Звездная пыль

1. Введение

Раньше исследователи, изучавшие Солнечную систему, представляли ее начало так: планеты и Солнце образовались из хорошо перемешанного горячего газового облака: ни одно твердое тело, ни одна минеральная частица в нем не могли уцелеть и должны были бы превратиться в пар, газ. Протопланетное облако представлялось совершенно однородным по химическому и изотопному составу. В основе такой картины лежали надежные термодинамические оценки устойчивости минеральных частиц при высокой температуре, расчеты физико-химических равновесий пар-жидкость-твердое тело, которые верны и сегодня, но при условии, что температура газового облака была действительно столь высокой. Прежние экспериментальные данные об изотопном составе химических элементов свидетельствовали: и земное и внеземное (метеоритное) вещество по изотопному составу как будто не отличаются.

2. Ископаемые изотопы

Толчком к пересмотру гипотезы о химической и изотопной однородности протопланетного облака послужило открытие Дж. Рейнолдсом изотопа ксенона с массовым числом 129 – ¹²⁹Xe – потомка вымершего изотопа иода ¹²⁹I.

Рис. 1. Избыток ископаемого изотопа ксенона 129Xe в метеоритах. 1 – метеорит Грозная, 2 – Никольская, 3 – усредненные данные для метеоритов без избытка 129Xe

Благородный газ ксенон состоит из 9 изотопов. Изотопный состав ксенона был хорошо известен как для земного ксенона, так и для метеоритов. Но в одном из метеоритов Дж. Рейнолдс впервые наткнулся на огромный избыток изотопа ¹²⁹Xe. Вслед за ним это наблюдали во многих лабораториях. Вот пример того, насколько аномальным, необычным может быть ксенон некоторых метеоритов. Изотопный состав ксенона метеоритов-хондритов¹ Грозная и Никольская из Метеоритной коллекции Российской Академии наук показан на рис. 1. Причиной огромных всплесков распространенности изотопа ¹²⁹Xe, как выяснилось, был β-распад радиоактивного иода ¹²⁹I, превращающегося в ¹²⁹Xe в некоторых метеоритах. Но откуда бы взяться ¹²⁹I в метеоритах? Ведь в масштабе истории Cолнечной системы с возрастом 4,6 млрд лет изотоп ¹²⁹I очень короткоживущийизотоп. Среднее время жизни, отпущенное природой каждому его атому, 24 млн лет. В Cолнечной системе сегодня нет ¹²⁹I. Это вымерший изотоп, а ископаемый ¹²⁹Xe – его прямой "потомок", память о былом существовании вымершего ¹²⁹I, подобная палеонтологическим остаткам прежней жизни на Земле. Оказалось, вымерший ¹²⁹I не одинок в новообразованной Солнечной системе. Вскоре в метеоритах нашли следы еще одного подобного изотопа. Ученые Арканзасского университета П. Курода и М.В. Роуве обнаружили в метеорите-aхондрите² Пасамонте ксенон с очень странным изотопным составом, похожим на изотопный состав ксенона, образующегося при спонтанном делении урана и более тяжелых элементов. Но в этом ксеноне были и специфические особенности, позволившие предположить, что это ископаемый потомок вымершего трансуранового элемента, например плутония, – его изотопа ²⁴⁴Pu. Еще до начала поисков ²⁴⁴Pu в метеоритах он был создан в лабораториях физиков. Среднее время существования каждого атома этого α-радиоактивного изотопа 122 млн лет, много меньше возраста Солнечной системы.

Рис. 2. Ископаемые изотопы ксенона 136Xe, 134Xe, 132Xe и 131Xe в метеорите Червоный Кут (2). Эти изотопы – потомки вымершего плутония 244Pu (1). Изотопные составы метеоритного ксенона и ксенона, выделенного из искусственного препарата плутония, почти полностью совпадают. Это доказывает былое присутствие 244Pu в метеорите

