Как взрыв звезды мог сформировать жизнь на Земле.
Джулия Розен
В феврале 1987 года Нил Герельс, молодой исследователь из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, сел в военный самолет, направлявшийся в австралийскую глубинку. Герельс нес необычный груз: полиэтиленовый космический шар и набор детекторов излучения, которые он только что закончил собирать в лаборатории. Он торопился добраться до Алис-Спрингс, отдаленного форпоста на Северной территории, где он запустит эти инструменты высоко над атмосферой Земли, чтобы увидеть самое захватывающее событие на нашем шее космоса: взорвавшуюся сверхновую. ближайших галактик-спутников Млечного Пути.
Как и многие сверхновые звезды, SN 1987A объявила о резком коллапсе массивной звезды. Его отличала близость к Земле; это был ближайший звездный катаклизм с тех пор, как Иоганн Кеплер заметил один в нашей собственной галактике Млечный Путь в 1604 году. С тех пор ученые придумали много вопросов, для ответа на которые потребуется место в первом ряду перед другой сверхновой. Это были такие вопросы: насколько близко должна быть сверхновая, чтобы разрушить жизнь на Земле?
Еще в 1970-х годах исследователи выдвинули гипотезу, что излучение ближайшей сверхновой может уничтожить озоновый слой, подвергая растения и животных вредному ультрафиолетовому излучению и, возможно, вызвать массовое вымирание. Вооружившись новыми данными SN 1987A, Герельс теперь мог рассчитать теоретический радиус гибели, внутри которого сверхновая будет иметь тяжелые последствия, и как часто умирающие звезды могут отклоняться от него.
Чтобы понять, как сверхновые влияют на жизнь, ученым нужно было связать время их взрывов с ключевыми событиями на Земле, такими как массовые вымирания или эволюционные скачки.
«Суть в том, что сверхновая будет достаточно близко к Земле, чтобы резко повлиять на озоновый слой примерно раз в миллиард лет», - говорит Герельс, который до сих пор работает в Годдарде. Он признает, что это не так часто, и сегодня по Солнечной системе не бродят никакие угрожающие звезды. Но Земля существует 4,6 миллиарда лет, а жизнь - примерно половину этого времени, а это значит, что велика вероятность того, что когда-то в прошлом планету взорвала сверхновая. Проблема в том, чтобы выяснить, когда. Поскольку сверхновые в основном влияют на атмосферу, трудно найти дымящийся пистолет », - говорит Герельс.
Астрономы исследовали окружающий космос в поисках ключей к разгадке, но наиболее убедительные доказательства существования поблизости сверхновой звезды прибывают, как это ни парадоксально, со дна моря. Здесь тусклое и асфальтово-черное минеральное образование, называемое железомарганцевой коркой, растет на голой скале подводных гор - непостижимо медленно. В своих тонких слоистых слоях он записывает историю планеты Земля и, по мнению некоторых, является первым прямым свидетельством близлежащей сверхновой.
Подобные сведения о древних космических взрывах чрезвычайно ценны для ученых, которые подозревают, что сверхновые звезды могли сыграть малоизвестную роль в формировании эволюции жизни на Земле. «На самом деле это могло быть частью истории о том, как протекала жизнь, и о пращах и стрелах, от которых ей приходилось уклоняться», - говорит Брайан Филдс, астроном из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Но чтобы понять, как сверхновые влияют на жизнь, ученым нужно было связать время их взрывов с ключевыми событиями на Земле, такими как массовые вымирания или эволюционные скачки. Единственный способ сделать это - отследить оставленные ими на Земле обломки, найдя на нашей планете элементы, которые в основном слиты внутри сверхновых звезд.
Филдс и его коллеги назвали несколько таких элементов, созданных сверхновыми, - в основном редкие радиоактивные металлы, которые медленно распадаются, что делает их присутствие верным признаком истекшей звезды. Одним из наиболее многообещающих кандидатов был Fe-60, тяжелый изотоп железа с количеством нейтронов на четыре больше, чем у обычного изотопа, и периодом полураспада 2,6 миллиона лет. Но найти атомы Fe-60, разбросанные по поверхности Земли, было непростой задачей. Филдс подсчитал, что только очень небольшое количество Fe-60 действительно достигло нашей планеты, а на суше оно было бы разбавлено природным железом или подверглось эрозии и смыванию за миллионы лет.
Рост корок - один из самых медленных процессов, известных науке: они увеличиваются примерно на пять миллиметров каждые миллион лет.
Поэтому ученые вместо этого посмотрели на дно моря, где они обнаружили атомы Fe-60 в железомарганцевых корках, которые представляют собой породы, которые немного похожи на сталагмиты: они выпадают из жидкости, добавляя последовательные слои, за исключением того, что они состоят из металлов и образуют обширные одеяла вместо отдельных шпилей. Состоящие в основном из оксидов железа и марганца, они также содержат небольшие количества почти всех металлов периодической таблицы, от кобальта до иттрия.
