Издательство «Бомбора» представляет книгу Тима Грегори «Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир».
Метеориты издавна считались посланиями от богов, их огненные останки вдохновляют на поклонение и порождают легенды, которые существуют на протяжении тысячелетий. Но, помимо преданий, метеориты рассказывают еще большую историю: историю нашей Солнечной системы. Геолог Тим Грегори показывает, что под обугленными корками этих небесных камней лежит ошеломляющее разнообразие типов горных пород. Их уникальные составляющие, яркие цвета и резкие запахи содержат захватывающие истории о межзвездных облаках, конденсирующейся звездной пыли и огненных столкновениях целых миров.
Предлагаем прочитать начало одной из глав книги.
Не от мира сего, не от мира того
В 2005 году, после того как на протяжении 324 марсианских дней марсоход NASA Opportunity объезжал просторы Красной планеты, он наткнулся на особенный камень. Тот резко отличался от обычных для марсианского рельефа шероховатых оранжевых булыжников своей как будто отполированной внешней поверхностью и множеством желобков на ней. Желобки эти очень напоминали регмаглипты, которыми покрыты метеориты у нас на Земле. Химический анализ показал, что странный камень почти целиком состоит из железа и никеля. Это был кусок металла, свалившийся с марсианского неба, — железный метеорит.
Как это принято для метеоритов, найденных на Земле, кусок астероидной «шрапнели» был назван по месту своего обнаружения: метеорит Теплоизоляционный Щит (Heat Shield Rock). Дело в том, что он валялся рядом с обломком теплоизолирующего обтекателя, предохранявшего марсоход Opportunity во время спуска на марсианскую поверхность почти за год до этого. На Красной планете нет защищающей ее плотной атмосферы — метеориты почти беспрепятственно попадают на марсианскую поверхность, а после падения долго не ржавеют. К тому же в безводной пустыне, покрывающей всю планету, метеориты не страдают от разрушительного воздействия дождей. С того времени марсоходы обнаружили на поверхности Марса еще девять метеоритов.
Оказалось, метеориты встречаются не только на Земле.
В конце 1970-х всё еще было общепринятым мнение, что все метеориты произошли от астероидов. Аллан Хиллс 81005 — первый метеорит, отождествленный как фрагмент лунной поверхности, — был найден на Восточно-антарктическом ледяном щите только в 1982 году. Казалось невозможным, чтобы камень мог быть выброшен с поверхности крупного космического тела, такого как Луна или планета, и при этом избежал полного разрушения. Ведь, без сомнения, камни неспособны выдержать ускорений, необходимых для того, чтобы преодолеть притяжение столь сильных гравитационных полей.
Тем временем космохимики были на пути к систематизации метеоритов: разделения их на большие группы на основе геологического сходства. Эти схемы тоже базировались на гипотезе о том, что каждый метеорит произошел от малой планеты в поясе астероидов. Все метеориты, согласно этой гипотезе, должны представлять собой «шрапнель» — осколки столкнувшихся астероидов. И вдруг откуда ни возьмись появился метеорит, который упрямо отказывался укладываться в эту астероидную схему.
По мере того как геологические характеристики и записанные в метеоритах истории их рождения и жизни раскрывались на всё более глубоком и фундаментальном уровне, появилось некоторое количество необъяснимых наблюдений. Теория явно что-то упускала из вида. Некоторые метеориты обнаруживали признаки происхождения от небесного тела гораздо более крупного, чем любой объект пояса астероидов. Особенно выделялись три группы таких странных метеоритов.
Три странных камня
Метеорит, относящийся к одной из этих необычных групп, потревожил буйную поросль осенних французских виноградников провинции Шампань-Арденны в 1815 году. С мушкетным грохотом он обрушился сверху. На безоблачном утреннем небе не появилось болида, но один винодел, встревоженный громом, заметил твердый объект, который падал с неба и приземлился неподалеку. Винодел подошел к образовавшейся ямке и нашел в ней камень. Новость мигом разнеслась среди местных жителей. Прибежавшие из близлежащей деревни Шассиньи крестьяне нашли и другие обломки небесного камня — каждый был покрыт черной коркой. Всего набралось килограмма четыре странного вида осколков, а сам метеорит по традиции получил впоследствии название Шассиньи.
