Hoe weten we dat de aarde 4,54 miljard jaar oud is?

Share Button

De aarde is, is de wetenschappelijke consensus, 4,54 ± 0,05 miljard jaar oud. Dat is duizenden malen langer geleden dan dat onze soort ontstond. Hoe heeft de wetenschap vast kunnen stellen dat de aarde precies (met een onzekerheid van 50 miljoen jaar) zo oud is?

Hoe is het zonnestelsel ontstaan?
Het ontstaan van de aarde verliep, geologisch gezien, vrij snel. De aarde ontstond uit een gasnevel: de overblijfselen van een supernova-explosie, waarvan er in het Melkwegstelsel vele zijn. Dit weten we, omdat de zon, de aarde en andere hemellichamen van het zonnestelsel veel zware atoomelementen bevatten in plaats van alleen waterstof en helium. Deze gasnevel trok zich onder invloed van de zwaartekracht steeds meer samen. Het centrum van de nevel, waarin zich 99% van alle materie ophoopte, vormde de zon.

Dat dit proces zo plaats heeft gevonden weten we, omdat er vele voorbeelden van T Tauristerren zijn. Dit zijn protosterren die bezig zijn een zonnestelsel te vormen. Ze geven wel veel straling af, maar deze straling komt niet van kernfusie, maar van zwaartekrachtsenergie: door het ineenstorting wordt de protoster steeds heter. T Tauri sterren zijn vrij zeldzaam vergeleken met andere stertypen. Daarom weten we dat de T Tauri fase maar heel kort duurt, in de orde van 1% van de levensduur van een ster als de zon: enkele tientallen miljoenen jaren.

De aarde tijdens het Hadeaanse tijdperk werd bedekt door water, maar werd gedeeltelijk geteisterd door asteroïdeninslagen. Bron: NASA

De aarde tijdens het Hadeaanse tijdperk werd bedekt door water, maar werd gedeeltelijk geteisterd door asteroïdeninslagen. Bron: NASA

Ontstaan van de aarde
Uit de protoplanetaire (voor-planetaire) gaswolk waaruit het zonnestelsel ontstond, ontwikkelde zich snel een planetaire schijf. De materie begon samen te klonteren. Waterstof, het meest voorkomende element, blijft een gas, maar zuurstof- en siliciumatomen, met af en toe andere atomen zoals die van metalen, vormen al vlak na de supernova-explosie silicaten, hét bouwmateriaal voor rotsen en gesteente. Er ontwikkelden zich zo stofdeeltjes, omdat steeds maar nieuwe silicium- en zuurstofatomen zich aan het silicaatkristal gaan hechten. Zodra zich de dichte schijf vormt, botsen stofdeeltjes veel vaker met elkaar en met de gasmoleculen, waardoor ze groeien tot de grootte van stenen. Zodra de deeltjes enkele centimeters groot werden, beginnen zwaartekrachtseffecten een rol te spelen en slokken de grotere klompen de kleinere klompen op. Is hun grootte eenmaal genoeg om gassen vast te houden, dan gaat het pas echt snel. In feite verloopt dit proces vrij snel, laten computersimulaties zien. [1] Met andere woorden: de aarde ontstond binnen enkele tientallen miljoenen jaren nadat zich de protoplanetaire schijf vormde.

Hoe weten we dat dit tijdstip op precies 4,54 miljard jaar in het verleden  ligt?
Het belangrijkste hulpmiddel om dingen te dateren is de halfwaardetijd van radioactieve atomen. Elk radioactief atoom heeft een zogeheten halfwaardetijd. Dat is de tijd, waarin de kans precies 50% is dat het uit elkaar is gevallen. Kwantummechanisch gezien is het onmogelijk om te voorspellen wanneer precies een atoom spontaan uit elkaar valt. We kunnen alleen iets zeggen over de kans dat een atoom uit elkaar valt. Gelukkig voor deze metingen, zijn er heel erg veel atomen. Het tijdstip dat 50% van bijvoorbeeld een miljard atomen uit elkaar is gevallen, is wel nauwkeurig bekend, door de wet van de grote getallen.

