Метеорит — это, по сути, выживший. Он начинается как метеороид, кусок камня или металла, дрейфующий в пустоте между планетами. Большинство из них полностью сгорают при входе в нашу атмосферу. Но некоторые оказываются достаточно прочными, чтобы пережить огненное падение. Они пробиваются сквозь небо и приземляются на землю. Этот сохранившийся фрагмент мы и называем метеоритом.
Определение со временем расширилось. Мы используем его не только для объектов, падающих на Землю. Если камень падает на другое крупное небесное тело, мы всё равно называем его метеоритом. Учёные нашли подобные фрагменты в образцах, доставленных с Луны. Даже на Марсе роботизированный ровер Opportunity обнаружил по крайней мере один метеорит, покоящийся на поверхности красной планеты.
Гиганты и пылинки
Размеры сильно варьируются. Самый большой известный метеорит на Земле — это монстр по имени Хоаба. Он был обнаружен в Намибии в 1920 году. С тех пор его не перемещали. Камень имеет диаметр 2,7 метра. Это девять футов твёрдой космической породы. Он весит почти 60 тонн. Материал представляет собой сплав железа и никеля. Он огромен.
Самый большой метеорит, обнаруженный на Земле, был найден в 1920 году в Намибии и получил название метеорит Хоаба.
С другой стороны спектра у нас есть микрометеориты. Они крошечные. Их размер варьируется от нескольких сотен микрометров до примерно 10 микрометров. Они происходят из постоянного облака пыли, заполняющего межпланетное пространство. Вы, вероятно, вдыхаете некоторые из них каждый день. Это микроскопические остатки космических столкновений.
Откуда на самом деле берутся метеориты?
Большинство камней, которые вы находите на земле, не являются космическими объектами в том смысле, в котором вы, возможно, думаете. Они представляют собой фрагменты астероидов. Конкретнее, они происходят из внутреннего главного пояса. Это зона на расстоянии от 2,1 до 3,3 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. Одна а.е. — это расстояние от Земли до Солнца. Это примерно 150 миллионов километров.
Здесь Юпитер играет грязную шутку. Его гравитация тянет эти астероиды. Он возмущает их орбиты. Он отправляет их по траекториям, пересекающим орбиту Земли. Так они попадают сюда.
Но не всё сформировалось в этой конкретной зоне. Орбиты мигрируют. Процессы перемещают материал на протяжении миллионов лет. Тем не менее, большинство отдельных метеоритов, которые мы собираем, восходят к этому внутреннему поясу.
Луна и Марс — редкие посетители. Менее одного процента всех метеоритов происходят с них. Можно отследить их происхождение до конкретных ударов, которые выбросили обломки в космос.
Кометы — это другое дело. Они оставляют микрометеориты. Это крошечные зерна, дрейфующие в верхней атмосфере. Исследования метеоров показывают, что некоторые кометные фрагменты прочны. Они выживают в жаре. Они достигают поверхности. Но учёные в целом согласны с тем, что ничего из комет не попадает в официальные коллекции метеоритов. Материал слишком хрупок. Он превращается в пыль. Он не падает в виде камня.
Зачем изучать эти космические камни?
Главная причина изучения метеоритов — время. Астероиды и кометы являются капсулами времени. Они хранят свидетельства из раннего периода Солнечной системы.
На это есть две веские причины.
Во-первых, посмотрите на ингредиенты. Ранняя Солнечная система состояла из газа и мелкой пыли. Планеты росли, сталкивая более мелкие объекты вместе. Всё начиналось с пылевых шариков. Всё заканчивалось каменистыми планетами, такими как Меркурий и Венера. Для таких гигантов, как Юпитер, требовалась более сложная физика. Но их луны? Они, вероятно, формировались путём простой агрегации. Так же образовались и кометы.
Астероиды и кометы — это остатки. Это обломки промежуточных этапов. Они представляют собой тела, которые сформировались рано. Они мало изменились с тех пор.
Во-вторых, посмотрите на тепло. В ранней Солнечной системе становилось горячо. Радиоактивные изотопы распадались. Столкновения генерировали трение. Крупные тела плавился. Их внутренности менялись химически и физически. Они обнуляли свои часы.
Малые тела не плавятся. Они эффективно излучали тепло. Их внутренние части оставались холодными. Они сохранили первоначальную пыль. Они сохранили первозданный материал.
Некоторые метеориты содержат материал, старше самой Солнечной системы. Это древние реликты. Они выжили, потому что были маленькими. Они оставались холодными.
Поиск метеоритов
Традиционно метеориты получают название по ближайшему географическому объекту. Это соглашение об именах возникло из-за их редкости. На протяжении веков не предпринималось систематических усилий по их обнаружению и сбору. Проблема заключалась в следующем: метеориты падают более или менее равномерно по всей поверхности Земли. Не существовало очевидного способа предсказать, где они упадут или где их можно будет найти. Если вы видели падение метеорита или находили странную породу, вы передавали её музею или частному коллекционеру. На этом история заканчивалась.
Затем наступили 1930-е и 40-е годы. Предприимчивые коллекционеры начали пересекать прерии Северной Америки. Они просили фермеров приносить необычные камни, извлечённые из земли во время вспашки. Эта стратегия основывалась на геологии. Почвы прерий в основном состоят из тонкой лёссовой породы. В них мало крупных камней. Коллекционеры рассуждали так: любой камень, найденный в этом безжизненном ландшафте, имеет разумные шансы оказаться метеоритом. Это была игра с низкой вероятностью успеха, но проводившаяся в огромных масштабах.
Поиск зон аккумуляции
Более эффективный подход к поиску метеоритов — это поиск мест, где они накапливаются со временем, а не мест с малым количеством камней. Вам нужны районы со старой поверхностью и низкими темпами выветривания. Метеориты содержат минералы, такие как металлическое железо, которые легко подвергаются выветриванию. На поверхности Земли они обычно не сохраняются долго. Жидкая вода является одним из главных факторов разрушения.
В пустынных условиях, где воды мало, метеориты сохраняются гораздо дольше. Действительно, в засушливых регионах они имеют тенденцию накапливаться на поверхности, если темпы выветривания медленнее, чем частота падения метеоритов на Землю. Это работает при условии, что мало ветрового песка накапливается и не закапывает их. Районы Сахары в Северной Африке и равнинаNullarbor в Австралии оказались хорошими местами для поиска метеоритов. Однако самые успешные усилия по сбору были предприняты в Антарктиде.
Ловушка из голубого льда
Антарктиду можно рассматривать как холодную пустыню. Годовое количество осадков в виде снега довольно мало на большей части внутренних районов. Экстремальный холод значительно замедляет темпы выветривания. Большинство метеоритов, падающих на ледяной щит, оказываются погребёнными и сохраняются в течение 20 000–30 000 лет. Некоторые, по-видимому, находятся в Антарктиде уже миллион лет и более. Лёд антарктического ледяного щита постепенно движется радиально от Южного полюса к северу, в сторону побережья.
В некоторых местах лёд встречает препятствие. Погребённый холм заставляет его подниматься вверх. Сильные кatabатические ветры, дующие вниз по пологим ледяным щитам из центра континента, пескоструят поднимающийся лёд частицами снега и льда. Они разрушают его со скоростью до 5–10 см (2–4 дюйма) в год. Это приводит к тому, что метеориты остаются на поверхности.
Области поднимающегося льда, называемые голубым льдом из-за его цвета, можно распознать по аэрофотоснимкам или спутниковым изображениям. В пешем порядке тёмные метеориты относительно легко заметить на фоне льда и снега. Недостатком сбора в Антарктиде являются суровые условия. Команды коллекционеров должны переносить их в течение недель или месяцев, живя в палатках на льду. С 1970-х годов несколько стран, особенно США и Япония, осуществляют научные программы по сбору образцов.
Эти программы позволили извлечь из Антарктиды десятки тысяч метеоритов. Это многократно увеличило количество метеоритов, доступных исследователям. Среди них одна треть всех известных марсианских метеоритов. Одна треть известных лунных метеоритов. А также множество других редких или уникальных образцов.
Поскольку большое количество антарктических метеоритов находится в небольших районах, для них не используется традиционная система географического наименования. Вместо этого идентификатор состоит из сокращённого названия местного ориентира плюс номер, обозначающий год обнаружения и конкретный образец.
Типы метеоритов
Метеориты традиционно делятся на три категории: каменные, железные и железо-каменные. Это простое разделение основано на их составе — преобладании породообразующих минералов над сплавами никеля и железа. Каменные метеориты доминируют в этом списке, составляя около 94% всех известных образцов. Железные метеориты составляют примерно 5%, а железо-каменные — всего 1%.
