Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

2,4 миллиарда лет назад

Великая оксигенация

Более трех с половиной миллиарда лет назад, когда на Земле возникла жизнь в виде цианобактерий, состав атмосферы заметно отличался от сегодняшнего. Атмосфера нашей планеты напоминала по составу атмосферы нынешних Марса или Венеры и состояла из двуокиси углерода с небольшой примесью азота. Основой атмосферы был углекислый газ, неорганическое вещество CO₂, в молекуле которого соединены атом углерода и два атома кислорода. Цианобактерии, используя энергию солнечного света, разрушали эту молекулу, забирая углерод и выпуская в атмосферу все возрастающие количества кислорода. Но в течение первого миллиарда лет состав атмосферы не менялся.

Произведенный бактериями кислород связывался, в силу своей высокой химической активности, с минералами земной коры, в особенности с железом. Но однажды наступил момент, когда все доступные минералы на Земле оказались окислены. И кислород начал уходить в атмосферу. В ней в те времена было еще и достаточно метана, чтобы поддерживать довольно теплый климат, который ранее обеспечивал за счет аналогичных эффектов углекислый газ. Теплом пользовались организмы, способные жить без кислорода. Кислород же, распространяясь в атмосфере, взаимодействовал с метаном, который через сотню тысяч лет полностью исчез. Парниковый эффект постепенно сошел на нет. Падение температуры привело к тому, что вся земная поверхность покрылась толстым слоем льда. Это было так называемое Гуронское оледенение, самый длительный период состояния «снежка» в истории Земли. В течение нескольких сотен миллионов лет оно не позволяло живым организмам развиваться.

Некоторые виды, однако, сумели выжить в этой первой экологической катастрофе, приспособившись к новой окружающей среде и сумев переключить свой метаболизм на кислород. Гуронское оледенение закончилось стеканием огромного количества воды по континентам в море; эти потоки принесли в океан много питательных элементов. Цианобактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, расцвели на новом питании и произвели большое количество кислорода. Его содержание в атмосфере достигло уровня, необходимого для возникновения многоклеточной жизни. Так и случился эволюционный прорыв, ставший прелюдией биологического разнообразия. Вдобавок, воздействие ультрафиолетовых солнечных лучей на кислород вызвало образование озона, который сформировал в верхних слоях атмосферы защитный слой, не пропускающий губительный для живого ультрафиолет. Это был второй фактор, способствовавший биоразнообразию.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Земля-снежок (650 миллионов лет назад)

2 миллиарда лет назад

Природный реактор

На огромной глубине, под осадочными породами будущего Габона, создались условия для цепной реакции деления.

В результате взрыва сверхновой по соседству с солнечной туманностью на Землю в процессе ее образования попали два радиоактивных изотопа урана: уран-235 и уран-238. Первый распадается в шесть раз быстрее, чем второй – поэтому доля урана-235, составлявшая в ранний период развития Земли 17 %, уменьшилась и за два миллиарда лет до современной эпохи равнялась всего 3,8 %. Именно содержание урана-235 является решающим для работы ядерного реактора на обычной воде. Сотни миллионов лет назад вода и струйки кислорода, выпускаемые первыми цианобактериями, окислили уран и зафиксировали его в осадочных породах. На большой глубине под территорией современного Габона в форме пористых линз, заполненных водой, залегают породы, богатые окисью урана. Именно там чуть менее двух миллиарда лет назад запустился естественный ядерный реактор.

В середине 1950-х годов французские исследователи из СЕА (Комиссариат по ядерной энергии) обнаружили на востоке Габона богатые месторождения урана. В 1972 году инженеры завода СЕА в Пьерлате, во французской провинции Дром, сделали анализ урана, добытого в Габоне на месторождении Окко. Исследование позволило обнаружить небольшой дефицит изотопа урана-235. Физик Фрэнсис Перрен, бывший старший комиссар СЕА, предположил, что наблюдавшаяся аномалия была вызвана прошлой активностью природного ядерного реактора, существование которого предвидел в 1956 году американский физик-ядерщик японского происхождения Пол Казуо Курода.

Быстрые нейтроны, возникающие во время самопроизвольного деления ядра урана-135, замедляются водой, омывающей месторождения урана, и с легкостью разрушают другие ядра: таков принцип цепной реакции. Природный реактор в Окко, действуя на пониженной мощности, сохранял активность на протяжении сотен тысяч лет.

Этот реактор произвел такое количество продуктов деления, что Фрэнсис Перрен и его коллеги в 1972 году идентифицировали в породах, извлеченных на руднике в Окко, дочерние элементы, образованные в результате распада, и показали, что реактор действовал именно в этом месте. Здесь стоит заметить, что ключевым параметром теории функционирования ядерного реактора, в том числе и природного, является постоянная тонкой структуры. Так вот, исследования реактора в Окко показали, что два миллиарда лет назад значение постоянной тонкой структуры было с точностью до одной стомиллиардной таким же, как и измеряемое сегодня в лаборатории. Еще один камень в огород тех, кто утверждает, что фундаментальные константы могут меняться!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Вселенная и ее постоянные (9,7 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

800 миллионов лет назад

Мессье-32 вливается в Андромеду

Пусть наша Местная группа и достаточно скромное скопление галактик, но ее самая массивная галактика Мессье-31, то есть туманность Андромеды несет на себе следы множественных столкновений. Одно из них произошло в сравнительно недавний период бурной истории Местной группы. По траектории, ведущей к лобовому столкновению, к Мессье-31 начала приближаться одна из соседних с нею галактик. Это была небольшая эллиптическая галактика, гораздо меньшей, чем у Мессье-31, массы, открытая в 1749 году французским астрономом Гийомом Ле Жантилем и получившая название Мессье-32.

