По сравнению со скальными планетами других звездных систем, четыре планеты в нашей системе обладают различным содержанием каждого элемента. Вероятно, большинство планетарных систем сформировались на месте взрывов сверхновых, и точное соотношение элементов в каждой системе зависит от того, какое количество энергии выделилось при конкретном взрыве и сформировало элементы. Кроме того, важен состав окружающей среды (космической пыли), с которой смешивались звездные выбросы. В результате состав элементов каждой планетарной системы получился уникальным. Из уроков химии вы, вероятно, помните, что под каждым элементом в периодической системе записан номер, соответствующий его атомной массе. Этот номер равен средней сумме масс протонов и нейтронов, содержащихся в атомах данного элемента. Так, атомная масса углерода равна 12,011 единицы. Это именно среднее значение. Большинство атомов углерода весит ровно 12 единиц, а оставшиеся 0,011 приходятся на незначительную долю атомов с массой 13 или 14 единиц. Но в другой галактике средняя атомная масса углерода может быть чуть выше или чуть ниже. Более того, сверхновые звезды порождают множество радиоактивных элементов, которые начинают распадаться сразу же после взрыва. Крайне маловероятно, что в двух разных звездных системах соотношение радиоактивных и нерадиоактивных элементов окажется одинаковым, если только две эти системы не образовались одновременно.
Учитывая существенное разнообразие звездных систем, а также их невероятно древнее происхождение, читатель может задать резонный вопрос: откуда у ученых есть хотя бы приблизительное представление о том, как образовалась Земля? Принцип таков: ученые анализируют количество и положение распространенных и редких элементов в земной коре и дедуктивным методом пытаются объяснить, как те или иные простые вещества оказались там, где они есть сейчас. Например, «дату рождения» нашей планеты помогли установить сравнительно распространенные свинец и уран. Соответствующими исследованиями (невероятно скрупулезными и тщательными) занимался один аспирант, работавший в Чикаго в 1950-е годы.
Все самые тяжелые элементы радиоактивны. Большинство из них, в частности уран, в результате распада превращаются в стабильный свинец. Наш следующий герой, Клэр Паттерсон, профессионально сложился в годы работы над Манхэттенским проектом. Поэтому он точно знал скорость распада урана. Он также знал, что на Земле встречаются три разновидности свинца. Каждый тип (изотоп) свинца имеет свою атомную массу – 204, 206 или 207. Некоторое количество свинца всех трех типов существовало еще до того, как родилась наша сверхновая, а какие-то атомы «моложе», так как появились в результате распада урана. Но самое интересное заключается в том, что при распаде урана могут получаться лишь два из трех изотопов – 206 и 207. Содержание изотопа 204 в природном свинце постоянное, поскольку он не образуется при распаде какого-либо другого элемента. Важнейшее открытие заключалось в том, что отношение количества изотопов 206 и 207 к изотопу 204 увеличивается со строго определенной скоростью, так как распадающийся уран продолжает пополнять запасы двух более тяжелых изотопов. Если бы Паттерсон смог определить, насколько это соотношение повысилось сегодня по сравнению с первыми днями существования Солнечной системы, он смог бы вычислить возраст системы.
Как водится, в этой бочке меда была своя ложка дегтя. Ведь никто не знал исходного содержания свинца, поэтому Паттерсону оставалось лишь догадываться, как далеко в прошлое придется отследить данную тенденцию. Но он нашел способ обойти эту проблему. Ведь не вся космическая пыль, парящая вокруг Солнца, вошла в состав планет. Из нее же образовались метеориты, астероиды и кометы. Поскольку они сформировались из того же материала, что и планеты, и с тех самых пор плавают в холодном вакууме, эти тела сохранили в себе кусочки материи, из которых состояла первозданная Земля. Более того, поскольку на вершине пирамиды звездного ядерного синтеза находится железо, оно содержится во Вселенной в огромном изобилии. Так, многие метеориты состоят из чистого железа. Здесь важно отметить, что химически железо и уран не смешиваются, а железо и свинец – напротив, смешиваются. Поэтому содержание свинца в метеоритах ровно такое же, как в новорожденной Земле, поскольку в этих глыбах железа отсутствует уран, который мог бы подмешать в них новые атомы свинца. Паттерсон принялся с воодушевлением собирать куски метеоритов в Каньоне Дьявола, штат Аризона, а затем приступил к работе.
