Знание-сила, 2006 № 04 (946)

Новая теория катастроф

Один из наиболее древних и не потерявших своей остроты вопросов, волнующих пытливое человечество: как мы связаны с космосом? Если раньше на неторопливые поиски ответа отводились столетия, то современные средства исследования предоставляют такое обилие информации, что ответы сменяют друг друга с калейдоскопической быстротой. Но порой из вереницы фактов удается выложить пусть мозаичную, однако на какое-то время устойчивую картинку. Галерею космических зарисовок подобного рода мы попробуем объединить новой рубрикой.

В истории Земли насчитываются на сегодняшний день четыре крупные биологические катастрофы. На сегодняшний — потому что недалек тот день, когда потомки наши приплюсуют к этому списку еще одну, рукотворную, когда их отцы и деды в техногенных своих усилиях свели на нет и перевели подчистую большинство биологических видов, уцелевших от катастроф прежних времен. Но это будет завтра.

В прежние же времена, когда людей с их техникой на Земле еще не было, избиением видов занимался слепой случай.

Так многие полагают, что динозавров (65 миллионов лет назад) уничтожило падение крупного метеорита. Впрочем, есть еще ученые, которые думают, что это было результатом вулканических извержений. А также другие ученые, которые считают, что вулканы приложились к метеориту, и гибель динозавров была следствием их злобных совместных усилий. Но что касается предыдущих катастроф — 380 миллионов лет назад, когда были "в одночасье" уничтожены 60 % морской живности, 250 миллионов лет назад, когда погибли 96 % уцелевшей и заново наплодившейся (опять же морской) живности, и 201 миллион лет назад, когда состоялось избиение не только морских, но уже и сухопутных видов, то для них пока что придумали только названия (Фраснийско-Фаменнианская, Пермская и Триасовая катастрофы), но не нашли однозначного виновника. Здесь, напротив, большинство специалистов возлагает вину на вулканизм, и только меньшинство время от времени предъявляет (не очень убедительные) доказательства в пользу метеоритов.

А ведь как бы хотелось единого, стройного объяснения, которое свело бы все эти жуткие случаи к одной причине! И вот совсем недавно, как бы откликаясь на эти пожелания трудящихся, немецкие ученые из Кольского университета такую единую теорию катастроф действительно предложили. Правда, пока это еще только гипотеза, но она уже заслуживает внимания. Ее можно, например, с успехом рассказывать детям, не загружая их незрелые мозги пестрым набором разных "альтернативных" толкований.

В основу своей теории немецкие ученые положили несколько допущений, которые они принимают за незыблемые факты. Факт первый — каждая катастрофа оставила следы падения метеорита. (Как мы уже знаем, это не совсем доказано, но авторы с этим согласны.) Факт второй — каждая катастрофа сопровождалась крупным излиянием подземной лавы на поверхность земли. (Отсюда и предположение, что все катастрофы были вызваны вулканическими извержениями.) От этой лавы остались следы в виде базальта, возраст которого в каждом отдельном случае можно установить.

Солнечное пятна диаметром 25 тысяч километров, сфотографированное е 2004 году шведскими астрономами

Впрочем, как утверждают геологи, излияние базальтов происходит периодически, каждые 30-50 миллионов лет, тогда как крупные метеориты падают на Землю не чаще, чем раз в 100 миллионов лет. Поэтому совпадение этих двух событий, хотя и возможно, но маловероятно. Можно думать, что это не совпадение во времени, а причина и следствие: крупный метеорит пробивает земную кору и вызывает — в дополнение ко всем остальным удовольствиям — еще и излияние лавы. Но расчеты показывают, что удар такой силы — чтобы пробить кору — тоже чрезвычайно маловероятен. А кроме того, кратер от метеорита, который погубил динозавров, находится, как известно, в Мексиканском заливе, а базальты того времени — в Индии, в другом полушарии. Где именье, а где — правильно! — наводненье?

Авторы новой гипотезы остроумно обошли эту трудность. Они выдвинули предположение, что не метеорит вызывает излияние базальтов, а напротив — излияние базальтов оставляет следы, похожие на следы метеоритного удара. Это не новая идея — ее уже высказывали раньше. Заслуга авторов в том, что они указали конкретный механизм образования таких "якобы метеоритных" следов.

