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地球の年齢は45.4 ± 0.05 億年と推定されている。[注 1 ]この年齢は、冥王代初期の地球の集積と惑星分化の最終段階に相当する。[ 5 ]推定値は、隕石物質の放射年代測定[ 6 ]と、原始惑星系円盤における惑星形成の観測と一致する集積モデルに基づいている。隕石物質の年代は、既知の最古の地球物質[ 7 ]および月のサンプル[ 8 ]の年代に近似している。[ 9 ] [ 10 ]
20世紀初頭に放射年代測定法が開発されて以来、ウランを多く含む鉱物中の鉛の測定により、一部の鉱物が10億年以上前のものであることが示されました。[ 11 ]これまでに分析された最古の鉱物である西オーストラリアのジャックヒルズ産のジルコンの小さな結晶は、少なくとも44億400万年前のものです。[ 7 ] [ 12 ] [ 13 ]カルシウムとアルミニウムを多く含む包有物（CAI）は、太陽系内で形成された最も古い固体物質であり、45億6730万±1億6000万年前のもので、[ 14 ] [ 15 ]太陽系の年齢の下限を示しています。
地球の形成はCAIの形成後まもなく始まったと推測されている。この形成過程の期間はまだ十分に制約されておらず、さまざまなモデルによる予測は3000万年から1億年程度に及ぶため[ 5 ] [ 16 ] 、地球の年齢と最古の岩石の年齢の差を決定することは難しい。また、地表に露出している地球最古の岩石は、おそらく異なる年代の鉱物の集合体であるため、その正確な年代を決定することも難しい。
地層（岩石や土壌の層）の研究により、博物学者たちは地球がその存在期間中に多くの変化を経験してきた可能性があることを理解しました。これらの層には未知の生物の化石が含まれていることが多く、層ごとに生物の進化を解釈する人もいます。[ 17 ] [ 18 ]
17世紀のニコラス・ステノは、化石と地層の関連性を認識した最初の博物学者の1人でした。[ 18 ]彼の観察は、重要な地層学的概念（すなわち、「重層の法則」と「原初水平性の原理」）を定式化することにつながりました。[ 19 ] 1790年代、ウィリアム・スミスは、大きく異なる場所にある2つの岩層に類似した化石が含まれている場合、それらの層が同じ年代である可能性が非常に高いと仮説を立てました。[ 20 ]スミスの甥で弟子のジョン・フィリップスは、後にそのような方法で地球は約9600万年前であると計算しました。[ 21 ]
18 世紀半ば、博物学者のミハイル・ロモノーソフは、地球は宇宙の他のものとは別に、そして数十万年も前に創造されたと提唱した。ロモノーソフの考えはほとんどが推測に過ぎなかった。1779年、ビュフォン伯爵は実験を用いて地球の年齢の値を得ようと試みた。彼は地球の組成に似た小さな球体を作り、その冷却速度を測定した。これにより、地球の年齢は 74,832 年であると推定した。[ 22 ]さらに遡って 1687 年、数学者で物理学者のアイザック・ニュートンは、著書『プリンキピア』の中で、地球の年齢を実験によって計算した最初の人物となった。彼は、地球と同じ大きさの赤熱した鉄の球体を理論化し、地球が赤熱した状態から冷却される様子をモデル化することで、地球の年齢を計算した。最終的に、地球の年齢は約 50,000 年という結論に達した。この方法は、ケルビン卿が地球の年齢を計算しようとする際に採用した方法である。[ 23 ] [ 24 ]
他の博物学者たちは、これらの仮説を用いて地球の歴史を構築したが、地層が形成されるのにどれくらいの時間がかかるか分からなかったため、その年代は不正確だった。[ 19 ] 1830年、地質学者のチャールズ・ライエルは、ジェームズ・ハットンの著作に見られる考えを発展させ、地球の地形は絶えず変化し、侵食と再形成を繰り返しており、その変化の速度はほぼ一定であるという概念を広めた。これは、地球の歴史は断続的な大災害に支配されているという従来の見方に対する挑戦だった。多くの博物学者はライエルの影響を受け、変化は一定かつ均一であると信じる「斉一説論者」となった。