Но не позволяйте этой простоте ввести вас в заблуждение. Внутри каждой категории скрывается хаотичное разнообразие. Существуют подкатегории, основанные на химическом составе, минералогии и структуре. И вот в чём загвоздка: классификация носит в основном косметический характер. Она опирается на то, что можно увидеть, а не на то, откуда взялась порода. Два камня одной категории могут иметь совершенно разные тела-родители. Иногда камни из разных категорий на самом деле имеют общее происхождение.
«Действительно, чаще всего они не связаны между собой».
Рассмотрим крупный астероид. Если он расплавляется, тяжёлые металлы оседают в ядре, а более лёгкие породы формируют мантию. Это геохимическая дифференциация. Когда этот астероид в конечном итоге разрушается, поле обломков может содержать образцы из ядра, мантии и хаотичной границы между ними. Один образец выглядит как железный метеорит. Другой — как каменный. Они являются родственными объектами, разделёнными физикой и насилием. Реальная задача учёных заключается не просто в назывании этих пород. Она состоит в том, чтобы понять, какие из них связаны между собой и какие процессы создали такое огромное разнообразие.
Каменное разделение: расплавленные и нерасплавленные
Внутри обширной категории каменных метеоритов первое реальное разделение происходит между ахондритами и хондритами. В чём разница? В тепле. Ахондриты когда-то были расплавлены. Хондриты — нет.
Хондриты являются наиболее распространённым типом каменных метеоритов, составляя около 87% коллекций. Они, пожалуй, также являются и самыми важными. Представьте их как осадочные конгломераты Солнечной системы. Это не единые, цельные породы. Это механические смеси компонентов, образовавшихся в солнечной туманности или даже раньше.
Их состав является отражением состава Солнца. Почти. Они лишены очень летучих элементов, таких как водород и гелий, но всё остальное совпадает. Солнце содержит более 99% массы Солнечной системы. Таким образом, его состав является ближайшим аналогом базового уровня среднего состава Солнечной системы в момент её рождения.
Это имеет значение, потому что даёт нам точку отсчёта. Если состав метеорита отклоняется от солнечного базиса, это отклонение является подсказкой. Оно рассказывает нам о конкретных процессах, которые сформировали его тело-родитель и материалы внутри него.
Хондры: застывший дождь творения
Хондриты определяются чем-то, видимым невооружённым глазом (или, по крайней мере, под сильной лупой). Они содержат хондры. Это крошечные сферические зёрна силикатных минералов, затвердевшие из расплавленных капель в ранней солнечной туманности. Они выглядят как кусочки застывшего дождя.
Обнаружение хондр означает, что порода не подвергалась достаточному нагреву для их плавления и стирания их истории. Это сохранение имеет ключевое значение. В то время как ахондриты рассказывают истории о планетной дифференциации и вулканической активности, хондриты рассказывают историю исходных ингредиентов. Они являются первозданными строительными блоками.
Учёные изучают размер, форму и минералогию этих хондр, чтобы реконструировать тепловую среду ранней Солнечной системы. Насколько горячо было? Как долго? Происходило ли перемешивание между различными областями туманности? Хондры содержат эти данные.
Это приводит к более детальной классификации самих хондритов. Они делятся на три основных класса: обычные, углеродистые и энстатитовые. Каждый класс имеет дальнейшие подразделения на группы на основе тонких химических нюансов.
Обычные хондриты являются наиболее распространёнными. Они относительно мало изменены водой. Углеродистые хондриты отличаются тем, что содержат углерод и часто минералы, содержащие воду. Они являются самыми «влажными» и химически сложными, иногда неся органические соединения, которые старше жизни на Земле. Энстатитовые хондриты редки и образовались в очень восстановительной среде, с характерным дефицитом кислорода по сравнению с другими.
«Отклонения в составе метеорита от этого эталонного состава дают подсказки о процессах, повлиявших на формирование его тела-родителя и компонентов в нём».
Разнообразие внутри этих групп ошеломляющее. Один метеоритный дождь может дать образцы, которые выглядят идентично, но имеют совершенно разные изотопные сигнатуры. Изотопы — это отпечаток происхождения. Они могут рассказать нам, пришла ли порода из внутренней части Солнечной системы или из внешних поясов. Они могут выявить, нагревалась ли она под воздействием короткоживущего радиоактивного изотопа, такого как алюминий-26.
Именно поэтому изучение хондритовых метеоритов — это не просто каталогизация камней. Это реконструкция временной шкалы, которую никто не видел. Это понимание того, почему Земля стала каменистой планетой, а Юпитер остался газовым гигантом. Ответы скрыты в хондрах, замороженные во времени, готовые быть прочитанными.
Загадка хондр
Метеориты получают свое название «хондриты» благодаря наличию в них хондр. Это крошечные сферические образования. Обычно их размер составляет около миллиметра. Они выглядят как застывшие капли.
Ученые полагают, что когда-то они были расплавлены. Они плавали в солнечной туманности. Затем они быстро остыли. Эксперименты подтверждают это. При быстром нагреве пиковые температуры достигали 1 800 °C. Затем охлаждение происходило стремительно. Со скоростью до 1 000 градусов в час.
Но откуда взялось это тепло? Это вопрос на миллион долларов. Хондры различаются по размеру и составу. Это указывает на то, что их формирование было локализованным. Оно происходило многократно. Вероятно, это был самый энергичный процесс в области пояса астероидов. Однако, несмотря на более чем столетие исследований, мы до сих пор не знаем точный механизм их образования.
Рефрактерные включения: Устойчивые к нагреву
Хондриты также содержат рефрактерные включения. Их немного, безусловно. Но они важны. Они богаты рефрактерными элементами. Это элементы, которые не испаряются легко. Например, кальций и алюминий. Отсюда и аббревиатура CAI (кальций-алюминиевые включения).
Они варьируются от неправильных осколков до идеальных сфер. От десятков микрометров до сантиметров. Они также образовались при высоких температурах. Но иначе, чем хондры. Нагрев был более длительным. Некоторые расплавились. Другие конденсировались непосредственно из горячего газа в твердые кристаллы.
Единого мнения о том, как они образовались, также нет. Как и в случае с хондрами, история происхождения CAI остается неполной.
Матрица: Зафиксированная летопись
Между хондрами и включениями находится матрица. Это мелкозернистый цемент. Он скрепляет более крупные фрагменты. Матрица богаче летучими элементами. Это подразумевает, что часть ее образовалась при более низких температурах.
Она также богата органическим веществом. До 2% по массе. Изотопы водорода и азота здесь странные. Необычные. Это указывает на межзвездное происхождение. Органическое вещество, вероятно, произошло из молекулярного облака, породившего Солнечную систему.
Но матрица хранит более древние тайны. Крошечные зерна. От нанометров до 10 микрометров. Они старше Солнца. Эти зерна образовались в умирающих звездах за миллионы лет до нашего существования. Как мы это знаем? По изотопам.
Соотношение углерода-12 к углероду-13 в Солнечной системе составляет около 89 к 1. Некоторые зерна из хондр показывают соотношение 7 000 к 1. Или 2 к 1. Это невозможно произвести в условиях нашей звезды. Эти зерна являются циркумзвездными. Минералы, такие как алмаз, графит и карбид кремния. Это звездная пыль.
Шрамы истории
Немногие хондриты являются первозданными. Большинство были изменены. Четыре процесса изменили их. Акватермальное alteration (изменение водой). Термальная метаморфизация. Ударное воздействие. Брекциация.
Это началось вскоре после формирования. Родительские тела нагревались. Некоторые остались умеренно нагретыми. Существовала жидкая вода. Минералы реагировали с водой. Акватермальное изменение создало сложные новые минеральные смеси.
Другие нагрелись сильнее. Вода выкипела. Последовала термальная метаморфизация. Минералогия изменилась. Физическая структура сместилась. Повсеместного плавления не было. Достаточно лишь для перекристаллизации матрицы. Органическое вещество и циркумзвездные зерна были уничтожены. В наиболее сильно нагретых хондритах сами хондры пере кристаллизовались. При 1 000 °C их трудно различить.
Затем идет ударное воздействие. Столкновения астероидов. Каждый крупный тип метеоритов демонстрирует это. От незначительного растрескивания до локального плавления. Это продолжается и сегодня.
Брекциация — это последний поворот. Тела разлетались на части. Затем снова собирались. Солнечная система — это не просто место. Это строительная площадка. И эти породы — обломки.
Посмотрите на хондрит — и вы увидите столкновение историй. Эти породы содержат свидетельства двух отдельных эпох. Одна эпоха сформировала тело-родитель. Другая изменила то, что происходило внутри него позже. Именно эта двойная история заставляет ученых использовать два пересекающихся способа маркировки этих метеоритов.
