Hai loại “đồng hồ” đặc biệt này chính là hai nguyên tố hoá học Samarium (ký hiệu là Sm) và Uranium (U) tồn tại ngay trong các mẫu đá cổ.

Độ chính xác của những chiếc “đồng hồ tự nhiên” đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc dựng lại chính xác lịch sử hình thành và tiến hoá của vũ trụ, cụ thể là hệ mặt trời và quả đất chúng ta.

Chẳng hạn, "nếu có một sự kiện quan trọng trong lịch sử của trái đất, ví dụ như sự tuyệt chủng của một loài hoặc biến đổi khí hậu, hoặc do tác động của thiên thạch, người ta cần biết các tuổi tuyệt đối của sự kiện với độ tin cậy cao nhất", ông Joe Hiess (Hội địa chất Anh) người chủ trì một trong các nghiên cứu nói. Tuổi tương đối cũng cần thiết, vì: "trong Khoa học Trái Đất cũng cần phải xác định các sự kiện nào xảy ra trước, sự kiện gì xảy ra sau".

Tuy nhiên, theo Tạp chí Newscientist, các kết quả nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng hai loại “đồng hồ tự nhiên” tốt nhất của các hệ mặt trời cũng đã bộc lộ các sai lệch nhất định.

Zircon giúp nhìn về quá khứ (Ảnh: Science/AAAS)

Đó là, một đồng vị phóng xạ của nguyên tố Samarium phân rã nhanh hơn nhiều hơn so với các nghiên cứu trước đây, và các đồng vị khác nhau của Uranium không phải lúc nào cũng xuất hiện theo tỉ lệ giống nhau trong các loại đá trên trái đất. Do vậy, tuổi của các đá cổ nhất được xác định sai lệch đến hàng triệu năm.

"Đồng hồ“ Samarium

Các nhà địa hóa định tuổi của đá cổ bằng cách đo tỉ lệ của các đồng vị phóng xạ của cùng một nguyên tố trong mẫu đá. Vì tốc độ phân rã (hay chu kỳ bán rã - khoảng thời gian lượng đồng vị phóng xạ giảm ½) của các đồng vị phóng xạ này là không đổi, nên có thể định tuổi của đá nếu biết tỉ lệ của các đồng vị trong đá.

Dĩ nhiên, phải biết cả chu kỳ bán rã của chúng. Và nếu giá trị của chu kỳ bán rã không chính xác thì kết quả định tuổi cổ vật sẽ sai lệch.

Một trong những đồng vị thường được chọn để xác định những sự kiện xảy ra trong thời sơ khai của hệ mặt trời là Samarium Sm-146, một đồng vị kim loại nặng, ánh kim được tìm thấy trong nhiều khoáng vật của vỏ trái đất.

Các nhà khoa học từng đo chu kỳ bán rã của Sm-146 bốn lần trong 60 năm qua và thu được các kết quả khác nhau cho mỗi lần đo. Hai kết quả mới nhất dường như phù hợp với nhau với thời gian bán rã là 103 triệu năm với sai số cộng trừ 5 triệu năm.

Nhưng Paul và cộng sự ngờ rằng kết quả này không đúng lắm. Họ sử dụng một công nghệ gọi là khối phổ gia tốc (accelerator mass spectrometry), mà Paul cho rằng công nghệ này có ít sai số thực nghiệm.

Họ phát hiện ra rằng chu kỳ bán rã chỉ có 68 triệu năm, ít hơn 30% so với các kết quả trước đây. Có nghĩa là các đá được định tuổi bằng phân rã của Sm-146, trong đó bao gồm cả các đá có tuổi cổ nhất trên trái đất, mặt trăng, và cả thiên thạch từ sao Hỏa, hình thành sớm hơn từ 20 triệu đến 80 triệu năm so với các nghiên cứu trước đây.

"Đồng hồ“ Uranium

Các đá cổ nhất còn được định tuổi bằng đồng vị của Uranium khi nó phân rã trở thành đồng vị Chì.

Khác với trường hợp đồng hồ “Samari", trong đồng hồ Uranium sự sai lệch định tuổi cổ vật không phải do sai lệch số đo chu kỳ bán rã.

Cho tới vài năm gần đây, các nhà địa hóa vẫn giả định rằng tỉ lệ Uranium U-238 trên U-235 là không đổi, bằng 137,88 trong tất cả các đá. Như vậy chỉ cần đo tỉ lệ của các đồng vị chì là có thể định tuổi của các đá. Nhưng những phép đo với độ chính xác cao cho các vật liệu tìm thấy trong thiên thạch và đá tạo thành ở đại dương đã chỉ ra sự khác biệt.

Hiess và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu rộng lớn nhất về tỉ lệ các đồng vị Uranium, sử dụng 45 mẫu zircon từ khắp mọi nơi trên trái đất. Zircon là một trong những khoáng vật đầu tiên hóa rắn trên trái đất, chống chịu được phong hóa và nóng chảy, giữ được Uranium, và là khoáng vật phù hợp để định tuổi các đá cổ.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra, đa số các mẫu có tỉ lệ đồng vị Uranium giống nhau, nhưng một số mẫu có tỉ lệ rất khác biệt. “Giả định rằng tỉ lệ đồng vị Uranium không biến đổi không còn đúng nữa”.

Nhóm nghiên cứu đưa ra tỉ lệ đồng vị Uranium trung bình mới. Kết quả này làm thay đổi một chút tuổi của các đá cổ nhất, ít hơn khoảng gần 1 triệu năm. Các đá cổ nhất sẽ có kết quả hiệu chỉnh lớn nhất: các đá trầm tích có tuổi 4,4 tỉ năm giờ được xác định trẻ hơn 0,7 triệu năm. Để dễ hình dung, nếu trái đất có tuổi là 18 năm, thì tuổi các đá cổ nhất sẽ bớt đi một ngày.

Giờ đây các nhà khoa học biết họ cần phải đo chính xác tỉ lệ các đồng vị Uranium trong tất cả các mẫu đá, cùng với tỉ lệ các đồng vị chì để định tuổi của các đá chính xác hơn.

Cuối cùng, cũng cần nhấn mạnh rằng độ chính xác của các “đồng hồ thiên nhiên” nói trên có vai trò rất quan trọng trong việc sắp xếp các sự kiện đã xảy ra trong quá khứ. Chẳng hạn, nếu sự tuyệt chủng hàng loạt xảy ra ngay trước khi thiên thạch lao vào trái đất, sẽ khác hẳn với việc thiên thạch lao vào trái đất trước khi xảy ra sự tuyệt chủng.