关于宇宙年代学介绍

[拼音]：yuzhou niandaixue

[外文]：cosmochromology

研究各重大宇宙事件计时的学科。其范围包括宇宙年龄、银河系年龄、元素年龄和太阳系年龄等。根据大尺度的观测事实，结合宇宙学基本理论以及各种计时方法，探索宇宙演化主要事件的时间序列及其相互关系。确定宇宙演化事件的年龄主要有 3种方法：宇宙膨胀速度计时法、球状星团计时法和核素年代学计时法。前两种方法仅用于宇宙年龄计时，最后一种方法可用于宇宙年龄计时、银河系计时、元素形成过程计时和太阳系的各种事件计时。核素年代学计时法的基本依据是放射性核素的衰变和自发裂变规律（见地球年龄）、核素起源理论(见元素起源)和相关的天体演化模型。1929年，卢瑟福(E.Rutherford)首先用Pb同位素法研究了地球岩石的年龄，50多年来，核素年代学计时法得到了迅速的发展，建立了各种精密的“核素对”计时法，成为各种宇宙事件和太阳系事件计时的最重要手段。

宇宙年龄

宇宙学家把宇宙的演化追溯到一个奇点，作为宇宙演化时间序列的开端。“大爆炸”宇宙学认为，我们的宇宙是从一次巨大的原始火球爆炸开始的，宇宙年龄是从“大爆炸”至今的时间间隔。测定宇宙年龄的方法主要有以下3种：

宇宙膨胀使各星系彼此迅速离开，星系的退行速度v正比于它们之间的距离d，即v=Hd，式中 H为哈勃常数。哈勃常数的倒数即宇宙年龄。由于哈勃常数的不确定性，获得的宇宙年龄约为100～200亿年。

球状星团是星系初具雏形时最早凝聚形成的一批天体，是银河系的最老天体，因此它们可以反映星系，乃至宇宙早期演化的历史。由于球状星团中的恒星大致是在相同的时间形成，如果知道球状星团恒星的质量、发光度、成分及其表面温度，便可根据恒星亮度和温度关系的恒星演化赫罗图来确定星团的年龄，由此获得宇宙年龄的下限值为100～160亿年。

最适合作为测定宇宙年龄的核素是银河系中早期超新星r过程形成的、半衰期约109～1010年的长寿命放射性核素。这些核素的年龄值可近似地作为宇宙年龄的下限值。目前常用的计时“核素对”有：235U-238U、 232Th-238U和187Re-187Os等。根据这些核素现在的丰度比，和元素合成理论所预期的形成时的产率比，可求出银河系早期超新星事件的年龄，即银河系年龄或宇宙年龄的下限值。 3个核素对计时给出的银河系年龄范围是110～180亿年。若采用宇宙大爆炸开始至银河系形成的时间间隔为20亿年，由此得到宇宙年龄上限为200亿年。

银河系年龄

银河系形成至现在的时间间隔。根据银河系的演化模式、球状星团计时法、银河系早期超新星事件的年龄以及235U-238U、 232Th-238U和187Re-187Os核素对计时法获得的银河系年龄约为100～150亿年。

元素年龄

太阳系重元素(即s和r过程合成的核素)形成距今的时间间距。元素年龄通常用r过程合成的“核素对” 来计时，如：232Th-238U、235U-238U、187Re-187Os、244Pu-232Th和129I-127I等。元素的平均年龄为 62～77亿年。

太阳系年龄

太阳星云聚集，并通过加热变质、结晶分异、岩石固化过程固结为各自封闭的太阳系固态天体至今的时间。又称太阳系形成年龄或太阳系固态天体的凝固年龄。可用U－Th－Pb、87Rb－87Sr、147Sm-143Nd和187Re-187Os核素对法测定各天体样品的凝固年龄。用上述方法获得的各类型陨石形成年龄的上限为46亿年，平均值为45.7±0.3亿年。用 Pb同位素演化的两阶段模式求得地球的形成年龄为 45.7亿年。古老月岩的87Rb-87Sr、147Sm-143Nd内部等时线推算的月球形成年龄为 45～46亿年。表明太阳系各固态天体大致是在45～46亿年前形成的。太阳系的形成年龄一般取为45.7±0.3亿年。

原太阳星云由银河星际云中分出至太阳系形成之间的时间，一般用半衰期 t1/2约为106～108年的核素测定这个间隔年龄。常用的核素对有：129I（t1/2＝ 1.7×107年）-129Xe，244Pu（t1/2＝8.2×107年）-131-136Xe。这种计时法通过测量早期太阳系中129I衰变遗留的产物129Xe，和244Pu自发裂变的遗留产物131Xe、132Xe、134Xe和136Xe而实现的。得到的太阳系形成间隔年龄约为1.50×108年。

常用以 L型球粒陨石比乌尔伯莱的形成间隔年龄作为时间零点，其他天体的形成间隔年龄与这个标准相比较求得太阳系各天体形成时间的间隔，即各天体形成的顺序。I-Pu-Xe法可测得相对时间差约为100万年。测定结果表明:碳质球粒陨石同高度分异的铁陨石之间形成年龄相差约2000万年。由地球大气Xe和天然气井Xe的同位素分析结果推断，地球相对于比乌尔伯莱陨石形成的时间间距约为1亿年;依据月球角砾岩的Xe同位素分析，求得月球相对于比乌尔伯莱陨石形成的时间间隔约为1.4亿年。

太阳系各天体形成时间的间隔也可采用初始Sr同位素比值法测定。天体的初始87Sr/86Sr比值，可通过测定Rb含量极贫样品的Sr同位素组成，或由该天体的Rb-Sr等时线（87Sr/86Sr-87Rb/86Sr关系曲线）在纵坐标上的截距值求得。方法的基本原理是：伴随太阳星云凝聚，由于Rb的分馏和87Rb的衰变，引起星云中87Sr和87Sr/86Sr比值随时间增加而增大，结果导致后凝聚天体的初始87Sr/86Sr比值大于先凝聚天体的比值，据此可用各天体的初始87Sr/86Sr比值来确定它们的凝聚顺序和相对凝聚时间。确定各天体的相对凝聚年龄时，通常用玄武质无球粒陨石的平均最佳初始87Sr/86Sr=0.698990值作为参考零点，这个比值简称BABI值（为Basaltic achondrites best ini-tial的缩写）。测定结果表明各类陨石、月球和地球的相对凝聚年龄约有1.2亿年的差别。

参考书目

1. J.Audouze and S. Vauclair， An Introduction tonuclear Astrophysics，D.Reidel Publ. Co.，London， 1980.