Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

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.

Напомним, что ²³⁸U распадается до ²⁰⁶Pb, а ²³⁵U – до ²⁰⁷Pb. Кроме того, существует нерадиогенный изотоп свинца ²⁰⁴Pb. Построив график зависимости ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb от ²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb (и приняв во внимание очень небольшие изменения начальных соотношений ²³⁵U/²³⁸U в солнечной туманности), можно построить изохроны и получить возраст CAI из метеорита Ефремовка, составляющий 4567,35 ± 0,28 миллиона лет, тогда как возраст хондр из других метеоритов варьируется от 4567,32 до 4564,71 миллиона лет⁴. Помимо того что это число легко запомнить (4–5–6–7 миллионов лет назад), оно наводит на мысль, что CAI и самые ранние хондры образовались в одно и то же время – хотя формирование последних, возможно, продлилось дольше, более 2 или 3 миллионов лет. Точность этой даты заслуживает внимания: погрешность в 0,28 миллиона лет из общей суммы в 4567 миллионов лет эквивалентна тому, что вы можете узнать, сколько мне лет, с точностью до 1,5 дня, что невозможно ни с радиоизотопным датированием, ни без него!