Мишень в космическом тире
Однако по порядку. Уже лет 25 назад американскому астрофизику Брайану Филдсу пришла в голову мысль, как распознать, случались ли вблизи Земли вспышки сверхновых звезд. Такие вспышки, по мнению науки, бывают разных видов, но практически все эти виды сводятся к тому, что какая-то одна звезда (чаще всего белый карлик) заимствует (гравитационно вытягивает) у ближней соседки так много материала, что внутри нее, от огромной тяжести, начинается неуправляемая ядерная реакция, приводящая к ее взрыву. При этом весь или почти весь материал взорвавшейся звезды разлетается в космос с такой чудовищной скоростью (10% от скорости света), что может долететь до самых до окраин, как в любимой песне. Например, до нашей Земли.
Материал этот особенный. Это, в основном, тяжелые и сверхтяжелые элементы, которые образуются в ходе той реакции, которая взывала взрыв. В ранней вселенной таких тяжелых элементов не было, там преобладали водород, гелий, еще пара-другая самых легких. Сверхновые наполняют вселенную тяжелыми элементами, которые потом входят в состав новообразующихся звезд следующих поколений. В состав нашего Солнца, к примеру. А также самой Земли.
Среди этих элементов есть много радиоактивных с разным периодом полураспада. Скажем, уран или торий распадаются за миллиарды лет, поэтому они до сих пор еще наличествуют в земном ядре (куда спустились в силу своей тяжести). А вот радиоактивный изотоп железа с атомным весом 60 (атомный вес обычного железа - 56), полураспадается за 2.6 млн лет. И мысль, пришедшая в голову Филдсу, сводилась к тому, что стоит поискать, нет ли на Земле такого радиоактивного Fe60. Если есть, то оно не может быть земного происхождения, а если оно вошло в ее состав при образовании Солнечной системы, то должно было давно распасться, превратившись в обычное Fe56. Поэтому обнаружение Fe60 на Земле будет означать, что это результат «выстрела» сверхновой, произведенного с достаточно близкого расстояния и не очень давно.
Идея Филдса заинтересовала геофизиков. Для ее проверки были проведены два пробных бурения на дне Мирового океана (в 1999 и 2004 годах) и оба они показали, что Fe60 действительно содержится в тех слоях океанского дна, которые соответствуют последним 6 млн лет жизни Земли (один из слоев имел возраст от 0 до 2.8 млн лет, второй – от 3.7 до 5.9 млн лет). Но для убедительного доказательства космического происхождения этого железа требовались более широкие (и оттого очень трудоемкие исследования.
И вот сейчас в журнале Nature появились две статьи, в которых сообщается о том, что такие исследования были проведены, и сообщаются их результаты. В первой из этих статей (Валлнер и др.) рассказывается, что международная группа австрийских, израильских, австралийских и японских ученых произвела бурения в 120 точках на дне Мирового океана, охватив таким образом всю поверхность нашей планеты. Использовав затем ускоритель тяжелых ионов, авторы разделили все изотопы железа, найденные в этих пробах, и во всех пробах нашли следы космического Fe60. Тем самым было впервые доказано, что этот изотоп действительно обнаруживается на всей планете.
В другой статье (Брайтщвердт и др.), опубликованной в том же выпуске Nature, сообщается о проведенном независимо в Вене и в Токио определении возраста тех осадочных слоев, в которых были найдены эти следы. Полученные данные подтвердили, что этот Fe60 был занесен на Землю дважды и позволил уточнить, когда именно это происходило: один раз в период между 1.7 и 3.2 млн лет назад и второй раз – в период между 6.5 и 8.7 млн лет назад. Судя по количеству занесенного Fe60 (несколько микрограмм до его распада), оно составляло не более 3-4% от общего количества этого изотопа, которое обычно выбрасывается при взрыве типичной сверхновой. Это позволяет оценить, какую угловую величину составляла наша Солнечная система по отношению к этой сверхновой, а отсюда – прикинуть, на каком она была расстоянии от Солнца. Такая оценка дала величину около 325 световых лет.
В сопроводительном комментарии к обеим статьям ведущий американский астрофизик Мелотт указывает, что это расстояние значительно больше зоны биологической опасности (30 световых лет и ближе). Если бы взрыв сверхновой произошел внутри этой зоны, он был бы губительным для всего живого на Земле. Скорее всего, эти два следовавших друг за другом взрыва были вызваны прохождением мимо Солнечной системы какого-то звездного скопления, в котором как раз происходил процесс активного образования сверхновых.