Этот механизм состоит в постепенном накоплении раскаленной лавы и газов под поверхностью обломков континентальных плит, так называемых кратонов. Кратен — очень древнее образование, и он так прочен, что накопление лавы и газов под ним может происходить очень долго, порождая чудовищное давление. Когда оно, наконец, прорывается, происходит огромный выброс лавы и газов, сопровождающийся землетрясениями силой в 11 баллов; отдельные скалы при этом могут быть заброшены на сотни километров; облако газов отравляет все вокруг; и высвобождающаяся энергия эквивалента 7 миллионам хиросимских бомб. Этакий выброс или выстрел планетарных масштабов. Авторы придумали для него соответствующее название — Вернострел. Не от слова "верный", а от фамилии знаменитого Жюля Верна, который в одном из своих фантастических романов описал сверхпушку, способную забросить людей в космос. Роман так и называется — "Путешествие из пушки на Луну",

Каким же образом Вернострел может создать видимость падения метеорита? Сегодня доказательством такого паления считаются следующие приметы: наличие аномально больших количеств редкого элемента иридия, оплавленный кварц, образование микрошариков, так называемых фуллеренов, с содержащимися в них пузырьками газа и кратер. Надежный кратер, впрочем, оставил только один метеорит — губитель динозавров; недавно сообщалось, что еще один кратер, от Триасовой катастрофы, как будто бы обнаружен засыпанный землей в Австралии, но это открытие серьезно оспаривается. Как бы то ни было, выброс лавы и газов из- под кратона может вынести наружу иридий, имеющийся в недрах Земли, способен оплавить кварц, наверняка достаточен для образования фуллеренов. А вышвырнутые им в свободный полет огромные скалы запросто могут образовать "метеоритный" кратер даже на другом полушарии. Или вообще где потребуется.

Если новая теория верна, то под поверхностью Земли (на глубине примерно 80 километров, по оценке авторов) должны сохраняться следы былого прорыва лавы в виде нарушенной области земной коры — литосферы. Действительно, две области такого нарушения, или потрясения литосферы, уже обнаружены. Одна — под поверхностью индийского плоскогорья Декан (ее возраст примерно совпадает с датой Триасовой катастрофы). Другая — под бассейном реки Тунгуска, там, где в 1908 году упал знаменитый и загадочный Тунгусский метеорит, по поводу которого выдвинуто такое великое множество гипотез, вплоть до того, что это был не метеорит, а космический корабль.

Возраст этого второго бассейна примерно совпадает с датой Пермской катастрофы, и поэтому авторы новой теории выдвигают еще одно, свое толкование Тунгусского метеорита: это был не метеорит, а очередной Вернострел, только маленький — микро-Вернострел. Таким образом, в пользу новой гипотезы уже найдены некоторые, хотя пока и косвенные подтверждения. Но, конечно, этого недостаточно, потому что те же факты можно толковать и иначе. Поэтому задача — найти более веские доказательства.

Авторы видят две возможности: обнаружение древнего вертикального ствола Вернострела, по которому когда-то поднималась лава, и выявление остатков скал, заброшенных Вернострелом, в якобы "метеоритном" мексиканском кратере. Остатков метеорита там, как известно, не нашли, но объяснили это тем, что он слишком быстро летел и от удара весь испарился. Скалы, выброшенные Вернострелом, не могли лететь так быстро и потому должны были сохраниться.

Их и намерены искать авторы новой гипотезы. Лучше бы они нашли то, что ищут, потому что их оппоненты уже перешли в наступление. Одни обвиняют гипотезу в "полной умозрительности". Другие обращают против ее авторов их же аргументы. В самом деле, авторы исходят из того, что все катастрофы сопровождались "следами метеоритного удара" и пытаются объяснить это действием своих Вернострелов. Тогда у них получается, что такие следы действительно должны сопровождать все катастрофы, а между тем следы падения метеорита (иридий, фуллерены и тому подобное) надежно обнаружены только в случае "катастрофы динозавров". Как быть?

Авторы новой теории катастроф надеются в скором времени заручиться контраргументами. Пока же они предостерегают: если их теория верна, то следующего выстрела Вернострела следует ждать, скорее всего, в Сибири, в районе упомянутой Тунгуски. И притом сравнительно скоро, потому что континент там начал "плыть", а это создает благоприятные условия для прорыва лавы по незакрывшемуся "стволу".

