Khám phá hoa học: Trái đất bao nhiêu tuổi?

Hành tinh Trái đất không có giấy khai sinh để ghi lại sự hình thành của nó, điều đó có nghĩa là các nhà khoa học đã mất hàng trăm năm đấu tranh để xác định tuổi của hành tinh này. Vậy, Trái đất bao nhiêu tuổi?

Bằng cách xác định niên đại của các loại đá trong lớp vỏ luôn thay đổi của Trái đất, cũng như các loại đá ở các khu vực láng giềng của Trái đất, chẳng hạn như mặt trăng và các thiên thạch ghé thăm, các nhà khoa học đã tính toán rằng Trái đất 4,54 tỷ năm tuổi, với phạm vi sai số là 50 triệu năm.

Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nỗ lực để xác định niên đại của hành tinh này trong hơn 400 năm qua. Họ đã cố gắng dự đoán tuổi dựa trên sự thay đổi mực nước biển, thời gian để Trái đất hoặc mặt trời nguội đi, đến nhiệt độ hiện tại và độ mặn của đại dương. Khi công nghệ ngày càng phát triển, những phương pháp này tỏ ra không đáng tin cậy; chẳng hạn, sự dâng lên và hạ xuống của đại dương được chứng minh là một quá trình luôn thay đổi chứ không phải là một quá trình suy giảm dần dần để dựa vào đó mà căn cứ.

Và trong một nỗ lực khác để tính toán tuổi của Trái Đất, các nhà khoa học đã chuyển sang các loại đá bao phủ bề mặt của nó. Tuy nhiên, do quá trình kiến tạo mảng liên tục thay đổi và cải tạo lớp vỏ, nên những tảng đá đầu tiên từ lâu đã được tái chế, nấu chảy và tái tạo thành các mỏm đá mới, nên việc lấy nó làm cơ sở cũng rất là xa vời.

Vào đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã cải tiến quá trình xác định niên đại bằng phương pháp đo phóng xạ. Nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng các đồng vị của một số nguyên tố phóng xạ phân rã thành các nguyên tố khác với tốc độ có thể dự đoán được. Bằng cách kiểm tra các nguyên tố hiện có, các nhà khoa học có thể tính toán số lượng ban đầu của một nguyên tố phóng xạ và do đó mất bao lâu để các nguyên tố phân rã, cho phép họ xác định tuổi của đá.

Những tảng đá lâu đời nhất trên Trái đất được tìm thấy cho đến nay là Acasta Gneiss ở tây bắc Canada gần Hồ Great Slave, có tuổi đời 4,03 tỷ năm. Nhưng những tảng đá hơn 3,5 tỷ năm tuổi có thể được tìm thấy trên tất cả các châu lục. Greenland tự hào có đá siêu vỏ Isua (3,7 đến 3,8 tỷ năm tuổi), trong khi đá ở Swaziland là 3,4 tỷ đến 3,5 tỷ năm. Các mẫu ở Tây Úc có tuổi đời từ 3,4 tỷ đến 3,6 tỷ năm.

Các nhóm nghiên cứu ở Úc đã tìm thấy những hạt khoáng lâu đời nhất trên Trái đất. Những tinh thể silicat zirconium nhỏ bé này có tuổi đời lên tới 4,3 tỷ năm, khiến chúng trở thành vật liệu trên mặt đất lâu đời nhất được tìm thấy trên Trái đất cho đến nay. Đá nguồn của tinh thể silicat zirconium này vẫn chưa được tìm thấy. Trong khi đó, các nhà khoa học cũng đã tìm thấy bụi sao 7 tỷ năm tuổi trên Trái đất.

Đá cổ và vật liệu tinh thể silicat zirconium đặt giới hạn cho tuổi của Trái đất là 4,3 tỷ năm, bởi vì bản thân hành tinh này phải già hơn bất kỳ thứ gì nằm trên bề mặt của nó.

Khi sự sống phát sinh vẫn còn đang được tranh luận, đặc biệt là vì một số hóa thạch ban đầu có thể xuất hiện dưới dạng đá tự nhiên. Một số dạng sống sớm nhất khác đã được tìm thấy ở Tây Úc, như đã công bố trong một nghiên cứu năm 2018; các nhà nghiên cứu đã tìm thấy các sợi nhỏ trong đá 3,4 tỷ năm tuổi có thể là hóa thạch. Các nghiên cứu khác cho rằng sự sống bắt nguồn thậm chí còn sớm hơn. Các ống hematit trong đá núi lửa ở Quebec có thể chứa vi khuẩn từ 3,77 đến 4,29 tỷ năm trước. Các nhà nghiên cứu khi quan sát đá ở tây nam Greenland cũng thấy các cấu trúc hình nón có thể đã bao quanh các quần thể vi sinh vật cách đây khoảng 3,7 tỷ năm.