Первый метод рассматривает общую картину. Он опирается на основные элементы. Железо. Магний. Кремний. Кальций. Алюминий. Ученые также проверяют степени окисления. Они изучают изотопный состав кислорода. Они исследуют петрологию. Это включает в себя обилие хондр. Охватывает наличие матрицы. Отмечает размер хондр. Анализирует минералогию.
Когда вы наносите эти переменные на график, хондриты не разбрасываются случайным образом. Они группируются. Вырисовываются четкие группы. Консенсус заключается в том, что эти определяющие черты сформировались до или во время создания тел-родителей. Каждая группа, вероятно, происходит из разных астероидов или из определенного набора астероидов. Химия говорит нам, откуда они начали свой путь.
Но это только половина истории.
Внутри этих групп метеориты не идентичны. Они различаются по степени нагрева или пропитки водой. Это приводит ко второй системе классификации. Она называется петрологическим типом. Эти типы измеряют степень термальной метаморфизации. Они также отслеживают гидротермальное изменение.
«Эти различия называются петрологическими типами; они разбиты в таблице полного размера, которую можно посмотреть здесь»
Эта система добавляет слой детализации к группам, основанным на элементах. Она объясняет, почему породы из одного и того же родителя могут выглядеть и вести себя по-разному. Одна может быть нетронутой. Другая может быть обожженной или измененной. Петрологический тип фиксирует это путешествие после формирования.
Расшифровка шкалы петрологического типа
Если расколоть хондритовый метеорит, первое, на что обращают внимание ученые, — это не золото или алмазы. Это код. Одна единственная цифра, рассказывающая историю жизни этой породы. Так называется система петрологического типа — метод классификации, который точно показывает, насколько сильно метеорит был разрушен, нагрет или пропитан водой с момента зарождения Солнечной системы.
Шкала варьируется от 1 до 6, хотя некоторые исследователи расширяют её до 7. Это не случайный порядок. Это хронология разрушения и сохранения.
Фактор воды: типы 1 и 2
Начнем с начала. Тип 1. Здесь побеждает вода.
Эти метеориты были пропитаны влагой. В течение миллионов лет родительское тело было достаточно теплым, чтобы лед мог расплавиться. Жидкая вода просачивалась в трещины, вступая в реакцию с минералами, образуя глины и сульфиды. Первичные хондры — крошечные капли расплавленной породы, определяющие хондриты, — стираются или, по крайней мере, сильно изменяются. Если вы ищете породу, которая рассказывает о роли воды в раннем формировании планет, вам сюда.
Тип 2 — это промежуточное состояние. Вода присутствовала, но её было недостаточно, чтобы полностью переписать химию породы. Первичные текстуры всё ещё видны. Изменения есть, но они умеренные. Это разница между губкой, оставленной в ведре на час, и губкой, пролежавшей там неделю.
Фактор тепла: типы 3–6
А теперь о тепле.
Тип 3 — это базовый уровень. Граница между неизмененными и измененными породами. Метеорит типа 3 практически не подвергался воздействию воды. Он также практически не подвергался нагреву. Он первоздан. Это то, что ближе всего к исходному материалу солнечной туманности. Глядя на него, вы видите пыль и расплав возрастом 4,6 миллиарда лет.
Но по мере продвижения вверх по шкале вещи «пропекаются».
Типы 4 и 5 отражают возрастающие степени термальной метаморфизации. Родительское тело нагревалось, вероятно, за счет радиоактивного распада или ударов. Тепло «запекло» породу. Хондры становится труднее различить. Минералы матрицы перекристаллизовываются. Текстура меняется. Порода становится более однородной.
Тип 6 — это конец линии для большинства классификаций. Это высокое тепло. Порода почти расплавилась, но не совсем. Границы между различными минеральными зернами размываются. Химические сигнатуры исходных компонентов начинают смешиваться. Это порода, которая прошла через «мясорубку» и вышла, словно другой элемент.
«Метеорит, испытавший температуры, чуть не достигшие плавления, будет относиться к типу 6. Тот, что подвергся обширной гидротермальной изменчивости? Тип 1.»
Пограничные случаи: тип 7 и граница
Некоторые исследователи утверждают, что шкала не заканчивается на 6. Тип 7? Это для пород, нагретых до частичного плавления. Хондры не просто размываются; они плавятся, сливаясь с окружающей матрицей. Порода находится на грани превращения в магматическую, полностью теряя свою хондритовую идентичность.
Так где же оказывается ваша выборка?
Если она влажная и измененная, это тип 1 или 2. Если сухая и первозданная — тип 3. Если она была «запечена»,
Учёные, изучающие метеориты, используют два основных способа классификации космических камней. Они группируют их по химическому семейству или по термической истории. Чаще всего эти методы хорошо согласуются друг с другом. Иногда же это не так.
Возьмём метеорит Алленде. Он упал в 1969 году в Мексике. Падение было засвидетельствовано свидетелями. Это помогает: можно отследить его траекторию и быстро найти обломки. Учёные изучали его на протяжении многих лет.
Они отнесли его к категории CV3. Что это означает?
Буквы «CV» относятся к химической группе. Он принадлежит к углеродистым хондритам CV. Это редкий тип. Он содержит органические соединения и минералы, содержащие воду. Эти метеориты подобны капсулам времени из ранней Солнечной системы.
Цифра «3» обозначает петрологический тип. Этот номер варьируется от 1 до 6. Он показывает, сколько тепла выдержала порода.
- Типы 1 и 2 не претерпели изменений. Они холодные.
- Тип 3 является наименее обработанным. Он всё ещё примитивен.
- Типы от 4 до 6 были нагреты и претерпели изменения.
Алленде относится к типу 3. Он не был «прожарен». Он сохранил свою первоначальную структуру. Минералы внутри него нетронуты. Это делает его ценным для изучения формирования Солнечной системы.
Система классификации помогает исследователям сравнивать камни из разных падений. Она рассказывает историю породы. Она объясняет её путь.
«Цифра 3 указывает на примитивное состояние, сохраняя подсказки, которые теряются в нагретых породах.»
Не каждый метеорит вписывается в систему без проблем. Некоторые камни проявляют признаки обеих химических групп. Некоторые имеют смешанную термическую историю. Учёным приходится присматриваться внимательнее. Они изучают минералы. Они измеряют изотопы.
Метеорит Алленде остаётся ключевым примером. Он показывает, как два метода классификации работают вместе. Он служит базисом. Он помогает нам понять другие углеродистые хондриты.
Почему это важно для нас? Эти камни хранят секреты. Секреты о воде. Секреты о строительных блоках жизни. Классифицируя их, мы упорядочиваем свой поиск ответов. Мы знаем, что искать. Мы знаем, чего избегать.
Система не идеальна. Это инструмент. Полезный инструмент. Но инструменты могут быть использованы неправильно. Или поняты неверно.
Рассказывает ли классификация всю историю? Нет. Она рассказывает лишь её часть. Остальное требует контекста. Требуется больше данных. Требуется время.
Мы продолжаем находить новые камни. Мы продолжаем уточнять категории. Солнечная система не статична. Наше понимание её также не является неизменным.
Углеродистые хондриты группы CI
Некоторые метеориты классифицируются по степени их ударного воздействия или выветривания на Земле. Такие схемы существуют, но применяются редко. Более распространённое разделение основано на простом принципе: видели ли падение метеорита, или он был просто найден на поверхности? Это различие формирует категории «падения» и «находки».
Группа CI углеродистых хондритов выделяется на этом фоне. Они представляют особый интерес именно потому, что нарушают общепринятые правила. Технически называть их хондритами не совсем корректно. В них полностью отсутствуют хондры. Если они когда-либо присутствовали, интенсивное водное изменение стёрло все их следы. Вода подвергла их такому тщательному воздействию, что первоначальная структура исчезла. Однако их элементный состав рассказывает другую историю. Сравните их состав с составом Солнца — совпадение поразительное.
Среди всех типов метеоритов хондриты группы CI наиболее точно отражают состав Солнца. Именно это сходство является причиной того, что системы классификации продолжают относить их к хондритам, несмотря на отсутствие структурных признаков. Это прагматичное решение. Эти породы представляют собой средний химический состав ранней Солнечной системы. Некоторые исследователи пошли в этом направлении дальше. Они предполагают, что хондриты группы CI могут происходить не с астероидов, а с комет. Считается, что кометы содержат наиболее первозданный, неизменённый материал в Солнечной системе. Эта идея имеет свои недостатки. Наука пока не имеет полного понимания природы и происхождения комет. Этот пробел в знаниях означает, что полностью отвергать такую возможность было бы неразумно. Это остаётся убедительной гипотезой.
