Гнев небес: взрыв сверхновой

Взрыв сверхновой поблизости от Земли способен уничтожить почти все живое, и, возможно, в истории планеты такое уже бывало. Чтобы изобличить виновника, ученые ищут улики в геологической летописи

Звезды лишь кажутся вечными. Звезда — продукт хрупкого равновесия между давлением ее раскаленных недр и гравитацией, стремящейся сжать ее до огромной плотности. Когда термоядерное топливо заканчивается, равновесию приходит конец. Ядро звезды, как подорванный у основания небоскреб, обрушивается внутрь себя. Атомы буквально сминаются в сплошную ядерную материю, а идущая наружу ударная волна вызывает взрыв колоссальной силы. Ядро превращается в компактный объект — нейтронную звезду или черную дыру. Остальное звездное вещество выбрасывается в космос, образуя остаток сверхновой — расширяющуюся клочковатую туманность, обогащенную синтезированными в звезде тяжелыми элементами.

Эти взрывы настолько ярки, что на время затмевают всю галактику с сотнями миллиардов звезд. При этом выбрасывается огромное количество энергичных заряженных частиц — космических лучей.

В 1950-х годах такие остатки сверхновых изучал советский астрофизик Иосиф Шкловский. Что будет, если такой взрыв произойдет вблизи Солнечной системы? — задумался он. В нашей Галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в сто лет, и сейчас рядом с Солнцем нет звезд, грозящих взорваться. Но за миллиарды лет Солнечная система должна была иногда оказываться неподалеку от таких гибнущих звезд. Как это влияло на земную жизнь?

Cверхновая в десятках световых лет от нас будет в сотни раз ярче полной Луны, но и в сотни раз слабее Солнца. Она, конечно, никого не сожжет. Однако поток космических лучей вблизи Земли возрастет в десятки, если не в тысячи раз. Эти лучи вызывают мутации и другие нарушения в живых организмах.

Совместно с Валерьяном Красовским, физиком, готовившем астрономические эксперименты на первых советских спутниках, в 1957 году Шкловский выдвинул смелую гипотезу: вымирание динозавров в конце мелового периода (66 млн лет назад) могло быть вызвано близким взрывом сверхновой. О подобной возможности еще с первой половины 1950-х годов писал и немецкий палеонтолог Отто Шиндевольф. Его, правда, больше интересовали не динозавры, а другое, более масштабное пермское вымирание (252 млн лет назад). Оно особенно сильно затронуло морских животных, а Шиндевольф считал, что жесткое излучение сверхновой способно проникнуть на десятки метров под воду. Еще десять лет эти идеи оставались в категории научных фантазий: проверить их не было никакой возможности. А затем возможности появились.

Величайшие массовые вымирания

Эволюция жизни постоянно создает и уничтожает биологические виды, роды и семейства. Но иногда глобальные катастрофы резко ускоряют вымирание. Активный вулканизм, падение астероида, вспышка сверхновой или появление цивилизации может за короткое время уничтожить больше половины биоразнообразия. Вот наиболее крупные из массовых вымираний в истории Земли.

1. Ордовикско-силурийское — древнейшее из крупнейших

443 млн лет назад

60–70% всех видов

Причина. Всплеск вулканизма вызвал резкоепохолодание, оледенение и падение уровня моря. Затем из-за глобального потепления в морской воде упало содержание кислорода.

Жертвы. Две трети всех родов морских животных, обитавших в теплых шельфовых морях. В том числе гибнут высшие хищники той эпохи: гигантские головоногие ортоконы с коническими раковинами длиной до нескольких метров.

2. Девонское — самое продолжительное

388–359 млн лет назад

>70% всех видов

Причина. Одна из нескольких волн вымирания могла быть связана со вспышкой близкой сверхновой, которая выжгла озоновый слой. В отложениях обнаруживаются споры и пыльца, испытавшие воздействие жесткого ультрафиолета.

Жертвы. Сначала вымирает значительная часть морской фауны, в том числе едва пережившие прошлое вымирание трилобиты. К концу исчезает 97% позвоночных: остается мелкая рыбешка до 10 см и акулы размером до метра.

3. Пермское — самое катастрофическое

252 млн лет назад

>90–95% всех видов

Причина. Извержения, образовавшие Сибирские траппы площадью 7 млн км?, выбросили огромную массу углекислого газа. Климат потеплел на 6–8 °C. Произошло закисление океанов, в них упало содержание кислорода.

Жертвы. В море вымирает большинство организмов с известковым скелетом, а на суше — две трети семейств позвоночных. Это единственное массовое вымирание, затронувшее насекомых, — выжили только три отряда из двенадцати.

