Биография в десять миллиардов лет 6 страница
Откуда же берется пыль из Солнечной системы, что говорит она о нашей незапамятной истории? Главных подозреваемых в ее производстве двое. Один источник – это относительно безобидное распыление комет[60], другой – яростные столкновения астероидов.
Светящиеся кометы возникают, когда небольшие тела, в составе которых много льда и других легко испаряющихся веществ, например, твердой углекислоты, подходят так близко к Солнцу, что разогреваются до критического уровня. В космическом вакууме вещество вроде льда при разогревании не разжижается, а прямо переходит из твердого состояния в газообразное. Поэтому замороженные составляющие твердого ядра кометы выстреливают во все стороны, словно фейерверк: газ выталкивает вмерзшие в лед крупицы древней пыли в межпланетное пространство, и они пополняют запасы вещества, отражающего зодиакальный свет.
А остальная пыль, как мы подозреваем, получается при столкновении астероидов. Телескоп им. Хаббла не так давно[61] зарегистрировал несколько подобных случаев между орбитами Марса и Юпитера. Увесистые космические валуны и громоздкие скалы иногда налетают друг на друга. И тогда во все стороны вырываются огромные пыльные протуберанцы – часть из них тянется по орбите за уцелевшими астероидами, часть разлетается в пространство.
Так что во многих отношениях зодиакальная пыль – результат разрушения плодов тяжкого труда, длившегося 4,5 миллиарда лет. Отдельные элементы и кристаллические вещества планетного происхождения распыляются и бесцеремонно отдаются во власть солнечного ветра. Прошло уже 4,5 миллиарда лет после формирования Солнечной системы, а реликты ее создания все трутся и сталкиваются друг с другом, а в случае комет – еще и испаряются, и крошатся. Они словно мусор, оставшийся на морском берегу после сильной бури, – подсказки о далеком прошлом и туманном будущем, необходимые нам для того, чтобы приблизиться к ответу на вопрос о нашем космическом значении.
|
|
|
* * *
Чтобы осознать, что наш космический дом – всего лишь временное жилище, следует прежде всего правильно восстановить последовательность основных событий в его истории. Тогда мы расширим свое представление о реальности – и зададим новые вопросы о том, похожа ли наша среда обитания на условия в других уголках Вселенной. Но с какого момента и с какой точки пространства следует отсчитывать историю Солнечной системы и где и когда она завершится? Давайте заглянем на целые 13,8 миллиардов лет назад, когда в стремительно остывающей Вселенной, которой от роду сравнялось всего три минуты, появились первые химические элементы – водород и гелий. Или еще раньше – когда после Большого взрыва прошло меньше секунды и отклонение от симметрии вещества и антивещества величиной в одну миллиардную[62] привело к тому, что непроаннигилировавший остаток частиц превратился во все видимое вещество, которое мы знаем. А можно найти и другую отправную точку – когда первые звезды начали вырабатывать тяжелые элементы посредством синтеза водорода и гелия в кислород, углерод и так далее.
|
|
|
Однако для того чтобы создать звезды, гравитационные силы сначала должны были стягивать вещество во все более и более плотные структуры. При этом материя конденсируется в триллионы триллионов раз. Не менее важна и конкретная история нашей галактики Млечный Путь, которая и по сей день конструирует сама себя из темного и обычного вещества, а соседняя Андромеда грозит столкнуться с нами примерно через четыре миллиарда лет…
Дело в том, что происхождение Солнечной системы тесно связано с обширной сетью событий и явлений. Солнце со всеми своими планетами – словно дождевая капелька, упавшая в определенный день и в определенный час из определенного облака где-то в небе над Землей, да и облако это уже давно развеялось. Поэтому, чтобы рассказать историю происхождения Земли, нужно сначала сосредоточиться на том, что когда-то, примерно пять миллиардов лет назад, было на этом самом месте на Млечном Пути.
|
|
|
Главное, на что мы можем опираться, чтобы описать это место, – межпланетная пыль. Прежде чем войти в состав комет и твердых астероидов, некоторые пылинки были межзвездной пылью, зародившейся в раскаленной звездной плазме, богатой кремнием и углеродом. Первоначально это был газ, но он остыл, когда старые звезды отбросили его, как змея сбрасывает старую шкуру, или извергли при взрывах сверхновых. Затем микроскопические зернышки, словно песок на ветру[63], распространились в межзвездном пространстве и сформировали облака. Подобные структуры очень похожи, например, на огромное газово-пыльное облако под названием Тройная туманность[64], которое с интересом исследуют ученые.