Изотоп ²⁴⁴Pu обладает способностью и к самопроизвольному делению с образованием стабильных изотопов ксенона в числе продуктов этого ядерного превращения. Нужно было сравнить изотопный состав необычного метеоритного ксенона с тем, который имеет ксенон, образующийся при самопроизвольном делении ²⁴⁴Pu в лабораториях. Все имевшееся количество ²⁴⁴Pu (0,015 г) запаяли в герметизированную ампулу и подождали 2 года. За это время накопилось хотя и очень мало ксенона – продукта спонтанного деления ²⁴⁴Pu (около 10^-14 г/см³), его хватило для масс-спектрометрического определения изотопного состава. Он оказался в точности таким же, как и изотопный состав открытого П. Куродой и М.В. Роуве ксенона в метеорите Пасамонте: обнаружен большой избыток самых тяжелых изотопов ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe. В последующих экспериментах других исследователей и с другими метеоритами присутствие ископаемого ксенона – продукта деления ²⁴⁴Pu было подтверждено, например, в метеорите Червоный Кут (рис. 2). Дальнейшие исследования привели к открытию и других вымерших изотопов. Изучая железные метеориты, Дж. Вассербург с сотрудниками Калифорнийского университета в Пасадене (США) обнаружили в метеоритах сверхмикроскопические количества серебра, но не обычного, а обогащенного изотопом ¹⁰⁷Ag (серебро состоит из изотопов ¹⁰⁷Ag и ¹⁰⁹Ag). Этот изотоп мог быть ископаемым потомком вымершего "прародителя", β-радиоактивного изотопа палладия ¹⁰⁷Pd (среднее время жизни его атомов около 9,5 млн лет). Следовательно, чем больше в метеорите отношение содержаний палладия и серебра, тем серебро должно быть богаче изотопом ¹⁰⁷Ag – потомком β-радиоактивного палладия. Так оно и оказалось (рис. 3). Были открыты и другие вымершие изотопы. Это β-радиоактивные изотопы марганца ⁵³Mn, алюминия ²⁶Al, железа ⁶⁰Fe. Перед исследователями встал вопрос: откуда взялись такие короткоживущие изотопы в метеоритном веществе? После тщательного теоретического анализа всех возможностей образования их при различных ядерных процессах заключение было неожиданным: вымершие изотопы не могли образоваться в Солнечной системе, они попали к нам из космического пространства.

Рис. 3. Доказательство былого присутствия в метеоритах вымерших, короткоживущих изотопов 107Pd, 53Mn, 60Fe, 26Al – линейные корреляции изотопных отношений. Эти некогда существовавшие в природе изотопы оставили о себе память в метеоритах: избытки их дочерних изотопов, соответственно 107Ag, 53Cr, 60Ni, 26Mg

3. Рожденные в звезде

Каждые 100-200 лет на ночном небосводе появляется внезапно вспыхнувшая яркая звезда – сверхновая. Некоторое время она сияет необычно сильно, но ее яркость быстро угасает. Такая вспышка означает, что закончила свой жизненный путь одна из звезд, озарив космическое пространство своим прощальным светом. Вместо звезды остается огромное облако газа, которое можно увидеть в телескоп.

Оказалось, что взрыв сверхновой звезды имеет прямое отношение к возникновению ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu и других вымерших изотопов. На ранних стадиях эволюции крупных звезд массой более 6M_ʘ в их недрах действуют созданные самой природой термоядерные реакторы. Благодаря огромным температуре и давлению в недрах больших звезд атомные ядра водорода соединяются, образуя ядра гелия. Высвобождается невообразимо большая энергия, поддерживающая ядерное горение звезды. По мере исчерпания горючего – водорода – звезда под действием силы гравитации сжимается. Это вызывает слияние, соединение все более тяжелых атомных ядер - гелия, углерода, азота. В недрах звезды выделяется огромное количество энергии. Звезда ярко сияет в космическом пространстве, щедро излучая энергию. Когда запасы ядерного горючего иссякают, термоядерный источник энергии начинает глохнуть. Поэтому мощнейшие силы гравитации теперь без помех начинают сжимать звезду. Она катастрофически быстро сокращается в объеме и уплотняется столь сильно, что теперь атомные ядра даже железа и более тяжелых элементов могут вступать в реакции нуклеосинтеза. Температура быстро достигает миллиардов градусов. В ядерных реакциях внезапно образуется огромное количество нейтронов. Их поток так велик, что даже самые короткоживущие новообразованные радиоактивные ядра не успевают распасться до того, как в них вбиваются все новые и новые нейтроны. Такой процесс называется r-процессом. В этом взрывном r-процессе нуклеосинтеза образуются все более тяжелые атомные ядра середины и конца Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Вот в таком термоядерном процессе, в r-процессе, и родились ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu и другие вымершие изотопы – в самом горниле ядерной печи, в грандиозном взрыве звезды.