Ахондриты
Ахондриты рассказывают совершенно иную историю. В отличие от хондритов, они не содержат хондр. Это магматические породы. Их тела-родители подверглись достаточному нагреву, чтобы расплавиться и дифференцироваться. Материал разделился на слои ядра, мантии и коры. Когда эти тела разрушались, их фрагменты вылетали в космос. Некоторые из них в конечном итоге упали на Землю.
Эти породы часто похожи на земные магматические породы. Базальты и габбро с Земли имеют сходство с определёнными ахондритами. Ключевое различие заключается в их происхождении. Они происходят из дифференцированных тел-родителей. Это может быть крупный астероид, такой как Веста, или даже планета. Марс предоставляет конкретный пример. Некоторые ахондриты подтверждены как марсианские метеориты. Лунные метеориты также попадают в эту категорию. Они представляют собой коровый материал с Луны или Марса.
Классификация ахондритов основывается на их петрологии и геохимии. Учёные анализируют минеральный состав и изотопные соотношения. Эти данные связывают породы с конкретными телами-родителями. Например, уникальные изотопные сигнатуры кислорода помогают определить марсианское происхождение. Этот процесс кропотливый. Он требует применения передовых аналитических методов для различения земных и внеземных пород. Несмотря на трудности, ахондриты дают ключевые представления о формировании планет. Они раскрывают то, как тепло и давление формировали раннюю Солнечную систему.
Ахондриты. Название громоздкое, но определение простое: это метеориты «без хондритов». Они не являются случайными космическими камнями. Они рассказывают историю хаоса, тепла и планетарной эволюции. Хотя они составляют относительно небольшую долю в общей массе метеоритов, они чрезвычайно разнообразны.
Их тела-родители не оставались холодными и примитивными. Они расплавились.
Подумайте об этом секунду. Повсеместное плавление. Это не просто теплый день в космосе. Это достаточно энергии, чтобы запустить геологические процессы, которые мы обычно ассоциируем с Землей. Эти камни демонстрируют магматические особенности — присмотритесь, и вы увидите текстуры, идентичные земным вулканическим породам. Вы увидите сегрегацию. Расплавленный металл отделяется от расплавленной силикатной породы, потенциально формируя ядро. Силикатные кристаллы сортируются из магмы. Большинство ахондритов, которые мы находим на Земле, происходят с астероидов. Но крошечная доля? Они с Марса. И еще небольшая группа? С Луны.
Аубриты и химические аномалии
Давайте рассмотрим три самые многочисленные группы астероидных метеоритов. Первая: аубриты. Также известные как энстатитовые ахондриты.
Они происходят от тел-родителей, которые сформировались в условиях сильной химической восстановленности. Это сложный способ сказать, что химия была странной. В отличие от Земли, где кислород ожидает связывания со всем, эти тела накапливали электроны. Результат? Элементы существуют в менее распространенных соединениях. Возьмем кальций. На Земле вы найдете его в силикатах и карбонатах. В аубритах? Он появляется в виде олдамитита (CaS), сульфида. Это напоминание о том, что Солнечная система не была монолитом. Разные регионы имели разные химические особенности.
Насильственная история Весты
Затем есть ассоциация гауэрдит-эукрит-диогенит (HED). Эти три не просто связаны. Они братья и сестры из одной семьи. Астероид Веста. Второй по величине член пояса астероидов.
Связь их с мезосидеритами (группой каменно-железных метеоритов) логична. Когда вы изучаете метеориты HED, вы видите не просто камень. Вы видите временную шкалу. У Весты сложная история. Она расплавилась. Она разделила металл на ядро. Она кристаллизовалась. Она подверглась метаморфизму. Она подверглась ударам, которые превратили твердую породу в брекчию — процесс, при котором удар дробит породу и цементирует ее обратно.
Это насильственная история. И у нас есть доказательства.
Глубина против поверхности: разделение эукритов
Эукриты подразделяются, и разница заключается в том, где и как быстро они остывали.
Кумулятивные эукриты — это глубоководные ныряльщики. Они похожи на земные габбро. Они сформировались на глубине во Всте и кристаллизовались довольно медленно. У вас есть время. У минералов есть время для роста. Для оседания.
Базальтовые эукриты? Это обитатели поверхности. Подобны земным базальтам. Они сформировались на поверхности Весты или вблизи нее. Остыли быстро. Нет времени для глубокой кристаллизации. Только быстрая кристаллизация.
А затем есть диогениты. Состоящие преимущественно из минерала пироксена. Также сформированные на глубине. Но отличные от кумулятивных эукритов. Гауэрдиты связывают все воедино. Они ударные брекчии. Цементированные фрагменты материалов диогенита и эукрита. Они — поле обломков насильственного прошлого Весты.
Углеродные прожилки урейлитов
Третий основной класс ахондритов, происходящих от астероидов, приводит нас к урейлитам. Они содержат углерод.
Представьте себе силикатную породу. Преимущественно оливин и пироксен. Но через нее проходят темные прожилки. Эти прожилки могут составлять до 10 процентов метеорита. Что внутри них? Углерод. Графит. Немного алмазов. Железо-никелевый металл. Сульфиды.
Силикаты явно кристаллизовались из магмы. Эта часть ясна. Но как они сформировались? Есть споры.
Углеродистые прожилки, по-видимому, сформировались за счет шоковой перераспределительной деформации. Графит изначально кристаллизовался вместе с силикатами. Затем ударные волны переместили его. Вытянули в прожилки. Это не просто статичная порода. Это динамическая система, которая была разрушена и собрана заново.
За пределами «Большой тройки»
У вас есть ваши аубриты. Ваши HED. Ваши урейлиты.
Но это не вся история. Есть и второстепенные классы. Коллекция уникальных образцов ахондритов. Каждый из них отражает изменчивость процессов плавления в астероидах. Ни два тела-родителя не вели себя абсолютно одинаково. Ни две истории плавления не были идентичны.
Мы наблюдаем геологические отпечатки миров, которых больше нет, или которые сильно изменены. Наука об ахондритах — это не просто классификация. Это
Три дюжины метеоритов были идентифицированы как имеющие марсианское происхождение. Все они являются вулканическими породами. Все, кроме одного, принадлежат к трем конкретным классам — шергитам, наклитам и чагинитам. Эти названия были даны задолго до того, как кто-либо заподозрил, что они пришли с другой планеты. В совокупности ученые называют их СНК (SNC).
Одним из доказательств планетного происхождения СНК является их молодой возраст — от 150 миллионов до 1,3 миллиарда лет. Чтобы сохранить достаточно тепла для продолжения вулканической активности вплоть до 1,3 миллиарда лет назад, не говоря уже о более поздних периодах, требовалось родительское тело размером с планету. Поскольку существует значительное геохимическое доказательство того, что эти породы не возникли на Земле, единственными вероятными кандидатами остаются Венера и Марс, оба из которых, по-видимому, испытывали недавнюю вулканическую активность.
Наиболее убедительное доказательство марсианского происхождения поступает от антарктического метеорита, СНК под названием EETA79001. Этот метеорит содержит захваченные газы (благородные газы, азот и углекислый газ), относительное обилие и изотопный состав которых почти идентичны таковым в марсианской атмосфере, измеренным двумя посадочными аппаратами «Викинг». Ученые полагают, что марсианские метеориты представляют собой фрагменты близкой к поверхности планеты коры, выброшенные в космос крупными ударными событиями и в конечном итоге оказавшиеся на Земле. В случае EETA79001 атмосферные газы, по-видимому, оказались захваченными в стеклах, образовавшихся в ходе сильного ударного события, которое извлекло породу с Марса. Поскольку марсианские метеориты являются единственными образцами Марса, доступными ученым на Земле, они обеспечивают уникальное окно в эволюцию этой загадочной планеты.
Поиск древней жизни в ALH84001
Некоторые марсианские метеориты подверглись гидротермальному изменению в той или иной степени, что согласуется с другими свидетельствами наличия жидкой воды на Марсе по крайней мере периодически в прошлом. Наиболее уникальным марсианским метеоритом является еще один антарктический образец, ALH84001. Эта порода, ортопироксенит, имеет возраст кристаллизации около 4,5 миллиардов лет, что примерно совпадает с возрастом астероидных метеоритов (см. ниже «Возраст метеоритов и их компонентов»), но несколько ее свойств четко связывают ее с другими марсианскими метеоритами.
Около 3,9 миллиарда лет назад через него проходили водные растворы, вызывая осаждение ассоциаций минералов карбоната, магнетита и сульфида. Некоторые исследователи интерпретировали эти довольно необычные ассоциации как доказательства наличия жизни на Марсе. Они также сообщили об особенностях в метеорите, которые они интерпретировали как окаменелые бактерии. Эти утверждения вызвали значительные споры, но также породили важные дискуссии о том, как могла возникнуть жизнь и как ее можно распознать, даже если она отличается от жизни, известной на Земле.
