Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Детали этого процесса выходят за рамки этой книги (и, по крайней мере частично, за пределы наших текущих знаний), но он явно носит восходящий характер: пылинки слипаются, образуя более крупные зерна; зерна слипаются, образуя крошечные камешки; камешки, собираясь вместе, образуют камни – и так далее. Рядом с Солнцем слишком жарко для образования льдов (например из воды, углекислого газа, аммиака), и многие из этих газов, наряду с преобладающими Водородом и Гелием, испаряются из внутренней части Солнечной системы (чем объясняется их отсутствие на Меркурии, Венере, Земле и Марсе). Однако дальше, между современными орбитами Марса и Юпитера, достаточно холодно, поэтому там эти льды могут замерзнуть и добавляются к накапливающимся планетезималям, достаточно быстро создавая ядра планет. Благодаря этому Водород и Гелий остаются связанными, что позволяет существовать газовым (Юпитер и Сатурн) и ледяным (Уран и Нептун) планетам-гигантам внешней Солнечной системы.
Почти весь материал исходного диска уносится на одну из планет, но гравитационные пылесосы не идеальны, и доля в 1 % вещества так и не находит планетарного дома. Эти фрагменты (каменистые и металлические астероиды во внутренней части Солнечной системы, ледяные объекты, подобные Плутону, и кометы, расположенные дальше от Солнца) хранят сведения о том, какой была Солнечная система в самые ранние дни ее существования. Когда один из них попадает на Землю в виде метеорита, мы можем подержать его в руках и посмотреть на кусочек первозданной Солнечной системы, а исследование его атомов позволяет определить его возраст и совершить экскурс в предысторию нашей колыбели.
 Древнейшее вещество 
Как отмечалось в главе 13, тектоника плит – это процесс динамический, она постоянно меняет форму поверхности Земли, и горных пород, заставших ранние дни существования планеты, у нас уже не осталось. Однако даже если бы не это вечное обновление, столкновения с расплавленной Землей настолько поменяли бы природу камней, что нам было бы гораздо труднее раскрыть загадку их происхождения. Поэтому метеориты – это более полезный, нетронутый образец, доступный нам для воссоздания истоков.
На Землю падают различные метеориты, состав и структура отражают их происхождение. Железные метеориты, которые по меньшей мере на 95 % состоят из Железа, Никеля и Кобальта, происходят из крупных тел (крупных астероидов или протопланет, не успевших стать планетами и погибших в столкновении); эти тела были достаточно массивны, чтобы расплавиться, а тяжелые металлы опустились к центру (такое разделение элементов по массе называется дифференциацией, и именно оно объясняет каменистую природу земной коры и железное ядро). Каменные метеориты, как следует из их названия, похожи на горные породы, состоящие в основном из минералов на основе Кремния и Алюминия; некоторые из них – это чистые камни и, по всей видимости, они не менялись с момента возникновения, в то время как в других, которые, возможно, произошли от дифференцированных астероидов, есть примеси металлов. Некоторое количество метеоритов происходит с Луны и Марса; когда большой метеор сталкивается с одной из этих планет, он выбрасывает осколки коры в космос, где они блуждают, пока не столкнутся с Землей.
Самые примитивные и наименее измененные метеориты, на долю которых приходится чуть менее 5 % от общего количества метеоритов, достигающих Земли, – это углеродистые хондриты. Иногда в них содержится много воды (от нескольких процентов до более 20 %), так что во время формирования они не могли нагреваться до высоких температур, иначе вода испарилась бы в космос. В главе 13 мы упоминали, что многие из них богаты органическими соединениями, в том числе аминокислотами. Однако сейчас нам интереснее всего то, что в них также присутствуют хондры и включения, богатые Кальцием и Алюминием (CAI), самые ранние твердые соединения, образовавшиеся в молодой солнечной туманности.
Хондры – это небольшие минеральные шарики размером от сотой доли миллиметра до 1 см в поперечнике. В основном они состоят из Кремния и Кислорода с примесями различных количеств Алюминия, Магния, Калия, Кальция, Фосфора, Хрома и других подобных элементов от номера 11 (Натрий) и номера 26 (Железо) в Периодической таблице (причину, по которой диапазон именно такой, мы раскроем в главе 16). Полагают, что хондры – это остатки пылинок из солнечной туманности, стремительно (за считаные минуты) расплавившихся при нагревании до температуры примерно 1000 К. Источник этого мгновенного нагрева неизвестен, но возможно, речь идет о солнечных вспышках; об ударных волнах во вращающемся диске вещества, в который они были впечатаны; о столкновениях с более крупными телами и так далее. После нагревания они снова уплотняются, обретают твердую форму и объединяются с крупными телами, врастая в жильную породу, скажем, астероида. Одни хондриты похожи на стекло (их молекулы расположены в неправильном порядке), другие – на кристаллы (их молекулы образуют в высшей степени правильную решетку).
 
CAI обнаружены только в углистых хондритах. Они похожи на хондры, но образуются, по-видимому, при более высокой температуре (более 1300 К); о том, что появилось раньше – хондры или CAI, – по-прежнему спорят, хотя недавние данные, о которых мы еще поговорим, предполагают, что последние возникли в первый миллион лет существования Солнечной системы. Они состоят из различных минералов, таких как анортит (CaSi2Al2O8), перовскит (CaTiO3), форстерит (Mg2SiO4) и многих других.
 День рождения 
Чтобы установить возраст столь древнего явления, как Солнечная система, требуются радиоактивные изотопы с длительным периодом полураспада (1 миллиард лет и более). Однако мы не можем применить метод простых «накопительных часов», в которых один радиоактивный изотоп распадается на стабильный дочерний изотоп, если мы не знаем, сколько дочернего изотопа было там изначально. Отсутствие геологов, которые могли бы застать формирование Солнечной системы, ставит нас в затруднительное положение. Но разрешить эту дилемму нам позволяет хитрый метод изохрон (буквально «равных времен»). В качестве примера я покажу изохронное построение на основе соотношения Рубидия и Стронция, при помощи которого определяли возраст хондр, а также многих горных пород с Земли и Луны (рис. 15.1). Результаты датирования по свинцово-свинцовому отношению, немного усложненному варианту этого базового метода, показывают наиболее точное время рождения Солнечной системы, и рассказ о них последует сразу же за этим первоначальным объяснением.
Рубидий‐87 (87Rb) подвергается стандартному бета-распаду с образованием Стронция‐87 (87Sr) путем выброса электрона и антинейтрино; период полураспада составляет 49 миллиардов лет. Проблема в том, что неизвестное количество 87Sr присутствует в образце еще до того, как радиогенные атомы этого изотопа начнут появляться после распада Рубидия. Чтобы решить эту проблему, мы также измеряем количество 86Sr, стабильного нерадиогенного изотопа, в образце. Алгебраические уравнения, необходимые для однозначного установления возраста выборки, указаны в примечаниях3.
Рис. 15.1. Изохронная кривая для рубидий-стронциевого метода датирования. Наклон линии позволяет однозначно определить возраст рассматриваемого минерала, в данном случае по метеоритам, образовавшимся в момент рождения Солнечной системы (см. текст и вставку 15.1 в примечаниях)
С учетом того, насколько долгий период полураспада характерен для Рубидия, с момента возникновения Солнечной системы распалось менее 9 %. Но период полураспада Урана‐238 почти идеально соответствует времени, которое мы пытаемся измерить, – 4,5 миллиарда лет. Для метеоритных хондр и CAI наиболее точное время удалось установить с помощью вариации уран-свинцового метода (описанного в главе 9) – так называемого датирования по свинцово-свинцовому отношению.