Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Все начало 1969 г. сотрудники научных лабораторий по всей Америке находились в состоянии напряженного ожидания — экипаж «Аполлона-11» должен был вот-вот доставить образцы лунных пород, собранные во время исторической высадки на Луне. И тут прямо у них под носом в Землю врезается еще один осколок горной породы из космоса. Когда извлеченные с места падения куски метеорита Альенде были исследованы с помощью лабораторного оборудования, которое к тому моменту уже было подготовлено к анализу внеземного материала и только ждало своего часа, обнаружилось, что это был не какой-нибудь там заурядный космический булыжник. Нет, вещество с белыми точками, из которого он состоял, оказалось углистым хондритом, то есть Альенде относился к редкому классу метеоритов, на который приходится менее 5% всех падений. Этот класс состоит из самых первых объектов, из которых формировалась Солнечная система, а метеорит Альенде остается самым крупным представителем этого класса из всех когда-либо найденных на Земле.

Уникальность углистого хондрита в его древнем происхождении: когда вы держите его в руках, вы как будто смотрите на детскую фотографию самого дальнего предка. Эта горная порода сформировалась в самом начале истории нашей планеты. Но, в отличие от Земли, ей не удалось набрать достаточную массу для того, чтобы вырасти в самостоятельную планету. С помощью этого снимка, на котором в физической форме запечатлено самое начало нашего собственного существования, мы можем с большой точностью определить момент рождения нашего планетного окружения.

Как показывает лабораторный анализ, в метеоритах содержатся элементы, которые являются радиоактивными: атомы в них могут спонтанно превращаться в атомы другого элемента. Этот радиоактивный распад носит случайный характер, а значит, точно сказать, когда конкретный атом изменит свое состояние, невозможно. Однако есть значительное число атомов, изучая которые ученые могут с определенной долей уверенности определить время, которое требуется для того, чтобы половина из них распалась. Этот отрезок времени называют периодом полураспада элемента. То есть, если мы сможем узнать, какая часть радиоактивного элемента распалась, мы получим своего рода часы, с помощью которых мы сможем рассчитать, сколько времени прошло.

Одним из таких радиоактивных элементов, содержащихся в метеоритах, является рубидий-87 (обозначаемый как ⁸⁷Rb). Цифра 87 указывает на массу атомного ядра рубидия — центральной его части, состоящей из положительно заряженных частиц под названием «протоны» и частиц под названием «нейтроны», которые имеют ту же массу, что и протоны, но при этом не обладают электрическим зарядом. Когда атом ⁸⁷Rb распадается, один из его нейтронов становится протоном в ходе процесса, получившего название бета-распад. Результатом является атом стронция-87 (⁸⁷Sr), ядро которого имеет ту же массу, что и ⁸⁷Rb, но при этом в нем на один протон больше и на один нейтрон меньше.

Период, за который половина атомов ⁸⁷Rb распадается в ⁸⁷Sr, составляет 49,23 млрд лет. Он отлично подходит для оценки временных рамок образования планет. Если бы период полураспада был очень коротким (скажем, несколько лет), тогда атомы ⁸⁷Rb исчезли бы задолго до того момента, когда изучаемый осколок горной породы достиг поверхности Земли. С другой стороны, существенно большая продолжительность этого отрезка времени означала бы отсутствие такого количества атомов ⁸⁷Sr, которого было бы достаточно для проведения измерений. Поэтому достаточного уровня точности измерений методом радиоактивного датирования можно достичь в тех случаях, когда измеряемый период времени находится в промежутке от одной десятой периода полураспада до 10 периодов полураспада.

Измеряя текущее количество атомов ⁸⁷Rb в метеорите и количество атомов ⁸⁷Sr, образовавшихся в результате распада рубидия, ученые могут рассчитать, какая часть атомов распалась с момента формирования метеорита. Затем, зная период полураспада ⁸⁷Rb, они могут определить, сколько времени прошло с момента образования горной породы.

В случае с углистым хондритом, таким, например, как метеорит Альенде, полученный описанным способом возраст указывает на самое начало истории нашей планеты. Он равен 4 560 000 000 годам.

Планетообразующий диск

Благодаря метеориту Альенде мы знаем, когда зародилась наша планета. Но что именно тогда она из себя представляла, остается для нас загадкой. Углистый хондрит вряд ли можно сравнить с четкой фамильной фотографией, на которой видны лица всех предков. Скорее он похож на размытое селфи дальнего кузена с датой в виде наспех нацарапанных закорючек в нижнем углу. Не имея более четкого представления об условиях, в которых началось формирование нашей планеты, мы не сможем понять, есть ли у нас шанс найти второй такой мир.