Текст книги "Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир"

В коллапсирующей туманности выделялось огромное количество энергии, и поэтому некогда замороженное облако постепенно раскалилось. Энергии было достаточно не только для расплавления, но и для испарения твердого вещества. В результате большая часть каменной пыли, содержавшейся в коллапсирующей туманности, превратилась в газ. Температура Солнечной системы на этом этапе ее истории была гораздо выше, чем можно себе представить – со стороны новорожденная система, вероятно, выглядела как яростно раскаленный диск светящегося газа, окружающий юное Солнце.

По мере того как этот диск, обращаясь вокруг центральной звезды, уплотнялся, состояние газа начало меняться. Атомы, концентрируясь во все меньших объемах пространства, стали химически взаимодействовать друг с другом. Диск охлаждался, так как излучал много энергии в межзвездное пространство. В течение примерно 100 000 лет начали образовываться минералы – твердые частички вещества. И наконец, в туманных волокнах газа, обращающихся вокруг молодой звезды, начались геологические процессы.

Живя на Земле, мы привыкли к тому, что минералы образуются из жидкостей: обычно это происходит, когда раскаленная докрасна лава, охлаждаясь, превращается вулканические породы, или когда из богатых минералами потоков осаждаются соли. Но в протопланетном диске минералы образовывались прямо из охлаждающегося газа в ходе процесса конденсации. Вблизи Солнца, при испепеляюще высокой температуре – значительно выше 1 500 °C – единственными минералами, способными конденсироваться, были экзотические окиси алюминия и кальция (минералы, содержащие в разных пропорциях кислород, алюминий и кальций). Все остальное при таких температурах химически неустойчиво. Первым минералом, который образовался из медленно остывавшего светящегося горячего газа, был корунд (окись алюминия Al₂O₃), известный нам еще как рубин или сапфир.[8]8
  В чистом виде корунд (Al₂О₃) бесцветен. Рубины и сапфиры обязаны своим цветом химическим примесям: в рубинах к окиси алюминия примешиваются малые количества хрома, а в сапфирах – некоторых других металлов, таких как титан или железо.


[Закрыть] Так газ стал превращаться в пыль.

Конденсация корунда в горячем диске, обращавшемся вокруг молодого Солнца, ознаменовала первое событие образования твердого вещества в Солнечной системе. Но при дальнейшем охлаждении газ стал вступать в реакцию с корундом и разрушать его. Однако разрушение одного минерала ведет к образованию другого: вместо корунда стал появляться новый минерал хибонит (CaAl₁₂O₁₉). Как и корунд, чистый хибонит бесцветен, но случайные примеси, попавшие в свежескоденсировавшиеся кристаллы, придают им ярко-голубой, темно-зеленый или апельсиновый оттенок. При дальнейшем охлаждении газ конденсируется в целый ряд новых экзотических минералов, богатых кальцием и алюминием: перовскит (CaTiO₃), за ним мелилит (Ca₂Al₂SiO₇), потом шпинель (MgAl₂O₄). В необычной среде появляется и необычная геология.

Постепенно газ в диске продолжал охлаждаться, медленно конденсируясь и кристаллизуясь в один минерал за другим. Большая часть этого вещества имела вид мелких пылинок.

Дальше от кипящей солнечной поверхности и вглубь протопланетного диска температура уже была достаточно низкой, чтобы могла конденсироваться оливиновая пыль (перидот) и шарики металлического железа. Еще дальше от Солнца, присоединяясь к семейству уже образовавшихся к тому времени из газа минералов, конденсировались крупинки полевого шпата. Так в Солнечной системе появились первые камни и началась ее геологическая история. А за полмиллиарда километров от Солнца (на расстоянии примерно вдвое превышающем расстояние от Солнца до Марса) в недрах медленно остывающего диска температура упала уже настолько, что здесь конденсировались крупинки водяного льда. Воображаемую окружность вокруг Солнца, за пределами которой температура достаточно низка, чтобы там мог существовать лед, космохимики романтически назвали «снеговой линией». Если крупинка льда, двигаясь в сторону Солнца, пересечет эту линию, она испарится и снова станет газом. А гораздо дальше снеговой линии, где температура еще ниже, конденсируется еще больше льда, но уже не водяного – из промерзшего газа образуются льдинки аммиака и метана. На далеких и обжигающе холодных границах молодой Солнечной системы эти льдинки слабо освещало маленькое, тусклое и холодное Солнце.

