente similar a los granitos y las lutitas arcillosas), que durante mucho tiempo mantuvo el liderazgo en edad, tenía una estimación de 3.92 a 4.03 mil millones de años. Este método es aplicable a todo lo que podamos "alcanzar" en el sistema solar. El análisis de las muestras de rocas lunares traídas a la Tierra mostró que su edad es de 4.470 millones de años.
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Pero con las estrellas, todo es completamente diferente. Están lejos de nosotros. Obtener un trozo de estrella para medir su edad no es realista. Pero, sin embargo, los científicos saben (o están seguros) que, por ejemplo, la estrella más cercana a nosotros, Proxima Centauri, es solo un poco más vieja que nuestro Sol: tiene 4.850 millones de años, el Sol tiene 4.570 millones de años. Pero el diamante del cielo nocturno, Sirius, es un adolescente: tiene unos 230 millones de años. La Estrella del Norte tiene incluso menos: 70-80 millones de años. En términos relativos, Sirius se iluminó en el cielo al comienzo de la era de los dinosaurios, y la Estrella Polar ya al final. Entonces, ¿cómo saben los científicos la edad de las estrellas?
No podemos recibir nada de estrellas distantes excepto su luz. Pero esto ya es mucho. De hecho, esta es la pieza de la estrella que permite determinar su composición química. Es necesario saber de qué está hecha una estrella para determinar su edad. Durante su vida, las estrellas evolucionan, pasando por todas las etapas, desde protoestrellas hasta enanas blancas. Como resultado de las reacciones termonucleares que ocurren en la estrella, la composición de los elementos en ella cambia constantemente.
Inmediatamente después del nacimiento, la estrella cae en la llamada secuencia principal. Las estrellas de la secuencia principal (incluido nuestro Sol) están compuestas principalmente de hidrógeno y helio. En el curso de las reacciones termonucleares de combustión del hidrógeno, aumenta el contenido de helio en el núcleo de la estrella. La etapa de combustión de hidrógeno es el período más largo en la vida de una estrella. En esta etapa, a la estrella se le asigna aproximadamente el 90% del tiempo. La velocidad de paso por las etapas depende de la masa de la estrella: cuanto más grande es, más rápido se contrae la estrella y más rápido se "quema". La estrella permanece en la secuencia principal mientras el hidrógeno se queme en su núcleo. La duración de las etapas restantes, en las que se queman los elementos más pesados, es inferior al 10%. Por lo tanto, cuanto más vieja es una estrella en la secuencia principal, más helio y menos hidrógeno contiene.
Hace un par de cientos de años, parecía que nunca podríamos descubrir la composición de las estrellas. Pero el descubrimiento del análisis espectral a mediados del siglo XIX dio a los científicos una poderosa herramienta para estudiar objetos distantes. Pero primero, Isaac Newton a principios del siglo XVIII, con la ayuda de un prisma, descompuso la luz blanca en componentes separados de diferentes colores: el espectro solar. Cien años después, en 1802, el científico inglés William Wollaston miró de cerca el espectro solar y descubrió estrechas líneas oscuras en él. No les dio mucha importancia. Pero pronto el físico y óptico alemán Josef Fraunhofer los investiga y los describe en detalle. Además, los explica por la absorción de rayos por los gases de la atmósfera solar. Además del espectro solar, estudia el espectro de Venus y Sirio y encuentra líneas similares allí. También se encuentran cerca de fuentes de luz artificial. Y solo en 1859, los químicos alemanes Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen realizaron una serie de experimentos, que dieron como resultado la conclusión de que cada elemento químico tiene su propia línea en el espectro. Y, por tanto, según el espectro de cuerpos celestes, se pueden sacar conclusiones sobre su composición.
Espectro de la fotosfera solar y líneas de absorción de Fraunhofer
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El método fue adoptado inmediatamente por los científicos. Y pronto se descubrió un elemento desconocido en la composición del Sol, que no se encontró en la Tierra. Era helio (de "helios" - el sol). Solo un poco más tarde se descubrió en la Tierra.
Nuestro Sol es 73,46% de hidrógeno y 24,85% de helio, la proporción de otros elementos es insignificante. Por cierto, hay metales entre ellos, lo que no habla tanto de la edad, sino más bien de la "herencia" de nuestra estrella. El Sol es una estrella joven de tercera generación, lo que significa que se formó a partir de lo que queda de las estrellas de la primera y segunda generación. Es decir, aquellas estrellas en cuyos núcleos se sintetizaron estos metales. En el Sol, por razones obvias, esto aún no ha sucedido. La composición del Sol nos permite decir que tiene 4.570 millones de años. A la edad de 12.200 millones de años, el Sol dejará la secuencia principal y se convertirá en un gigante rojo, pero mucho antes de este momento, la vida en la Tierra será imposible.