Лунная связь
Ряд лунных метеоритов был найден в Антарктиде и в жарких пустынях Земли. Вероятно, их не удалось бы распознать как имеющие лунное происхождение, если бы не образцы лунного грунта, доставленные экипажами миссий «Аполлон» и автоматическими миссиями «Луна». Метеориты, которые, вероятно, являются фрагментами, выбитыми с Луны крупными ударными событиями, напоминают различные типы пород, представленные в лунных образцах (например, морские базальты, реголитовые брекчии высокогорий и ударно-расплавленные брекчии высокогорий), но почти наверняка они происходят из районов, не охваченных различными миссиями. Поэтому, как и марсианские метеориты, они являются важным источником новой информации об образовании и эволюции их родительского тела.
Железные метеориты
Железные метеориты — это не просто случайные куски космического мусора. Это тяжелые металлические остатки бурной космической истории. Конкретнее, это фрагменты более плотного металла, которые отделились от менее плотных силикатов, когда их тела-родители были как минимум частично расплавлены.
Долгое время стандартное объяснение было простым. Эти породы происходят из ядер своих астероидов-родителей. Представьте себе планетезималь, которая нагрелась настолько, что превратилась в суп из камня и металла. Тяжелое железо опустилось в центр. Более легкие силикаты всплыли к коре. Когда эти тела впоследствии были разбиты столкновениями, фрагменты ядра посыпались на Землю в виде железных метеоритов.
Но картина может быть более сложной.
Некоторые исследователи предполагают, что металл не всегда образовывал единый массивный резервуар в центре. Вместо этого он мог скапливаться локально. Представьте структуру, напоминающую изюмный хлеб. Силикатная порода — это тесто. Кусочки металла — это изюм.
«Металл, вместо того чтобы образовывать единый резервуар, мог скапливаться локально, создавая структуру, напоминающую изюмный хлеб, где куски металла выступают в роли „изюма“».
Как мы получили изюмный хлеб вместо слоистого ядра? Разница заключается в том, как применялось тепло.
Если астероид подвергся глобальному плавлению, разность плотностей вызвала бы полное разделение. Тяжелое железо опускается. Легкий камень поднимается. Результатом становятся четкие слои. Ядро. Мантия. Кора.
Если астероид подвергся локальному плавлению от ударного воздействия, история меняется. Мощное столкновение могло нагреть лишь небольшой регион. Достаточно, чтобы расплавить часть металла. Недостаточно, чтобы расплавить все тело. Металл образует карманы. Он не опускается в центр, потому что окружающая порода остается твердой. Он остается на месте.
Эта теория объясняет, почему некоторые железные метеориты имеют химические сигнатуры, которые не совсем соответствуют глубокому происхождению из ядра. Они выглядят так, будто образовались поспешно. В карманах. В глуши.
Это также ставит вопросы о том, какие именно астероиды произвели эти образцы. Не у каждого тела-родителя были подходящие условия. Некоторые оставались холодными. Некоторые расплавились полностью. Те, что произвели астероиды «изюмного хлеба», попали в специфическое окно тепловой энергии. Достаточно для мобилизации металла. Недостаточно для устранения хаоса.
Так что, когда вы держите в руках железный метеорит, вы держите кусок ядра. Или, возможно, просто изюминку из середины разломленного куска хлеба. Это различие важно для понимания того, как тела ранней Солнечной системы обрабатывали свои материалы. Достигли ли они равновесия? Или же их процесс был прерван?
Мы все еще разбираемся в деталях. Металл рассказывает историю. Она просто не всегда линейна.
Железные метеориты — это, по сути, застывшие фрагменты ядер планет. Они состоят в основном из двух минералов на основе никеля и железа: бедного никелем камасита и богатого никелем тейнита. Соотношение этих двух минералов определяет внутреннюю структуру метеорита.
Возьмем гексаэдриты. Они почти полностью состоят из камасита. Благодаря своей однородности они не имеют внутренней структуры, за исключением следов ударного воздействия. На другом конце спектра находятся атактиты. Это редкие метеориты, богатые тейнитом, содержащие до 60% никеля по весу. Как и гексаэдриты, они почти мономинеральны и, следовательно, лишены структурных особенностей.
Между ними находятся октаэдриты. В них кристаллы камасита образуют взаимно переплетающиеся пластины, расположенные в октаэдрической конфигурации. Тейнит заполняет промежутки. Если разрезать, отполировать и протравить октаэдрит разбавленной кислотой, можно увидеть узор Видманштеттена. Эта геометрическая решетка доказывает, что метеорит сформировался при низком давлении. Она соответствует условиям, ожидаемым внутри тел размером с астероид.
Химическая классификация вместо структурной
Раньше железные метеориты классифицировали по содержанию никеля и наличию узоров Видманштеттена. Этот метод в значительной степени устарел. Теперь ученые используют химическую классификацию, основанную на уровнях галлия, германия и никеля.
Самые распространенные группы имеют скучные названия: IAB, IIAB, IIIAB, IVA и IVB. Существует также множество меньших классов и уникальных образцов. Рабочая гипотеза заключается в том, что большинство железных метеоритов происходят из ядер астероидов. Вариации внутри одного класса отражают изменяющиеся условия во время затвердевания ядра.
Содержание галлия и германия в расплавленном металле не сильно меняется во время кристаллизации. Они чувствительны к условиям, в которых сформировался астероид-родитель. Подобное содержание галлия и германия указывает на общее происхождение. Возможно, они происходят из одной породы. Или, возможно, их тела-родители сформировались в одно и то же время и в одном месте.
Никель рассказывает другую историю. Он концентрируется в тех частях металла, которые дольше остаются в расплавленном состоянии. Это делает уровень никеля полезным инструментом для определения последовательности кристаллизации внутри класса.
Подобное содержание галлия и германия указывает на общее происхождение. Возможно, они происходят из одной породы. Или, возможно, их тела-родители сформировались в одно и то же время и в одном месте.
Аномальное происхождение
Не все укладывается в модель формирования ядра. Железные метеориты групп IAB, IIICD и IIE демонстрируют геохимические особенности, отличные от других классов. Их происхождение неясно. Некоторые исследователи полагают, что они были созданы в результате процессов столкновений.
Каменно-железные метеориты
Палласиты: окна в ядра астероидов
Каменные железокаменные метеориты — это аутсайдеры в мире метеоритов. Примерно наполовину состоят из силикатов, наполовину — из никель-железного металла. Они делятся на два типа: палласиты и мезосидериты.
Палласиты — это то, где становится красиво. Вы видите сеть блестящего металла с вкрапленными внутри кристаллами зелёного оливина. Можно сравнить это с космической оправой для драгоценностей. Зёрна оливина обычно имеют ширину около полусантиметра. Но если присмотреться к металлу, вы увидите узор Видманштеттена. Эти геометрические линии образуются только при невероятно медленном охлаждении металла в течение миллионов лет.
Как они образовались? Они не просто случайно сталкивались друг с другом. Они формировались на границе между расплавленным металлом и расплавленной породой. Представьте себе астероид, который прошёл дифференциацию. Тяжёлый никель-железный сплав опустился в ядро, а более лёгкие силикаты всплыли, образовав мантию. Палласиты представляют именно эту границу. Они являются переходным слоем между ядром и мантией.
Некоторые учёные считают, что они происходят из внешних частей ядер астероидов. Другие предполагают, что это могут быть крупные самородки металла, скопившиеся в мантии и окружённые силикатами. В любом случае, они редки и красивы.
Мезосидериты и связь с HED-метеоритами
Затем идут мезосидериты. Они более «грязные». Это ударные брекчии. Это означает, что они состоят из фрагментов породы, сваренных вместе в результате мощного столкновения.
Они тесно связаны с HED-метеоритами — тройкой ахондритов, названных в честь трёх астероидов: гауэритами, эукритами и диогенитами. Мезосидериты имеют общее происхождение с гауэритами. Они содержат фрагменты эукритов и диогенитов. Но у них есть нечто дополнительное. Много рассеянного никель-железного металла.
Откуда взялся этот металл? Мы не знаем наверняка. Ведущая теория проста: это результат жестокого насилия. Тело с дифференцированным ядром столкнулось с родительским телом мезосидеритов. Ядро раскололось. Металл смешался с фрагментами силикатов. Это был катастрофический процесс. Результатом стала порода, рассказывающая историю разрушения и смешения.
Связывание пород с их астероидами-родителями
Вы можете спросить, как мы узнаём, из какого астероида произошли эти породы. Это не магия. Это химия и физика, работающие вместе.