Рис. 6. Тройная туманность.
Фрагмент изображения, полученного при помощи Космического телескопа им. Хаббла, с врезкой, показывающей в увеличенном масштабе отдельную часть изображения. Выступы и гребни плотного межзвездного газа освещены ближайшими звездами. (Дж. Хестер, Университет штата Аризона, и Институт исследований космоса с помощью космического телескопа, НАСА/ЕСА).
|
|
|
Если смотреть с Земли, Тройная туманность – это межзвездная структура, похожая на цветок с тремя лепестками размером в поперечнике примерно в 25 световых лет, находящийся в более чем в 5000 световых лет от нас. В этой туманности разыгрывается неспешная драма, эхом повторяющая зарождение нашей планеты. Хотя на долю туманностей в нашей Галактике приходится лишь около пяти процентов межзвездного вещества, именно в таких местах газ особенно сгущается и формирует новые планеты и звезды – вот уже миллиарды лет.
В космической гуще пыли и молекул газа в Тройной туманности уже таятся массивные звезды. Некоторые из этих объектов в десятки раз больше Солнца, а в результате они и жарче, и ярче. Их излучение разливается по Тройной туманности, словно пламя, лижущее бумагу. Гигантские фронты мощного ультрафиолетового излучения обжигают более холодный межзвездный газ, рассеивают его и заставляют принимать причудливые, поистине скульптурные формы. Когда испаряется менее плотное вещество, становятся видны острые выступы и гребни более плотного газа.
Давление потока света и частиц, подобное ударной волне, способно запустить конденсацию вещества туманности, и она схлопнется под собственным весом. Газ, едва заметный человеческому глазу, перейдет ту грань, за которой гравитация берет верх и начинает создавать новые звездные системы, выдирая куски плодородной туманности протяженностью во много световых лет. Время идет, и то же самое мощное излучение помогает испарить не пригодившийся газ, оставляя плотные яйцевидные области[65], в которых могут формироваться звезды вроде нашего Солнца с их планетами.
Тут за дело берется гравитация – она скрепляет вещество в этих структурах, особенно в областях ближе к центру. Вещество с ускорением стремится к этим конгломератам и налипает на них. Иногда этому способствует все то же внешнее давление, в том числе ударные волны от взрывающихся поблизости солнц. В ядре этих областей зарождаются зачатки звезд, так называемые протозвезды – растущие шары бурлящего вещества. Разогревающийся газ притягивает своим весом вращающееся вокруг него по орбите вещество, которое образует огромный диск, раскинувшийся в сто, а то и в тысячу раз дальше, чем радиус земной орбиты; часть этого вещества вливается в протозвезду, а часть остывает и конденсируется, создавая дополнительную пыль, крупицы изо льда, молекул углерода и силикатов.
Иногда они слипаются и разрастаются до размера в несколько десятков сантиметров, летают, пухлые и липкие[66], в облаке остального газа и притягиваются к протозвезде. Однако спиральное движение вещества не всегда их разрушает, а иногда помогает расти дальше. Пролетая по сгущающемуся диску вещества, эти комочки набирают вес, и многие из них всего за тысячу лет разрастаются до сотен метров в диаметре. Причем процесс этот ускоряется – ему способствуют гравитация, турбулентность и случайное сгущение вещества, и благодаря всему этому возникают так называемые планетезимали. Эти примитивные тела могут разрастаться до 200, а то и до 800 километров в диаметре за период от десяти тысяч до миллиона лет, в зависимости от того, где именно обретаются. На первый взгляд не скажешь, но на самом деле это процесс очень быстрый – от рыхлого облачка до полноправной планеты в мгновение космического ока!