Er bestaan atoomsoorten die een halfwaardetijd hebben van honderden miljoenen  jaren of meer. Bekende voorbeelden zijn uranium-235, uranium-238 en thorium-232 (het getal achter de elementnaam geeft het aantal deeltjes in de atoomkern aan). Radioactief verval komt maar op enkele, welbekende manieren voor. Zo kan een atoom een alfadeeltje uitstoten, een heliumkern dus: het atoomnummer daalt dan met twee en er zijn twee neutronen en twee protonen minder in de overblijvende kern. Ook bètaverval komt veel voor: een atoomkern stoot dan een elektron uit en stijgt daardoor één plaats in het periodiek systeem. Een bekende reeks van vervalreacties is die van uranium-238 in lood-206. In kristallen van een zuiver uraniumhoudend mineraal komt van nature geen lood voor, omdat lood zich chemisch heel anders gedraagt dan uranium. Hoe meer lood er in voorkomt, hoe ouder het mineraal dus moet zijn. De hoeveelheid lood in uraniumhoudende meteorieten ten opzichte van de hoeveelheid uranium is zo hoog, dat deze zijn gedateerd op rond de 4,54 miljard jaar oud. Meteorieten zijn gevormd in de protoplanetaire schijf. Daarom weten we dat deze schijf rond de 4,54 miljard jaar geleden bestond en dus dat de aarde iets jonger moet zijn dan deze datum. De alleroudste mineralen op aarde voor zover bekend, zirkoniumkristallen afkomstig uit de Jack Hills van Australië, en waar ook deze metingen zijn verricht, waren niet veel jonger, rond de 4,4 miljard jaar oud. Vandaar dat we met grote zekerheid kunnen zeggen dat de aarde tussen de 4,5 en 4,6 miljard jaar oud is.

Bronnen
1. Leonardo Testi et al., Dust Evolution in Protoplanetary Disks, ArXiv 2014.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

8 reacties

  1. Joost schreef:

    Heel eenvoudig: dat weten we niet.

  2. arnout schreef:

    Koolstofdatering wordt al lang gebruikt om de leeftijd van allerlei materialen en organismen vast te stellen. De methode staat echter ter discussie. Het verval (halfwaardetijd) blijkt namelijk geen constante te zijn. Het proces van verval van koolstof kan versnellen of vertragen onder invloed van de zon en is dus niet betrouwbaar om leeftijden te achterhalen!

  3. Nexus schreef:

    Men weet al lang dat koolstofdatering tot ongeveer 4000 jaar nauwkeurig is, daarna wordt het grof giswerk.

  4. Bas schreef:

    Precies, de exacte leeftijd van de aarde weet geen mens. Alle wetenschap over datgene wat niet geobserveerd kan worden (zoals het verleden van voor de menselijke beschaving) berust op aannames. Zonder die aannames is het onmogelijk om een theorie op te stellen. Dat is een basiswet in de wetenschap. Dus als het niet geobserveerd kan worden is het geen echte wetenschap. Zowel de oude als jonge aarde zijn beide aan te tonen aan de hand van theorieën gebaseerd op wetenschappelijke aannames. Het hangt dus vooral af vanuit welk wereldbeeld iemand kijkt. Helaas hebben Darwin en de naturalisten ervoor gezorgd dat we momenteel nog maar 1 wereldbeeld mogen toepassen in de mainstream wetenschap, namelijk naturalisme en uniformitarianisme. Maar die aannames hebben niets met de werkelijkheid te maken. In de echte wetenschap worden geen mogelijkheden uitgesloten waarvan niet hard bewezen kan worden dat ze niet mogelijk zijn. Anders is er sprake van religie boven wetenschap. Zoals tegenwoordig dus evolutie theorie boven wetenschap. Helaas trappen de meeste mensen er vol in.
    http://www.basfeijen.nl/evolution/ageoftheearth.htm

  5. David schreef:

    Zeventig jaar geleden ontdekte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble dat de sterrenstelsels in de kosmos van elkaar af bewegen. Hoe groter de onderlinge afstand, des te hoger de verwijderingssnelheid. Maar welke snelheid bij welke afstand hoort, wist Hubble niet.

    Afstand, leeftijd en uitdijingssnelheid hebben in de kosmologie alles met elkaar te maken. Door de uitdijing van het heelal bewegen ver verwijderde sterrenstelsels van ons af. Hoe groter de afstand, des te hoger is die vluchtsnelheid. Als je van een groot aantal stelsels de vluchtsnelheid en de afstand kent, kun je uitrekenen wanneer de oerknal plaatsvond. Anders gezegd: je kent de leeftijd van het heelal. De verhouding tussen vluchtsnelheid en afstand wordt de Hubbleconstante genoemd.