Взрыв сверхновой звезды в созвездии Орла

Происхождение Солнечной системы давно интересует астрономов и не только их. Если Солнце и его планеты, а в особенности наша Земля, — результат счастливой случайности, тогда и появление жизни — такой же результат, и трудно думать, что эти случайности повторяются часто. Если же возникновение Солнечной системы — явление закономерное во Вселенной, тогда и братьев наших по разуму должно быть в ней достаточно много. Однако, увы, загадка происхождения Солнечной системы оказалась не из легких, и гипотезы на сей счет то и дело меняются. Вот и сейчас, кажется, мы присутствуем еще при одной такой смене.

По старой гипотезе Канта-Лапласа, Солнце и его планеты возникли из газово-пылевой туманности путем постепенного ее сгущения и разогревания. Иными словами, то был вполне закономерный процесс, из тех, которые должны часто повторяться в звездном мире. Но гипотеза эта не могла — во всяком случае, не могла вполне удовлетворительно — объяснить, почему одни планеты больше, другие меньше и почему они расположены именно в таком, а не в ином порядке. Поэтому ей на смену пришла другая, которая эти факты объясняла вполне удовлетворительно, — гипотеза Джинса.

По Джинсу, планеты образовались в результате того, что мимо Солнца проходила какая-то звезда, которая своим притяжением вырвала из него длинный хвост солнечной материи, распавшийся затем на отдельные планеты. В начале и конце этого процесса, когда звезда была далеко от Солнца, хвост этот был тонким, а в середине, когда обе звезды сблизились, — толстым. Поэтому вблизи Солнца и вдали от него должны были образоваться маленькие планеты, а в промежутке — большие, как оно и есть в действительности. Мало того, поскольку звезда еще какое-то время тащила этот хвост за собой, она придала планетам то вращательное движение вокруг Солнца, которое мы сейчас наблюдаем.

Этот камень хранит следы взрыва сверхновой, содержащей атомы редкого изотопа железа — 60

Как легко понять, по гипотезе Джинса, возникновение системы планет было делом случая. Однако последующие астрономические наблюдения показали, что Солнце является довольно типичной звездой — из тех, что рождаются в центре плоского газово-пылевого облака, оставшееся вещество которого может служить материалом для образования планет. Такие протопланетарные газово-пылевые "диски" ныне обнаружены вокруг многих солнцеподобных звезд, и достаточно тонкие наблюдения показывают даже наличие в них широких темных круговых полос, словно бы "пропаханных" невидимыми планетами в своем движении вокруг центральной звезды. Эти новые факты побудили астрономов отказаться от теории Джинса и вернуться к теории Канта-Лапласа, хотя уже на новом уровне, во всеоружии новых знаний о процессе образования звезд. Появление планет возле солнцеподобных звезд снова стало считаться чем-то вполне закономерным, оставалось только эти планеты обнаружить.

Вскоре, как известно, они были обнаружены, и на сегодня их известно уже более 130. Поначалу это были планеты размером с околосолнечный гигант Юпитер или даже больше, но затем, по мере усовершенствования техники наблюдения, стало возможным замечать все более и более тонкие следы воздействия планет на свою звезду, и три недавно открытые внесолнечные планеты были уже размером с "наш" Нептун.

Казалось бы, все подтверждает возрожденную теорию Канта-Лапласа. Но более дотошный анализ показал, что это не совсем так. Новооткрытые планетные системы во многом отличались от Солнечной, и главное их отличие состояло в том, что тамошние Юпитеры оказались "горячими" или даже "сверхгорячими". Почти все они вращаются вокруг своих звезд на крайне близком расстоянии (и потому крайне быстро, порой совершая полный оборот за 2-3 земных дня), и на этом близком расстоянии, почти задевая раскаленную наружную оболочку звезды, они неизбежно должны были сами нагреться до нескольких тысяч градусов (отсюда и название — "горячие Юпитеры").

Более того, понятно, что они не могли образоваться в такой близости от звезды, ибо это их положение динамически неустойчиво — им суждено в конце концов рухнуть на свою звезду и сгореть в ее недрах. Мы видим только те из них, которые еще сгореть не успели. Это означает, что все такие массивные планеты родились где-то вдали и почему-то продрейфовали по все более сужающейся спирали в сторону звезды. Но тогда они обязательно должны были "смести" на своем пути все более мелкие тела и прежде всего малые планеты, если они там образовались. Что же касается небольшого числа "холодных Юпитеров", обнаруженных около других звезд, то и они, как оказалось, резко отличаются от нашего Юпитера или Сатурна, хоть они и остаются вдали от своей звезды, но обращаются вокруг него по таким вытянутым (резко эллиптическим) орбитам, которые совершенно не похожи на почти круговые орбиты солнечных планет.

