如果你想搞清楚一个家族存在了多少年，可以分三步来进行。第一步，找到这个家族中最年长的成员；第二步，确定这位成员的生辰；第三步，嗯……检查前两步是否做对了。如果这三步都确认无误了，那么这位成员的生辰应该就最接近这个家族的诞生日了。
其实想要搞清太阳系的年龄也是同理：首先要找出太阳系这个包罗众多天体的大家族中最年长的天体，或者最年长的一块物质，然后想办法得出它的年龄。这件事说起来容易，做起来却并不简单。不仅如此，这个过程还牵出了一个关于环境保护的故事！
（图源：p. carril / esa）
撰文 | 张晓佳
编辑 | 韩越扬
想知道谁是太阳系中最古老的天体，首先要搞清楚太阳系是怎么形成的，才能知道先有的谁后有的谁，天文学家可是花了相当长的时间才弄明白这个过程。
目前的太阳系形成理论认为，在距今约46亿年（严格地说是45.67或者45.68亿，接下来的内容都是围绕这个数字是怎么得来的）前，一团致密分子云的核心区坍塌形成了原恒星，也就是早期的太阳。那时候太阳周围还没有现在的行星，但有一个围绕它旋转的扁平吸积盘，也叫原行星盘。原行星盘中包含大量气体和少量尘埃，这些尘埃从几微米的微粒逐渐凝聚成几百米到几千米大小的星子（planetesimals），而后这些星子再进一步聚合成岩质行星。
（图源：bill saxton, nsf/aui/nrao）
气体盘消散后，岩质行星还会经历一系列演化，最终成为今天我们看到的，包括地球在内的若干行星。这样看来，最早在盘中形成的那些星子称得上是地球的“长辈们”了。实际上和之后漫长的几十亿年相比，气体盘那几百万年的寿命也就显得十分短暂了。这也从侧面说明，如果能搞清楚地球的年龄，太阳系的年龄也就不远了。
地球的年龄——铀铅测年法
从很久以前人类就开始关注地球年龄这个话题了，这个故事说起来还挺长的，出场人物甚至还包括大家熟知的开尔文勋爵，当时他根据地球的冷却速度推断出地球年龄在2000万年～4亿年之间[1]，这个数字在今天看来实在是错的离谱。但这也不能怪他，因为当时大家还不知道什么是放射性元素，也不知道地球的内部结构是分层的。
之后，居里夫妇提炼出了放射性元素，并发现放射过程会释放热量。再然后，开尔文晚年最得意的弟子——也就是原子核物理之父——欧内斯特·卢瑟福指出应该考虑地球内部放射性元素产生的热量对冷却速度的影响。这不仅推翻了开尔文对地球年龄的估计，还为后人提供一个新的思路：利用放射性元素的衰变来推测地球年龄，于是铀元素登场了。
说到铀，很多人第一个联想到的大概就是原子弹了，因为这种核裂变武器的技术难点就在于如何把铀235从铀238中分离出来。而化学家哈里森·布朗（harrison brown）则是对如何利用铀同位素的超长半衰期来测定地质年龄很感兴趣。不过最早用这个方法测出地球的年龄并一举成名，却是哈里森·布朗门下的研究生，美国地球化学家克莱尔·帕特森[2]。帕特森生于1922年，自小就对化学很感兴趣，在二次大战期间也曾参与过曼哈顿计划。战后他决定去芝加哥大学攻读化学博士，他的导师布朗教授已经对如何测量地球年龄有初步的想法，但缺少一个懂光谱学的人来做实验，曾经在硕士期间专攻光谱学的帕特森便成了不二人选，
1957年帕特森在加州理工的实验室。（图源：caltech e&s magazine）
铀铅测年法的原理说起来也并不复杂。因为铀235和铀238会按照各自的速率衰变为铅207和铅206，如果能精确测出一块石头中含有多少的铀和铅，并且有办法知道这些铅当中有多少是铀衰变而来的，衰变的速率是多少，理论上就能算出这块石头形成于多少年前。
通常所说的铀铅测年法会同时考虑这两条铀的衰变链，即同时考虑半衰期为44.7亿年的铀238衰变为铅206和半衰期为7.04亿年的铀235衰变为铅207的过程，根据每种衰变链中铅和铀的比值用等时线测年法来估算样本的年龄。或者，也可以只关注两条衰变链中铅的比值来估算年龄，也就是帕特森用的铅铅测年法（lead-lead-date），这种方法有它独特的优势，我们之后再来讨论。
铀铅法的难点在于拿到一块样本后如何确定它当中有多少铅是从铀衰变而来的。为此我们需要回答这样几个问题：这个样本在形成初期含有多少铅？之后有没有受到外界铅的污染？衰变产生的铅有没有流失掉？
想要回答第一个问题就很困难，但有一个方法可以规避这个问题，就是找到某种在形成初期几乎不含铅的样本。这时候就轮到锆石（zrsio4）出场了。锆石是一种非常坚硬耐风化的矿物质，在热或压力下也不容易变质。它的晶体结构不排斥铀却容不下铅，因此基本上可以认为锆石中的铅都是通过衰变而产生的，如今它依然是地质学家们定年常用的样本[3]。
在西澳大利亚的一块石头中提取的微型锆石晶体已经经历了44亿年的岁月，是地壳最古老的部分之一。（photo courtesy of john valley/ news.wisc.edu）
锆石听起来是很不错，可是即便我们能精确测出一块锆石的年龄，如果它和地球不是在同一时间形成的，而是在那之后的某个时间形成的，那它依然不能代表地球的年龄。所以我们需要找到一块足够古老的石头来确定地球的年龄。
太阳系的时间胶囊——陨石
陨石就好比当初没能形成行星而剩下来的“砖块”。它们经历了太阳系形成早期的环境，但又不像地球上的物质那样经历了猛烈撞击产生的熔融过程以及复杂的地质变迁和化学分离过程，在某种程度上保留了太阳系初期的化学组成。人类已经在地球上发现了数万颗陨石，研究它们有助于我们一窥太阳系形成之初的样貌。
根据化学组成和形态，陨石可以大致分为石陨石，石铁陨石和铁陨石。铁陨石的特性和锆石相反，它的铅含量很高而铀含量极低，换句话说，它当中的铀衰变成的铅含量极低可以忽略不计。也就是说，这种铁陨石中的铅的同位素十分接近我们想要知道的初始值。