1862年、物理学者のウィリアム・トムソン（初代ケルビン男爵）は、地球の年齢を2000万年から4億年と推定する計算を発表した。[ 25 ] [ 26 ]彼は地球が完全に溶融した物体として形成されたと仮定し、地表付近の温度勾配が現在の値まで低下するのにかかる時間を決定した。彼の計算では、放射性崩壊（当時は未知のプロセス）によって生成される熱や、より重要な地球内部の対流は考慮されていなかった。対流によって上部マントルの温度ははるかに長く高いまま維持され、地殻の温度勾配もはるかに長く高いまま維持される。[ 25 ]さらに制約が大きかったのは、太陽の熱出力の推定と、太陽が重力崩壊からエネルギーを得ているという理論に基づいたトムソンの太陽の年齢の推定で、トムソンは太陽の年齢は約2000万年と推定した。[ 27 ] [ 28 ]
ライエルなどの地質学者は、地球の年齢がこれほど短いとは到底受け入れられなかった。生物学者にとっては、1億年というだけでも、到底あり得ないほど短すぎるように思えた。チャールズ・ダーウィンの進化論では、累積的な選択を伴うランダムな遺伝的変異の過程には長い時間が必要であり、ダーウィンはトムソンの推定では十分な時間が与えられていないようだと述べた。[ 29 ]現代生物学によれば、生命の始まりから今日までの進化の全歴史は、地質年代測定で示されるすべての生物の最後の普遍的祖先から経過した時間である35億年から38億年前に起こった。 [ 30 ]
1869年の講演で、ダーウィンの偉大な擁護者であるトーマス・ヘンリー・ハクスリーは、トムソンの計算を攻撃し、それらはそれ自体は正確に見えるが、誤った仮定に基づいていると示唆した。物理学者のヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（1856年）と天文学者のサイモン・ニューカム（1892年）は、それぞれ2200万年と1800万年という独自の計算をこの議論に提供した。彼らは、太陽が誕生したガスと塵の星雲から現在の直径と明るさに凝縮するのにかかる時間を独自に計算した。 [ 31 ]彼らの値はトムソンの計算と一致していた。しかし、彼らは太陽が重力収縮の熱によってのみ輝いていると仮定した。太陽の核融合のプロセスはまだ科学に知られていなかった。
1892年、トムソンは数々の科学的業績を称えられ、ケルビン卿として貴族に叙せられた。1895年、ジョン・ペリーは伝導率に関する仮定に基づいてケルビンの数値に異議を唱え、オリバー・ヘヴィサイドは「驚くべき複雑さの問題を解決する自身の演算子法の能力を示す手段」として議論に加わった。 [ 32 ]他の科学者たちはケルビンの数値を支持した。ダーウィンの息子で天文学者のジョージ・H・ダーウィンは、地球と月は初期の頃、両方とも溶融状態であったときに分裂したと提唱した。彼は潮汐摩擦によって地球が現在の24時間の1日となるのにかかる時間を計算した。彼の値である5600万年は、トムソンが正しい方向に向かっていたことを示す追加的な証拠となった。[ 31 ]ケルビンが1897年に出した最後の推定値は、「2000万年以上4000万年未満であり、おそらく4000万年よりも2000万年に近い」というものだった。[ 33 ] 1899年と1900年に、ジョン・ジョリーは侵食過程によって海に塩が蓄積される速度を計算し、海は約8000万年から1億年前のものであると判断した。[ 31 ]
岩石鉱物は化学的性質上、特定の元素を含み、他の元素は含まない。しかし、放射性同位体を含む岩石では、放射性崩壊の過程により、時間の経過とともにエキゾチックな元素が生成される。崩壊の安定な最終生成物の濃度を測定し、崩壊する元素の半減期と初期濃度に関する知識と組み合わせることで、岩石の年代を計算できる。[ 34 ]典型的な放射性最終生成物は、カリウム-40の崩壊によるアルゴン、およびウランとトリウムの崩壊による鉛である。[ 34 ]地球のマントルで起こるように岩石が溶融すると、このような非放射性最終生成物は通常、逃げ出すか、再分配される。[ 34 ]したがって、どの岩石も地球自体よりも長く無傷で存在していないと仮定すると、最も古い地球の岩石の年代は地球の年代の最小値を与える。
放射能の発見は、計算に新たな要素をもたらした。 1896年にアンリ・ベクレルが最初に発見した後、[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]マリーとピエール・キュリーは1898年に放射性元素ポロニウムとラジウムを発見した。 [ 39 ]そして1903年、ピエール・キュリーとアルベール・ラボルドは、ラジウムが1時間以内に自身の重量分の氷を溶かすのに十分な熱を発生すると発表した。[ 40 ]地質学者たちは、これが地球の年齢に関するほとんどの計算の前提を覆すものであることにすぐに気づいた。これらの計算では、地球と太陽の元の熱が宇宙に着実に散逸したと想定されていたが、放射性崩壊によってこの熱は継続的に補充されてきたことがわかった。ジョージ・ダーウィンとジョン・ジョリーは、1903年に最初にこれを指摘した。[ 41 ]
