Ядерная космохимия

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Даже не будучи специалистом в астрономии, нетрудно вообразить, сколь велика энергия всего видимого вещества в нашей Галактике. Но оказывается, примерно столько же энергии накоплено в невидимых глазу космических лучах. Частицами высоких энергий заполнено буквально все пространство Галактики. И, являясь свидетелями грандиозных процессов рождения звездных систем, взрывов Сверхновых и многих других явлений, они в то же время и сами активно влияют на характер физических условий в различных уголках космоса.

Изучение космических лучей было и остается одной из главных научных задач, решать которые помогает космонавтика. Но, оказывается, многое из того, что исследуется с помощью дальних космических кораблей, можно делать, изучая метеориты.

Дело в том, что все тела Солнечной системы непрерывно облучаются потоками галактических космических лучей. Да и само Солнце, наряду с солнечным ветром, в периоды интенсивных солнечных вспышек также испускает частицы высоких энергий.

Такое облучение космического вещества, хотя и меняется по величине со временем, имело место всегда, с самого начала существования Солнца и планет, и даже протопланетной туманности. Следы этого облучения несет на себе химический и изотопный состав вещества, скажем, на поверхности Луны и других безатмосферных планет, на малых планетах-астероидах и в метеоритах, насквозь пронизываемых быстрыми частицами. Зная, как, в какую сторону и на сколько меняется изотопный состав элементов в зависимости от энергии частиц, интенсивности и времени облучения, можно воссоздать физические условия, в которых находилось то или иное космическое тело.

В частности, по изотопному составу метеоритов можно определять, какова, например, была интенсивность космических лучей в Солнечной системе два года назад. Или, скажем, за миллион лет до нашей эры!

Но прежде чем это стало возможным, необходимо было узнать, как именно меняется изотопный состав элементов под влиянием различных типов облучения. Какие изотопы и с какой скоростью накапливаются или разрушаются в веществе в зависимости от сорта, энергии, количества частиц, бомбардирующих его? Другими словами, составить программу поведения вещества на все возможные случаи его космической жизни.

С этой целью много лет ученые занимались моделированием ядерных процессов, протекающих в космических телах под действием частиц высоких энергий. Начали с того, что стали облучать мишени самого разного химического состава частицами, ускоренными на синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В основном, изучали реакции на протонах, потому что космические лучи на 85 процентов состоят именно из протонов, которые и играют главную роль в таких процессах.

Собрав обширный фактический материал, полученный из экспериментов на ускорителях в ЦЕРНе (Швейцария), и дополнив его литературными данными, которые как-то относятся к изученным явлениям, ученые создали универсальную модель процессов, происходящих в космических телах под действием излучения.

К тому времени, когда начались изучаться ядерные процессы в космических телах стали появляться работы, в которых сообщалось об аномальном изотопном составе различных элементов в веществе метеоритов. Например, отношение гелия-3 к гелию-4 по сравнению с подобной величиной на Земле в метеоритах оказывалось в миллионы раз больше. Повышенное содержание наблюдалось практически для всех изотопов с малой распространенностью в метеоритном веществе.

Примечательно, что выдающийся украинский ученый академик В. И. Вернадский еще в 1934 году после открытия космических лучей предположил, что изотопный состав небесных тел под действием высокоэнергичных частиц должен претерпевать изменение.

И вот в железных метеоритах были обнаружены те сдвиги, которые были найдены в изотопном составе инертных газов. Фактически то, что делается с помощью космических кораблей, летающих к ближайшим планетам, можно делать и с помощью метеоритов. Более того, по сравнению с космическими кораблями они летают целую вечность и охватывают огромную область в пространстве Солнечной системы. Они падают на Землю довольно часто. А в их химическом составе записана вся тысячевековая история: не только их собственная, а в некотором смысле и Солнечной системы. Нужно лишь правильно прочитать эту историю, другими словами, уметь точно определять изотопный состав вещества метеоритов. Всеми этими вопросами и занимается ядерная космохимия.

Возраст метеоритов

Еще одним из успехов ядерной космохимии было определение космического возраста метеоритов как самостоятельных тел. Это не время затвердевания вещества, а время, когда они начали подвергаться облучению, то есть когда они выделились из большого тела. Это является принципиально важным, потому что бытовало даже такое мнение, что метеориты существуют 4,5 миллиарда лет, что это тела, не вошедшие в состав крупных небесных тел при формировании планет Солнечной системы из протопланетного сгустка.

Но первые же данные показали, что космический возраст железных метеоритов (для железных и для каменных метеоритов наблюдается большое различие) может меняться в пределах от ста миллионов лет до двух миллиардов. Они разделяются еще на несколько типов: видимо, было несколько различных «материнских» тел, в состав которых они входили прежде. То есть железные метеориты — это не остатки протопланетного облака, а вторичные и третичные образования. Причем происходят они, по-видимому, из астероидного пояса.

Каменные метеориты составляют около 85 процентов от общего числа метеоритов. Космический возраст их меньше десяти миллионов лет. Они никак не могли прийти из астероидного пояса.

Более того, радиоактивное датирование позволило разработать новый метод определения орбит метеоритов. Проанализировав данные по всем метеоритам, для которых было известно содержание алюминия-26, ученые пришли к любопытному выводу, что орбиты большинства каменных метеоритов находятся на очень небольших расстояниях, где-то не дальше Марса.

Проблема нейтрино и Солнце

Вы знаете эту проблему с нейтрино, которых Солнце излучает на порядок меньше, чем это следует из теории. Предложено несколько гипотез и, в частности, гипотеза Фаулера о том, что на Солнце идет перемешивание недр. Причем с интервалом в триста миллионов лет и продолжительностью около десяти миллионов лет. И с этим явлением можно связать ледники, потому что периоды оледенения на Земле имеют те же характерные цифры. Согласно этой гипотезе мы живем в ледниковом периоде. Когда детально изучили данные по физике Солнца то пришли к такому выводу, что изменения в физических процессах на Солнце должны были повлечь и изменения в интенсивности солнечного ветра и космических лучей. И это должно было отразиться на содержании долгоживущих изотопов в лунном грунте.

По лунным данным ученые обнаружили, что в среднем два — шесть миллионов лет назад поток галактических космических лучей был выше, чем за последний миллион лет. То есть два — шесть миллионов лет назад деятельность Солнца была меньше. Из этих данных можно было бы сделать вывод, что процесс перемешивания недр Солнца, если таковой существует, начался несколько миллионов лет назад. Но такой вывод преждевременен, пока не появятся другие, независимые доказательства.

Тем не менее сейчас можно смело утверждать, что ядерная космохимия дает исследователям мощные методы в исследовании многих сторон эволюции Земли и Вселенной.

Автор: А. Лаврухина, профессор, доктор химических наук.