Все эти несоответствия побудили некоторых астрономов снова высказать предположение, что хотя образование планетных семей в космосе явление, видимо, закономерное, но в нашей Солнечной системе есть что-то особое, что ее резко выделяет из остальных. Все ее планеты вращаются по почти круговым орбитам, никто никому не мешает, планеты-гиганты не приближаются к Солнцу, а потому не сметают на своем пути планеты- карлицы, и в результате одна из таких карлиц — Земля — устойчиво остается в "поясе жизни" около своей звезды.

Между тем в других планетных системах происходят бурные хаотические перемещения, катастрофы и катаклизмы, столкновения планет и их падение на звезду, сопровождающееся, вероятно, гигантскими выбросами энергии. Короче, ничего похожего на гишь и благодать, царяшие в наших краях (на нашей галактической окраине). Не иначе как некий благоприятный случай способствовал образованию такой, словно специально приспособленной для возникновения жизни, планетной системы.

И вот мы опять, вторично описав полный круг, возвращаемся к мысли о некой благодетельной случайности, осенившей рождение нашей Солнечной системы. Эта мысль еще не завоевала всю астрономическую общественность, и большинство астрономов еще надеется как-то соединить то, что характерно для Солнечной системы, и то, что нам известно о других планетных системах, но кое-кто уже начинает искать альтернативные объяснения нашей особости. Одна из таких новых гипотез, предложенная астрономом Джеффом Хестером из Аризонского университета в США, привлекла в последнее время довольно серьезное внимание. По Хестеру, образованию нашей Солнечной системы действительно способствовала некая благодетельная катастрофа, и ею, как он полагает, был взрыв близлежащей сверхновой звезды.

Ариадниной нитью, приведшей Хестера через лабиринт противоречивых фактов к сердцевине проблемы, был анализ "космических окаменелостей", а проще говоря — метеоритов. Эти каменные обломки — остатки нерожденных планет — хранят в своем химическом составе указания на то, каким было вещество, из которого 4,5 миллиарда лет назад образовалась Солнечная система. Хранят они также и упоминания о том, где и когда родился тот или иной метеорит и какие термические и прочие метаморфозы он пережил на своем веку. Вся эта длинная история запечатлена в атомном, молекулярном и минеральном составе каждого отдельного метеорита и настолько сложна, что только сейчас появились методы, позволяющие эту историю расшифровать. Такая расшифровка сразу же выявила некоторые странности.

Так, были обнаружены химические указания на то, что некоторые метеориты когда-то содержали радиоактивный изотоп алюминия с атомной массой 26 (изотоп этот имеет период полураспада чуть больше 700 тысяч лет и давно распался, но в метеорите сохранились вещества, которые могли появиться только в результате распада именно этого изотопа). Между тем этот изотоп алюминия, как считают сегодня астрономы, возникает только в недрах массивных звезд, много тяжелее нашего Солнца. Его появление в метеоритах может иметь два объяснения. Либо он возник в результате соударения высокоэнергетичных частиц в том исходном газово-пылевом облаке, из которого образовалась вся Солнечная система, либо же вблизи Солнца в процессе его образования находилась какая-то массивная звезда, которая в это самое время взорвалась и "впрыснула" в вышеуказанное облако свой алюминий-26.

Первый намек, таким образом, уже прозвучал, но он не мог послужить доказательством, потому что его можно было объяснить и другим, альтернативным путем. Затем, однако, в метеоритах были обнаружены также определенные атомы и в таких сочетаниях концентраций, которые могли возникнуть только в результате радиоактивного распада изотопа бериллия- 10. Это подкрепило именно альтернативное объяснение, так как, по нынешним представлениям, бериллий- 10 рождается как раз в результате столкновений частиц в холодных газово-пылевых облаках, и тому есть астрономические подтверждения. Намек на близкий взрыв сверхновой звезды вроде бы растаял.