Ближе к центральной протозвезде, которая бурно развивается и становится все горячее и компактнее, испаряющихся тел все меньше. Там жарко, поэтому лед быстро тает, однако молекулы воды могут формировать в диске слоистый газ. Но ближе к внешнему краю этого диска из всевозможного вещества, за «границей вечных снегов»[67] (очаровательный термин, правда?), царят низкие температуры, и замерзшая вода становится весьма существенной составляющей частью «кирпичиков», из которых строятся все более крупные и массивные объекты. В этих зонах могут формироваться колоссальные планеты – исполинские ледяные сферы, захватывающие молекулярный газ своим мощным гравитационным полем и превращающиеся в гигантов вроде Юпитера и Сатурна.
Кроме всего прочего, в этом огромном диске складываются отменные условия для всевозможных химических реакций. Атомы и молекулы формируют головокружительное множество соединений. К тому же вещество туманности проводило само над собой самые разные химические эксперименты задолго до того, как очутилось в подобной ситуации. В межзвездном сумраке были найдены молекулы воды, окиси углерода и углекислого газа, а также свыше 180 разных других веществ – и все они создаются посредством простых химических реакций с участием отдельных атомов и ионов.
Так вот, в гуще вещества, циркулирующего вокруг формирующейся звезды, может протекать еще больше химических процессов. Реакции идут и в газе, и в замерзших твердых телах, и в относительно теплой и мягкой среде на микроскопической поверхности частичек пыли. И все эти химические компоненты смешиваются и перерабатываются в бурных недрах диска – возникает поразительный химический котел[68], где есть все от простых молекул до все более и более сложных соединений вроде спиртов, сахаров, а может быть, и аминокислот – основы жизни.
А часы все тикают. Пока происходит вся эта лихорадочная деятельность, диск понемногу испаряется, распыляется обратно в межзвездное пространство под бомбардировкой внешнего излучения – именно эту постоянную эрозию мы и наблюдаем в искореженных, скорченных облаках Тройной туманности. Когда начался процесс формирования звезд и планет, остается весьма ограниченное время до той поры, когда внешнее излучение, в том числе и излучение новорожденной звезды в центре, расчистит все и положит конец формированию звездной системы. Примерно так же цветущему лугу отведен лишь краткий срок, за который цветы должны вырасти, расцвести и посеять семена, а потом жаркое солнце выжжет из почвы все питательные вещества.
Пока все это происходит, центральной звезде тоже приходится претерпеть родовые муки. Потоки вещества, падающие на юную звезду, раскручивают ее, и из ее полюсов вырываются мощные струи, управляемые магнитным полем. Они выбрасывают примерно десять процентов поступающего вещества, а главное – позволяют протозвезде обуздать и замедлить лихорадочное вращение, которое в противном случае не давало бы ей конденсироваться и сжиматься. Глубины юной звезды все сильнее разогреваются, она все больше сжимается – и приближается к переломному пункту, когда всерьез начнется постоянный термоядерный синтез. Первыми перерабатываются дейтерий и водород. Это помогает стабилизировать внутреннюю температуру протозвезды – держать ее в районе миллиона градусов по Кельвину – и придерживать процесс термоядерного синтеза, пока он не наберет размах, достаточный для полномасштабного запуска протон-протонного цикла.
Ближе к поверхности протозвезды царит суматоха. Наружу вырывается ультрафиолетовое излучение, то и дело возникают вспышки и протуберанцы из раскаленного газа, они ударяются в диск, полный конденсированного газа, пыли и зачатков планетных объектов. Словно огромная машина, извергающая пламя и дым[69], которая вот-вот наберет полные обороты. Весь этот процесс – от конденсации газа в туманности до формирования новенькой, готовой к запуску звезды – занимает менее ста миллионов лет. Еще короче стадия развития звезды от ядра протозвездного облака до протозвезды – здесь достаточно сотни тысяч лет. По сравнению с продолжительностью дальнейшей жизни звезды это все равно что семь часов[70] по сравнению со всей жизнью человека.