Среди разнообразия льдов в диске в результате ряда затейливых химических реакций самопроизвольно синтезировался и сложный набор органических молекул. Органические молекулы – это класс химических соединений, в молекулярной структуре которых содержится углерод. Эти соединения можно назвать химически изощренными: в них часто встречаются многочисленные молекулярные цепочки, способные захватывать окружающие атомы и вступать с ними в реакции. Именно с этими молекулами связано зарождение жизни. Выходит, «каменная летопись» не только история образования минералов в протопланетном диске; она может оказаться и историей происхождения жизни. Но об этом – в следующей главе.

Строительство миров

Мощные звездные ветры, «дующие» от Солнца, широкими дугами отгоняли пыль в направлении внешних холодных границ диска. В богатых пылью областях диска смешивались высокотемпературные и низкотемпературные конденсаты, набегая друг на друга и образуя вокруг Солнца концентрические полосы. Турбулентные потоки и ячейки в разреженных волокнах газа еще сильнее концентрировали пыль в вихреобразно крутящиеся облака, напоминающие космическое перекати-поле. В ходе своего орбитального движения вокруг Солнца пылевые частицы сконденсировавшихся минералов, самые крупные из которых были не больше ногтя на вашем мизинце, начали между собой взаимодействовать. Статическое электричество притягивало их друг к другу, и они сбивались в маленькие кучки вроде хлопьев, которые мы иногда находим под давно не передвигавшейся мебелью. Если два пылевых зернышка сталкивались слишком сильно, они отскакивали друг от друга или дробились на более мелкие фрагменты. Сильные столкновения между частицами приводили к появлению осколков кристаллической «шрапнели», но многие столкновения были слабыми, и тогда частицы прилипали друг к другу. Более крупные зерна прилипали к мелким хлопьям, и в результате образовывалась хаотическая смесь частиц самых разных размеров. В более холодных областях диска прилипание усиливали относительно мягкие льды, действовавшие наподобие клея.

На каждой околосолнечной орбите рои частиц все росли и росли, становясь в ходе столкновений все более компактными. Турбулентные течения внутри туманности переносили их внутрь более плотных областей; рои сбивались в обширные облака, вокруг которых скапливались бесчисленные сгущения более мелкой пыли. В какой-то момент эти процессы накапливания доходили до точки, в которой начинала главенствовать знакомая нам сила: гравитация. Под действием взаимного гравитационного притяжения скопления пылевых масс объединялись, сливались и образовывали компактные пылевые конгломераты поперечником в несколько километров. Так рождались планетезимали – первые каменистые тела, зародыши будущих планет. Пыль стала превращаться в миры.

Количество и размер каменных планетезималей быстро росли – они уже достигали в поперечнике от одного до ста километров.

Скрепленные воедино бесчисленным количеством микроскопических столкновений пылевых зерен и затем сжатые собственным гравитационным полем, планетезимали были первыми телами Солнечной системы, имеющими твердые поверхности. Несмотря на то что гравитационные поля планетезималей были очень слабыми, на их поверхности в принципе можно было бы стоять. Те из них, которые образовались в адски жарких внутренних областях Солнечной системы, были совершенно сухими и состояли исключительно из скальных пород. За снеговой линией планетезимали включали в свой состав льды и органику – это были холодные миры, покрытые слоем грязного льда и водосодержащих минералов. Обращаясь вокруг Солнца, планетезимали начинали роиться, воздействуя друг на друга своим гравитационным притяжением. Поэтому их орбиты начали постепенно меняться. Гравитация стала определять и форму новообразованных миров. Те из них, что сформировались в результате сжатия пылевых облаков большего размера и плотности, накопили больше каменистого материала, а это усилило их тяготение. Если поперечник планетезимали превышал 250 километров – так называемый «радиус картофелины» – она из бесформенной груды камня превращалась в сферический каменный шар, уже похожий на миниатюрную планету.

История некоторых планетезималей заканчивалась, не успев толком начаться. Тесные сближения друг с другом на большой скорости приводили к резкому искажению их траекторий; в результате многие планетезимали нашли свой конец, врезавшись в Солнце. К другим судьба отнеслась гораздо холоднее – они были выброшены из пределов Солнечной системы в межзвездное пространство.