放射能は従来の計算を覆したが、放射年代測定という形で新たな計算の基礎を提供するという副次的な効果をもたらした。
アーネスト・ラザフォードとフレデリック・ソディは、放射性物質の研究を共同で続け、放射能は原子元素の自発的な核変換によって引き起こされるという結論に至った。放射性崩壊では、ある元素がより軽い別の元素に崩壊し、その過程でアルファ線、ベータ線、またはガンマ線を放出する。彼らはまた、放射性元素の特定の同位体が、それぞれ固有の速度で別の元素に崩壊することも明らかにした。この速度は「半減期」、つまり放射性物質の質量の半分が「崩壊生成物」に崩壊するのにかかる時間で表される。
放射性物質には半減期が短いものと長いものがある。ウランとトリウムは半減期が長いため地殻中に長く残るが、半減期の短い放射性元素は一般的に消滅している。このことから、地質試料中の放射性物質の相対的な割合を調べることで地球の年齢を測定できるのではないかという説が提唱された。実際には、放射性元素は必ずしも直接非放射性（「安定」）元素に崩壊するとは限らず、半減期を持つ別の放射性元素に崩壊し、安定元素に到達するまで崩壊が繰り返される。ウラン-ラジウム系列やトリウム系列といったこうした「崩壊系列」は、放射能の発見から数年以内に知られるようになり、放射年代測定法の基礎となった。
放射能の先駆者は化学者のバートラム・B・ボルトウッドと物理学者のラザフォードであった。ボルトウッドはコンサルタントとして放射性物質の研究を行っており、1904年にラザフォードがイェール大学で講演した際[ 42 ]、ボルトウッドはさまざまな崩壊系列の元素間の関係を説明することに触発された。1904年の後半、ラザフォードは放射性崩壊によって放出されるアルファ粒子がヘリウム原子として岩石物質に閉じ込められる可能性があることを示唆し、放射年代測定への第一歩を踏み出した。当時、ラザフォードはアルファ粒子とヘリウム原子の関係について推測していたに過ぎなかったが、4年後にその関連性を証明することになる。
ソディとウィリアム・ラムゼー卿は、ラジウムがアルファ粒子を生成する速度をちょうど解明したばかりで、ラザフォードは岩石試料中のヘリウム濃度を測定することでその年代を決定できると提唱した。彼はこの手法を用いて、自身が所有する岩石の年代を4000万年前と推定した。ラザフォードは1904年に王立研究所の会合で講演した際のことを次のように記している。
薄暗い部屋に入ると、すぐに聴衆の中にケルビン卿の姿を見つけ、地球の年齢に関するスピーチの最後の部分で、私の見解が彼の見解と食い違っていて困っていることに気づいた。幸いなことに、ケルビン卿はぐっすり眠ってしまったのだが、私が重要な点に差し掛かると、老人は起き上がり、片目を開け、私を睨みつけた！すると突然ひらめきが訪れ、私は言った。「ケルビン卿は、新たな放射性物質が発見されない限り、地球の年齢を限定していました。その予言的な言葉は、今夜私たちが検討しているラジウムのことを指しているのです！」すると老人は満面の笑みを浮かべた。[ 43 ]
ラザフォードは、ラムゼーとソディによって決定されたラジウムの崩壊速度が正確であり、ヘリウムが時間の経過とともに試料から漏れ出さないと仮定した。ラザフォードの計画は不正確であったが、有用な第一歩であった。ボルトウッドは崩壊系列の最終生成物に注目した。1905年、彼は鉛がラジウムの崩壊の最終的な安定生成物であると示唆した。ラジウムがウランの崩壊の中間生成物であることは既に知られていた。ラザフォードもこれに加わり、ラジウムがさまざまな中間生成物を経て5つのアルファ粒子を放出し、最終的に鉛になる崩壊過程を概説し、ラジウム-鉛崩壊系列が岩石試料の年代測定に利用できると推測した。ボルトウッドは実務を行い、1905年末までに9200万年から5億7000万年までの26の岩石試料の年代を算出した。彼はこれらの結果を公表しなかったが、これは幸運であった。なぜなら、これらの結果は測定誤差とラジウムの半減期の不正確な推定によって欠陥があったからである。ボルトウッドは研究を改良し、最終的に1907年にその結果を発表した。[ 11 ]