Можно думать, что за прошедшее время эта скопление уже ушло из нашего соседства. Что не исключает, разумеется, случайной вспышки какой-нибудь сверхновой в другом соседнем с нами участке космоса. И не приведи господь, если в более близком. Хотя и последствиями взрыва на расстоянии 300 с лишним световых лет тоже пренебрегать нельзя, - пишет Мелотт. Оно вполне могло иметь биологические последствия для всей Земли, и теперь задача биологов – сравнить полученные геофизиками даты с историей жизни на Земле, чтобы попытаться выяснить не было ли в эти периоды времени каких-либо биологических катастроф и каких именно.
И, кстати, о гамма-вспышках
Как интересно, как неожиданно пересекаются порой линии научного поиска! Журнал Physical Review Letters принес свежий тому пример. В его недавнем выпуске была опубликована статья группы ученых (Цви Пиран из Тель-Авивского университета, Рауль Хименес из Барселонского, Фергус Симпсон из Эдинбургского и некоторые другие), посвященная анализу т.н. гамма-вспышек. Эта тема объединяет всех авторов статьи, которые уже многие годы изучают эту космическую загадку.
Пожалуй, наиболее важный вклад в это изучение внес профессор Пиран. Гамма-вспышки, открытые в 1967 году, представляют собой чудовищной мощности выбросы жесткого гамма-излучения, продолжающиеся от нескольких миллисекунд до (много реже) нескольких часов, и за это время суммарная энергия такой вспышки может сравниться с энергией, которую Солнце выбросит за все 20 млрд лет своей жизни. Долгое время считалось, что эти вспышки происходят в пределах нашей галактики, и профессор Пиран был первым, кто выдвинул гипотезу о их космическом происхождении, ныне доказанном.
Доказана и вторая гипотеза Пирана, по которой гамма-вспышка – результат слияния двух супермассивных нейтронных звезд в гигантскую черную дыру. В нынешней работе Пиран и его коллеги сосредоточились на вопросе о связи гамма-вспышек с вероятностью жизни в космосе. В самом деле, понятно, что всякая такая вспышка, произойди она вблизи Земли, уничтожила бы на ней все живое. (Некоторые ученые считают, что Ордовикское вымирание 85-ти процентов живых видов, произошедшее 440 млн лет назад, было вызвано именно гамма-вспышкой.
Как тут не вспомнить опять о «космическом тире» и стрельбе по мишеням?!). И это относится к любой планете, где могла бы возникнуть жизнь. Выходит, - говорят авторы статьи, - для существования жизни во вселенной (а она существует, достаточно глянуть в зеркало), нужно, чтобы возможные источники гамма-вспышек были бы достаточно далеки от таких планет; а так как и эти планеты, и эти источники могут находиться в любом месте космоса, это означает, что звездные острова во вселенной должны быть достаточно удалены друг от друга.
И, дойдя до этого, рассуждения Пирана и его коллег неожиданно пересеклись с совершенно далеким, казалось бы, вопросом о размере т.н. «космологической постоянной». Это понятие ввел лет 100 назад Эйнштейн, когда, создав общую теорию тяготения, пространства и времени, попытался применить ее ко вселенной в целом. (Какие громадные все-таки замахи у этой разумной земной пылинки – вселенная в целом!). Он сразу же столкнулся с вопросом: почему вселенная не схлопывается под влиянием притяжения всех звезд друг к другу. Подумав, он постулировал существование какого-то поля, которое «распирает» вселенную и не дает ей стянуться в точку. Характеристику силы этого поля он и назвал космологической постоянной.
Позже это эйнштейново поле дезавуировали, объяснив «распирание» вселенной Большим взрывом, но не так давно идея Эйнштейна воскресла в виде поля т.н. «темной» энергии, о которой пока никто не знает, что это такое (почему ее и назвали «темной»). Понятно, что сила этого поля не может быть очень большой, иначе вещество вселенной после Большого взрыва разлеталось бы так быстро, что звезды и галактики не успели бы сформироваться; теоретики давно уже указали верхний предел этой воскресшей космологической постоянной: 10 в минус 120-й степени.
Но критерия для нижней границы, т.е. для малости, никто не мог указать. И вот теперь Пиран сотоварищи подметили, что если бы эта постоянная была слишком мала, вселенная расширялась бы так медленно, что в ней и сейчас еще источники гамма-вспышек были слишком близки к планетам около звезд второго поколения, типа нашего Солнца (т.е. родившихся из вещества, выброшенного сверхновыми звездами), и жизнь в такой вселенной была бы невозможна. Но она возможна - стоит, как я уже говорил, глянуть в зеркало. И это, по расчетам Пирана и его коллег, налагает ограничения на нижний предел космологической постоянной – она не может быть меньше 10 в минус 124—й степени.
Вот так. Изучали гамма-вспышки, а пришли к космологической постоянной. Говорили о жизни и смерти, а пришли к судьбам вселенной. А связь-то очевидна - в точке пересечения стоит человеческий разум.
Рафаил Нудельман
«Окна»,18.8.2016