В случае Солнечной системы в какой-то момент в период первоначального ее строительства произошло еще одно важное событие. Вероятно, оно сыграло роль катализатора – сократило первую яйцеобразную стадию формирования. А может быть, произошло сразу после этой стадии. Так или иначе, это событие оставило нам одну из самых важных подсказок, что наши корни лежат именно здесь, и позволило выковать планеты Солнечной системы в их нынешнем виде.
* * *
Эта часть истории о нашем происхождении начинается с того обстоятельства, что самые древние камни, которые мы можем заполучить, – это не тот природный материал, из которого сформировались наши материки. Они вообще не относятся к природе Земли. Это метеориты. Внеземной материал бывает самый разный. Многие метеориты – это обломки гораздо более крупных объектов: это булыжники, богатые железом и никелем, таившиеся когда-то глубоко в недрах небесных тел размером с астероиды, зародышей планет, которые затем были разбиты и рассеяны. Этот материал многократно перерабатывался, плавился и остывал – и стал больше похож на минералогические образцы из недр нашей собственной планеты, чем на вещество из первозданной пустоты.
Однако есть и другие метеориты, которые вообще нельзя сравнивать с привычными нам земными камнями. Это подлинные реликты, не подвергшиеся никаким известным геофизическим процессам, самые примитивные, первичные агломерации материи, какие мы только знаем, оставшиеся нетронутыми и неизменными с тех самых пор, как их компоненты сформировались в сгущающейся протозвездной среде 4,57 миллиарда лет назад.
Подобные древние метеориты находили в нескольких местах по всей планете. Два ярких образца – это метеориты Альенде и Мурчисонский[71]. Оба рухнули на Землю в 1969 году – такое вот простое космическое совпадение. Метеорит Альенде упал в феврале в Пуэблито-де-Альенде на севере Мексики; войдя в атмосферу на сверхзвуковой скорости, он засыпал осколками внеземного вещества общим весом в 5 тонн площадь в 500 квадратных километров. Мурчисонский метеорит пронесся, словно шаровая молния, над городком Мурчисон на востоке Австралии и оставил около 80 килограммов первобытной материи.
Эти метеориты называются углистыми хондритами, и свойства у них очень странные. Аналогов на Земле у них нет. В этих метеоритах содержится так много углерода и углеводорода, что они прямо-таки маслянистые, смоловидные, нашпигованные самыми разными сложными молекулами, среди которых есть даже разновидности аминокислот – строительного материала биохимии. По свидетельствам очевидцев, свежесобранные образцы даже издавали смолистый, дымный аромат: вероятно, некоторые из этих веществ испарялись от нагрева.
А в черную смолистую основу впаяны и другие образования – крошечные минеральные шарики под названием хондры. Это остывшие и затвердевшие остатки капель расплавленного камня, которые в космосе разогрелись, а затем остыли и замерзли за считанные минуты или в крайнем случае часы. Затем они были вовлечены в движение и столкновения вещества вокруг новорожденного Солнца – и слипались, склеивались в более крупные комья вместе с углеродистыми крупинками и пылинками.
А есть и другие компоненты – беловатые пятнышки размером в несколько миллиметров, не больше. Они состоят из смеси минералов и богаты кальцием и алюминием, и их так и называют – кальциево-алюминиевые включения. Уникальные качества этих вкраплений подсказывают, что они сформировались при еще более высоких температурах ближе к прото-Солнцу – в местах, где они могли разогреться значительно выше 1000 градусов. Поначалу они тоже представляли собой расплавленные брызги, которые застыли в мелкие кусочки минеральной золы, – и вот прошло больше четырех миллиардов лет, и мы собираем их и изучаем.
В этих крошечных структурах скрыта целая сокровищница жизненно важной информации о нашем далеком прошлом. Первый поразительный факт заключается в том, что кальциево-алюминивые включения значительно старше самой Земли[72]. Геологи умеют довольно точно датировать возраст соединений, особенно тех, в состав которых входит смесь свинца и урана, и эти включения сформировались 4,567–4,571 миллиарда лет назад.