Многие астрофизики, стремясь понять сложную морфологию туманности Андромеды, пытались смоделировать процесс погружения галактики Мессье-32 в гравитационное поле ее массивной соседки. Южноафриканский астрофизик Дэвид Блок и его коллеги в 2006 году опубликовали цифровую модель столкновения, произошедшего по их расчетам двести десять миллионов лет назад, в нескольких тысячах световых лет от центра Мессье-31. Столкновение, судя по всему, породило две круговые волны изменения плотности, распространившиеся к внешним краям диска Андромеды, который к этому моменту, наподобие Млечного Пути, уже имел два спиральных рукава.

Изображение туманности Андромеды, созданное европейским космическим телескопом «Гершель» в дальнем инфракрасном диапазоне. Цифровая модель погружения Мессье-32, созданная недавно М. Дьерикс и ее коллегами, предполагает, что своим непростым обликом – спиральными рукавами и концентрическими кольцами – Андромеда может быть обязана эффекту перспективы, вызванному небольшим углом между направлением луча зрения и диском туманности Андромеды.

Блок и его коллеги предположили, что во время столкновения галактика Мессье-32, игравшая роль снаряда, потеряла половину своих звезд и темной материи, и практически все запасы газа. После погружения Мессье-32, сохранив только свое ядро, продолжила существование уже в роли карликовой компактной галактики.

Совсем недавно, в 2014 году, американская женщина-астрофизик Мэрион Дьерикс и два ее соавтора опубликовали статью, в которой представили иную непротиворечивую модель взаимодействия Мессье-31 и Мессье-32, учитывающую все, что известно о положении в пространстве, скоростях и морфологии обеих галактик. Новая цифровая модель предполагает совсем иную историю события: столкновение Мессье-32 с периферийными областями туманности Андромеды произошло восемьсот миллионов лет назад. По расчетам исследователей выходит, что столкнуться с центральными областями М-31 галактике М-32 не позволило бы ее взаимодействие с другими соседними галактиками. Авторы модели предположили, что именно воздействие Мессье-32 привело к возникновению наблюдаемых особенностей спиральной структуры туманности Андромеды, напоминающих концентрически расходящиеся волны от брошенного в воду камня – до столкновения, по мнению ученых, эти структурные особенности отсутствовали. И наконец, исследователи уверены, что Мессье-32 была карликовой компактной галактикой еще до столкновения, и на ее морфологию никак не повлияло сквозное пересечение ею диска туманности Андромеды.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

Столкновение в Местной группе галактик (5,2 миллиарда лет назад)

650 миллионов лет назад

Земля-снежок

Отражающие поверхности Земли (облака, полярные шапки), имеющие более высокое альбедо, возвращают в космос часть падающего солнечного излучения, а остальное поглощается более темными поверхностями (океанами, сушей). Прогревшись, эти огромные площади отправляют в космос поток тепла, в основном в виде инфракрасного излучения. Однако некоторые из газов земной атмосферы (водяной пар, двуокись углерода, метан), оставаясь прозрачными для солнечных лучей, не пропускают инфракрасное излучение. Атмосфера защищает Землю от космического вакуума так же, как парник защищает растения от внешней среды – отсюда и возник термин «парниковый эффект». Однако стекла парника защищают растения не столько от излучения, сколько от теплообмена между внутренней и внешней средами. Поэтому для влияния земной атмосферы кажется более подходящим термин «радиационная защита».

Если бы парникового эффекта не было, средняя температура на поверхности Земли снизилась бы как минимум на двадцать градусов по Цельсию. Земной шар покрылся бы льдом, а это в свою очередь привело бы к росту альбедо и дальнейшему падению средней температура ниже минус пятидесяти градусов! И случившаяся около двух миллиарда лет назад «Великая оксигенация», разрушив метан в атмосфере и уничтожив поддерживавшийся с его помощью парниковый эффект, вызвала первое сильнейшее похолодание на нашей планете – Гуронское оледенение. Снижение содержания углекислого газа еще дважды за последний миллиард лет порождало аналогичные явления: Стертское оледенение и оледенение Марино. Все началось восемьсот миллионов лет назад, когда суперконтинент Родинея, сформировавшийся случайным образом задолго до того, в результате тектоники плит начал перемещаться вдоль линии тропиков. В итоге произошли два важных события: возобновление вулканической активности, вследствие которой на землю излились потоки базальтовой магмы, образование океанов и морей. Климат на планете становился более влажным, на землю выпадало больше осадков. Постоянно струящаяся вода усиливала эрозию почвы, в частности базальтовых поверхностей, которые под действием воды разрушались, соединяясь с углекислым газом и образуя отложения карбонатных пород.