ボルトウッドの論文では、同種の地層から採取したサンプルは鉛とウランの比率が似ており、鉛がサンプルから溶出した証拠がある場合を除き、古い地層からのサンプルは鉛の割合が高いことが指摘された。彼の研究は、トリウムの崩壊系列が理解されていなかったため、ウランとトリウムの両方を含むサンプルで誤った結果が出たという点で欠陥があった。しかし、彼の計算は当時行われたどの計算よりもはるかに正確だった。この技術の改良により、後にボルトウッドの26個のサンプルの年代は4億1000万年から22億年と推定された。[ 11 ]
ボルトウッドは著名な地質学雑誌に論文を発表したが、地質学界は放射能にほとんど関心を示さなかった。[ 44 ]ボルトウッドは放射年代測定の研究を諦め、他の崩壊系列の研究に進んだ。ラザフォードは地球の年齢の問題に多少興味を持ち続けていたが、それについてはほとんど研究を行わなかった。
ロバート・ストラットは1910年までラザフォードのヘリウム法をいじくり回したが、その後研究を中止した。しかし、ストラットの教え子であるアーサー・ホームズは放射年代測定に興味を持ち、他の誰もが諦めた後も研究を続けた。ホームズはヘリウム法は有望ではないと考えていたため、鉛年代測定に焦点を当てた。彼は岩石サンプルの測定を行い、1911年に最も古いもの（セイロンのサンプル）は約16億年前のものであると結論付けた。[ 45 ]これらの計算は特に信頼できるものではなかった。例えば、彼はサンプルが形成されたときにはウランのみを含み、鉛は含まれていなかったと仮定した。
1913年には、より重要な研究が発表された。この研究は、元素は一般的に質量が異なる複数の変種、すなわち「同位体」として存在することを示した。1930年代には、同位体は「中性子」と呼ばれる中性粒子の数が異なる原子核を持つことが明らかになった。同年には、放射性崩壊の法則を確立し、崩壊系列をより正確に識別できるようになった別の研究も発表された。
多くの地質学者は、これらの新たな発見によって放射年代測定法が複雑になりすぎて役に立たなくなったと感じていた。ホームズは、これらの発見によって自身の技術を向上させるための手段が得られたと考え、第一次世界大戦の前後に論文を発表しながら研究を着実に進めた。彼の研究は1920年代まで概ね無視されていたが、1917年にイェール大学の地質学教授ジョセフ・バレルは、ホームズの放射年代測定の発見に合わせて、当時理解されていた地質史を書き換えた。バレルの研究によって、地層はすべて同じ速度で堆積したわけではないことが明らかになり、そのため現在の地質学的変化の速度では地球の歴史の正確な年表を作成することはできないと結論づけられた。
ホームズの粘り強さはついに1921年に実を結び始め、英国科学振興協会の年次総会の講演者たちは、地球の年齢は数十億年であり、放射年代測定は信頼できるという大まかな合意に達した。ホームズは1927年に『地球の年齢、地質学の考え方入門』を出版し、その中で16億年から30億年の範囲を示した。しかし、放射年代測定を受け入れる大きな動きは起こらず、地質学界の頑固な人々は頑として抵抗した。彼らは物理学者が自分たちの領域に侵入しようとする試みを気にしたことはなく、これまでうまく無視してきた。[ 46 ]証拠の重みが増すにつれて、ついに1931年に米国科学アカデミーの国立研究評議会が地球の年齢の問題を解決するために調査委員会を任命することを決定し、バランスが傾いた。
放射年代測定法の訓練を受けた数少ない人物の一人であるホームズは、委員会のメンバーであり、実際、最終報告書の大部分を執筆した。[ 47 ]そのため、ホームズの報告書は、放射年代測定法が地質年代を特定する唯一の信頼できる手段であると結論付けた。報告書の非常に詳細かつ厳密な記述により、偏りの疑問は払拭された。報告書は、使用された方法、測定が行われた際の注意深さ、誤差範囲、および限界について記述していた。
放射年代測定は、科学者が地質年代を測定する主要な方法であり続けています。放射年代測定法は1960年代以降、継続的に試験と改良が重ねられてきました。現在までに40種類ほどの異なる年代測定法が用いられ、多種多様な試料に適用されています。これらの異なる手法を用いて同一試料を測定したところ、得られた年代は試料の年代に関して非常に高い一致を示しました。汚染の可能性は確かに存在しますが、綿密な調査によって対処されており、試料調製手順を最小限に抑えることで汚染のリスクを低減しています。