Кроме того, ученые обнаружили, что в состав кальциево-алюминиевых включений входит неожиданно много особого изотопа магния[73]. Примерно 80 % магния, найденного здесь, на Земле, имеет ядро из 24 нейтронов и протонов. Однако существует и два других стабильных изотопа магния – с 25 и 26 частицами в ядре. Так вот, в кальциево-алюминиевых включениях изотопа магния-26 в процентном отношении больше, чем на Земле. Возникает вопрос: какое событие, произошедшее 4,6 миллиарда лет назад, могло вызвать подобный перекос? Физики-ядерщики объясняют, что самый вероятный способ образования избытка этой разновидности магния в природе – распад радиоактивного изотопа алюминия, так называемого алюминия-26: он испускает избыточную энергию и превращается в магний-26. Период полураспада при такой реакции составляет около 710 000 лет, к тому же нам известно, что при взрывах сверхновых алюминий-26 производится в изобилии. Сложив два и два, получаем следующий сценарий.
Чуть больше 4,56 миллиарда лет назад, непосредственно перед образованием кальциево-алюминиевых включений, слипшихся где-то в сердцевине нашей протопланетной системы, достаточно близко взорвалась массивная звезда[74] – настолько близко, чтобы втолкнуть радиоактивный алюминий-26 в наши края. Возможно, до звезды было всего два-три световых года. Конечно, могут быть и другие способы обеспечить это радиоактивное загрязнение по пути нашей системы через облака галактического вещества, однако сверхновая сделала бы это эффективнее всего. Так что микроскопические свидетельства, заключенные в метеоритах, указывают на то, что наше звездное окружение выдалось довольно бурным. Кроме того, оно обеспечивает достаточно естественное объяснение еще одному явлению. Нам известно, что когда сталкиваются и разбиваются малые планеты и астероиды, энергия этих бурных процессов их разогревает. Однако по всей Солнечной системе, от недр Земли до железно-никелевых метеоритов, которые когда-то составляли недра других планет, плотное вещество многократно плавилось и оставалось в расплавленном виде гораздо дольше, чем после простого столкновения.
Что же поддерживало высокую температуру? Дело в том, что своевременное вливание радиоактивного алюминия, возникшего в результате взрыва сверхновой, вполне могло обеспечить достаточно энергии, чтобы расплавить даже самое значительное количество камня. Распадаясь, ядра алюминия испускают огромную энергию. Стоит им попасть внутрь какого-то достаточно крупного тела – и температура поднимется до двух тысяч градусов, а этого хватит, чтобы расплавить любой известный минерал.
Должно быть, процесс разогрева шел очень бурно. Поскольку радиоактивный алюминий живет относительно недолго, можно утверждать, что на заре Солнечной системы его вклад в сохранение недр космических тел в жидком состоянии был как минимум в пять раз больше, чем сегодня. К тому же у алюминия наверняка были и другие помощники из числа составляющих этой химической мешанины.
Благодаря метеоритам мы располагаем надежными свидетельствами, что в юной Солнечной системе наличествовало также радиоактивное железо-60. Вероятно, оно также появилось в результате взрыва сверхновой поблизости и за период полураспада примерно в 2,6 миллиона лет превратилось в никель-60. На самом деле существует почти двадцать так называемых «вымерших» радионуклидов, которые появляются в метеоритном материале в виде своих «дочерних» изотопов и указывают на целый ряд процессов, из-за которых радиационный фон в Солнечной системе когда-то был значительно выше. Многие из этих изотопов связаны с эволюцией всей нашей Галактики – это смесь стабильных элементов, которая была выделена из межзвездного пространства при формировании Солнечной системы. Однако среди них есть и вещества местного производства, так сказать, ручной работы – например, нестабильные изотопы алюминия и железа, а также кальция и магния. Они были выкованы в краткий период перед самым образованием сгустка в туманности, благодаря которому мы и выделились из пространства в виде плотного комка вещества, и само это событие, возможно, было вызвано тем же взрывом сверхновой, который выработал эти раскаленные нуклиды.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 146; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!