Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир - Тим Грегори

смеси свинцовых изотопов на сегодняшней Земле и на Земле, только что сформировавшейся (первичный свинец), различие между ними дало бы нам количество радиогенного свинца, которое накопилось за это время. Тогда можно было бы сосчитать, сколько раз оттикали урановые часы с тех пор, как Земля образовалась. Зная скорость, с которой уран преобразуется в свинец – частоту тикания урановых часов, – мы бы вычислили время, в течение которого они тикали, а это и дало бы нам возраст Земли. И самый главный вопрос человечества – откуда мы появились? — после 200 тысячелетий размышлений обрел бы точку отсчета.

Но проблема с измерением состава первичной свинцовой смеси в том, что на Земле эту смесь нам получить неоткуда. При образовании нашей планеты в нее попало огромное количество урана; поэтому тот свинец, который сейчас присутствует в земных породах, представляет собой неразделимую смесь первичной и радиогенной составляющих. Кроме того, на протяжении своей длинной геологической истории вещество Земли постоянно бурлило, кипело и взбалтывалось, и в его составе непрерывно перемешивались химические элементы и их изотопы. Первичный свинец смешивался с радиогенным снова и снова, и изначальный состав этой смеси утрачен навсегда.

К счастью для нас, в природе существуют камни, сохранившиеся в основном неизменными с момента их образования в далеком прошлом. Это, конечно, метеориты.

Уран – литофильный, то есть «камнелюбивый» элемент. Когда магматические астероиды плавились и дифференцировались на металлические ядра и каменные мантии, в ядра попало только самое незначительное количество урана. Но тогда как уран был выброшен из металлических ядер, значительное количество свинца там осталось. И, так как эти элементы были в сумятице дифференциации отделены друг от друга, распад урана не повлиял на количество первичного свинца – что критично, это был 206Pb или 207Pb – в металлических ядрах. Следовательно, свинец в составе железных метеоритов, фрагментов этих ядер, был «заморожен» там со времен образования их родительских астероидов. Этот свинец – поистине первичный. Значит, измеряя состав смеси изотопов свинца в железных метеоритах, можно установить начало отсчета атомных часов и вычислить возраст астероидов. И распространить эти оценки на возраст Земли и других планет.

Это звучит невероятно: измеряя что-то, казалось бы, не имеющее никакого отношения к окружающей нас реальности – состав смеси изотопов свинца в обугленном куске металла, свалившемся из космического пространства, – вычислить возраст Земли, начальную точку истории нашего мира, нашей истории. Но, как часто случается в науке, выполнение измерений, необходимых для определения столь важных параметров, оказывается сложнейшим процессом с множеством трудностей.

Клэр Кэмерон Паттерсон

Гаррисон Браун был назначен профессором химии Чикагского университета на следующий год после окончания Второй мировой войны. Он провел несколько предшествующих лет, участвуя в Манхэттенском проекте – занимаясь разработкой технологии и решением научных проблем, связанных с созданием первого в истории оружия массового уничтожения, ядерной бомбы. После войны Браун, подобно многим другим ученым, вовлеченным в столь морально неоднозначный проект, решил посвятить себя чисто научным вопросам. Его воображение захватила перспектива использования урана – элемента, на энергии которого строилось ядерное оружие и с которым он был хорошо знаком, – для определения возраста скальных пород.

Незадолго до этого физики-атомщики, пытаясь вырвать у атомного ядра его секреты, вывели уравнение, которое могло ответить на один из величайших вопросов науки: каков возраст Земли? Теперь все, что для этого требовалось, – подставить в него несколько чисел: скорость, с которой 238U и 235U распадаются и образуют свинец; нынешний состав изотопной смеси 238U и 235U в веществе Земли; нынешний состав смеси 206Pb и 207Pb в веществе Земли; и, главное, состав смеси первичных 206Pb и 207Pb во времена образования Земли. Урановая часть этой головоломки уже сложилась – в основном в процессе работ над созданием ядерной бомбы. Измерить современное соотношение свинцовых изотопов труда тоже не составляло – вещество земных недр было вполне доступно. Последним неизвестным членом в уравнении оставался первичный свинец. Все, что требовалось сделать, это найти его, выделить и измерить его состав.

Браун привлек к работе в новой области науки – точной датировке возраста каменных пород – своего аспиранта по имени Клэр Кэмерон Паттерсон. Паттерсон раньше тоже был участником Манхэттенского проекта и знал, как обращаться с масс-спектрометрами – приборами для определения изотопного состава. Так же как призма расщепляет солнечный свет в цветной спектр, масс-спектрометр позволяет «расщепить» камень и получить спектр масс составляющих его изотопов. Я не перестаю изумляться, что мы умеем безошибочно отличать друг от друга атомы, масса которых отличается всего на один нейтрон, а затем вычислять их относительное количество с умопомрачительной точностью. Масс-спектрометры – настоящее чудо техники.

Браун пригласил Паттерсона к себе в кабинет и рассказал ему о недостающем члене в магическом уравнении. Браун понимал, что первичный свинец спрятан внутри железных метеоритов: «Мы извлечем свинец из железного метеорита. Вы измерите его изотопный состав, вставите эту величину в уравнение… и станете знаменитостью – ведь вы определите возраст Земли!»

Паттерсон немедленно приступил к работе по измерению изотопного состава свинца в железном метеорите. Пять лет он потратил только на усовершенствование методов. Никто до него не пытался делать подобных измерений. Паттерсону вместе с другими членами его исследовательской группы пришлось разрабатывать совершенно новые технические методы. Им нужно было научиться точно измерять изотопный состав микроскопических количеств свинца – в тысячу раз меньших, чем те, с которыми кто-либо работал прежде. Свои методы Паттерсон испытывал на цирконе, силикате циркония, минерале, часто встречающемся на Земле, – он содержится во многих магматических породах. Образцы, которые использовал Паттерсон, были размером с булавочную головку. Если ему удастся точно измерить состав изотопной смеси свинца в микроскопическом образце циркона, думал Паттерсон, то он, конечно, сможет сделать это и с веществом железного метеорита.

Но раз за разом в цирконе загадочным образом оказывалось значительно больше свинца, чем ожидалось. Цифры, которые Паттерсон неизменно получал в результате своих измерений, выглядели абсурдно. После длительных мучительных попыток выйти из тупика Паттерсон нашел источник затруднений – им оказалось свинцовое загрязнение. Свинец присутствовал абсолютно во всем. В ходе химических процедур в лаборатории он попадал в образцы циркона, с которыми работал Паттерсон, искажая и заслоняя собой внутренний, подлежащий измерению свинец, находящийся в связанном состоянии в кристаллах циркона.

Выявление источников свинцового загрязнения потребовало огромных усилий. То, что в результате обнаружил Паттерсон, выглядело ужасно: оказалось, что свинец появляется отовсюду. Он был в кислоте, которая использовалась для растворения образцов; в воде, которая текла из крана в лаборатории; в стеклянной химической посуде, употреблявшейся для экспериментов; даже в окружающем воздухе, во взвешенных в нем частицах обыкновенной пыли.