數(shù)十億年前在銀河系一些被遺忘的角落，分子云和許多其他云一樣崩塌，形成了新的恒星。其中一個是相對孤立地形成的，在它周圍的一個原行星盤中收集物質(zhì)，最終形成的太陽，八顆行星，以及太陽系的其余部分。今天科學(xué)家們宣稱太陽系已經(jīng)有46億年的歷史，這是怎么知道的？比如說地球和太陽的年齡是一樣的嗎？如何知道太陽系的歷史及年齡？45億年前Theia（泰亞）撞擊原始地球，使大量的物質(zhì)融化。
對一顆被原行星盤包圍年輕恒星的概念圖，關(guān)于類太陽恒星周圍的原行星盤有許多未知性質(zhì)，包括各種類型原子的元素分離。圖片：ESO/L.Cal ada
博科園-科學(xué)科普：怎么知道實際上是在和太陽系約會，而不僅僅是找到了幾十種方法來確定泰亞碰撞的日期？這是一個偉大而微妙的問題，但科學(xué)是要面對挑戰(zhàn)解決問題的。人類對太陽系歷史和它是如何形成的了解很多。通過觀察其他恒星的形態(tài)，考察遙遠(yuǎn)的恒星形成區(qū)域，測量原行星盤，觀察恒星在生命周期中的各個階段，我們學(xué)到了很多東西。但每個星系的演化方式都是獨一無二的，在我們自己的太陽系里，太陽和行星形成數(shù)十億年后，剩下的只是幸存者。
間隙、團(tuán)塊、螺旋形狀和其他不對稱現(xiàn)象表明，在Elias 2-27周圍的原行星盤中有行星形成的跡象。然而系統(tǒng)各個組成部分最終形成的時間有多長，并不是眾所周知的事情。圖片：L.Pérez/B.Saxton/MPIfR/NRAO/AUI/NSF/ALMA/ESO/NAOJ/NASA/JPL Caltech/WISE小組
最初所有恒星都是從形成恒星前的星云中形成，該星云將物質(zhì)吸引進(jìn)來，外部區(qū)域仍然很冷，無定形硅酸鹽、碳基化合物和冰都聚集在那里。一旦恒星前星云形成一顆原恒星，然后形成一顆成熟的恒星，這種外層物質(zhì)就會進(jìn)入，并開始形成更大的團(tuán)塊。隨著時間的推移，這些集群的生長和下降，在那里他們相互作用，合并，遷移，并潛在地彈出另一個。在幾百到數(shù)百萬年的時間范圍內(nèi)，一旦有了一顆恒星，行星就會形成；這在宇宙時間尺度上是很快的。
雖然可能有許多中間天體，但到了幾百萬年過去，太陽系看起來與我們今天的非常相似。但可能有幾個重要的區(qū)別。可能有第五個氣體巨行星；太陽系所擁有的四個氣態(tài)巨行星可能更接近太陽，已經(jīng)向外遷移了；也許最重要的是在金星和火星之間，可能有兩個世界：一個原始地球和一個更小的火星大小的行星，名為Theia（泰亞）。很久以后，也許在其他行星形成數(shù)千萬年后，地球和Theia（泰亞）相撞了。
這個巨大的撞擊假說指出，一個火星大小的天體與早期地球相撞，碎片會形成月球，因此地球和月球應(yīng)該比太陽系的其余部分年輕。圖片：NASA/JPL-加州理工學(xué)院
我們懷疑是這種碰撞創(chuàng)造了月球：稱之為巨大撞擊假說。阿波羅任務(wù)發(fā)現(xiàn)的月球巖石與地球的組成相似，這讓我們懷疑月球是由地球形成的。其他巖態(tài)行星，可疑地缺少大衛(wèi)星，在它們過去的歷史中可能沒有那么大影響。氣態(tài)巨行星的質(zhì)量比其他星球要大得多，它們能夠保持太陽系最初形成時存在的氫和氦(最輕的元素)；其他星球擁有這些元素中的絕大多數(shù)。由于來自太陽的能量過多，沒有足夠的引力來保持這些輕元素（太陽系開始形成，就像我們今天所知道的那樣）。
年輕的太陽系貝塔·皮克托里斯概念圖，在形成過程中有點類似于太陽系。內(nèi)部行星，除非它們足夠大，否則將無法保存的氫和氦。圖片：Avi M.Mandell，NASA
但幾十億年過去了，怎么知道太陽系有多老？地球和其他行星的年齡是一樣的嗎？有辦法區(qū)分這一點嗎？那個年齡的最終數(shù)字是多少？也許令人驚訝的是，最準(zhǔn)確的答案來自地球物理學(xué)。這并不一定意味著“地球的物理”，而是指各種巖石、礦物和固體的物理。所有這樣的天體都包含在周期表中的各種元素，不同的密度/成分對應(yīng)于太陽系中從太陽向外輻射的地方形成。
太陽系中各種天體的密度，注意密度和離太陽的距離之間的關(guān)系。圖片：Karim Khaidarov
這意味著不同的行星、小行星、衛(wèi)星、柯伊伯帶天體等，應(yīng)該優(yōu)先由不同的元素組成。例如元素周期表中較重的元素應(yīng)該優(yōu)先出現(xiàn)在水星中，而谷神星本身應(yīng)該比冥王星更豐富。但是應(yīng)該是普遍的，至少你會這樣認(rèn)為：應(yīng)該是相同元素的不同同位素的比率。例如當(dāng)太陽系形成時，碳12比碳13比碳-4的比例應(yīng)該是特定的。碳14的半衰期相當(dāng)短(幾千年)，所以原始碳14應(yīng)該全部消失。但是碳12和碳13都是穩(wěn)定的，這意味著無論我們在太陽系哪里發(fā)現(xiàn)碳，它們的同位素比率都是相同的。這適用于太陽系中所有穩(wěn)定和不穩(wěn)定的元素和同位素。
