Wer kann die Zeit des Sonnensystems bestimmen? Es ist im Stein versteckt →

In „Shi Zi“ von Shi Jiao, einer der Hundert Denkschulen aus der Zeit vor Qin, heißt es: „Die vier Richtungen und das Auf und Ab heißen Yu, und die Vergangenheit und die Gegenwart heißen Zhou.“ Das Universum ist ein Raum und eine Zeit voller Neugier und Wunder. Im riesigen Ozean der Sterne gibt es einen Sterntyp namens Cepheiden, dessen Helligkeit sich im Laufe der Zeit periodisch ändert. Durch die Untersuchung der Beziehung zwischen Leuchtkraft und Periode von Cepheiden können Astronomen die Entfernungen zwischen Galaxien und Sternhaufen ermitteln. Diese magischen Cepheiden sind als „Maß des Universums“ bekannt.

Allerdings lässt sich die Geschichte des Universums nicht allein durch die Messung von Entfernungen erzählen. Um den Ursprung und die Entwicklung des Universums besser zu verstehen, müssen wir uns auf unsere Heimat, das Sonnensystem, konzentrieren. Astrochemiker verfügen über eine einzigartige Methode, das Alter von Gesteinen und Mineralien mithilfe radioaktiver Isotope zu bestimmen. Verschiedene radioaktive Isotopensysteme sind wie natürliche „Zeitmesser“ im Sonnensystem. Sie zeichnen die Magmaaktivität auf Himmelskörpern, Kollisionen zwischen Himmelskörpern und auftretende chemische Reaktionen auf und ermöglichen es Astrochemikern, die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte des Sonnensystems aus der Dimension der Zeit zu entschlüsseln.

▲Abbildung 1 Pseudofarbbild von Zirkon aus Jack Hill, Australien. Dieser Zirkon stellt die älteste Probe auf der Erde dar (4,4 Milliarden Jahre alt). Bildquelle: Internet

Langlebige Isotope: Die „Uhr“ des Sonnensystems

Astrochemikern stehen verschiedene Zeitmessgeräte zur Verfügung. Das gebräuchlichste ist die Uran-Blei-Datierung (U-Pb) (es gibt auch 87Rb-87Sr und 40K-40Ar usw.). Am Beispiel des uranreichen Minerals Zirkon lässt sich das Datierungsprinzip kurz wie folgt beschreiben: Bei der Entstehung von Zirkon ist ein bestimmter Anteil Uran darin enthalten. Natürliches Uran enthält zwei radioaktive Isotope, 235U und 238U. Mit der Zeit zerfallen sie entsprechend ihrer jeweiligen Geschwindigkeit (einer bestimmten Halbwertszeit, d. h. der Zeit, die erforderlich ist, damit die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfällt) in 207Pb bzw. 206Pb. Die beiden Isotopensysteme 235U-207Pb und 238U-206Pb sind eigentlich zwei unabhängige Zeitmesser, die per Definition das gleiche Alter ergeben sollten. Durch die Messung des Isotopenverhältnisses in Mineralien mit einem Massenspektrometer kann die Entstehungszeit der Mineralien oder Gesteine ​​berechnet werden.

▲Abbildung 2 Rückstreuelektronenbild von Baddeleyit im antarktischen Marsmeteoriten GRV 020090. Dieser Baddeleyit bestätigt, dass die jüngste vulkanische Aktivität auf dem Mars bis vor 200 Millionen Jahren andauerte. Bildquelle: Purple Mountain Observatory

Zirkone (einschließlich zirkonhaltiger Mineralien) in Meteoriten sind relativ klein und normalerweise nur wenige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer groß (zum Vergleich: der Durchmesser eines erwachsenen Haares beträgt etwa 70 Mikrometer). Zirkon ist sehr widerstandsfähig gegen Erosion und wird durch spätere Stöße nicht so leicht beschädigt. Gleichzeitig ist es in seiner Struktur schwierig, störende Tochterelemente (wie Blei) aufzunehmen, wodurch es sich sehr gut für die Uran-Blei-Datierung eignet und die Kristallisationszeit in Magma zuverlässig aufzeichnen kann.