Связь между метеоритами и астероидами основывается на совпадении спектральных сигнатур. Когда мы наблюдаем за астероидами через телескопы, мы видим свет, отражённый от их поверхностей. Этот свет имеет определённые паттерны, зависящие от присутствующих минералов. Когда мы анализируем метеориты в лаборатории, мы видим те же самые спектральные отпечатки.
Эта связь не всегда прямая. Иногда астероид изменился с тех пор, как в последний раз потерял свой фрагмент. Космическое выветривание изменяет поверхность. Но совпадение достаточно сильное для большинства случаев. Мы можем проследить происхождение гауэрита до Весты. Мы можем связать определённые ахондриты с конкретными семействами астероидов.
Это сопоставление имеет значение. Оно превращает случайный камень в вашей руке в образец с другого мира. Мы можем картировать геологию астероида, никогда не приземляясь на него. Нам просто нужно найти те фрагменты, которые он оставил по пути.
Поиск продолжается. Новые телескопы обнаруживают больше астероидов. Новые метеориты падают на Землю. Каждый из них укрепляет связь. Мы строим карту строительных блоков Солнечной системы. И мы только начинаем.
Поверхностное несоответствие: почему астероиды выглядят иначе, чем их метеориты
Логика кажется простой. Если метеориты происходят из конкретных участков пояса астероидов, то их тела-источники должны иметь точно такие же химические и минералогические «отпечатки пальцев», как у пород, найденных на Земле. В теории мы могли бы просто посмотреть на свет, отражаемый астероидами — их альбедо и спектр отражательной способности — чтобы напрямую определить их источники.
Реальность оказалась сложнее.
Несколько природных процессов вступили в противоречие, сделав сопоставление астероидов с группами метеоритов гораздо более сложным, чем кто-либо ожидал.
Классы S и C: две основные группы
Большинство астероидов попадают в две широкие категории, даже если ни один спектр не идентичен другому.
Астероиды класса S, такие как Гаспра и Ида (наблюдавшиеся космическим аппаратом «Галилео») или Эрос (посещенный зондом NEAR Shoemaker), имеют умеренное альбедо. Их поверхности содержат смеси оливина, пироксена и металлического железа. Это те же минералы, которые встречаются в обыкновенных хондритах. Проблема в том, что эти минералы присутствуют и в других типах метеоритов, что делает их плохими уникальными идентификаторами.
Астероиды класса C, такие как Матильда (также посещенная зондом NEAR Shoemaker), имеют низкое альбедо. Их спектры лишены особенностей, что указывает на наличие материалов, поглощающих свет. По крайней мере, у половины из них наблюдаются признаки гидратированных силикатов, содержащих железо. Это делает их правдоподобными источниками для некоторых углеродистых хондритов, но маловероятными кандидатами для обыкновенных хондритов. Низкое альбедо и наличие водосодержащих минералов просто не соответствуют сухому, металлическому профилю обыкновенных хондритов.
Загадка класса S
Когда ученые присмотрелись к астероидам класса S, очевидное соответствие с обыкновенными хондритами рухнуло.
Их минералогия слишком сильно варьировалась, в частности, соотношения оливина и пироксена. Это привело к разделению их на семь подклассов. Подкласс S(IV) казался лучшим совпадением.
Эта гипотеза получила поддержку от миссии NEAR Shoemaker. Рентгеновский спектрометр измерил элементный состав Эроса, астероида S(IV). За исключением заметно низкого содержания серы, состав поверхности Эроса идеально совпадал с составом обыкновенного хондрита.
Но здесь есть подвох. Спектры поверхностей астероидов класса S не совпадали со спектрами обыкновенных хондритов. Наблюдалось явное расхождение между тем, что видели приборы в свете, и тем, как должны были выглядеть образцы породы.
Космическое выветривание разгадывает тайну
Разрыв между теорией и наблюдениями был закрыт только в 2010 году.
Японский космический аппарат Hayabusa вернулся на Землю с астероида класса S(IV) Итокава. Он доставил более 1500 частиц пыли. Результаты были однозначными. Поверхности частиц выглядели как типичные астероиды класса S. Но внутри? Состав был идентичен обыкновенным хондритам.
Поверхности были изменены.
Это изменение известно как космическое выветривание. Это собирательный термин для процессов, которые со временем изменяют химические и физические свойства безвоздушных тел.
Что движет этим выветриванием?
- Удары метеоритов и микрометеоритов.
- Столкновение с энергичными частицами солнечного ветра.
- Воздействие солнечной радиации и галактических космических лучей.
Эти силы действуют на Меркурий, Луну, спутники планет, кометы и астероиды. Вы можете увидеть эффекты, сравнивая более молодые поверхности вокруг кратеров со старыми ландшафтами. NEAR Shoemaker наблюдал это на Эросе. Галилео наблюдал это на Гаспре и Иде.
Другие ассоциации
Космическое выветривание не только запутывает связи класса S. Вероятно, оно влияет на спектры астероидных источников для всех групп метеоритов. Несмотря на это, ученые построили убедительные ассоциации для других групп.
Группы углеродистых хондритов CV и CO предлагается считать происходящими из астероидов класса K.
Веста, крупный астероид главного пояса, является источником связи овардит-эукрит-диогенит. Спектральные измерения также указывают на Весту как на источник мезосидеритов.
Для железных метеоритов наиболее вероятными телами-источниками являются астероиды класса M. Однако энстатитовые хондриты и мезосидериты также были связаны с этим классом.
Наконец, палласиты, возможно, происходят из астероидов класса A.
Связь между небом и почвой существует. Она просто скрыта под слоями космического «шума» и ударного debris.
Часы Солнечной системы начали отсчет примерно 4,5 миллиарда лет назад. Когда планеты и астероиды впервые начали формироваться, они были «засеяны» радиоактивными изотопами. Эти нестабильные атомы распадаются с определенными, предсказуемыми скоростями. Мы измеряем эту скорость через период полураспада — время, необходимое для распада половины образца.
Некоторые из этих радионуклидов живут дольше, чем наше Солнце. Мы называем их долгоживущими радионуклидами. Они до сих пор присутствуют в природе. Их можно найти в метеоритах и глубоко в земной коре. Ученые используют их для датирования горных пород, поскольку их долговечность обеспечивает стабильную основу для измерения глубокого времени.
Но как именно получить конкретное число?
Объяснение метода изохрон
Большинство геохронологов полагаются на метод изохрон. Это графический метод, который устраняет большую часть догадок. Рассмотрим в качестве рабочей модели систему рубидий-стронций.
Все просто.
Рубидий-87 является материнским изотопом. Стронций-87 — стабильным дочерним изотопом. Период полураспада Рубидия-87 огромен: 48,8 миллиарда лет. У стронция также есть стабильные «братья», такие как Стронций-86. Этот изотоп не изменяется. Он служит точкой отсчета.
Когда порода кристаллизуется, каждый минерал внутри нее начинает с одинаковым отношением Стронция-87 к Стронцию-86. Однако отношение Рубидия-87 к Стронцию-86 варьируется от минерала к минералу. Некоторые минералы захватывают больше рубидия, другие игнорируют его.
По мере прохождения времени Рубидий-87 распадается в Стронций-87. Соотношения изменяются. Они смещаются быстрее в тех минералах, которые изначально содержали много рубидия.
Если нанести на график текущие отношения Стронция-87 к Стронцию-86 в зависимости от отношений Рубидия-87 к Стронцию-86 для различных минералов в одной и той же породе, точки данных выстроятся в ряд. Они образуют прямую линию.
Эта линия называется изохроной.
Наклон этой линии указывает на возраст. Более крутой наклон? Более старая порода. Точка пересечения линии с осью (где содержание рубидия равно нулю) дает начальное отношение стронция в момент формирования.
Внутренние и общеродовые изохроны
Когда вы используете минералы из одной породы, это внутренняя изохрона. Вы также можете масштабировать метод. Возьмите несколько пород, которые образовались в одно время и в одном месте, но имели разные начальные химические составы. Постройте график для них. Вы получите общеродовую изохрону.
Это элегантно. Это надежно. Это также неоднозначно.
Изохрона датирует момент. Но какой именно момент?
Датирует ли она момент первоначального формирования минералов? Или это момент, когда порода позже подверглась нагреву, что привело к смешиванию и гомогенизации изотопов стронция? Нагрев сбрасывает часы. Без других геологических доказательств вы не всегда можете определить, какое событие фиксирует изохрона.
Если точки данных не образуют прямую линию, система нарушена. Она была возмущена. В метеоритах это обычно связано со ударом. Мощное столкновение раскалывает породу, перемешивая изотопы. Данные разбрасываются. Часы перестают работать.
Призрак короткоживущих изотопов
Долгоживущие изотопы дают нам абсолютные даты. Короткоживущие изотопы сложнее.