Также при тесных сближениях планетезималей их траектории могли сходиться. Этот процесс, называемый «гравитационной фокусировкой», в свою очередь увеличивал вероятность столкновений: при таком множестве малых миров, обращающихся вокруг Солнца, они стали неизбежными. Столкновения часто приводили к катастрофическим разрушениям планетезималей, чем и заканчивалось их краткое существование в Солнечной системе. Некоторые фрагменты, однако, снова захватывались другими, более удачливыми планетезималями и становились частью другого нарождающегося мира. Сотворение – разрушение – возрождение…

Мягкие слияния

Несмотря на огромные скорости движения планетезималей вокруг Солнца, обычно достигавшие десятков километров в секунду[9]9
  С такой скоростью на путешествие по прямой между самыми отдаленными точками острова Великобритания (1 407 км) ушло бы чуть больше полутора минут.


[Закрыть], далеко не все столкновения заканчивались катастрофой. Если две планетезимали двигались по похожим орбитам, то почти неизбежно в некоторый момент они оказывались в одной точке пространства и сталкивались. Однако, так как их относительная скорость была низкой, столкновение получалось мягким, без сильного удара: такие планетезимали объединялись в единое тело большего размера. Более массивные планетезимали, естественно, посредством гравитационной фокусировки стягивали на свои орбиты множество тел меньших размеров и росли как снежный ком. На различных орбитах вокруг Солнца происходило одно и то же – удачливые гиганты сгребали к себе множество малых планетезималей, образуя «эмбрионы планет».

Однако не всем из них суждено было развиться в полноценные планеты. Многие «эмбрионы» подверглись разрушительным столкновениям, некоторые из них по спирали врезались в Солнце. Но те, которым удалось избежать этих несчастий, выжили и сумели продержаться настолько долго, что у каждого из них образовался устойчивый орбитальный «коридор». Обращаясь вокруг Солнца по далеко отстоящим друг от друга концентрическим путям, немногие выжившие планетарные эмбрионы расчистили себе дорогу среди оставшихся планетезималей и пыли. И, завоевывая себе в процессе движения свободное от препятствий пустое пространство в толще диска, они постепенно выметали из Солнечной системы весь оставшийся в ней каменный «мусор».

На заключительных этапах своего роста протопланеты все еще могли претерпевать удары и слияния апокалиптического масштаба – но к этому времени они уже были слишком большими, чтобы полностью разрушиться от этого. Пережившие все катастрофы и превратившиеся в странствующих в космосе гигантов в несколько тысяч километров в поперечнике, они сделались настоящими полномасштабными планетами.

Все, что теперь составляет Землю, было когда-то небом. Твердая почва у нас под ногами, все обилие скальных пород на планете сложилось из слившихся в единое целое бесчисленных зернышек микроскопической туманной пыли.

Каждая планета, формируясь на разных расстояниях от Солнца, впитывала в себя уникальную по составу смесь планетезималей и пыли, приобретая тем самым свой собственный уникальный химический и изотопный состав. Первые четыре ближайшие к Солнцу планеты – так называемая внутренняя Солнечная система – целиком сложились из скальных пород (иногда с вкраплениями льдов): раскаленный шар Меркурия, Венера, «утренняя звезда», мраморно-голубая Земля и Марс – Красная планета. Дальше от Солнца планеты формировались из сочетания камня, льда и газа: гигантский Юпитер, грациозный Сатурн, ледяной гигант Уран и застывший в вечном холоде Нептун. За орбитой Нептуна вокруг Солнца кружатся бесчисленные ледяные тела (в том числе Плутон и Харон). Глубокий крен в осевом вращении Урана, возможно, вызван катаклиз-мическими ударами планетезималей, сталкивавшихся с новорожденной планетой; такие же удары могли заставить вращаться в обратном направлении Венеру. Уникальный состав и характеристики каждой планеты – как химические, так и изотопные – достались им в наследство от уникальной пылевой смеси, из которой состояли их «строительные блоки».

Множество лун в нашей Солнечной системе – а их сейчас известно более 150 – сформировались разными путями, и поэтому они так же геологически разнообразны, как и планеты. Точно так же, как планеты образовались из пыли и газа, не попавших на Солнце, спутники планет, луны, образовались из пыли, не захваченной планетами.

Но по крайней мере у одной из лун происхождение оказалось гораздо более драматичным и катастрофическим: у нашей собственной. Наша Луна возникла, когда планетарный эмбрион врезался в Землю вскоре после ее образования. Удар был скользящим, а не лобовым, но все равно привел к катастрофе: гигантская волна испаряющихся и жидких каменных пород взметнулась с поверхности молодой планеты в космос. Большая часть этого вещества сразу же выпала огненным дождем обратно на расплавленную поверхность Земли, но какое-то его количество все же осталось на орбите. Из него и образовалась Луна.

Примерно за пятьдесят миллионов лет после образования первых конденсаций вещества «строительные блоки», из которых формировались планеты и их спутники, в Солнечной системе закончились. Эра образования планет подошла к концу. Вместе начавшись, истории восьми планет – четырех каменных и четырех газовых миров, – мириадов лун и миров еще меньших размеров разошлись, и каждый из них двинулся по своему уникальному пути в далекое будущее.

Пройдут миллиарды лет, и эти миры преобразуются и изменятся почти до неузнаваемости: поверхности по меньшей мере четырех планет покроются активными вулканами; не менее чем на двух каменистую поверхность зальют океаны жидкой воды; многие планеты и луны обзаведутся атмосферами, состоящими из входящих в их состав газов; вокруг газовых планет появятся великолепные по красоте системы концентрических колец. И по крайней мере одна планета, как мы знаем, сделается пристанищем для жизни.

Астероиды

По какой-то странной прихоти гравитации, из-за причудливого сочетания законов небесной механики в некоторых частях протопланетного диска планетезималям и планетарным эмбрионам помешало собраться воедино мощное притяжение Юпитера (и в меньшей степени Сатурна). Из-за особого расположения газовых гигантов, образовавшихся вскоре после самого Солнца, попавшие в эти части диска планетезимали так навсегда и остались толпой бродяг. Планеты в этой области Солнечной системы не сформировались, их «строительные блоки» обращаются вокруг Солнца поодиночке, разъединенные друг с другом.

Области разъединения существовали как внутри, так и вне орбиты Юпитера, которая лежит примерно впятеро дальше от Солнца, чем орбита Земли. Индивидуальные планетезимали, образовавшиеся из разных смесей конденсированной пыли, породили две различные популяции. Одна из них, внутри орбиты Юпитера, была в основном каменной, тогда как вторая, сформировавшаяся за Юпитером, где холоднее, отличалась сочетанием каменных и ледяных минералов. В ходе стабилизации Солнечной системы после ее рождения из туманности орбита газового гиганта много раз смещалась то в одну, то в другую сторону, и при ее колебаниях две популяции планетезималей все больше рассеивались в пространстве. Многие из малых странствующих миров при этом были разрушены. Но многие и выжили. В какой-то момент богатые льдом планетезимали из холодных внешних областей Солнечной системы хлынули в ее теплую внутреннюю часть и рассеялись в ней, смешавшись с уже населявшей эту область популяцией каменных тел. Не в силах сопротивляться мощному гравитационному полю Юпитера, не дававшему им соединяться, обитатели этой части Солнечной системы сохранились в ней на протяжении четырех с половиной миллиардов лет. Это и есть то, что мы называем сегодня «поясом астероидов».

Пояс астероидов населяют миллионы тел, образовавшихся в различных частях Солнечной системы. На сегодняшний день в поясе астероидов остается «всего лишь» 3 000 миллионов миллиардов тонн камня, что составляет 0,05 процента массы нашей планеты. Если бы все эти камни каким-то чудом соединились, этого все равно не хватило бы на целую планету. Даже Меркурий, самая маленькая из каменных планет, содержит примерно в 100 раз больше камня, чем весь пояс астероидов. Из богатых льдом планетезималей, пришедших из внешней Солнечной системы, многие, рассеиваясь, попали на вытянутые эллиптические орбиты вокруг Солнца. Сегодня мы называем их кометами. Когда они приближаются к Солнцу, с их поверхности испаряются льды и органические молекулы; струи этого пара выбрасываются в пространство. Кометы, состоящие в основном из льдов, представляют одну крайнюю ветвь планетезималей, а астероиды, сложенные преимущественно из скальных пород – другую. В действительности большинство планетезималей по своим характеристикам лежит где-то посредине: даже самые богатые льдом кометы содержат много каменной пыли и даже у самых каменных астероидов заметны слабые признаки сохранившейся с незапамятных времен воды.

