太阳系的计时器——藏在石头中的秘密

发布时间：2023-09-28 14:00:24 所属栏目：动态来源：转载

导读： 　　《史子》这本书是先秦时期众多思想家、哲学家中的一家所著，其中提到了"宇"的概念指的是四面八方以及上天入地，而 "宙" 的概念则是时间的概念，涵盖了古今的时间范围。宇宙，是一个令人

　　《史子》这本书是先秦时期众多思想家、哲学家中的一家所著，其中提到了"宇"的概念指的是四面八方以及上天入地，而 "宙" 的概念则是时间的概念，涵盖了古今的时间范围。宇宙，是一个令人充满好奇与惊叹的时空。无垠的星海中，有一类被称为造父变星的恒星，其亮度随时间发生周期性变化。通过研究造父变星的光度和周期之间的关系，天文学家能够揭示星系和星团之间的距离。这些神奇的造父变星被誉为“宇宙的量天尺”。

　　然而，仅仅测量距离并不能完整地还原宇宙的故事。为了更深刻地理解宇宙的起源和演化，我们需要聚焦人类的家园——太阳系。天体化学家们拥有一种独特的“法宝”，使用放射性同位素来确定岩石和矿物的年龄。不同的放射性同位素体系仿佛太阳系中安放的天然“计时器”，记录了天体上产生的岩浆活动、天体之间的碰撞以及发生的化学反应，使得天体化学家能够从时间的维度解密太阳系的形成和演化历史。

　　天体化学家掌握各种各样的计时器，其中最常用的是铀-铅（U-Pb）定年法（还有87Rb-87Sr和40K-40Ar等）。以富铀矿物锆石为例，简述定年原理如下：当锆石形成时，会捕获一定比例的铀元素。天然铀元素包含了235U和238U两个放射性同位素，随着时间的流逝，它们会依照各自的速率（一定的半衰期，即放射性原子核半数发生衰变需要的时间）分别衰变为207Pb和206Pb。235U-207Pb和238U-206Pb这两个同位素体系实际上是两个独立的计时器，根据定义，两者应该给出相同的年龄。通过质谱仪测量矿物中的同位素比值，就可以计算出矿物或岩石的形成时间。

　　因此锆石微粒作为一种微小的时间胶囊，在行星科学中很快就得到了非常广泛的科学合理的应用。比如迄今地球上最古老的样品来自澳大利亚杰克山（Jack Hills）发现的锆石，是44亿年前结晶形成的。尽管经历了沧海桑田，这颗锆石使得科学家依然有机会洞察地球形成之初的地质历史。火星作为内太阳系最后一颗岩石行星，其最年轻的火山活动持续到2亿年前便是从火星陨石中的斜锆石得知的。中国科学院地质与地球物理研究所由李献华院士牵头的科研攻关团队，利用自主研发的超高空间分辨率技术，分析了嫦娥五号返回样品中小至3微米（约成人发丝直径的1/25）的含锆矿物，证实月球迄今最年轻的火山活动发生在20亿年前。

　　上述放射性同位素的半衰期很长（238U和235U的半衰期分别长达约45亿年和7亿年），对于太阳系几十亿年以来发生的事件可以进行精确定义，但是对于发生在太阳系最初几百万至几千万年内的事件，那些长寿期同位素的精度就不够了。此时大自然“贴心”安放了另一类计时器——短期放射性同位素。这些核素的衰变速率非常快，现在已经灭绝了，故也称灭绝核素。尽管它们早已衰变完，但是我们根据它们衰变后的同位素子体，能推测它们在太阳系早期存在过。

　　科学家应用26Al-26Mg和53Mn-53Cr体系，发现了太阳系中一种最古老的安山岩（一种相对富硅富钠富钾的岩浆岩），其年龄与太阳系最早高温凝聚的固体物质难熔包体在误差范围内一致，表明太阳系形成之初的一两百万年内，星子便能熔融分异成核幔壳，快速演化出安山岩。值得一提的是，短寿期放射性同位素只能给出相对年龄，因此必须将它们与长寿期放射性同位素联合起来，才能得到岩石的绝对年龄。

　　当陨石从母体中被撞击出来后，便在太空中漫游，不断遭受宇宙射线轰击。宇宙射线与陨石表面的原子相互作用，生成一些宇宙成因核素，如3He，10Be，14C，21Ne，26Al和26Cl等。通过测量这些宇宙成因核素的含量和生成速率，就可以估算出陨石暴露在宇宙射线下的时间，即陨石在太空中漫游的时间。请注意，此时检测到陨石中的26Al不再是灭绝核素，因为陨石只要暴露在宇宙射线中，其表面就一直遭受宇宙射线轰击，不断生成26Al，进入到地球大气层后才开始衰变减少，约500万年后才会衰变完成。而迄今为止收集的陨石在地球上停留的时间一般都小于500万年（超过500万年的估计都分解没了），因此相对太阳系初期形成的陨石来说，这里的宇宙射线成因的26Al不再是灭绝核素。

　　当陨石坠落于地表后，由于地球大气层的屏蔽，不再与宇宙射线相互作用，因此宇宙成因核素不再增加。这时那些宇宙成因的放射性核素（如14C，10Be和36Cl等）开始衰变，通过测定这些核素的浓度，就可以估算陨石掉落在地球上的时间。沙漠陨石（在沙漠发现的陨石）的居地年龄通常大于5万年，一些甚至可以达到25万年。而南极陨石（在南极发现的陨石）的居地年龄可以长达200万年，这表明干燥而寒冷的南极就像一个天然的大冰柜可以更长久地保存陨石。而且，南极的地质活动非常频繁，因此陨石的数量也非常多。

（编辑：南京站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!