    Hubble slideshow
    De Hubble-ruimtetelescoop, vernoemd naar Edwin Hubble.
    NASA
    Roodverschuiving

    De verwijderingssnelheid van een sterrenstelsel laat zich vrij gemakkelijk meten: hoe sneller een stelsel van de aarde af beweegt, des te groter is de roodverschuiving die in het licht van dat stelsel wordt gemeten. Maar om te weten met welke afstand een bepaalde vluchtsnelheid overeenkomt, moeten ook de afstanden tot ver verwijderde sterrenstelsels nauwkeurig worden opgemeten en dat is veel moeilijker. Hiervoor maken sterrenkundigen gebruik van een methode die gebaseerd is op de helderheden van zogeheten cepheïden, een bepaald soort veranderlijke sterren in ons eigen Melkwegstelsel. Die helderheden moeten dan natuurlijk wel goed geijkt zijn.

    Scherpe blik

    De scherpe blik van de Hubble Space Telescope ziet cepheïden in ver verwijderde sterrenstelsels op tientallen miljoenen lichtjaren afstand. Door de helderheid van deze sterren op de Hubble-foto’s te vergelijken met die van ons eigen Melkwegstelsel kan dan vervolgens de afstand worden berekend. Op basis van gedetailleerde waarnemingen aan achttien ver verwijderde sterrenstelsels komen Wendy Freedman van het Carnegie-instituut in Washington en haar collega’s tot de conclusie dat de zogeheten Hubbleconstante zeventig kilometer per seconde per megaparsec bedraagt. In gewone mensentaal: een sterrenstelsel op een afstand van één megaparsec (3,3 miljoen lichtjaar) heeft een verwijderingssnelheid van zeventig kilometer per seconde; een stelsel op twee megaparsec afstand (6,6 miljoen lichtjaar) vliegt van ons weg met 140 kilometer per seconde.

    Leeftijd

    ‘Vroeger bedroeg de onzekerheid in de Hubbleconstante een factor twee’, aldus Robert Kirshner van de Harvard-universiteit. ‘Nu nog maar 10 procent. Het is alsof je eerst niet zeker wist of je één of twee voeten had en nu alleen nog twijfelt over één teen.’ Omdat de Hubble-constante een maat is voor de snelheid waarmee het heelal uitdijt, kan nu in principe ook de leeftijd van het heelal nauwkeurig worden berekend. Uit deze waarde voor de Hubbleconstante volgt een leeftijd voor het heelal van ongeveer 12 miljard jaar, aldus het team van Freedman.

    Duimstok

    Maar voor het gemak lieten ze daarbij de metingen van de Europese Hipparcos-satelliet buiten beschouwing. Terwijl Hipparcos juist de kosmische afstandsschaal nauwkeurig heeft geijkt. Hipparcos heeft voor het eerst nauwkeurig de afstand tot een aantal cepheïden van ons Melkwegstelsel bepaald. De ‘duimstok’ werd geijkt. Ze bleken tien procent verder weg te staan dan altijd werd aangenomen. Dat betekent dat verre sterrenstelsels ook tien procent verder weg staan. Een grotere afstand betekent een lagere Hubbleconstante en een hogere leeftijd voor het heelal. Men komt dan uit op een Hubbleconstante van ruim 60 en een leeftijd van zo’n 14 miljard jaar. Maar daarmee is de kous nog lang niet af. Waarnemingen aan supernova-explosies in verre sterrenstelsels doen vermoeden dat de uitdijing van het heelal tegenwoordig sneller verloopt dan vroeger en als dat zo is, moet de oerknal langer geleden hebben plaatsgevonden, misschien wel 16 miljard jaar. En dan is er nog de mysterieuze ster waarvan de leeftijd bepaald is op niet minder dan 17 miljard jaar. Die waarde is gebaseerd op metingen aan de hoeveelheid thorium in de ster – een radioactief element. Hoe minder thorium een ster bevat, des te ouder moet hij zijn. Eén ster van 17 miljard jaar oud is voldoende om aan te tonen dat het heelal minstens diezelfde leeftijd moet hebben. Aan de andere kant liggen al dit soort metingen aan de grens van wat technisch mogelijk is. Overal liggen systematische fouten op de loer. De onenigheid zal best nog een poosje blijven bestaan. Dat betekent dat de astronomen misschien iets nieuws op het spoor zijn.

    Zie ook: https://www.nemokennislink.nl/publicaties/hoe-oud-is-het-heelal

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger