Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир [litres] - Тим Грегори

изотопы. Астрономы добились своего – они отыскали место рождения половины химических элементов Солнечной системы тяжелее железа и нашли тигель, в котором выплавились все элементы тяжелее висмута. Они нашли место, в котором происходит быстрый процесс нуклеосинтеза.

Теоретическая астрофизика и теория образования метеоритов поставили вопрос о том, где появились эти элементы и изотопы, а открытие гравитационных волн осветило путь к ответу на него.

* * *

Если не считать первичных облаков водорода и гелия, образовавшихся в минуты перед самым Большим взрывом, то можно заключить, что все элементы Периодической таблицы были, в общем и целом, синтезированы внутри звезд[19]. Элементы легче железа появились в ходе термоядерных реакций, а более тяжелые в основном сформировались в результате поглощения нейтронов в ходе медленного и быстрого процессов.

Образовавшиеся элементы выбрасывались в форме газа и пыли в космическое пространство погибшими и умирающими звездами. Так они и попали в состав нашей первичной туманности. То есть атомы, когда-то образовавшиеся в окружении других звезд, смешались в облако, из которого впоследствии возникла наша Солнечная система.

Если не принимать во внимание небольшие локальные различия, Солнечная система удивительно однородна. Да, в холодных периферийных ее областях больше ледяных тел; да, есть отличия и у астероидов, например, в соотношении различных изотопов кислорода. Но эти различия в основном объясняются физической и химической эволюцией протопланетного диска после его коллапса. Любые вариации изотопного состава внутри первичной туманности, отражавшие исходные различия многочисленных звездных источников «строительного материала» для будущей Солнечной системы, были почти полностью стерты в ходе перемешивания туманности перед ее коллапсом. Интенсивное нагревание диска в процессе его образования привело к тому, что почти все испарилось и перемешалось – в том числе и частички пыли, коллапсировавшие вместе с газом. Мы утратили все подробности нашей богатой событиями звездной древности – первичная туманность перед самым образованием CAI, хондр и астероидов, была почти идеально однородна.

Но только почти.

Странные благородные газы

К середине XX века начали появляться указания на странные и экстремальные варианты изотопного состава, встречающиеся глубоко в недрах метеоритов. Одними из первых элементов, у которых наблюдался такой причудливый изотопный состав, оказались благородные газы. Знаменитые своей инертностью гелий, неон, аргон, криптон и ксенон занимают в Периодической таблице крайнюю колонку справа. Они очень мало склонны участвовать в сложных процессах химических реакций и роста кристаллов. Поэтому, когда они встречаются в массе камня, они сами по себе редко встроены в жесткую минеральную структуру. Обычно они ютятся внутри правильных кристаллических структур между составляющими их атомами.

Изотопов у благородных газов много: у гелия (He) их два, у неона (Ne) и аргона (Ar) по три, у криптона (Kr) шесть, а у ксенона (Xe) целых девять. Каждый из них образован в результате особого вида звездного синтеза. Например, пять средних изотопов ксенона – 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe и 132Xe – частично взращены на скупом нейтронном пайке медленного процесса, а два самых тяжелых – 134Xe и 136Xe – могли образоваться только в результате быстрого процесса при столкновении нейтронных звезд. Первые странности появились при измерениях ксенона. В середине 1960-х, постепенно нагревая маленькие обломки метеоритов – в частности, хондритов – в вакуумной печи при отсутствии воздуха, космохимики научились разлагать и высвобождать запертые в камне газы, среди которых был и ксенон. Соблюдая все меры предосторожности, они отправляли выделенный ксенон в масс-спектрометр и тщательно измеряли его точный изотопный состав.

Изотопная смесь ксенона, заключенного в метеоритном веществе и освобожденного нагреванием до 900 °C, была непохожа ни на что, доселе измерявшееся в каком-либо камне, из какой бы части Солнечной системы он ни происходил. Хондриты по своей природе представляют собой сочетание бесчисленного количества индивидуальных пылевых частичек, сформировавшихся в протопланетном диске в разное время и в разных местах. И вот в этих метеоритах обнаружился какой-то доселе неизвестный тип космических отложений, где и находился странный ксенон и откуда он выделялся при достижении определенной температуры.

Похожие необычные изотопные аномалии были вскоре найдены и у выделяющегося из метеоритов неона, а следом и у криптона, азота и углерода. Их экзотический изотопный состав требовал объяснения. Ведь в пределах Солнечной системы изменения в соотношении изотопов обычно составляли не более одного процента от одного процента, а здесь отношения отличались от нормы во много сотен раз! В Солнечной системе не было известно химического или физического процесса, который мог бы привести к этим причудливым изотопным составам газов, скрытых внутри хондритов, – особенно если принять, что во время формирования Солнечной системы вещество протопланетной туманности было хорошо перемешано и однородно.

Изотопные иголки в космических стогах сена

Следуя лишь туманным намекам, вытекавшим из странного поведения благородных газов, космохимики начали поиск причины изотопного «чуда». Микроскопы им здесь помочь не могли – сама природа аномальных космических пород была совершенно неизвестной.

Полностью новый подход возник лишь в середине 1970-х, когда космохимики из Чикагского университета отыскали аномальные минеральные зерна в обломках метеорита Альенде. Упавший всего за несколько лет до этого, полный первичных космических осадочных частиц, таких как CAI и хондры, Альенде идеально подходил для решения подобных задач.

Большие фрагменты метеорита Альенде были помещены в химически устойчивые колбы и растворены в самых агрессивных известных кислотах: концентрированной соляной кислоте, дымящейся азотной, смертельно опасной плавиковой и пузырящейся aqua regia (называемой в России «царской водкой»), смеси концентрированных азотной и соляной кислот, знаменитой своей способностью растворять даже золото. В этих невероятно мощных растворителях вещество Альенде распалось на атомы и исчезло, как сахар в горячем чае. Минералы, пережившие 4,6 миллиарда лет истории Солнечной системы, в том числе CAI и хондры, были полностью разрушены.

Но, как это ни поразительно, некоторые минералы устояли даже перед неодолимой силой едких химических веществ.

На дне колбы осталась едва заметная щепотка бледных микроскопических кристаллов, с которыми ничего не смогла сделать мощь концентрированных кислот. Эти зернышки оказались невероятно прочными. Космохимики осторожно слили кислотный раствор из колбы. Оставшийся после этого кристаллический осадок был со всеми предосторожностями собран и помещен в масс-спектрометр, оснащенный печью. Аккуратно повышая температуру странных зерен, космохимики высвободили из них запертые там благородные газы.

Все сошлось идеально. Наноскопические зернышки из метеорита Альенде, не тронутые разъедающей все мощью кислот, и оказались источником странных изотопных смесей. В жертву исследованию пришлось принести большие куски метеорита, но поистине стоило сжечь стог сена, чтобы найти в нем эту иголку! Ведь космохимики наконец выделили ту самую загадочную космическую породу, в которой гнездились изотопные аномалии. В 1980-х кислотным травлением из семейства хондритов – включая Альенде – было изолировано