Многие короткоживущие радионуклиды имели период полураспада всего в несколько миллионов лет. Они исчезли эоны назад. Измерить их напрямую больше невозможно. Они — призраки.
Но их химические отпечатки остаются. Ученые могут выводить их первоначальное содержание, используя метод изохрон для дочерних продуктов. Сравнивая эти первоначальные содержания в разных метеоритах, исследователи могут определить относительные возрасты. Какой объект сформировался первым? Какой позже?
Если у вас есть абсолютная дата от долгоживущего изотопа для одного объекта, вы можете калибровать относительную временную шкалу для остальных. Вы превращаете «старше, чем» в «X миллионов лет».
Это стало фокусом интенсивных современных исследований. Это сложно. Почему? Потому что короткоживущие радионуклиды ведут себя химически совершенно по-разному. Они не подчиняются тем же правилам, что и долгоживущие изотопы или сами друг другу. Согласование временной шкалы — это головоломка с отсутствующими фрагментами.
Тем не менее, картина удивительно ясна, учитывая ограничения.
Рефрактерные включения и время образования хондр
Самые старые объекты, которые у нас есть, — это рефрактерные включения. Они обнаруживаются в метеоритах. Их возраст установлен примерно на уровне 4 567 миллионов лет. Это первые твердые тела, конденсировавшиеся из солнечной туманности.
Они также содержат самые высокие следы короткоживущих радионуклидов. Это логично. Они сформировались, когда Солнечная система была самой молодой и самой радиоактивной.
Хондры идут следом. Но их абсолютные возрасты размыты. У нас нет точных чисел.
Мы знаем следующее: хондры в обычных и углеродистых хондритах содержат следы Алюминия-26. Это предполагает, что они формировались в течение продолжительного периода. Окно открывается через 1 миллион лет после образования рефрактерных включений. Оно растягивается до 3 миллионов лет. Некоторые интерпретации увеличивают этот период до 10 миллионов лет.
Здесь ведутся споры.
Измеряем ли мы момент плавления и затвердевания хондр? Или мы измеряем момент, когда более поздние события нагрева сбросили изотопные часы в уже сформированных хондрах? Более поздние даты вызывают сомнения. Они могут отражать термическую метаморфизацию, а не первоначальное формирование.
Этот метаморфизм завершился в разное время в зависимости от типа хондрита. В обычных хондритах он прекратился через 5–55 миллионов лет после образования включений. В энстатитовых хондритах он прекратился через 9–34 миллиона лет.
Почему такая вариативность?
Все сводится к физике и геометрии. Более крупные родительские тела остывают медленнее. Они дольше удерживают тепло. То же самое относится и к более глубоким регионам внутри этих тел. Диапазон возрастов — это не только вопрос времени. Это также вопрос глубины и массы. Метеориты, которые мы держим в руках, являются фрагментами сложного, остывающего механизма, которому потребовались десятки миллионов лет, чтобы затухнуть.
У нас есть даты. У нас есть методы. Но точная последовательность плавления и остывания в этих темных, древних камнях все еще хранит некоторые свои секреты.
Определение возраста первых пород
Часы для обычных и энстатитовых хондритов показывают неточное время. Мы не знаем их точных дат рождения. Однако окончание их метаморфизма устанавливает жёсткие временные рамки. Они сформировались не позднее чем через пять миллионов лет после появления тугоплавких включений. Энстатитовые хондриты, вероятно, образовались всего через два миллиона лет.
Углеродистые хондриты представляют собой ещё более древнюю загадку. Вода изменила их минералы. Это изменение произошло быстро. Данные свидетельствуют о том, что они сформировались в течение трёх–семи миллионов лет после появления тех самых включений. Возможно, это произошло менее чем за один миллион лет.
Ахондриты рассказывают другую историю. Их магма кристаллизовалась от 4,558 до 4,399 миллиардов лет назад. Веста здесь является исключением. Её родительское тело начало плавиться 4,565 миллиарда лет назад. Это раньше, чем у большинства других.
Железные и железо-каменные метеориты кристаллизовались через 10–20 миллионов лет после формирования включений. Однако разделение металла и силикатов произошло менее чем за 1,5 миллиона лет.
Скорость — вот ключевой момент. Многие астероиды плавлись, дифференцировались и затвердевали практически мгновенно.
Почему эта скорость имеет значение? Она меняет наше представление о ранней Солнечной системе. Планеты росли не медленно, собираясь из пыли. Они реагировали. Тепло стало доступно сразу. Дифференциация не была медленным дрейфом. Это была быстрая реакция на местные условия. Временная шкала заставляет нас пересмотреть скорости аккреции. Первые породы не просто ждали. Они перерабатывали материал на максимальной мощности.
Путешествие от пояса астероидов до нашей атмосферы не происходит мгновенно. Определение того, сколько времени требуется камню, чтобы совершить этот путь, помогает ученым выявить механизмы, ответственные за доставку космического мусора на Землю. Мы не можем измерить это время путешествия напрямую. Однако мы можем вывести его, используя возраст космического облучения. Этот показатель показывает, как долго метеорит находился в виде небольшого объекта — диаметром менее нескольких метров — в космическом пространстве или у поверхности более крупного родительского тела.
Физика космического бомбардирования
Высокоэнергетические галактические космические лучи, состоящие в основном из протонов, проникают в метеороидный материал на глубину до нескольких метров. Если метеороид меньше этого диапазона, он облучается насквозь. Эти протоны сталкиваются с атомными ядрами, выбивая другие протоны и нейтроны. Этот процесс, называемый спаллированием, создает множество редких изотопных видов. Образуются как стабильные, так и радиоактивные элементы.
Концентрация радиоактивных изотопов контролирует скорость бомбардировки, тогда как стабильные виды, такие как неон-21, измеряют общее время с момента начала облучения.
Среди конкретных изотопов выделяются стабильные благородные газы: гелий-3, неон-21, аргон-38 и криптон-83. Образуются также радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада. К ним относятся бериллий-10 (1,6 миллиона лет), алюминий-26 (730 000 лет), хлор-36 (300 000 лет), кальций-41 (100 000 лет), марганец-53 (3,7 миллиона лет) и криптон-81 (210 000 лет).
Стабильные изотопы накапливаются со временем. Неон-21, например, измеряет общую продолжительность времени с момента извлечения метеороида в результате столкновения. До этого столкновения объект был защищен внутри более крупного тела.
Распределение возрастов по типам метеоритов
Большинство метеоритов имеют возраст облучения, превышающий один миллион лет. Распределение значительно различается в зависимости от типа. Для хондритов количество резко снижается по мере увеличения возраста. Большинство обычных хондритов имеют возраст менее 50 миллионов лет. Углеродистые хондриты, как правило, моложе, часто менее 20 миллионов лет. Ахондриты группируются в диапазоне от 20 до 30 миллионов лет.
Железные метеориты рассказывают другую историю. Их возраст облучения охватывает гораздо более широкий диапазон, достигая двух миллиардов лет. Пики в этих распределениях, вероятно, отражают крупные ударные события, которые нарушили их родительские тела.
Орбитальная динамика и время столкновений
Эти диапазоны возрастов отражают динамическую эволюцию орбит метеороидов и их время столкновений. Практически нет метеоритов с возрастом облучения менее одного миллиона лет. Это предполагает, что орбиты не становятся пересекающими Землю менее чем за миллион лет.
Компьютерные модели поддерживают эту временную шкалу. Они также предсказывают, что время жизни на орбите должно уменьшаться быстрее, чем возраст космического облучения. Это несоответствие привело к новой теории. Метеориты, вероятно, проводят значительное время в виде небольших объектов, мигрирующих внутри пояса астероидов. Они ждут, пока их орбиты не пересекутся с резонансом.
Резонансы — это области, где планеты, особенно Юпитер, оказывают сильное гравитационное возмущение. Эти силы выталкивают метеороиды на траектории, пересекающие Землю.
Спад в количестве старых каменных метеоритов согласуется с оценками столкновений. Половина любой данной популяции уничтожается столкновениями за 5–10 миллионов лет. Верхний предел для большинства каменных метеоритов составляет 50 миллионов лет. Железные метеориты живут дольше. Их большая прочность позволяет им сохраняться в космосе на протяжении миллиардов лет. Механизмы, выбрасывающие эти камни, остаются ключевой областью исследований в понимании того, как Солнечная система доставляет материал на нашу планету.
Краткоживущие радионулиды и солнечная туманность
Мы знаем, что звезды рождаются, когда плотные сгустки межзвездного газа коллапсируют под действием собственной гравитации. Солнечная туманность, вероятно, прошла по тому же пути. Метеориты предоставляют физическое доказательство, содержащее сохранившийся материал, образовавшийся до и во время этого коллапса. Но вот в чем загвоздка: мы до сих пор не знаем, что именно спровоцировало коллапс в нашем конкретном уголке Галактики.
