对一颗被原行星盘包围年轻恒星的概念图，关于类太阳恒星周围的原行星盘有许多未知性质，包括各种类型原子的元素分离。图片：ESO/L.Cal ada
博科园-科学科普：怎么知道实际上是在和太阳系约会，而不仅仅是找到了几十种方法来确定泰亚碰撞的日期？这是一个伟大而微妙的问题，但科学是要面对挑战解决问题的。人类对太阳系历史和它是如何形成的了解很多。通过观察其他恒星的形态，考察遥远的恒星形成区域，测量原行星盘，观察恒星在生命周期中的各个阶段，我们学到了很多东西。但每个星系的演化方式都是独一无二的，在我们自己的太阳系里，太阳和行星形成数十亿年后，剩下的只是幸存者。
间隙、团块、螺旋形状和其他不对称现象表明，在Elias 2-27周围的原行星盘中有行星形成的迹象。然而系统各个组成部分最终形成的时间有多长，并不是众所周知的事情。图片：L.Pérez/B.Saxton/MPIfR/NRAO/AUI/NSF/ALMA/ESO/NAOJ/NASA/JPL Caltech/WISE小组
最初所有恒星都是从形成恒星前的星云中形成，该星云将物质吸引进来，外部区域仍然很冷，无定形硅酸盐、碳基化合物和冰都聚集在那里。一旦恒星前星云形成一颗原恒星，然后形成一颗成熟的恒星，这种外层物质就会进入，并开始形成更大的团块。随着时间的推移，这些集群的生长和下降，在那里他们相互作用，合并，迁移，并潜在地弹出另一个。在几百到数百万年的时间范围内，一旦有了一颗恒星，行星就会形成；这在宇宙时间尺度上是很快的。
虽然可能有许多中间天体，但到了几百万年过去，太阳系看起来与我们今天的非常相似。但可能有几个重要的区别。可能有第五个气体巨行星；太阳系所拥有的四个气态巨行星可能更接近太阳，已经向外迁移了；也许最重要的是在金星和火星之间，可能有两个世界：一个原始地球和一个更小的火星大小的行星，名为Theia（泰亚）。很久以后，也许在其他行星形成数千万年后，地球和Theia（泰亚）相撞了。
这个巨大的撞击假说指出，一个火星大小的天体与早期地球相撞，碎片会形成月球，因此地球和月球应该比太阳系的其余部分年轻。图片：NASA/JPL-加州理工学院
我们怀疑是这种碰撞创造了月球：称之为巨大撞击假说。阿波罗任务发现的月球岩石与地球的组成相似，这让我们怀疑月球是由地球形成的。其他岩态行星，可疑地缺少大卫星，在它们过去的历史中可能没有那么大影响。气态巨行星的质量比其他星球要大得多，它们能够保持太阳系最初形成时存在的氢和氦(最轻的元素)；其他星球拥有这些元素中的绝大多数。由于来自太阳的能量过多，没有足够的引力来保持这些轻元素（太阳系开始形成，就像我们今天所知道的那样）。
年轻的太阳系贝塔·皮克托里斯概念图，在形成过程中有点类似于太阳系。内部行星，除非它们足够大，否则将无法保存的氢和氦。图片：Avi M.Mandell，NASA
但几十亿年过去了，怎么知道太阳系有多老？地球和其他行星的年龄是一样的吗？有办法区分这一点吗？那个年龄的最终数字是多少？也许令人惊讶的是，最准确的答案来自地球物理学。这并不一定意味着“地球的物理”，而是指各种岩石、矿物和固体的物理。所有这样的天体都包含在周期表中的各种元素，不同的密度/成分对应于太阳系中从太阳向外辐射的地方形成。
太阳系中各种天体的密度，注意密度和离太阳的距离之间的关系。图片：Karim Khaidarov
这意味着不同的行星、小行星、卫星、柯伊伯带天体等，应该优先由不同的元素组成。例如元素周期表中较重的元素应该优先出现在水星中，而谷神星本身应该比冥王星更丰富。但是应该是普遍的，至少你会这样认为：应该是相同元素的不同同位素的比率。例如当太阳系形成时，碳12比碳13比碳-4的比例应该是特定的。碳14的半衰期相当短(几千年)，所以原始碳14应该全部消失。但是碳12和碳13都是稳定的，这意味着无论我们在太阳系哪里发现碳，它们的同位素比率都是相同的。这适用于太阳系中所有稳定和不稳定的元素和同位素。