Zirkone werden in der Planetenforschung häufig als winzige Zeitkapseln verwendet. Die bislang älteste Probe auf der Erde stammt beispielsweise von Zirkon, der in Jack Hills in Australien entdeckt wurde und vor 4,4 Milliarden Jahren kristallisierte. Trotz aller Veränderungen bietet dieser Zirkon den Wissenschaftlern die Möglichkeit, Einblicke in die Erdgeschichte der frühesten Tage zu gewinnen. Seine jüngste vulkanische Aktivität, die bis vor 200 Millionen Jahren andauerte, ist durch Baddeleyit-Zirkone bekannt, die in Marsmeteoriten gefunden wurden. Ein wissenschaftliches Forschungsteam unter der Leitung von Akademiemitglied Li Xianhua vom Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendete eine unabhängig entwickelte Technologie mit ultrahoher räumlicher Auflösung, um in den von Chang'e 5 zurückgebrachten Proben zirkoniumhaltige Mineralien mit einer Größe von nur 3 Mikrometern (etwa 1/25 des Durchmessers eines erwachsenen Haares) zu analysieren und bestätigte damit, dass die bislang jüngste vulkanische Aktivität auf dem Mond vor 2 Milliarden Jahren stattfand.

▲Abbildung 3 Zirkonhaltige Mineralien (Badgezirkon und Titano-Zirkonium-Thorit) im Mondbasalt Chang'e-5 meines Landes bestätigen, dass die bislang jüngste vulkanische Aktivität auf dem Mond vor 2 Milliarden Jahren stattfand. Bildquelle: Angepasst von Referenz 3

Kurzlebige Isotope: Die Stoppuhr des Sonnensystems

Die Halbwertszeiten der oben genannten radioaktiven Isotope sind sehr lang (die Halbwertszeiten von 238U und 235U betragen etwa 4,5 Milliarden Jahre bzw. 700 Millionen Jahre), was eine genaue Datierung von Ereignissen ermöglicht, die sich in den letzten Milliarden Jahren im Sonnensystem ereignet haben. Für Ereignisse, die sich innerhalb der ersten paar Millionen bis zehn Millionen Jahre des Sonnensystems ereigneten, ist die Genauigkeit dieser langlebigen Isotope jedoch nicht ausreichend. Zu dieser Zeit hat die Natur „nachdenklich“ einen anderen Typ von Zeitgeber eingebaut – kurzlebige radioaktive Isotope. Die Zerfallsraten dieser Nuklide sind sehr schnell und sie sind mittlerweile erloschen, daher werden sie auch als erloschene Nuklide bezeichnet. Obwohl sie schon vor langer Zeit zerfallen sind, können wir aufgrund der Isotopentochter, die sie nach dem Zerfall produzierten, davon ausgehen, dass sie im frühen Sonnensystem existierten.

Wenn langlebige Isotope mit der „Uhr“ des Sonnensystems verglichen werden, dann können kurzlebige Isotope mit der „Stoppuhr“ des Sonnensystems verglichen werden. Zu den von Astrochemikern häufig verwendeten „Stoppuhren“ gehören das 26Al-26Mg-System (Halbwertszeit beträgt nur 700.000 Jahre), 53Mn-53Cr (Halbwertszeit beträgt etwa 3,7 Millionen Jahre) und 182Hf-182W (Halbwertszeit beträgt etwa 9 Millionen Jahre). Mithilfe dieser kurzlebigen radioaktiven Isotope können Ereignisse im frühen Sonnensystem auf Hunderttausende von Jahren genau datiert werden.

Mithilfe der Systeme 26Al-26Mg und 53Mn-53Cr entdeckten Wissenschaftler den ältesten Andesit (ein relativ silizium-, natrium- und kaliumreiches magmatisches Gestein) im Sonnensystem. Sein Alter steht innerhalb des Fehlerbereichs im Einklang mit den frühesten bei hohen Temperaturen kondensierten festen feuerfesten Einschlüssen im Sonnensystem, was darauf hindeutet, dass Planetesimale innerhalb der ersten ein bis zwei Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems schmelzen und sich in Kern, Mantel und Kruste differenzieren und sich schnell zu Andesit entwickeln konnten. Es ist erwähnenswert, dass kurzlebige radioaktive Isotope nur relative Altersangaben liefern können. Daher müssen sie mit langlebigen radioaktiven Isotopen kombiniert werden, um das absolute Alter des Gesteins zu ermitteln.