Это могли быть случайные флуктуации плотности. Или что-то более специфическое.
Доказательства указывают на второе. Метеориты, особенно их тугоплавкие включения, содержат краткоживущие радионулиды. Эти изотопы присутствовали в момент формирования Солнечной системы, а не были добавлены позже космическими лучами. Наиболее убедительным доказательством является кальций-41. Его период полураспада составляет примерно 100 000 лет. Чтобы обнаружить его сейчас, он должен был быть включен в эти включения в течение нескольких периодов полураспада с момента его образования. Менее чем за миллион лет. Это мгновение в астрономических масштабах.
Другие краткоживущие радионулиды имеют более длинные периоды полураспада, поэтому они не столь критичны. Но их соотношение имеет значение. Ученые сравнивают эти естественные распространенности с теми, которые мы ожидаем получить от звездных источников.
Триггеры от умирающих звезд
Два основных кандидата доминируют в поисках источника этих радионудидов. Во-первых, сверхновые. Массивные звезды, которые взрываются в конце своей жизни. Во-вторых, асимптотическая ветвь гигантов (AGB-звезды). Эти умирающие звезды также выбрасывают мощные, быстро движущиеся ветры, богатые именно теми изотопами, которые мы видим в метеоритах.
Компьютерные модели поддерживают эту теорию. Когда ударная волна от сверхновой или ветер AGB-звезды сталкивается с молекулярным облаком, которое само по себе не готово к коллапсу, она сжимает газ. Облако становится гравитационно неустойчивым. Оно коллапсирует. И, что важно, материал ветра, насыщенный радионудидными изотопами, смешивается с формирующимся облаком.
В этом сценарии радионудиды в метеоритах действуют как отпечатки пальцев. Они указывают на конкретный звездный ветер, который запустил формирование Солнца и планет.
Существует альтернативная версия, хотя она менее убедительна. Некоторые модели предполагают, что само молодое, активное Солнце производило эти радионудиды посредством интенсивного излучения внутри солнечной туманности. Однако ей трудно объяснить точные абсолютные и относительные распространенности, которые мы находим. Ни одна из моделей не является идеальной. Но теория звездного ветра имеет преимущество.
Тепловая история пояса астероидов
Как только начался коллапс, первыми появились твердые тела — те самые тугоплавкие включения. Они образовались в результате кратковременных, жестоких событий нагрева около 4,567 миллиарда лет назад. Это время совпадает с градиентом температуры ранней Солнечной системы. Меркурий сухой и каменистый. Юпитер богат газом и холодный. Внутренняя система была горячей. Внешняя система была холодной. Астрофизические модели предсказывают это, даже если точные цифры варьируются.
Одна из идей относительно включений заключается в том, что они образовались в конвективных потоках на краю самой горячей части внутренней туманности.
Пояс астероидов рассказывает другую историю. Это было спокойное место. Пресолнечный материал сохранился там. Существуют водосодержащие минералы. Летучие элементы в изобилии присутствуют в хондритовых метеоритах. Это свидетельствует против повсеместного нагрева в этом регионе. Это соответствует современным астрофизическим моделям холодной внешней зоны.
Но там не было полной тишины. Хондры появляются в большинстве хондритовых метеоритов, за исключением CI-хондритов. Это доказывает наличие локальных, преходящих скачков температуры. Кратких моментов экстремального нагрева в иначе холодной среде.
Почему хондры важны
Если бы хондры были редкостью, мы могли бы их игнорировать. Но они не являются таковыми. Они составляют основу обычных хондритов — самых распространенных метеоритов, падающих на Землю. Они также являются важной частью других хондритов. Эта масса указывает на то, что формирование хондр было центральным процессом в эволюции ранней Солнечной системы.
Даже если родительские тела этих метеоритов сформировались в ограниченной зоне пояса астероидов, эта зона все равно представляет собой около 10 процентов от общего объема пояса. И, вероятно, другие хондритовые астероиды сформировались дальше, даже если сегодня они находятся во внутреннем поясе.
Так как же они образовались? Электрические разряды. Ударные волны. Столкновения между расплавленными астероидами. Выхлопы от молодого Солнца. Список длинный. Ни одна из гипотез еще не получила общего признания.
Ключом может быть время. Возрасты хондр могут различать эти теории. Если они сформировались в течение 1–10 миллионов лет после образования включений, некоторые модели рушатся. Но если их измеренные возрасты просто отражают момент их повторного нагрева или изменения внутри родительских тел, проблема исчезает.
Запись все еще продолжается. Радионудиды дали нам начальную дату. Хондры дают нам беспорядочную, сложную середину. Что произошло дальше, до сих пор частично скрыто пылью 4,5 миллиардов лет.
Тайна нагрева астероидов
Астероиды не появились просто так. Они начали формироваться, возможно, через миллион лет после конденсации первых твердых материалов в солнечной туманности. В течение пяти–десяти миллионов лет они уже стали достаточно горячими, чтобы расплавиться. Некоторые из них претерпели гидротермальное изменение. У других вулканическая активность длилась до 170 миллионов лет. Мы до сих пор точно не знаем, что питало этот нагрев.
Ведущая теория указывает на короткоживущие радиоактивные изотопы, такие как алюминий-26 и железо-60. Они быстро распадаются, выделяя интенсивное тепло. Но дело было не только в радиоактивности. Вероятно, свою роль играли электрические токи, индуцированные ранними солнечными ветрами. Гравитационная потенциальная энергия, выделившаяся в процессе аккреции, добавила еще больше тепла. Точное соотношение этих факторов остается загадкой.
Быстрое планетообразование
Это происходило не только в поясе астероидов. Тела размером с астероиды формировались повсюду. Они начали сливаться в более крупные фрагменты. Этот процесс в конечном итоге привел к формированию каменистых внутренних планет. Это происходило быстро.
Луна, вероятно, образовалась, когда тело размером с Марс столкнулось с растущей Землей. Самые старые датированные лунные породы имеют возраст около 4,44 миллиарда лет. Данные свидетельствуют о том, что Луна сформировалась в течение 30 миллионов лет после появления первых твердых тел. Марс сформировался еще быстрее. Его самые древние метеоритные материалы имеют возраст 4,5 миллиарда лет, но сама планета затвердела примерно через 13 миллионов лет после появления этих первых твердых тел.
В течение 30 миллионов лет крошечные частицы превратились в полноценные каменистые планеты.
Дефицит массы в поясе астероидов
Чтобы астероиды формировались и эволюционировали в такие короткие сроки, начальная плотность вещества должна была быть высокой. Она, вероятно, напоминала плотность в областях, где находятся планеты-гиганты. Сегодня пояс астероидов содержит очень мало массы. Возможно, сохранилась лишь одна десятитысячная часть исходного материала.
Что-то устранило почти все. Что очистило этот регион от обломков?
Гравитационная чистка Юпитера
Наиболее вероятным виновником является Юпитер. Формирование планет-гигантов, особенно Юпитера, быстро эвакуировало большую часть вещества из этого региона. Метеориты показывают минералогические и химические записи, которые не соответствуют тому, что они были частью планеты размером с Луну. Это подразумевает, что Юпитер сформировался быстро. Он вырос до своих размеров до того, как астероиды могли превратиться в полноценные планеты.
Прежде чем Юпитер достиг своей текущей массы, астероиды двигались по почти круговым орбитам. Затем, по мере завершения формирования Юпитера и Сатурна, изменяющееся распределение масс отправило через пояс волны гравитационного резонанса. Эти волны увеличили эксцентриситет и наклон орбит астероидов до умеренных значений, которые мы наблюдаем сегодня.
Исходя из возрастов астероидов и их текущих ограничений по размерам, протопланета Юпитер должна была начать захватывать огромные количества водорода и гелия из солнечной туманности в течение примерно одного миллиона лет после формирования Солнечной системы. Этот быстрый рост требовал более сложного механизма формирования, чем у каменистых планет. Это была не просто аккреция. Это был более динамичный процесс.
Метеориты как зонды
Эта сценарная модель ранней эволюции Солнечной системы, вероятно, неверна в некоторых деталях. Возможно, во многих. Без образцов астероидов и примитивных материалов, предоставляемых метеоритами, у нас не было бы наблюдательной базы для этих моделей. Метеориты являются эффективными «зондами для бедных». До тех пор, пока космические миссии не доставят разнообразные образцы с астероидов и комет, метеориты останутся самым точным источником данных для понимания того, как эволюционировала Солнечная система.
История не завершена. Новые образцы переписывают хронологию. Пробелы в наших знаниях столь же важны, как и имеющиеся у нас факты.
