Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

В 1956 году, после того как в этой сверхчистой лаборатории он выделил из железных метеоритов первичный свинец и подготовил его образцы к исследованию, Паттерсон измерил изотопный состав этого свинца на своем масс-спектрометре. Записывающее устройство на выходе прибора выдало результат. Затаив дыхание, Паттерсон ввел полученные цифры в уравнение и выписал его решение. Это был возраст Земли. Она оказалась старой: чуть старше четырех с половиной миллиардов лет. В этот миг возраст нашей планеты знал только один человек в мире – он установил его первым в истории человечества. Это был Клэр Кэмерон Паттерсон.

Свои результаты и выводы Паттерсон опубликовал в статье «Возраст метеоритов и Земли»,³

которая стала классикой науки о Земле и планетах. Точный возраст Земли был определен в 4 550 000 000 лет. Изотопные измерения Паттерсона оказались очень точными: границы ошибок его вычислений были меньше двух процентов.⁴

Стоит упомянуть и кое-какие индивидуальные особенности использованного Паттерсоном «магического уравнения». Каждая из них – и определение скорости распада 235U и 238U, и развитие масс-спектрометрии, и средства измерения изотопных смесей – родилась в ходе разработки ядерного оружия. Из избыточно, до гротеска мощной техники уничтожения, способной вмиг погасить тлеющий в космосе огонек человеческой цивилизации, явился способ проникновения в глубины истории нашей планеты и нашего собственного происхождения. Чуть не разрушив наше будущее, мы открыли наше глубокое прошлое.

Начало

Паттерсон и его сотрудники определили время рождения Земли. Но, чтобы датировать события, разворачивавшиеся до ее образования, нужен камень, который сформировался еще до появления планет. К счастью, такие породы дошли до нашего времени в составе нерасплавленных астероидов: индивидуальные фрагменты космических отложений, сформировавшиеся в протопланетном диске и сохранившиеся внутри хондритов. Правда, их размеры в лучшем случае составляют лишь несколько миллиметров, и измерить их изотопный состав – исключительно трудная задача. И все же она разрешима.

О самом существовании изотопов стало известно всего за несколько десятилетий до того, как Паттерсон вычислил возраст Земли. Поэтому ученые и инженеры еще только разрабатывали методы их точного измерения.

Современные ультрачистые лаборатории и масс-спектрометры устроены гораздо сложнее и изощреннее, чем во времена Паттерсона – в 1950-х. Наука двигалась вперед. Появилась возможность определять возраст и гораздо более мелких фрагментов метеоритов. Современные масс-спектрометры позволяют с высокой точностью измерять состав свинца в образцах в тысячи раз мельче, чем даже те, с которыми работал Паттерсон, – массой всего в несколько миллионных долей миллионной доли грамма! Этими методами можно измерять возраст индивидуальных хлопьев пыли первичной туманности, сохранившихся в составе хондритов. Таким образом, мы можем заглянуть в глубины времени, когда планет еще не существовало и в протопланетном диске кристаллизовались первые частицы пыли.

Трудность ориентирования на временной шкале Солнечной системы состоит в том, чтобы точно отметить момент начала отсчета. Как мы убедились, образование Солнечной системы – история превращения первичной туманности из газовой в пылевую, а затем превращения этой пыли в миры – было не событием, а процессом. Этот процесс шел несколько миллионов лет. Где же мы проведем черту между «до» и «после» образования Солнечной системы, если граница между этими состояниями так размыта? По правде говоря, любая такая черта произвольна и условна, ее проведение – в основном вопрос выбора, а не реальных физических условий, заданных Природой. И все же Природа предусмотрела элегантное решение этой проблемы, спрятав его среди космических отложений, составляющих хондриты.

Исходную отметку на временной шкале задают CAI, первые хлопья пыли, сконденсировавшиеся в туманности. Это первые твердые частицы – каменные пылинки, образовавшиеся в завихрениях газа. Время их формирования диктует нам естественный выбор момента рождения Солнечной системы и начала ее «каменной летописи». Если мы измерим возраст CAI, мы тем самым определим и истинный возраст Солнечной системы.

Датировка возраста CAI по урановым часам требует точного измерения состава смеси изотопов свинца внутри индивидуальных микроскопических кристаллов в индивидуальном CAI. Если измерен изотопный состав свинца и урана для каждого типа минералов в CAI, из этого можно вывести количество накопленного радиогенного свинца, а отсюда вычислить и возраст. Все, казалось бы, ясно. Однако в аналитическом отношении это непростая задача.