Второй необычный метеорит упал на северо-востоке Индии ясным августовским утром 1865 года. Сенсационная новость была отмечена в калькуттской Calcutta Gazette: «С неба с оглушительным громом упал камень, который ушел в землю на полметра». Крестьяне, возделывавшие свои посевы, заметили место падения камня и, как и французские виноделы за пятьдесят лет до этого, бросились собирать обломки. Через несколько минут после входа в верхние слои атмосферы Земли камень оказался в руках любопытных очевидцев его падения. Пятикилограммовый метеорит получил имя «Шерготти» по названию деревни, рядом с которой он упал.
28 июня 1911 года каменный град обрушился на египетскую деревню Эль Нахла эль Бахария, в сорока пяти километрах к востоку от древнего города Александрия. За падающим метеоритом по небу протянулся белый дымовой шлейф. Над деревнями, рассыпанными по дельте Нила, прогремели страшные взрывы. Местные жители сначала были напуганы разворачивавшимися в небесах событиями, но быстро пришли в себя и стали собирать куски упавшего камня; некоторые фрагменты метеорита погрузились в землю на глубину вытянутой руки. Было собрано больше сорока осколков общим весом более десяти килограммов. Большинство камней было покрыто очень ярко блестящей черной корой плавления , что только разожгло всеобщее любопытство. Метеорит назвали «Нахла»1.
Несмотря на то что три описанных метеорита упали на трех разных континентах в пределах примерно ста лет, рассказы об этих событиях отличаются удивительным сходством. И в Шерготти, и в Нахла, и в Шассиньи очевидцы были сначала поражены или даже испуганы, но их страх быстро уступил место любопытству и восторгу. И хотя каждый из трех метеоритов чем-то отличался от остальных, у них была одна общая особенность: все они оказались камнями магматического происхождения, образовавшимися вследствие кристаллизации некогда расплавленной породы. Когда изготовленные из этих метеоритов шлифы попали под объектив петрологического микроскопа, в каждом обнаружился разноцветный калейдоскоп переплетающихся магматических минералов.
Они оказались химически подобными друг другу. По мере того как на протяжении последовавшего столетия все больше метеоритов попадало в руки космохимиков, среди них находили и другие камни, похожие на Шерготти, Нахла и Шассиньи. Таким образом, к системе классификации метеоритов добавились три новые группы, объединенные геологическим сходством. По названиям первых обнаруженных представителей этих групп — Шерготти , Нахла и Шассиньи — относимые к ним метеориты стали называться «шерготтитами», «нахлитами» и «шассиньитами».
Ясно было, что эти три группы каким-то образом связаны, и большинство космохимиков склонялось к тому, что они произошли от одного и того же небесного тела. Больше того, росла уверенность в том, это родительское тело было гораздо крупнее любого известного астероида. Поэтому три новые группы метеоритов были объединены в семейство, которое стали называть «кланом SNC».
Шерготтиты, нахлиты и шассиньиты
Шерготтиты образовались после того, как магма выплеснулась на поверхность небесного тела и покрыла ее толстым ковром расплавленного камня. Когда светящаяся от жара лава остыла, она кристаллизовалась и превратилась в магматическую породу, знакомую нам по Земле, Луне и некоторым астероидам: базальт. Под микроскопом многие шерготтиты практически неотличимы от фрагментов остывших лавовых потоков с Гавайев и из Исландии. В какой-то момент их истории Шерготти и остальные шерготтиты были выбиты, вышвырнуты с поверхности их родительского тела ударом огромной энергии — вероятно, столкновением с малым астероидом. Ударные волны прошли сквозь базальт и оставили за собой переплетенную сеть трещин и расплавленных лавовых прожилок, которые быстро остывали, образуя стекло.
