Làm thế nào chúng ta tính được Trái Đất 4,5 tỷ năm tuổi

Trái Đất nhìn từ vũ trụ. Ảnh: NASA.

Các nhà khoa học ước tính Trái Đất khoảng 4,5 tỷ năm tuổi. Theo National Geographic, cách tính tuổi của Trái Đất khá phức tạp, từ áp dụng công thức tính toán đến phân tích các nguyên tố tạo nên hành tinh.

Tuổi của Trái Đất đã được tính toán từ thế kỷ XIX, song kết quả không chính xác. Năm 1862, Lord Kelvin, nhà vật lý và toán học người Ireland ước tính Trái Đất từ 20-400 triệu năm tuổi. Con số 400 triệu năm được xem là quá trẻ so với phần còn lại của vũ trụ, bên cạnh phạm vi ước tính khá lớn.

Cách tính của Kelvin dựa trên thời gian nguội đi của Trái Đất nếu hành tinh hình thành dưới dạng khối nóng chảy. Dù số tuổi sai lệch đáng kể, phương pháp kết luận dựa trên quan sát và tính toán của Kelvin được nhiều nhà khoa học áp dụng.

Sau đó, các kỹ thuật tính toán niên đại tương đối được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất. Một trong số đó gồm địa tầng học, phân tích các lớp đá và trầm tích để xác định niên đại của tầng đá. Kỹ thuật này có thể phân tích lớp đá nào cũ hơn, hoặc sự kiện nào xảy ra trước, trong trường hợp các lớp trầm tích xếp theo thứ tự.

Dù không thể đưa ra chính xác tuổi của tầng đá, kỹ thuật này đã giúp các nhà khoa học ước tính Trái Đất đã trải qua hàng tỷ năm tuổi, không phải vài triệu năm như những tính toán trước.

Khi ngành hóa học, địa chất và vật lý học tiến bộ, các nhà khoa học tìm ra cách định tuổi tuyệt đối (số tuổi cụ thể) của một mẫu đá hay khoáng vật. Phương pháp này gọi là xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ, liên quan đến sự phân rã hoặc phân hủy của một nguyên tố phóng xạ.

Phương pháp này đòi hỏi kiến thức về đồng vị. Chúng là các biến thể của một nguyên tố hóa học, được phân biệt bởi số neutron trong hạt nhân. Những đồng vị của nguyên tố phóng xạ không bền (đồng vị mẹ) sẽ phân rã thành các nguyên tố bền hơn (đồng vị con), theo cách có thể dự đoán và trong khoảng thời gian chính xác, gọi là chu kỳ bán rã.

Chu kỳ bán rã là thời gian để số lượng hạt nhân của một nguyên tố phóng xạ còn 50%. Tuổi của mẫu vật có thể xác định dựa trên tỷ lệ đồng vị mẹ và con.

Máy khối phổ ion hóa bề mặt, thiết bị giúp xác định tuổi của mẫu vật dựa trên chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ. Ảnh: Radiogenic.

Vấn đề khi áp dụng đồng vị phóng xạ để xác định niên đại các khoáng chất trên Trái Đất nằm ở chu kỳ thạch học. Trong chu kỳ này, đá liên tục biến đổi giữa các dạng theo vòng tuần hoàn, ví dụ từ magma đến biến chất kết tinh, sang trầm tích, thành nhiều dạng khác rồi trở lại magma.

Một số tảng đá cũ thậm chí có thể bị phá hủy khi chúng trượt xuống lớp phủ Trái Đất, dung nham đông đặc lại hình thành những tảng đá mới. Điều đó khiến việc xác định tuổi của Trái Đất khó khăn hơn, bởi các tảng đá được hình thành trong giai đoạn đầu của hành tinh không còn tồn tại.

Những tảng đá cổ nhất được tìm thấy có niên đại 3,8 tỷ năm, trong khi một số khoáng vật nhỏ hơn có niên đại 4,2 tỷ năm.

Để giải quyết khó khăn gây ra bởi chu kỳ thạch học, các nhà khoa học đã tìm kiếm mẫu đá tại các khu vực khác trong Hệ Mặt Trời. Những thiên thạch trong không gian và đá trên Mặt Trăng đều không bị ảnh hưởng bởi chu kỳ.

Áp dụng kỹ thuật xác định niên đại bằng phóng xạ và dữ liệu nghiên cứu, các nhà khoa học ước tính Trái Đất khoảng 4,5 tỷ năm tuổi.

Phúc Thịnh