Время так же сильно влияет на характеристики астероида, как и его положение. Когда в остывающем протопланетном диске еще только начали конденсироваться первые хлопья пыли, рождающаяся Солнечная система буквально купалась в быстро распадающихся радиоактивных изотопах (их еще называют «радиоизотопами»). Занесенные в коллапсирующие туманности из атмосфер близлежащих звезд-гигантов короткоживущие радиоизотопы быстро распадались и при этом выделяли большие количества ядерной энергии; они «жили быстро и умирали молодыми».

Одним из самых короткоживущих радиоизотопов в ранней Солнечной системе был алюминий-26 (26Al). Он практически полностью распадался чуть больше, чем за три с половиной миллиона лет, выделяя при этом огромное количество энергии. Планетезимали, сформировавшиеся рано, еще до того, как ²⁶Al успел полностью распасться, содержали в своем каменном веществе много этого «ядерного горючего» и в результате плавились. Это разрушало входившую в состав туманности пыль, из которой они когда-то и сформировались. Геологическая драма, которая разыгрывалась в этих мирах, была короткой: сначала там образовывалось много раскаленного докрасна жидкого камня – лавы, затем ее тепло быстро рассеивалось в пространстве, и планетезимали снова замерзали – теперь уже навеки.

Последние остатки пыли, которые могли сконденсироваться в каменные породы, сделали это уже после того, как новорожденная Солнечная система остыла. За несколько миллионов лет после образования протопланетного диска большая часть короткоживущего радиоактивного изотопа распалась, не оставив следа и лишив тем самым более поздние планетезимали ядерного топлива, которое могло бы их расплавить. Хотя многие из «запоздалых» планетезималей все же сумели слегка разогреться, в целом они оставались относительно холодными, и в них сохранились зерна первоначальной пыли из материнской туманности. Так что и астероиды, и порожденные ими метеориты являются хранилищами частиц пыли протопланетной туманности – частичек первозданной Солнечной системы.

* * *

Когда мы смотрим в телескоп на светящийся нагретый газ и рождающиеся планетные системы в сердце туманности Ориона, мы смотрим в свое далекое прошлое. Вокруг новорожденных звезд формируются диски; «звездный ветер» от молодых горячих звезд выдувает фантастические своды в толще газовых волокон туманности; звезды-гиганты выбрасывают свежесинтезированные элементы в окружающую среду В других частях неба астрономы наблюдают концентрические промежутки в протопланетных дисках, образованные планетезималями, которые вбирают в себя окружающий их газ и пыль. Мы воочию видим возникновение новых планет – новых миров. При помощи телескопов мы многое узнали о том, как формируются и развиваются новые планетные системы. Но ключевой по-прежнему остается проблема расстояния – туманности лежат за сотни и тысячи световых лет от Земли. Мы можем что-то узнавать о них только наблюдая их издалека.

Земные камни могут рассказать нам о геологической истории Земли, но только метеориты хранят информацию о том, какой была Солнечная система на заре своего существования. Взяв в руки обломок астероидной «шрапнели», мы прикасаемся к ранней истории Солнечной системы, переносимся назад к началу каменной летописи – когда первые пылинки туманности начали конденсироваться и образовывать планетезимали.

Различия в геологических характеристиках метеоритов отражают различия двух типов астероидов: тех, что плавились, и тех, которые этого избежали. Именно по этому критерию мы и делим метеориты на два основных семейства: те, которые произошли из нерасплавленных астероидов, называют «хондритами», а порожденные астероидами, прошедшими стадию плавления, – «ахондритами».

В ахондритах записана короткая геологическая эволюция расплавленных астероидов. Когда новорожденная Солнечная система была доверху полна свежеобразованными каменными мирами, в этих камнях стремительно записывалось великое множество историй, и эти повествования так же необыкновенны и чудесны, как истории коллапсирующей туманности, которая им непосредственно предшествовала.