Нахлиты почти целиком состоят из больших кристаллов магматического минерала клинопироксена. Эти кристаллы рассказывают нам историю медленно остывающей магмы, которая, в отличие от образовавшихся на поверхности шерготтитов, кристаллизовалась в подповерхностных слоях, изолированная покрывавшим ее сверху камнем. Вероятно, нахлиты сформировались в основании этого толстого слоя подповерхностной магмы: большие клинопироксеновые кристаллы тонули в магме и накапливались в основании магматического пояса, и чем больше приходило сверху кристаллов, тем толще становилась их груда. В конце концов весь объем подпочвенной магмы застывал вместе с заключенным в его основании плотным скоплением кристаллов. Там клинопироксеновые кристаллы и оставались, пока не были освобождены из своей «могилы» колоссальной силы ударом из космоса. Но их «эксгумация», вероятно, совершалась достаточно мягко — на них не видно практически никаких следов удара.
Хотя шассиньиты сформировались при сходных обстоятельствах, они представляют собой совершенно иной тип магматической породы. Это исключительно редкий и ценный вид метеоритов. Нам известно всего три шассиньита — тот, что упал на французский виноградник, и еще два, упавших в африканских пустынях. Шассиньи, единственный из них упавший при свидетелях, не пострадал от прихотей земной погоды и воздействия богатой кислородом атмосферы, и поэтому сохранил бледный перидотно-зеленый цвет своего почти чисто оливинового минерального состава. Оливин, из которого он состоит, когда-то прошел сверху вниз сквозь подпочвенную полость медленно остывающей магмы, образуя в ее основании слой взаимопроникающих зеленых кристаллов. После того как мощный удар освободил их из подземной тюрьмы и выбросил на поверхность, шассиньиты были смяты огромным давлением и деформированы ударными волнами, покоробившими и изломавшими часть оливиновых кристаллов.
Однако метеориты всех трех групп содержат и вещество, которое обычно не ассоциируется с камнями, кристаллизующимися из расплавленной магмы: воду. Многие метеориты клана SNC начинены кристаллами, осажденными из богатых солями и минералами водных растворов.
Когда вода циркулировала сквозь вещество этих камней и просачивалась в промежутки, разделяющие магматические кристаллы, она оставляла на своем пути минералы, знакомые геологам, специализирующимся на изучении пород, которые испытали воздействие воды: карбонатов, глинозема и солей. Это наблюдение привело к предположению, что SNC метеориты образовались на небесном теле, отличающемся не только мощной магматической активностью, но и свободно текущей водой.
Решив проникнуть в эту проблему глубже, космохимики из Чикагского университета измерили состав смеси изотопов кислорода в образцах SNC-метеоритов. Это была та же группа специалистов, которая примерно десятью годами раньше открыла экзотический изотопный состав кислорода в CAI . Их квалификация не имела себе равных; даже по сегодняшним стандартам полученные ими данные остаются впечатляющими. Ученые установили, что метеориты всех трех групп клана SNC отличаются одинаковым дефицитом самого легкого изотопа кислорода, 16O. Это было несомненным доказательством происхождения всего клана SNC от одного и того же небесного тела.
Более того, когда параметры изотопных смесей были нанесены на диаграмму отношений кислородных изотопов, все SNC улеглись на одну прямую с наклоном ½. Эта прямая оказалась в точности параллельна линии земного фракционирования — прямой, на которую укладывается весь земной кислород, образовавшийся в результате химических, геологических, биологических и физических процессов на протяжении геологического времени. Прямая, на которую улеглись все отношения изотопов кислорода в метеоритах клана SNC, была названа «линией фракционирования SNC».
Так кислород помог выявить у SNC-метеоритов общий родительский мир — мир, который оказался геологически зрелым и сложным образованием. Где бы ни возникли SNC, в этом мире должны были протекать обширные геологические процессы, заставлявшие кислород укладываться на прямую с наклоном ½. Это был мир с геологической историей, гораздо более богатой и сложной, чем относительно простая история магматических астероидов. У них, остывших после расплавления всего за несколько миллионов лет, просто не было времени для того, чтобы обеспечить для кислорода длинные прямые фракционирования.