4. Посланцы сверхновой на Земле

Ударная волна от взрыва сверхновой разнеслась в космических окрестностях сверхновой. На ее пути оказалось одно из многочисленных газопылевых облаков, разбросанных между звездами. Пронизав это облако, ударная волна "впрыснула" в него газообразное вещество сверхновой, в том числе и новорожденные ¹²⁹I и ²⁴⁴Pu, которые рассеялись в протопланетном облаке. Она не только сыграла роль транспортного средства для ¹²⁹I и ²⁴⁴Pu, но и запустила процесс образования Солнечной системы: под действием ударной волны облако начало сгущаться, конденсироваться. Мельчайшие пылинки стали объединяться, захватывать газы из окружающего их пространства. Из мелких частиц образовались более крупные, затем появились комки размером в сантиметры и метры, а из них сформировались зародыши будущих планет и позднее сами планеты. В этих-то процессах аккреции – собирания вещества из пыли и газа – ¹²⁹I и ²⁴⁴Pu и попали в строительный материал, из которого сложились большие планеты. Остатки, космический "строительный мусор" в виде бесчисленных метеоритов и сегодня сохраняются в астероидном поясе между Марсом и Юпитером. Метеориты, вырвавшиеся из него на Землю, приносят изотопные ископаемые – продукты распада некогда существовавших в минералах ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu и других вымерших изотопов, родившихся в ослепительном взрыве сверхновой звезды.

Стало очевидным: при образовании Солнечной системы в нее были заброшены ударными волнами от взорвавшейся неподалеку сверхновой звезды атомы многих короткоживущих изотопов. Они вошли в состав первых минералов и там оставили после себя память в виде ископаемых стабильных изотопов. Проблема происхождения вымерших изотопов после открытия в метеоритах их ископаемых потомков ¹²⁹Xe, ¹³⁶Xe, ¹⁰⁷Ag, ⁵³Cr, ⁶⁰Ni, ²⁶Mg казалась решенной. Однако в метеоритах обнаружилась еще одна изотопная загадка.

5. Сверхтяжелый элемент в метеоритах?!

Многие исследователи, изучив некоторые метеориты – углистые хондриты, обратили внимание на избыток в них тяжелых изотопов ксенона – ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe – типичных продуктов деления. Однако их соотношения не соответствовали изотопному составу ксенона, образующегося при самопроизвольном делении ни хорошо известных изотопов урана или тория, ни ²⁴⁴Pu, ни искусственно синтезированных трансурановых элементов. Не скрыты ли в углистых хондритах следы самопроизвольного деления еще одного вымершего элемента – далекого зауранового, сверхтяжелого? Именно в это время физики-теоретики пришли к выводу, что в природе могут существовать очень тяжелые химические элементы. Устойчивость атомных ядер быстро падает по мере утяжеления элементов, среднее время жизни атомов уменьшается от 6,5 млрд лет для урана (92-я клетка Периодической системы элементов Д.И. Менделеева) до нескольких минут для атомов лоуренсия (103-я клетка), но дальше, по мере роста атомного номера гипотетических химических элементов их устойчивость, возможно, быстро возрастает. Расчеты не исключали, что элементы 108-114 могли бы оказаться достаточно стабильными. Этот островок стабильности в море соседних нестабильных ядер мог возникнуть, как предполагали, из-за того, что у таких химических элементов в атомных ядрах наборы протонов и нейтронов должны быть близкими "магическим числам" 114 и 184 – так физики в шутку называют особо прочные комбинации этих частиц в ядрах атомов. Гипотетические сверхтяжелые элементы могли бы оказаться настолько устойчивыми, что из них благодаря очень небольшой критической массе можно было бы делать малогабаритные ядерные энергетические установки и миниатюрные атомные бомбы огромной разрушительной силы.

Физики-экспериментаторы в Дубне под Москвой под руководством Г.Н. Флерова и в Беркли (США) во главе с Г. Сиборгом с помощью гигантских ускорителей пытались создать рукотворные сверхтяжелые элементы 102, 103, 104, ..., двигаясь от одной клетки Периодической системы Д.И. Менделеева к следующей. Одновременно с физиками-ядерщиками начали охоту за сверхтяжелыми элементами и исследователи метеоритов: если в метеоритах найдены доказательства существования трансуранового элемента плутония, то почему бы там же не найти изотопные следы и более тяжелых трансурановых сверхтяжелых элементов? Физики начали активные поиски сверхтяжелых элементов в метеоритах. В некоторых метеоритных минералах обнаружились видимые в микроскоп следы пролета – треки, как думали, ядер сверхтяжелых элементов, составной части галактического космического излучения. Теоретически сверхтяжелые ядра при каждом акте спонтанного деления должны были бы испускать 4-6 нейтронов – вроде бы и такую множественность эмиссии нейтронов из некоторых метеоритов удалось зафиксировать.