Однако вскоре в этом детективном сюжете появилась еще одна улика, и она снова вернула мысли Хестера к первому подозреваемому. Улика эта, обнаруженная буквально три года назад, состояла в следах распада третьего радиоактивного изотопа — железа-60 (этими следами являются атомы никеля-60). Особенность железа-60 такова, что этот изотоп образуется из обычного железа-56 путем последовательного поглощения нескольких нейтральных ядерных частиц — нейтронов. Для этого нужна достаточная концентрация нейтронов, а она — опять же по современным астрофизическим представлениям — возникает только в двух ситуациях: либо внутри очень старых гигантских красных звезд, либо в окрестностях взорвавшейся сверхзвезды, которая выбрасывает эти нейтроны при своем взрыве. Но если бы Солнце образовалось из того же облака, что старые красные звезды, оно само было бы красным и старым или же, будь оно моложе красных соседей, его метеориты вобрали бы в себя самые разные количества нейтронов в чисто случайных концентрациях. Между тем оказалось, что концентрация железа-60 в метеоритах Солнечной системы всегда одна и та-же: либо его количество одинаково, либо его нет совсем. Это оставляет лишь вторую возможность — взрыв близкой сверхзвезды.

Но как же все-таки объяснить наличие бериллия-10? И тут опять произошло то, что происходит обычно в детективном романе, когда сыщик выходит, наконец, на правильный след — посторонние улики вдруг находят другое объяснение, так что все факты, в конце концов, укладываются в единую стройную теорию. Вот и наличию бериллия-10 тоже нашлось другое объяснение. Было показано, что он может накапливаться в метеоритах в результате реакций, происходящих с частицами облака под воздействием космических лучей. Они приходят к нам непрерывно, в отличие от взрыва сверхновой звезды, который происходит одноразово, поэтому бериллий-10 должен накапливаться постепенно и случайно, а потому и количество его в разных метеоритах должно быть разным, в отличие от железа-60. Так оно и оказалось. И все встало на свои места. Во всяком случае, для Хестера.

Гипотеза Хестера не переворачивает вверх тормашками всю существующую теорию происхождения Солнечной системы. Но она вносит в нее такие поправки, которые ее расшатывают, разрыхляя почву для роста радикально новых идей. Согласно этой гипотезе, Солнце и его планеты родились не там, где они сейчас находятся, не на окраине Млечного Пути, а в одном из его горячих мест, изобилующих массивными, гигантскими, мощно излучающими звездами. Взрыв какой-нибудь из них в виде сверхновой — здесь не случайность. Мало того, что все эти звезды непрерывно бомбардировали газово-пылевое облако могучими потоками своего излучения — эти потоки порождали здесь ударные волны, которые прокатывались по всему облаку, перемешивая его атомы, а само излучение (преимущественно ультрафиолетовое) вызывало их ионизацию.

Все эти процессы способствовали рождению нашего Солнца и его планет со всеми их особенностями. А взрыв какой-нибудь особенно близкой сверхновой мог еще вдобавок вымести из нашей системы весь газ, начиная с какого-то расстояния от Солнца. В таком случае наша Солнечная система должна была бы кончаться ближе к Солнцу, чем протопланетные газово-пылевые диски вокруг других звезд. Наблюдения подтверждают и это предсказание новой гипотезы: так называемый "пояс Койпера" (самый далекий от Солнца пояс крохотных планетоидов, астероидов и зародышей комет) резко обрывается куда ближе от Солнца, чем "диски", обнаруженные у других солнце подобных звезд.

Новая гипотеза уже привлекла внимание некоторых астрономов, потому что они увидели в ней возможность объяснить и некоторые другие особенности Солнечной системы — например, строение Урана и Нептуна. Очень тонкие — в отличие от Сатурна и Юпитера — газовые оболочки этих планет-гигантов тоже могли быть следствием вышеупомянутого "выметания" газа на окраинах Солнечной системы под воздействием взрыва сверхновой.

Но, возможно, главное достоинство новой гипотезы состоит в том, что она указывает возможную причину возникновения жизни в Солнечной системе. Этот процесс мог быть резко облегчен, может быть, даже стимулирован взрывом близкой сверхновой звезды, который, как всегда при таких взрывах, "впрыснул" в наш протопланетный диск тяжелые химические элементы, выварившиеся в недрах будущей сверхновой. Ведь без этих тяжелых элементов жизнь не могла бы возникнуть, с этим все ученые согласны. Так что гипотеза Хестера — не столь радикальная, как теория Джинса, но все же порывающая с прежней теорией образования планетных систем из холодных газово-пылевых облаков, открывает новые пути и для поиска иных регионов космоса, где могли бы возникнуть землеподобные планеты и разумная жизнь на них.