Страница 7 из 10
Комета 67P/Чурюмова – Герасименко, около 4 км длиной от одного конца до другого, – первая комета, на орбиту вокруг которой вышел космический аппарат. Эта фотография сделана с расстояния 28 км от центра ядра, размер кадра составляет 4,6 × 4,3 км.
ESA/Rosetta/NAVCAM (CC BY-SA IGO 3.0)
Это кажется волшебством, но вся эта абракадабра тесно связана с математикой, поскольку доводит дедукцию до ее теоретически возможного предела. В науке вы следуете за математикой туда, куда она вас ведет. И очень часто – почти всегда – вы обнаруживаете, что хвост виляет собакой, иначе говоря, что именно данные о самых мелких или самых отдаленных объектах, которые только можно представить, опрокидывают устоявшиеся теории и порождают новые. Совсем как в детективных рассказах, где случайно найденная мелкая улика меняет все. Для того чтобы делать такие скрупулезные замеры, требуется невероятная техническая точность – например, умение использовать в качестве зонда пучок ионов толщиной в нанометры или улавливать свет из самых далеких уголков Вселенной[41].
Легко попасть в ловушку восприятия земной геологии как данности. Вот мы вдыхаем и выдыхаем азот, кислород и некоторое количество аргона, углекислого газа и других газов, заменяя часть O2 на CO2 в рамках нашего самого важного биологического процесса – дыхания. Кислород хорошо знаком нам в газообразном состоянии; тем не менее почти все запасы кислорода на Земле находятся в составе горных пород, где бы и оказался весь атмосферный кислород, если бы он постоянно не высвобождался из CO2 и H2O занятыми фотосинтезом растениями[42].
Половина массы силикатной оболочки Земли – всего, что окружает металлическое ядро, – приходится на кислород. Он содержится в минералах вроде оливина (Mg, Fe)2SiO4, который состоит из двух атомов магния или железа, а также одного атома кремния и четырех атомов кислорода. (В космохимии горные породы относятся к оксидам.) Рассуждая таким образом, мы должны немного углубиться в историю кислорода, но не переживайте, если не сможете чего-то понять – на самом деле ее не понимает никто.
Каждый из этих атомов был создан в ходе термоядерного синтеза в ядрах древних звезд – об этом мы более подробно поговорим через несколько глав. Тип атома определяется числом протонов в его ядре; например, атом кислорода содержит восемь протонов, вокруг которых обращаются восемь электронов (чтобы атом оставался электрически нейтральным), а также некоторое число нейтронов. В стабильном атоме кислорода может быть восемь, девять или десять нейтронов – так получаются изотопы 16O (с огромным отрывом самый распространенный), 17O и 18O, обозначаемые в соответствии с их атомной массой (суммарным количеством нейтронов и протонов). Химически все они ведут себя практически одинаково, хотя 17O и 18O несколько тяжелее и чуть более инертны в ходе реакций.
Относительное содержание изотопов незаметно, если не использовать масс-спектрометр – прибор, который определяет долю отдельных атомов в минерале[43]. Но, поскольку они имеют разную массу, изотопы кислорода отбираются и сортируются. Испарить молекулу H2O с изотопом 18О немного труднее, чем такую же молекулу с изотопом 16О. К примеру, в ледниковый период, когда испаряющаяся из океанов вода переносится на сушу и оседает в виде снега на все расширяющийся ледяной щит, получившиеся в результате ледники накапливают более легкий кислород, тогда как океаны оказываются обогащенными тяжелым кислородом. Когда в разгар ледникового периода мелкозернистые осадки и карбонаты оседают на дно такого моря, возникающие в итоге породы, в свою очередь, также обогащены тяжелым кислородом. Применив масс-спектрометрию к образцам, полученным при глубоководном бурении, любой дипломник может проследить древние климатические процессы, как на элементарном графике.
Сегодня полярные льды тают, поэтому в летописи осадочных пород нашему времени будет соответствовать более легкий кислород. Более легкая вода, попавшая когда-то в ледяную ловушку, наконец возвращается обратно в океан. Свидетельства того, что происходит на суше, в океане и в воздухе, сохранятся в будущих горных породах. Это одна из причин, по которой нам важно получить образцы ранних осадочных пород с Марса: не только для того, чтобы найти там окаменелости микроорганизмов (если они вообще есть), но и потому, что, если аккуратно отбирать пробы, эти породы могут содержать комплексную информацию об океанах и оледенении Марса в далеком прошлом. Если даже окаменелости живых организмов никогда не будут там обнаружены, характерные признаки жизни можно будет разглядеть в изотопном составе органических компонентов горных пород – аналоге той летописи, которую мы расшифровываем, чтобы узнать о жизни на Земле 4 млрд лет назад.
Земля испещрена метеоритами. Почти все они являются фрагментами околоземных объектов, которые, в свою очередь, по большей части представляют собой осколки астероидов Главного пояса и комет. Но удивительно заметная их доля попала к нам с поверхности Марса. Доказывается это так: метеориты группируются по соотношению изотопов кислорода и других элементов, соответствующему различным астероидам, сформированным в той или другой области вокруг Солнца[44]. Одна из этих групп любопытна, потому что состоит в основном из базальтовых пород. Кислород можно обнаружить в любой породе, поэтому эта группа метеоритов должна была прибыть с планетоида достаточно крупного, чтобы на нем были вулканы. Марс богат огромными вулканами и находится относительно недалеко от Земли; то же самое относится и к Луне.