Пионерами экспериментальных поисков ископаемых изотопов ксенона – продуктов спонтанного деления сверхтяжелых элементов в метеоритах – были Э. Андерс и его исследовательская группа в Чикагском университете. Основная идея состояла в том, чтобы найти и выделить минералы, где прежде концентрировался сверхтяжелый элемент, а теперь содержится его потомок – ксенон с особым изотопным составом. Однако метеоритные минералы очень тонкозернисты. Мельчайшие зерна разных минералов к тому же нередко срастаются так, что не оторвать, а то и врастают одно в другое. Поэтому был придуман химический метод разделения минералов: для исследования одних минералов другие, ненужные минералы просто растворяют. На минерал воздействуют последовательно при разной температуре и при различной концентрации соляной, плавиковой, азотной, хлорной кислотами, перекисью водорода. Минералы метеорита постепенно растворяются. В остающихся нерастворимых остатках исследовали ксенон.

По мере растворения вещества ксенон в оставшихся остатках обогащался тяжелыми изотопами ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe, ¹³¹Xe относительно ¹³⁰Xe, заведомо не образующегося в процессах деления. Такое изменение изотопного состава ксенона при последовательном растворении вещества метеорита-хондрита Ефремовка из метеоритной коллекции Российской Академии наук показано на рис. 4. И все же таинственный сверхтяжелый элемент не давался в руки исследователей и, подобно тому, как все меньшие матрешки прячутся внутри крупных, скрывался во все более мелкозернистых и химически устойчивых фракциях минералов. Казалось, вот-вот можно будет выделить чистый ксенон деления сверхтяжелого элемента.

О. Мануэл из университета Миссури (США) предложил представить изотопный состав предполагаемого ксенона деления сверхтяжелого элемента не в форме изотопных соотношений с ¹³⁶Xe, а сравнить его с изотопным составом солнечного ксенона. После этого стало очевидным, что загадочный ксенон обогащен не только тяжелыми, но всегда почти столь же сильно и легкими изотопами ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe (рис. 5), хотя легкие, нейтронно-дефицитные изотопы ксенона никак не могут образоваться при делении атомных ядер – закон сохранения энергии и массы этого не позволяет. Выходит, и тяжелые изотопы образовались не при самопроизвольном делении гипотетического сверхтяжелого элемента, а в ином ядерном процессе.

Рис. 4. Увеличение избытка тяжелых изотопов ксенона по мере частичного растворения вещества метеорита-хондрита Ефремовка при действии на метеорит химических растворителей. 1 – исходное вещество метеорита, 2 – исходное вещество + HCl + HF, 3 – исходное вещество + HCl + HF + NaOH + H2O 2 + HNO3 + H3PO4 , 4 – исходное вещество + HCl + HF + NaOH + H2O2 + HNO3 + H3PO4 + HClO4, 5 – исходное вещество + HCl + HF + NaOH + H2O2 + HNO3 + H 3PO4 + HClO4 + NaOH + H2O2 + HClO4

Рис. 5. Обогащение ксенона как тяжелыми ( 136Xe, 134Xe, 132Xe), так и легкими изотопами ( 124Xe, 126Xe, 128Xe), опровергающее гипотезу сверхтяжелого элемента в метеоритах-хондритах. 1 – солнечный ксенон; 2 – метеорит Грозная, 1100°С; 3 – метеорит Алленде, 800°С ; 4 – метеорит Каинсаз, легкая минеральная фракция, 900°С ; 5 – метеорит Ефремовка, нерастворимый остаток, 1300°С

6. Алмазы, падающие со звезд

Второй сюрприз природы касался минерала – носителя загадочного ксенона деления сверхтяжелого элемента. Исследуя один минерал за другим – шпинель, элементарный углерод, хромит, Э. Андерс и его сотрудники в конце концов получили из метеорита тончайшую минеральную фракцию из очень мелких зерен размером всего ~15 , составляющую миллионные доли от исходной массы. Это был алмаз – высокотемпературный (тугоплавкий) минерал, в котором сверхтяжелый элемент из-за его возможных химических свойств сравнительно легколетучего элемента не мог сконцентрироваться.