Trong nỗ lực tinh chỉnh thêm tuổi của Trái đất, các nhà khoa học bắt đầu hướng ngoại. Vật chất hình thành hệ mặt trời là đám mây bụi và khí bao quanh mặt trời non trẻ. Các tương tác hấp dẫn đã kết hợp vật chất này thành các hành tinh và mặt trăng gần như cùng một lúc. Bằng cách nghiên cứu các thiên thể khác trong hệ mặt trời, các nhà khoa học có thể tìm hiểu thêm về lịch sử ban đầu của Trái Đất.

Vật thể gần Trái đất nhất, mặt trăng, không trải qua các quá trình tái tạo bề mặt xảy ra trên toàn cảnh Trái đất. Như vậy, những tảng đá từ thời kỳ đầu của lịch sử mặt trăng vẫn còn nằm trên bề mặt của mặt trăng. Các mẫu được trả về từ các sứ mệnh Apollo và Luna cho thấy độ tuổi từ 4,4 tỷ đến 4,5 tỷ năm, cũng là căn cứ quan trọng giúp tìm ra tuổi của Trái đất. Nhưng làm thế nào mặt trăng hình thành là một vấn đề tranh luận; trong khi giả thuyết thống trị cho rằng một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa đã đâm vào Trái đất và các mảnh vỡ cuối cùng kết lại với nhau thành mặt trăng, thì các giả thuyết khác cho rằng mặt trăng hình thành trước Trái đất.

Ngoài các vật thể lớn trong hệ mặt trời, các nhà khoa học đã nghiên cứu những khối đá đá nhỏ hơn đã rơi xuống Trái đất. Thiên thạch hình thành từ nhiều nguồn khác nhau. Một số bị văng ra khỏi các hành tinh khác sau những vụ va chạm dữ dội, trong khi một số khác là những mảnh còn sót lại từ hệ mặt trời sơ khai chưa bao giờ phát triển đủ lớn để tạo thành một vật thể gắn kết.

Các mẫu tồn tại ở dạng thiên thạch rơi xuống Trái đất từ lâu, cho phép các nhà khoa học đưa ra ước tính về  tuổi của đá trên Hành tinh Đỏ. Một số mẫu này có niên đại 4,5 tỷ năm tuổi, hỗ trợ cho các tính toán khác về ngày hình thành hành tinh sơ khai. Hơn 70 thiên thạch rơi xuống Trái đất đã được tính tuổi bằng phương pháp xác định niên đại bằng phương pháp đo phóng xạ. Lâu đời nhất trong số này là từ 4,4 tỷ đến 4,5 tỷ năm tuổi.

Năm mươi nghìn năm trước, một tảng đá rơi xuống từ không gian để tạo thành Miệng núi lửa ở Arizona. Các mảnh của tiểu hành tinh đó đã được thu thập từ vành miệng núi lửa và được đặt tên là Canyon Diablo. Thiên thạch Canyon Diablo rất quan trọng vì nó đại diện cho một loại thiên thạch với các thành phần cho phép xác định niên đại chính xác hơn.

Năm 1953, Clair Cameron Patterson, một nhà địa hóa học nổi tiếng tại Viện Công nghệ California, đã đo tỷ lệ đồng vị chì trong các mẫu thiên thạch để xác định tuổi Trái đất. Các mẫu thiên thạch cho thấy khoảng cách từ 4,53 tỷ đến 4,58 tỷ năm. Các nhà khoa học giải thích phạm vi này là thời gian cần thiết để Trái Đất ra đời và phát triển.

Bằng cách sử dụng không chỉ các loại đá trên Trái đất mà còn cả thông tin thu thập được về hệ thống bao quanh nó, các nhà khoa học đã có thể đặt tuổi của Trái đất vào khoảng 4,54 tỷ năm. Để so sánh, thiên hà Milky Way chứa hệ mặt trời có niên đại xấp xỉ 13,2 tỷ năm, trong khi bản thân vũ trụ tổng thể đã có niên đại 13,8 tỷ năm.