太阳系测量的今天宇宙中元素丰度。图片：Wikimedia Commons user 28bytes
因为太阳系已经有数十亿年的历史，可以寻找具有同位素的元素，这些元素的半衰期在数十亿年内。随着时间的推移，即随着太阳系老化，这些同位素会放射性地衰变，通过观察衰变产物与仍然存在的初始物质比率，可以确定自这些天体形成以来已经过去了多少时间。为此最可靠的元素是铀和钍。对于铀来说，它的两种自然存在的主要同位素U-238和U-235有不同的衰变产物和不同的衰变率，但两者都存在数十亿年。对于钍来说，放射性Th-232是最有用的。然而最值得注意的是，地球和太阳系历史最好的证据不是来自地球本身！
四亿六千六百万年前的太空碰撞，造成了今天许多陨石的坠落。图片：Don Davis, Southwest Research Institute
已经有很多陨石降落在地球上，它们的同位素，元素丰度被测量和分析。关键是通过观察元素铅由于U-235(导致Pb-207)和U-238(导致Pb-206)的衰变，Pb-207与Pb-206的比值随着时间的推移而变化。通过将地球和陨石视为同一演化系统的一部分（假设初始同位素比率相同）就可以查看地球上发现的最古老的铅矿石，以计算地球、陨石和太阳系的年龄。这是一个很好的估计，给了我们一个45.4亿年的数字。这比1%的准确度更好，但这仍然是一个数千万年的不确定性。
（从太空看）1997年狮子座流星雨。当流星撞击地球大气层的顶端时会燃烧，形成与流星雨联系在一起的明亮条纹和闪光。偶尔陨石会大到足以到达地表，变成一块陨石。图片：NASA / public domain
但我们可以做得比把所有东西聚集在一起更好！当然，这给出了一个很好的总体估计，比如说地球和月球比陨石年轻一点点。可以看最古老陨石或显示出最极端铅比率的那些，试图估计太阳系的年龄：如果我们这样做，得到的数字约为45.68亿年。可以看到月球上的岩石，它还没有经历地球岩石的地质处理，则为45.1亿岁.。最后必须保持理智，所有这一切都是基于这样的假设，即太阳系中U-238与U-235的比值是相同的。但在过去10年内的新证据表明这可能是不真实的。
对LUX探测器背景的影响，包括放射性物质丰度随时间的衰减，LUX所见信号仅与背景相一致，随着时间的推移，元素逐渐衰变，反应物和产物的丰度也随之变化。图片：D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
根据格雷戈里布雷内卡，有些地方U-235比典型值高出6％。自20世纪50年代以来，甚至在此之前，没有人能够发现[铀比率]的任何差异。现在我们可以测量细微的差异了。对一些地理年代学的人来说，这是一只黑眼圈。要说我们知道太阳系年代是基于岩石的时代，他们都同意是很重要的。还有另一个因素起着作用：Cur元素重，半衰期甚至比钚短，它将放射性衰变成铀-235，这就解释了这些变化，遗留下来的不确定性最多不过几百万年。
所有太阳系都被认为与之形成的原行星盘，将随着时间的推移合并成行星。重要的是要认识到，中心恒星、单个行星和残留的原始物质(例如将成为小行星)都可能在数千万年的时间内发生变化。图片：NAOJ
所以总的来说，我们可以说太阳系中最古老的固态物质是45.68亿年前的，可能只有100万年的不确定性。另外不能通过观察地球本身来了解这一点，这里留下的岩石都比地球古老。但是，也许令人惊讶的是太阳可能更古老一些，因为它的形成应该早于构成太阳系其他组成部分的固态天体。太阳可能比太阳系中最古老的岩石古老数千万年，可能接近46亿年的年龄。无论如何，关键是要特别地寻找答案，这是唯一能准确了解我们星球年龄的方法！
博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
发表于 2018-6-24 00:53
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