В Открытом университете в Милтон Кэйнз группа английских исследователей под руководством К. Пиллинджера определила изотопный состав азота из этого алмаза. Он оказался аномальным: содержание изотопа ¹⁴N на треть выше нормального земного. Это могло быть результатом его образования в звездах, но не в Солнечной системе. В нерастворимых остатках некоторых других метеоритов – углистых хондритов – были обнаружены и иные изотопные аномалии, говорящие о досолнечном, звездном их происхождении. Так, в ходе постепенного растворения вещества метеорита Марчисон выделился ксенон, снова невиданный по изотопному составу: он был обогащен изотопами ¹²⁸Xe, ¹³⁰Xe, ¹³²Xe и сильно обеднен ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe и ¹³⁶Xe. Это было убедительным свидетельством в пользу звездного происхождения и ксенона, и содержащих его минералов. Дело в том, что ксенон именно с таким изотопным составом должен бы образоваться в процессе звездного синтеза (s-процесс) элементов путем последовательного встраивания все новых и новых нейтронов в атомные ядра, но при потоке нейтронов не столь большом, как в r-процессе в сверхновой. Немецкие исследователи Ф. Бегеманн и У. Отт в Институте химии Макса Планка в Майнце подтвердили это: в тех же самых минералах они обнаружили и криптон-s и барий-s cо специфическим и необычным изотопным составом, который указывал на их звездное происхождение (криптон-s и барий-s – криптон и барий, образовавшиеся в s-процессе).

Оказалось, что в метеоритах есть еще один благородный газ с далеких звезд – неон. Обычно неон состоит из трех изотопов: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Американские исследователи Д.С. Блэк и Р.О. Пепин неожиданно столкнулись с новым явлением: из нагретых углистых метеоритов при ~1000°C выделялся неон, на 99 % обогащенный изотопом ²²Ne, то есть почти чистый моноизотоп. Он скрывается в двух минеральных фазах: в углистом веществе и в высокотемпературном минерале – шпинели. Изотоп ²²Ne не мог образоваться ни при каких ядерных реакциях в Солнечной системе. Место его рождения – звезды. Было пока не вполне ясно, звезда какого типа породила такой неон. Но одно обстоятельство стало особенно важным: изотоп ²²Ne образуется не сразу. Сначала в оболочке звезды обязательно возникает родительский изотоп ²²Na, а уж при его последующем β-распаде рождается ²²Ne. Среднее время жизни атомов радиоактивного ²²Na 3,7 года. Он не успел бы добраться до Солнечной системы, распался бы в пути, и вместо него поступил бы в нее ²²Ne. В Солнечной системе ²²Ne обязательно смешался бы с другими изотопами неона. Между тем в метеоритах он встречается почти в чистом виде. Значит, сначала ²²Na вошел в состав углистого вещества и шпинели в метеоритах и уже только там превратился в ²²Ne. Лишь после этого неон попал на Землю.

В очень тугоплавких минералах метеоритов-хондритов сотрудники Чикагского университета во главе с Р.Н. Клэйтоном обнаружили необыкновенный кислород. Если в воздухе, которым мы дышим, кислород состоит из трех изотопов ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O, то в некоторых минералах метеоритов содержится лишь чистый моноизотоп ¹⁶O. Это тоже продукт звездных ядерных реакций. Обогащенность углерода в частицах карбида кремния диаметром менее 0,001 см тяжелым изотопом ¹³C оказалась в два раза выше, чем обогащенность легким ¹²C, а в азоте, содержащемся в карбиде кремния, изотопное отношение ¹⁴N / ¹⁵N в 20 раз превысило нормальное. Столь же впечатляющими оказались вариации изотопного состава кремния, неодима, кальция, титана, стронция, бария, самария в метеоритном карбиде кремния. Из всех этих данных об изотопных аномалиях в метеоритах следовало: звездные ксенон, криптон, неон, кислород, углерод, азот, кремний, кальций, титан, неодим были доставлены в рождавшуюся Солнечную систему минеральными частицами, возникшими в звезде еще до того, как образовалось само Солнце. Все это означало: звездные минералы способны сохраняться в веществе метеоритов.

7. Ископаемые молекулы

8. Феникс, восстающий из пепла

Литература

1. Озима М., Подосек Ф. Геохимия благородных газов. Л.: Недра, 1987.
2. Шуколюков Ю.А., Левский Л.К. Геохимия и космохимия изотопов благородных газов. М.: Атомиздат, 1972.
3. Додд Р.Т. Метеориты. М.: Мир, 1986.
4. Шуколюков Ю.А., Данг Ву Минь. Продукты деления трансурановых элементов в космосе. М.: Наука, 1984.
5. Фор Г. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989.
6. Шуколюков Ю.А. Часы на миллиард лет. М.: Энергоатомиздат, 1984.
7. Флеров Г.Н., Ильинов А.С. На пути к сверхэлементам. М.: Педагогика, 1982.