Изотопы дают ответ
Как часто случается в космохимии, именно изотопы обеспечили дальнейшее продвижение в решении задачи. Одна из отличительных особенностей метеоритов — их древность: ведь только на астероидах, малых родительских телах метеоритов, существовали условия для сохранения пород, сформировавшихся в первые несколько миллионов лет истории Солнечной системы. Все существующие внутри метеоритов природные атомные часы, которые равномерно отсчитывают темп идущего с постоянной скоростью распада радиоактивных изотопов и образования новых элементов, показывают одно и то же время: около 4,6 миллиарда лет. CAI, хондры, эвкриты и диогениты, железные метеориты и остальные группы вулканических пород, возникшие на прошедших дифференциацию астероидах, — все они выкристаллизовались на заре истории Солнечной системы.
Есть лишь одно очевидное объяснение того, что какой-нибудь метеорит по своим внутренним часам может оказаться моложе, — эти часы были «переведены» в результате сильного ударного воздействия. Но такие удары обычно оставляют характерные следы разрушений в структуре каменной породы. И поэтому то, что некоторые SNC-метеориты кажутся геологически молодыми, но при этом не показывают никаких видимых следов ударных воздействий, ставит исследователей в тупик. Нахла, например, образец почти чисто магматической породы, кристаллизовавшейся из родительских магм около 1,3 миллиарда лет назад. Это по метеоритным стандартам юношеский возраст. Астероиды образовались 4,6 миллиарда лет назад! Но некоторые SNC поразительным образом оказываются на три миллиарда лет моложе. Это дает и верхнюю границу датировки эпохи, в которую в родительском мире SNC, возможно, было свободное протекание воды.
Получается, что шерготтиты, нахлиты и шассиньиты образовались где-то в Солнечной системе — исключая, конечно, Землю, — где в геологически недавнюю эпоху существовала магматическая и гидротермическая активность. В вулканически активном мире! В присутствии воды! Поэтому астероиды решительно не годились на роль их возможной родины. Число потенциальных материнских тел, где могли появиться SNC-метеориты, сократилось с миллиона с лишним до четырех: Меркурия, Венеры, спутника Юпитера Ио и Марса.
Процесс исключения
Поверхность Меркурия целиком состоит из магматической породы, похожей на земные базальты. С орбиты удалось сфотографировать на Меркурии множество вулканических жерл, а местами и языки застывшей лавы, залившей обширные меркурианские равнины. Это почти во всех отношениях мир, сформированный вулканизмом. Но при этом Меркурий усеян бесчисленными ударными кратерами, присутствие которых показывает, что, как и Луна, он уже миллиарды лет остается геологически мертвой планетой. Если бы Меркурий был вулканически активен в недавнем геологическом прошлом, многие из этих кратеров были бы заполнены лавой, что сделало бы их невидимыми с околомеркурианской орбиты. Поверхность Меркурия очень древняя, его базальты слишком стары, чтобы быть источником относительно юных SNC-метеоритов. Кроме того, любой камень, выброшенный с поверхности Меркурия, был бы, скорее всего, захвачен мощным гравитационным полем Солнца и вскоре нашел бы огненную гибель2; выбросить камень с Меркурия вглубь Солнечной системы, в сторону Земли, невероятно трудно.
Итак, Меркурий отпадает. Остаются Венера, Ио и Марс.
Венера, как и Меркурий, — вулканический мир, поверхность которого почти целиком состоит из кристаллического базальта. Но, в отличие от Меркурия, Венера в целом лишена ударных кратеров, что свидетельствует о реструктурировании ее поверхности свежей лавой в относительно недавнем геологическом прошлом — возможно, около одного миллиарда или полумиллиарда лет назад. Это примерно, хотя и не идеально, соответствует возрасту кристаллизации SNC-метеоритов.
Однако плотная, мощная атмосфера Венеры, состоящая из углекислого газа, так густа, что до поверхности планеты могли бы долететь и нанести удар только очень большие тела. Причем это защитное покрывало планеты действует в обе стороны и не дает камням не только упасть на ее поверхность, но и вылететь с нее наружу. Даже если мощным ударом камень будет выброшен с венерианской поверхности с гиперзвуковой скоростью, он полностью затормозится атмосферой, еще не вылетев за пределы облачного покрова. Вышвырнуть камень с поверхности Венеры практически невозможно. Кроме того, эта планета полностью безводна — трудно объяснить, как здесь могли бы образоваться сформированные водой минералы, характерные для клана SNC.