Но почти сразу ему пришлось столкнуться с более серьезной и общей проблемой, связанной с индустриализацией. Люди с античных времен использовали мягкий и ковкий свинец для масштабных архитектурных работ, в частности при создании водопроводов. А с тех пор как были изобретены свинцовые красители, а в конце XIX – начале XX века – бензин с антидетонационными свинцовыми присадками, содержание свинца в окружающей среде стало расти так же быстро, как уровень углекислого газа в атмосфере. Повсеместное присутствие свинца поставило крест на первых опытах Паттерсона, связанных с анализом метеоритов. Ему пришлось пойти на гораздо более радикальные меры – например, кипятить оборудование в концентрированной серной кислоте, чтобы не допускать попадания «антропогенного» испаряющегося свинца в первозданные космические камни. Как позже замечал Паттерсон в одном интервью: «Если вы войдете в такую чистую лабораторию, как моя, то свинец из ваших волос загрязнит ее к чертям».
Такая скрупулезность вскоре переросла в одержимость. Читая воскресный выпуск комикса «Мелочь пузатая», Паттерсон счел, что грязнуля Пиг-Пен, герой этого сериала, напоминает ему все человечество: мы все измазаны в свинце, как Пиг-Пен – в уличной пыли. Но эта зацикленность Паттерна на борьбе со свинцом дала два важных результата. Во-первых, когда он максимально вычистил свою лабораторию, ему удалось дать наиболее точную на сегодняшний день оценку возраста Земли – 4,55 миллиарда лет. Во-вторых, эта непримиримость помогла Паттерсону стать общественным активистом. Именно его мы должны поблагодарить за то, что наши дети больше не едят чипсов с красителями, содержащими свинец, а на автоматах на бензозаправочных станциях уже никто не клеит рекламы «не содержит свинца». Заслуга Паттерсона в том, что запрет свинцовых красителей сегодня представляется как нечто само собой разумеющееся, и мы знаем, что автомобиль не должен выбрасывать в воздух свинец, который потом осядет у нас на волосах и в легких.
Итак, Паттерсону удалось определить дату рождения Земли, но это лишь один из многих вопросов. Венера, Меркурий и Марс появились одновременно с нашей планетой, но они совершенно не похожи на Землю, за исключением некоторых общих поверхностных деталей. Чтобы сложить воедино все мелкие подробности нашей истории, ученым предстояло пробраться по некоторым темным коридорам, пролегающим по таблице Менделеева.
В 1977 году отец и сын, физик и геолог Луис и Уолтер Альваресы изучали в Италии залежи известняка, сформировавшиеся примерно в ту же эпоху, когда вымерли динозавры. Слои известняка казались равномерными, но оказалось, что в узкой прослойке, образовавшейся около 65 миллионов лет назад (именно тогда и произошло это массовое вымирание), присутствуют едва заметные следы красной глинистой пыли. Еще более удивительным было то, что содержание элемента иридия в этой глине в шестьсот раз превышает его обычный уровень. Иридий – сидерофил, так называются «железолюбивые»[41] элементы. Именно поэтому бо́льшая часть иридия сосредоточена в расплавленном железном ядре нашей планеты. Основными источниками иридия являются железные метеориты, астероиды и кометы – что и заставило Альваресов призадуматься.
На многих небесных телах, например на Луне, зияют кратеры от древнейших столкновений с космическими камнями. Нет никаких причин полагать, что Земля избежала подобных «бомбардировок». Если 65 миллионов лет назад в Землю действительно врезался такой космический странник размером с большой город, то он мог присыпать всю планету толстым слоем пыли, насыщенной иридием. Это колоссальное облако пыли должно было окутать всю планету и погубить значительную часть растительности. Такой катаклизм вполне мог бы привести к тому, что не только динозавры, но и 75 % всех видов (99 % существ, обитавших на Земле в ту эпоху) вымерли за очень короткое время. Убедить в этой гипотезе научное сообщество было непросто, но Альваресы вскоре установили, что слой иридиевой пыли прослеживается по всему миру. Это позволило уверенно исключить альтернативную гипотезу о том, что залежи пыли являются последствием выброса, сопровождавшего взрыв какой-то близкой сверхновой. Когда другие геологи (работавшие на нефтедобывающую компанию) открыли на полуострове Юкатан в Мексике кратер шириной 180 километров и глубиной около 900 метров, образовавшийся около 65 миллионов лет назад, теория об астероиде, иридии и вымирании динозавров получила веское подтверждение.
41
Другие сидерофилы, осмий и рений, помогли ученым установить, как сформировалась Луна. Это произошло в результате катастрофического столкновения очень молодой Земли с астероидом или кометой. Луна собралась из обломков, образовавшихся после этого удара.