La población principal de nuestra galaxia son las estrellas. La edad de la Galaxia está determinada por los objetos más antiguos que se han descubierto. Hoy en día, las estrellas más antiguas de la galaxia son la gigante roja HE 1523-0901 y la estrella de Matusalén, o HD 140283. Ambas estrellas están en la dirección de la constelación de Libra y su edad se estima en unos 13.200 millones de años.
Por cierto, HE 1523-0901 y HD 140283 no son solo estrellas muy antiguas, son estrellas de la segunda generación, que tienen un contenido metálico insignificante en su composición. Es decir, las estrellas pertenecientes a la generación que precedió a nuestro Sol y sus "pares".
Otro objeto más antiguo, según algunas estimaciones, es el cúmulo globular de estrellas NGC6397, cuyas estrellas tienen 13.400 millones de años. En este caso, los investigadores estiman el intervalo entre la formación de la primera generación de estrellas y el nacimiento de la segunda en 200-300 millones de años. Estos estudios permiten a los científicos argumentar que nuestra galaxia tiene entre 13,2 y 13,6 mil millones de años.
Universo
Al igual que con la Galaxia, la edad del Universo se puede suponer determinando la antigüedad de sus objetos más antiguos. Hasta la fecha, la galaxia GN-z11, ubicada en la dirección de la constelación de la Osa Mayor, es considerada la más antigua entre los objetos que conocemos. La luz de la galaxia tardó 13,4 mil millones de años, lo que significa que se emitió 400 millones de años después del Big Bang. Y si la luz ha recorrido un camino tan largo, entonces el Universo no puede tener una edad menor. Pero, ¿cómo se determinó esta fecha?
Para 2016, la galaxia GN-z11 es el objeto conocido más distante del Universo.
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El número 11 en la designación de la galaxia indica que tiene un corrimiento al rojo de z = 11,1. Cuanto más alto es este indicador, más lejos está el objeto de nosotros, más tiempo pasa la luz y más antiguo es el objeto. El campeón de la era anterior, la galaxia Egsy8p7, tiene un corrimiento al rojo de z = 8,68 (13,1 mil millones de años luz de distancia de nosotros). El contendiente por la antigüedad es la galaxia UDFj-39546284, probablemente tiene z = 11.9, pero esto aún no se ha confirmado por completo. El universo no puede tener una edad menor que estos objetos.
Un poco antes hablamos de los espectros de las estrellas, que determinan la composición de sus elementos químicos. En el espectro de una estrella o galaxia que se aleja de nosotros, hay un cambio en las líneas espectrales de los elementos químicos hacia el lado rojo (onda larga). Cuanto más lejos está un objeto de nosotros, mayor es su desplazamiento al rojo. El desplazamiento de las líneas hacia el lado violeta (onda corta), debido al acercamiento de un objeto, se denomina desplazamiento azul o violeta. Una explicación de este fenómeno es el omnipresente efecto Doppler. Explican, por ejemplo, la bajada del tono de la sirena de un coche que pasa o el sonido del motor de un avión en vuelo. El trabajo de la mayoría de las cámaras para corregir violaciones se basa en el efecto Doppler.
Las líneas espectrales se han desplazado hacia el lado rojo.
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Entonces, se sabe que el universo se está expandiendo. Y conociendo la velocidad de su expansión, puede determinar la edad del universo. La constante que muestra la velocidad a la que dos galaxias, separadas por una distancia de 1 Mpc (megaparsec), vuelan en diferentes direcciones, se llama constante de Hubble. Pero para determinar la edad del universo, los científicos necesitaban conocer su densidad y composición. Para ello, se enviaron al espacio los observatorios espaciales WMAP (NASA) y Planck (Agencia Espacial Europea). Los datos de WMAP hicieron posible determinar la edad del universo en 13,75 mil millones de años. Los datos de un satélite europeo lanzado ocho años más tarde permitieron refinar los parámetros necesarios, y la edad del universo se determinó en 13.810 millones de años.
Observatorio espacial Planck
esa.int
Sergey Sobol