▲Abbildung 4 Das schematische Diagramm zeigt, dass Planetesimale innerhalb der ersten ein bis zwei Millionen Jahre des Sonnensystems schnell schmolzen und sich differenzierten, wobei Andesit entstand. Der Achondrit Erg Chech 002 stellt das älteste magmatische Gestein im Sonnensystem dar. Bildquelle: aus dem Internet adaptiert

Alter von Meteoriten durch kosmische Strahlung

Wenn Meteoriten aus ihren Mutterkörpern herausgeschlagen werden, wandern sie durch den Weltraum und werden ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Kosmische Strahlung interagiert mit Atomen auf der Oberfläche von Meteoriten und erzeugt einige kosmogene Nuklide wie 3He, 10Be, 14C, 21Ne, 26Al und 26Cl. Durch Messung des Gehalts und der Produktionsrate dieser kosmogenen Nuklide lässt sich die Zeit abschätzen, die der Meteorit der kosmischen Strahlung ausgesetzt war, also die Zeit, die der Meteorit im Weltraum umhergewandert ist. Bitte beachten Sie, dass das zu diesem Zeitpunkt im Meteoriten nachgewiesene 26Al kein erloschenes Nuklid mehr ist, denn solange der Meteorit kosmischer Strahlung ausgesetzt ist, wird seine Oberfläche weiterhin von kosmischer Strahlung bombardiert und 26Al wird weiterhin erzeugt. Erst nach dem Eintritt in die Erdatmosphäre beginnt der Zerfall und die Abnahme der Masse, und der Zerfall ist nach etwa 5 Millionen Jahren abgeschlossen. Die bisher gesammelten Meteoriten blieben im Allgemeinen weniger als 5 Millionen Jahre auf der Erde (bei Meteoriten, die länger als 5 Millionen Jahre auf der Erde blieben, wird davon ausgegangen, dass sie sich zersetzt haben). Im Vergleich zu Meteoriten, die in der Frühzeit des Sonnensystems entstanden, ist das hier durch kosmische Strahlung gebildete 26Al daher kein erloschenes Nuklid mehr.

▲Abbildung 5 Das Alter der kosmischen Strahlung gibt die Zeitspanne von der Ablösung des Meteoriten von seinem Mutterkörper und seiner Wanderung durch den Weltraum bis zu seinem Eintritt in die Erdatmosphäre an. Quelle: Internet

Das Alter der Meteoriten

Wenn Meteoriten auf die Oberfläche fallen, interagieren sie aufgrund der Abschirmung durch die Erdatmosphäre nicht mehr mit kosmischer Strahlung, sodass die kosmogenen Nuklide nicht mehr zunehmen. Zu diesem Zeitpunkt beginnen diese kosmischen radioaktiven Nuklide (wie 14C, 10Be und 36Cl) zu zerfallen. Durch Messung der Konzentration dieser Nuklide kann der Zeitpunkt geschätzt werden, zu dem der Meteorit auf die Erde fiel. Wüstenmeteoriten (in Wüsten gefundene Meteoriten) sind typischerweise älter als 50.000 Jahre, manche sogar bis zu 250.000 Jahre alt. Antarktische Meteoriten (in der Antarktis gefundene Meteoriten) können bis zu 2 Millionen Jahre alt sein, was darauf schließen lässt, dass die trockene und kalte Antarktis wie ein natürlicher Gefrierschrank ist, der Meteoriten für längere Zeit konservieren kann.

▲Abbildung 6 Wüstenmeteoriten (oben) und Antarktismeteoriten (unten). Das Siedlungsalter gibt den Zeitpunkt an, zu dem die Meteoriten auf die Erde fielen. Bildquelle: Internet

Abschluss

Radioaktive Isotope sind wie Zeitreisende im Universum, die uns die Entstehung und Entwicklung des Universums von den frühen Galaxien bis zum Sonnensystem offenbaren. Diese Uhren des Sonnensystems bergen Geheimnisse aus der Zeit vor Milliarden von Jahren und ermöglichen es Astrochemikern, die Seiten des Universums im Laufe der Zeit zu entziffern.

Quellen:

1. Wilde SA et al. 2001. Natur. 409: 175–178.

2. Jiang Y. und Hsu WB 2012. M&PS. 47 (9): 1419–1435.

3. Li QL et al. 2021. Natur. 600: 54–58.

4. Anand A. et al. 2022. M&PS. 57 (11): 2003–2016.

5. Jiang Y. et al. 2023. GCA. 345: 1–15.

6. Kong Ping et al. 2007. Science China: Geowissenschaften. 37 (8): 1020–1023.

7. Juli AJT 2006. Meteoriten und das frühe Sonnensystem II. 889–905.

Quelle: Purple Mountain Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Forschungszentrum für Wissenschaftskommunikation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Herausgeber | Li Sijin

Korrekturlesen | Cao Ruiyue Li Chun

Wirtschaftsprüfung | He Yong