Когда ионы железа, марганца и других металлов смываются в море с суши или фонтанируют из подводных вулканических жерл, они вступают в реакцию с кислородом морской воды, образуя твердые вещества, которые осаждаются на дне океана или плавают вокруг, пока не приклеятся к существующим коркам. Джеймс Хейн из Геологической службы США, который изучал корки более 30 лет, говорит, что остается загадкой, как именно они закрепляются на каменистых участках морского дна, но как только первый слой накапливается, накапливаются новые слои - до 25 сантиметры толщиной.
Это позволяет коркам служить космическими историками, которые ведут записи химического состава морской воды, включая элементы, которые служат метками времени умирающих звезд. Одна из самых старых корок, выловленная Хейном к юго-западу от Гавайев в 1980-х годах, насчитывает более 70 миллионов лет, когда динозавры бродили по планете, а Индийский субконтинент был всего лишь островом в океане на полпути между Антарктидой и Азией.
Рост корок - один из самых медленных процессов, известных науке: они увеличиваются примерно на пять миллиметров каждые миллион лет. Для сравнения, ногти человека растут примерно в 7 миллионов раз быстрее. Причина тому - простая математика. На каждый миллиард молекул воды в океане приходится менее одного атома железа или марганца - и тогда они должны противостоять притяжению проходящих течений и силе других химических взаимодействий, которые могут высвободить их, пока они не попадут в ловушку следующего слоя.
Однако, в отличие от медленно растущих корок, взрывы сверхновых происходят почти мгновенно. Самый распространенный тип сверхновой возникает, когда у звезды заканчивается водород и гелиевое топливо, в результате чего ее ядро сжигает более тяжелые элементы, пока в конечном итоге не образуется железо. Этот процесс может занять миллионы лет, но последние мгновения жизни звезды занимают всего миллисекунды. По мере того, как тяжелые элементы накапливаются в ядре, оно становится нестабильным и взрывается, втягивая внешние слои внутрь со скоростью четверти скорости света. Но плотность частиц в ядре вскоре отталкивает имплозию, вызывая мощный взрыв, который выбрасывает в космос облако звездных обломков, включая изотопы Fe-60, некоторые из которых в конечном итоге находят свое пристанище в железомарганцевых корках.
Первыми, кто искал Fe-60 в этих корках, были Клаус Кни, физик-экспериментатор из Технического университета Мюнхена, и его сотрудники. Команда Кни не изучала ни сверхновых звезд, ни корок - они разрабатывали методы измерения редких изотопов различных элементов, включая Fe-60. После того, как другой ученый измерил изотоп бериллия, который можно использовать для датировки слоев корок, Кни решил исследовать тот же образец на Fe-60, который, как он знал, был произведен в сверхновых. «Мы - часть Вселенной, и у нас есть шанс удержать« астрофизическую »материю в своих руках, если мы посмотрим в правильные места», - говорит Кни, который сейчас работает в Центре исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца.
Новый инструмент Кни дает ученым возможность датировать другие, возможно, более древние сверхновые звезды, которые могли пролететь вблизи Земли, и изучить их влияние на нашу планету.
Кора, также оторванная от морского дна недалеко от Гавайев, оказалась подходящим местом: Кни и его коллеги обнаружили всплеск Fe-60 в слоях, возраст которых составляет около 2,8 миллиона лет, что, по их словам, сигнализировало о смерти человека. ближайшая звезда примерно в то время. Открытие Кни было важно по нескольким причинам. Это стало первым свидетельством того, что здесь, на Земле, можно найти обломки сверхновой, и точно определило приблизительное время последнего взрыва ближайшей сверхновой (если бы это был более свежий взрыв, Кни нашел бы более свежие всплески Fe-60). Но это также позволило Кни предложить интересную эволюционную теорию.
Основываясь на концентрации Fe-60 в коре, Кни подсчитал, что сверхновая взорвалась на расстоянии не менее 100 световых лет от Земли - в три раза больше расстояния, на котором она могла бы стереть озоновый слой, - но достаточно близко, чтобы потенциально изменить образование облаков. , а значит, и климат. Хотя 2,8 миллиона лет назад не было событий массового вымирания, некоторые резкие изменения климата все же произошли - и они, возможно, дали толчок эволюции человека. Примерно в то же время климат в Африке иссяк, в результате чего леса сократились и уступили место травянистой саванне. Ученые считают, что это изменение могло воодушевить наших предков-гоминидов, когда они спустились с деревьев и в конце концов начали ходить на двух ногах.
Эта идея, как и любая молодая теория, до сих пор остается спекулятивной и имеет своих противников. Некоторые ученые считают, что Fe-60, возможно, был доставлен на Землю метеоритами, а другие считают, что эти изменения климата можно объяснить снижением концентрации парниковых газов или закрытием океанских ворот между Северной и Южной Америкой. Но новый инструмент Кни дает ученым возможность датировать другие, возможно, более древние сверхновые звезды, которые могли пролететь в окрестностях Земли, и изучить их влияние на нашу планету. Примечательно, что мы можем использовать эти тусклые, медленно растущие камни для изучения ярких и быстрых явлений звездных взрывов, - говорит Филдс. И им есть что рассказать.