クレア・キャメロン・パターソンは、キャニオン・ディアブロ隕石を含むいくつかの隕石に対してウラン・鉛同位体年代測定法（特に鉛-鉛年代測定法）を用いて、45億5000万±0.07億年という、今日受け入れられている年代に非常に近い年代を決定し、1956年に発表した。[ 48 ]引用されている地球の年代は、いくつかの重要な理由から、部分的にはキャニオン・ディアブロ隕石から導き出されたものであり、数十年にわたる研究によって築かれた現代の宇宙化学の理解に基づいている。
地球から採取された地質学的試料のほとんどは、太陽星雲から地球が形成された直接的な年代を示すことができない。なぜなら、地球は核、マントル、地殻に分化し、その後、プレートテクトニクス、風化、熱水循環によってこれらの試料貯蔵庫が長期間にわたって混合と分離を繰り返してきたからである。
これらのプロセスはすべて、同位体年代測定法に悪影響を及ぼす可能性があります。なぜなら、試料が常に閉鎖系として維持されているとは限らないからです。つまり、親核種、娘核種（原子に含まれる中性子と陽子の数によって特徴付けられる原子の種類）、あるいは中間娘核種が試料から部分的に除去されている可能性があり、その結果、得られる同位体年代が歪んでしまうのです。この影響を軽減するために、通常は同じ試料中の複数の鉱物の年代を測定して、等時線（アイソクロン）を求めます。あるいは、試料に対して複数の年代測定法を用いて年代を検証することもできます。
さらに、隕石の中には、集積する太陽円盤が形成された原始物質を表していると考えられるものもある。[ 49 ]太陽円盤と惑星が形成された直後、一部の隕石は（一部の同位体システムに関して）閉鎖系として振る舞った。現在までに、これらの仮説は多くの科学的観測と繰り返される同位体年代測定によって裏付けられており、地球の岩石が元の組成を保持していると仮定する仮説よりも確かに堅牢な仮説である。
それにもかかわらず、古代の始生代の鉛鉱石である方鉛鉱は、地球の形成年代測定に用いられてきた。これは、地球上で最も初期に形成された鉛のみの鉱物であり、地球上で最も初期の均質な鉛-鉛同位体システムを記録しているからである。これらの鉱石からは、誤差がわずか1%という精度で45億4000万年前という年代が得られた。[ 50 ]
等時線年代測定を受けたいくつかの隕石の統計は次のとおりです。[ 51 ]
キャニオン・ディアブロ隕石が使用されたのは、その大きさと、硫化物鉱物（特にトロイライト、FeS）、金属ニッケル・鉄合金、ケイ酸塩鉱物を含む、非常に珍しいタイプの隕石を代表するものであるという点が理由です。これら3つの鉱物相が存在することで、親核種と娘核種の濃度に大きな差がある試料を用いて同位体年代を調査できるため、これは重要です。特にウランと鉛において顕著です。鉛は強い親硫性を示し、ウランに比べてケイ酸塩よりも硫化物にずっと高い濃度で存在します。隕石形成時に親核種と娘核種がこのように分離したため、太陽円盤、ひいては惑星の形成年代をこれまで以上に正確に特定することが可能になりました。
キャニオン・ディアブロ隕石から決定された年代は、地球上のサンプルと他の隕石の両方から得られた数百の年代測定によって確認されている。[ 52 ]しかし、隕石サンプルは45億3000万年前から45億8000万年前まで幅がある。これは、太陽星雲の形成と、太陽と惑星を形成するために太陽円盤に崩壊するまでの期間と解釈されている。この5000万年の期間は、元の太陽の塵と隕石から惑星が集積することを可能にする。
月は、プレートテクトニクスを受けておらず、大気も持たない地球外天体であるため、アポロ計画で持ち帰られた試料から非常に正確な年代測定が可能となっている。月面から持ち帰られた岩石は、最大で45億1000万年前のものとされている。地球に落下した火星隕石も、鉛同位体年代測定法によって約45億年前のものとされている。月の試料は、風化作用、プレートテクトニクス、生物による物質の移動などの影響を受けていないため、宇宙線飛跡を電子顕微鏡で直接観察することによっても年代測定が可能である。高エネルギー宇宙線粒子の衝突によって生じる転位の蓄積は、同位体年代測定のもう一つの裏付けとなる。宇宙線年代測定法は、溶融していない物質にのみ有効である。溶融すると物質の結晶構造が失われ、粒子が残した飛跡も消えてしまうためである。
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