Решающим аргументом в изучении того, что мы сегодня называем марсианскими метеоритами, стал точный геохимический анализ содержания благородных газов – элементов вроде аргона и ксенона, у которых полностью заполнена внешняя электронная оболочка, в результате чего они не вступают в реакции. Эти газы не создают молекул, поэтому, когда лава кристаллизуется на планете с атмосферой, а не на спутнике, они захватываются в пустоты и могут быть проанализированы спустя миллиарды лет. Таким образом, нагрев образец такой породы, мы можем получить сведения о составе атмосферы в момент ее образования. Соотношение благородных газов в этих метеоритах совпадало с составом атмосферы Марса по данным, полученным в 1970-е гг. посадочными модулями программы «Викинг».
Выяснилось, что марсианские метеориты достаточно широко распространены. Тех, что хранятся в музеях, хватило бы на целую садовую тачку, а это только находки последних веков. Оглядываясь в прошлое, как и пристало геологам, мы можем предположить, что миллиарды тонн камней, выбитых кометами и астероидами с марсианской поверхности, попали на Землю за примерно 4 млрд лет существования тут жизни. Так зачем лететь на Марс, чтобы собирать образцы, когда метеориты доставляют их нам совершенно бесплатно? Затем, что те камни, которые нам бы хотелось изучить, все еще находятся на Марсе.
Большинство марсианских метеоритов состоят из прочных поверхностных пород магматического происхождения вроде базальтов. У нас нет ни одного образца осадочных пород, которые представляли бы наибольший интерес с точки зрения биологии. Такие породы обычно непрочны и не выдерживают выброса в космос. Если они не разрушаются при первоначальном столкновении, то подвергаются термическому растрескиванию по пути к Земле[45]; если и этого не происходит, они взрываются при входе в земную атмосферу со скоростью 20 км/с. Базальты с большой вероятностью переживут все эти испытания, а вот осадочные породы – едва ли.
41
Открытие того, что невозможно ощутить, зависит от достижений физики и инженерных наук: например, от фокусировки ионного луча с точностью до нанометров или от запуска в космос гигантского телескопа. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» должен будет закрепиться в стабильной точке L2 системы Земля – Солнце, где его сегменты соединятся, чтобы сформировать зеркало диаметром 6,5 м, в три раза больше, чем у космического телескопа «Хаббл». Поскольку там не будет никакой силы тяжести, ветра или атмосферы, а температура может быть точно отрегулирована с помощью светозащиты, мы сможем забыть о главных проблемах всех гигантских оптических зеркал. Штука только в том, чтобы доставить все оборудование на место. Это может звучать странно, но оптические телескопы диаметром в несколько километров возможны, и даже вероятны. Используя флот маленьких космических аппаратов, несущих зеркала в строго определенном порядке, мы сможем выяснить скрытые от нас пока характеристики Вселенной и ее планет. Научный прогресс идет в ногу с технологиями фиксации явлений внешнего мира.
42
Основное уравнение фотосинтеза, использующего солнечный свет для производства глюкозы, выглядит так: 6CO2 + 6H2O ⇌ C6H12O6 + 6O2. Эрозия горных пород также связана с углекислым газом, который, растворяясь в воде (например, в океане), создает слабый раствор углекислоты H2CO3, разлагающей минералы до глин и карбонатов. Если бы не фотосинтез, весь свободный кислород уходил бы на создание на морском дне грязи из минералов, смываемых в океан течением рек. Так что присутствие кислорода в атмосфере планеты является указанием на наличие там фотосинтеза, хотя существуют и абиотические пути синтеза свободного кислорода.
43
Масс-спектрометр – одно из самых замечательных изобретений в истории. Основная идея состоит в том, что вы ионизируете (изымаете один электрон) атомы, придавая им единичный заряд. Затем пучок этих ионов проходит через магнитное поле и расщепляется. Чем массивнее атом, тем меньше он отклоняется при одном и том же заряде. Так что по сути вы просто взвешиваете атомы и обнаруживаете, что в некоторых из них на один или два нейтрона больше, чем в других. У большинства элементов есть один или два стабильных изотопа, то есть изотопа, которые не подвергаются радиоактивному распаду, превращаясь в другие элементы. Очень интересен элемент ксенон, у которого стабильных изотопов восемь (132Xe, 129Xe, 131Xe, 134Xe, 130Xe, 128Xe, 124Xe, 126Xe). Поскольку ксенон является благородным газом и не вступает в реакции с другими веществами, соотношение этих изотопов остается постоянным на протяжении геологической эволюции планеты и ее атмосферы, за исключением тех случаев, когда присутствует разделение их по массе. Каждый элемент и его изотопы рассказывают свои истории: ксенон говорит об атмосферах, кислород – об оксидах (горных породах и воде), гафний дает информацию о формировании ядра, а свинец – о кристаллизации.
44
О том, как возникло разнообразие в изотопном составе кислорода, идут бурные споры. Кислород Солнца на 7 % легче (более обогащен 16О) по сравнению с любым метеоритом или с горными породами на Земле, Луне и Марсе. Выходит, что некие процессы в туманности отводили более легкий кислород в значительном количестве. Возможно, это напоминало то, как при замерзании и таянии ледников легкий кислород может вытесняться и накапливаться на Земле. Эти процессы вытеснения шли в разных местах по-разному, создав различные резервуары кислорода на расстояниях орбиты Марса и орбиты Земли. По крайней мере, такова гипотеза.
45
Для полноты картины не будем упускать возможность того, что достаточно крупный фрагмент станет околоземным объектом марсианского происхождения, а затем разрушится, бомбардировав Землю марсианскими метеоритами.