太陽系測量的今天宇宙中元素豐度。圖片：Wikimedia Commons user 28bytes
因為太陽系已經(jīng)有數(shù)十億年的歷史，可以尋找具有同位素的元素，這些元素的半衰期在數(shù)十億年內(nèi)。隨著時間的推移，即隨著太陽系老化，這些同位素會放射性地衰變，通過觀察衰變產(chǎn)物與仍然存在的初始物質(zhì)比率，可以確定自這些天體形成以來已經(jīng)過去了多少時間。為此最可靠的元素是鈾和釷。對于鈾來說，它的兩種自然存在的主要同位素U-238和U-235有不同的衰變產(chǎn)物和不同的衰變率，但兩者都存在數(shù)十億年。對于釷來說，放射性Th-232是最有用的。然而最值得注意的是，地球和太陽系歷史最好的證據(jù)不是來自地球本身！
四億六千六百萬年前的太空碰撞，造成了今天許多隕石的墜落。圖片：Don Davis, Southwest Research Institute
已經(jīng)有很多隕石降落在地球上，它們的同位素，元素豐度被測量和分析。關(guān)鍵是通過觀察元素鉛由于U-235(導(dǎo)致Pb-207)和U-238(導(dǎo)致Pb-206)的衰變，Pb-207與Pb-206的比值隨著時間的推移而變化。通過將地球和隕石視為同一演化系統(tǒng)的一部分（假設(shè)初始同位素比率相同）就可以查看地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的鉛礦石，以計算地球、隕石和太陽系的年齡。這是一個很好的估計，給了我們一個45.4億年的數(shù)字。這比1%的準(zhǔn)確度更好，但這仍然是一個數(shù)千萬年的不確定性。
（從太空看）1997年獅子座流星雨。當(dāng)流星撞擊地球大氣層的頂端時會燃燒，形成與流星雨聯(lián)系在一起的明亮條紋和閃光。偶爾隕石會大到足以到達(dá)地表，變成一塊隕石。圖片：NASA / public domain
但我們可以做得比把所有東西聚集在一起更好！當(dāng)然，這給出了一個很好的總體估計，比如說地球和月球比隕石年輕一點點?？梢钥醋罟爬想E石或顯示出最極端鉛比率的那些，試圖估計太陽系的年齡：如果我們這樣做，得到的數(shù)字約為45.68億年?？梢钥吹皆虑蛏系膸r石，它還沒有經(jīng)歷地球巖石的地質(zhì)處理，則為45.1億歲.。最后必須保持理智，所有這一切都是基于這樣的假設(shè)，即太陽系中U-238與U-235的比值是相同的。但在過去10年內(nèi)的新證據(jù)表明這可能是不真實的。
對LUX探測器背景的影響，包括放射性物質(zhì)豐度隨時間的衰減，LUX所見信號僅與背景相一致，隨著時間的推移，元素逐漸衰變，反應(yīng)物和產(chǎn)物的豐度也隨之變化。圖片：D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
根據(jù)格雷戈里布雷內(nèi)卡，有些地方U-235比典型值高出6％。自20世紀(jì)50年代以來，甚至在此之前，沒有人能夠發(fā)現(xiàn)[鈾比率]的任何差異?，F(xiàn)在我們可以測量細(xì)微的差異了。對一些地理年代學(xué)的人來說，這是一只黑眼圈。要說我們知道太陽系年代是基于巖石的時代，他們都同意是很重要的。還有另一個因素起著作用：Cur元素重，半衰期甚至比钚短，它將放射性衰變成鈾-235，這就解釋了這些變化，遺留下來的不確定性最多不過幾百萬年。
所有太陽系都被認(rèn)為與之形成的原行星盤，將隨著時間的推移合并成行星。重要的是要認(rèn)識到，中心恒星、單個行星和殘留的原始物質(zhì)(例如將成為小行星)都可能在數(shù)千萬年的時間內(nèi)發(fā)生變化。圖片：NAOJ
所以總的來說，我們可以說太陽系中最古老的固態(tài)物質(zhì)是45.68億年前的，可能只有100萬年的不確定性。另外不能通過觀察地球本身來了解這一點，這里留下的巖石都比地球古老。但是，也許令人驚訝的是太陽可能更古老一些，因為它的形成應(yīng)該早于構(gòu)成太陽系其他組成部分的固態(tài)天體。太陽可能比太陽系中最古老的巖石古老數(shù)千萬年，可能接近46億年的年齡。無論如何，關(guān)鍵是要特別地尋找答案，這是唯一能準(zhǔn)確了解我們星球年齡的方法！
博科園-科學(xué)科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