1953年，克莱尔·帕特森拿到了代亚布罗峡谷（canyon diablo）陨石[4]的样本，并测出其中的238u/204pb比值仅为0.025，说明这块陨石的铀含量极少，铀元素的衰变并不会对原始铅同位素的比值产生很大影响。帕特森将这个比值作为该陨石的初始铅同位素比值，并假设地球和陨石的铅同位素比值具有同样的演化轨迹，据此得出了一个在今天看来依然很不错的地球年龄：41～46亿。
代亚布罗峡谷陨石的碎片（图源：geoffrey notkin）
但是帕特森是个精益求精的人，他觉得这个结果还是不够准确，于是他又测定了含有大量的铀和少量铅的石陨石中的铅同位素比值，最终结合若干样本的数值利用等时线法得到了一个更为精确的地球年龄为45.5（± 0.7）亿年[5]。
参考资料[5]中帕特森画出的等时线图
现在距离找出太阳系的年龄还差一小步，就是如何找到那些比地球更加古老的在吸积盘还未消散时就已经形成了的物质。
科学家们还真就找到了这种东西，它们就是包裹在碳质球粒陨石（石陨石的一种）中的太阳系最古老的一类物质，一种称作钙铝包裹体（calcium–aluminium-rich inclusions，简称cal ）的结晶。认为它们比地球更加古老原因在于这些包裹体中存在高温难熔元素，这表明它们形成于早期原行星盘的高温环境中。原气体盘初期温度很高，之后逐渐冷却，随着温度降低，一些元素开始从气态转为固态，包括刚玉、钙钛矿、黄长石、尖晶石等，这些正好也是钙铝包裹体的主要组成[6]，这也是它们代表来自太阳系形成早期某一高温区域的证据之一。因此这类陨石的年龄更接近我们想要的答案。另一方面，在钙铝包裹体中看到了一些半衰期很短的物质成分（比如铝26的半衰期只有0.7个百万年），这就如同看到了琥珀中包裹的远古时代短命的昆虫一样，意味着它们与球粒陨石形成的时间间隔不会很长，否则按照同位素衰变的速率，它们早已消耗殆尽了。因此这些物质就像高精度的计时器，可以帮助我们把太阳系的年龄再往前推一点点。通过在非洲西北部找到的cv3碳质球粒陨石（nwa2364）测量得到的最老的年龄为4568.22±0.17百万年[7]。
nau nwa-2364碳质球粒陨石的切割面图像，其中包含富含钙铝的包裹体（cai）等材料，asu小组从中提取了最古老的同位素年龄（14毫米大小）的灰色物体（箭头所指）（图源：cefns.nau.edu）
借助同位素衰变理论，质谱仪还有陨石，科学家们经过漫长的努力，逐步揭开太阳系形成的历史，虽然在很多细节上依然存在争议，但在量级上我们已经有了基本的答案，太阳系经历了40多亿年的时间才变成今天这个样子（地球最早的生命40-38亿年前形成，比起来其实没差多少，并不短暂），在经过如此漫长的行星搭建，环境孕育之后终于出现的智慧生命和人类文明，实在值得好好珍惜。而帕特森也确实这样做了，他的贡献不仅在于测出了地球年龄，还有后来的反对铅污染，为保护人类健康做出的贡献。
帕特森在发表了那篇关于地球年龄的里程碑式的文章之后，却突然转向去研究铅在自然界中的分布[8]。他测量了大洋的海水，海底的沉积物，南极的冰芯，甚至还有埃及的木乃伊中的铅含量，得到的数值高得离谱。这些铅来自于汽油里广泛添加的抗爆剂四乙基铅，它们随着尾气排放进入到大气里，影响到人类生活的方方面面。当时人体里的铅含量高出古人数百倍到千倍，已经超过安全剂量，为了人类的健康，帕特森和整个石油工业界展开了一场旷日持久的斗争，并最终获得了胜利。在那之后，含铅汽油被明文禁止。
张晓佳，现香港大学地球科学系博士后。2006年毕业于北京大学，2013年于北京大学获得天体物理学博士学位。研究领域是行星科学，主要研究方向为早期行星形成与轨道演化的数值模拟。
往期回顾
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
参考资料
[1] https://www.jianshu.com/p/173a22886c52
[2] http://www.iptv.org/iowapathways/mypath/clair-patterson—20th-century-geologist
[3] https://scienceaid.net/zircon_dating
[4] roddy, d. j.; and e. m. shoemaker. meteor crater (barringer meteorite crater), arizona: summary of impact conditions. meteoritics. 1995, 30 (5): 567
[5] patterson, c.c. (1956). age of meteorites and the earth. geochim. cosmochim. acta 10, 230-7
[6] http://blog.sina.com.cn/s/blog_8232ed670102uzkv.html
[7] bouvier, audrey; wadhwa, meenakshi (2010). "the age of the solar system redefined by the oldest pb–pb age of a meteoritic inclusion". nature geoscience. 3 (9): 637–641.
[8] 地球的年龄是怎么得出的？haox，https://daily.zhihu.com/story/9532151