Венера исключается. Остаются Ио и Марс.
В 1979 году космический зонд NASA Voyager 1 открыл самое вулканически активное тело в Солнечной системе. Им оказалась одна из гигантских лун Юпитера — Ио. Никому не могло прийти в голову, что спутник планеты может оказаться столь странным миром. Сотни вулканов, из которых более 150 активны и сейчас, извергали реки расплавленной породы и гигантские столбы пепла и дыма, превращающиеся на небе Ио в облака протяженностью в сотни километров. Ио — это постоянно действующий ад. Поверхность планеты, непрерывно покрывающаяся все новыми слоями магматической породы, полностью лишена ударных кратеров — как только они образуются, их тут же заливает лава.
На первый взгляд, Ио — подходящий кандидат на роль родительского тела SNC-метеоритов. У нас есть фото вулканических факелов, вырывающихся из-под ее поверхности в пространство. Вполне разумно предположить, что эти устремляющиеся вверх колонны газа и пепла могут уносить с собой и камни. И даже если забыть о вулканах, удар от столкновения и с маленьким астероидом может в отсутствие атмосферы выбросить камни с поверхности Ио в космос. Но любой камень, вылетевший с поверхности Ио, будет немедленно проглочен Юпитером с его колоссальным гравитационным полем. Бродячие камни с Ио наглухо заперты в системе юпитерианских спутников. Последний гвоздь в гроб гипотезы о том, что SNC-метеориты родились на Ио, будет вбит, если вспомнить о крайней безводности этой «галилеевой луны» — одного из самых сухих тел в Солнечной системе, на поверхности которого не заметно ни малейших следов воды.
Ио исключается. Остается только одна возможность.
Кипение идей и гипотез в космохимическом сообществе привело в конце концов к тому, что в начале 1980-х несколько групп исследователей по всему миру остановились на одной из них, казалось бы, невозможной: шерготтиты, нахлиты и шассиньиты прилетели с Марса.
Марс выглядел подходящим кандидатом во всех отношениях. Магматическая природа камней; следы существовавших в прошлом потоков воды (русла древних рек на Марсе сфотографированы с орбиты); недавние сроки кристаллизации всех трех групп метеоритов — все указывает, что они образовались на большой и в недавнем прошлом активной планете. И все-таки идея выглядела невероятной, и далеко не все ее признали.
Дело в том, что к тому времени не было обнаружено ни одного метеорита, который образовался бы на каком-либо другом небесном теле, помимо астероида. Правда, это изменилось в 1982 году, когда метеорит Аллан Хиллс 81005 был однозначно «привязан» к лунной поверхности в результате сравнения с образцами лунного грунта, доставленными астронавтами с Apollo. Аллан Хиллс 81005 доказал, что камни могут уцелеть при выбрасывании с поверхности больших родительских тел.
И всё же приходилось признать, что доказательства марсианского происхождения SNC-метеоритов были хоть и убедительными, но лишь косвенными. Логическая цепочка, приводившая к этому выводу, напоминала скорее построения Шерлока Холмса, чем привычные ученым соображения, связанные с химией или изотопами. Ведь, что ни говори, ни один марсианский камень не был проанализирован в химических лабораториях Земли — прямое сравнение было невозможно.
Однако химический анализ марсианского грунта в конце концов был выполнен — в марсианских, а не в земных лабораториях. Это были лаборатории марсоходов.
1. Среди космохимиков ходит легенда, что одним из обломков метеорита Нахла убило собаку. Правда это или нет, проверить уже невозможно — надеюсь, это выдумка.
2. Компьютерное моделирование, однако же, показывает, что камень, выброшенный ударом с поверхности Меркурия , выбраться из глубокого солнечного гравитационного колодца все-таки может. И некоторые из таких камней могут быть захвачены притяжением Земли. Правда, ни один метеорит не отождествлен как меркурианский. Пока…