4. Триасово-юрское — самое быстрое

201 млн лет назад

48% всех видов

Причина. Потепление климата из-за вулканической активности, образовавшей Центрально-Атлантическую магматическую область, возможно, усиленное «метангидратным ружьем» — выделением метана из донных отложений.

Жертвы. В морях исчезают конодонты — целый класс угреподобных животных, — а на суше вымирает множество крокодилоподобных амфибий и рептилий. Освобожденные экологические ниши вскоре занимают динозавры.

5. Мел-палеогеновое — самое знаменитое

66 млн лет назад

50% всех видов

Причина. Падение 10-километрового астероида, образовавшего кратер Чикшулуб, привело к резкому изменению климата и разрушению всех экосистем мезозойской эры.

Жертвы. Виды, хорошо приспособленные к прежним условиям, в том числе динозавры. Экологические ниши быстро заполняются мелкими млекопитающими и птицами.

Озон и Солнце

В 1968 году на страницах престижного журнала Nature разразилась дискуссия. Биохимик К. Д. Терри и астрофизик Уоллес Такер оценили, что Земля за время существования на ней жизни около 10 раз подвергалась такому облучению от сверхновых, что полученная доза была бы смертельной для большинства лабораторных животных. В конце статьи авторы отметили, что космические лучи «обязательно должны оставить какой-то след в геологической летописи».

Вскоре в журнал поступило возражение от другого американского астрофизика, Говарда Ластера. Он писал, что космические лучи движутся в магнитном поле Галактики сложными запутанными путями, а потому вместо короткого губительного импульса нашу планету ожидает лишь растянутое на сотни лет повышение радиационного фона, недостаточное для массового вымирания. Дискуссия заглохла, пока не появилась свежая идея.

К началу 1970-х годов было обнаружено, что атмосферные ядерные взрывы порождают оксиды азота, разрушающие озоновый слой. В 1974 году физик Малвин Рудерман из Колумбийского университета (США, Нью-Йорк) отметил, что такой же эффект на сотни лет вызовут и космические лучи от близкой сверхновой. Озон защищает поверхность Земли от жесткого солнечного ультрафиолета. Сверхновая может отключить эту защиту, и тогда жизнь на Земле будет уничтожаться самим Солнцем.

В те годы самым известным массовым вымиранием было последнее по счету — то, что положило конец динозаврам. Казалось естественным списать эту катастрофу на предложенный механизм разрушения озонового слоя. Гипотеза, поддержанная многими учеными, успела попасть во многие научно-популярные книги и статьи, пока в 1980 году не была опровергнута.

Радиоактивный пепел

Именно в 1980 году отец и сын Альваресы открыли иридиевую аномалию. Луис Альварес стал нобелевским лауреатом 1968 года как один из основоположников физики элементарных частиц. Однако его интересы были намного шире: например, он искал потайные комнаты в египетских пирамидах с помощью рентгеновских и космических лучей. Совместно с сыном Вальтером, геологом по специальности, он обнаружил, что в разных районах Земли на границе отложений мелового и палеогенового периодов, как раз когда вымерли динозавры, содержание иридия в десятки раз выше, чем в соседних слоях.

Все элементы тяжелее лития образуются в звездах, а тяжелее железа — исключительно при взрывах сверхновых. Золото наших банков и свинец наших пуль выкованы в этих катастрофах, а уран и торий, распад которых греет ядро Земли, — это радиоактивный пепел сверхновых. Казалось, иридиевая аномалия подтверждает гипотезу Шкловского. Это ли не тот «след в геологической летописи», о котором писали Терри и Такер?

Однако Луис Альварес хотел получить дополнительные доказательства — например, повышенное содержание плутония-244. Хотя по расчетам при взрыве сверхновой его образуется в тысячу раз меньше, чем иридия, главное его достоинство — период полураспада 80 млн лет: со времен гибели динозавров он должен сохраниться. Альваресы нашли плутоний-244, но на порядок меньше, чем надо. Проблема возникла и с иридием: если аномальный иридий на мел-палеогеновой границе поступил от сверхновой, соотношение изотопов 191 и 193 в нем должно отличаться от обычного для Солнечной системы, но оно не отличалось.

Гипотеза Шкловского была закрыта, и Альваресы выдвинули собственную. Они предположили, что иридиевая аномалия — результат взрывного испарения астероида, столкнувшегося с нашей планетой.

С середины прошлого века аэрофотосъемка стала выявлять по всему миру кольцеобразные структуры размерами от сотен метров до сотен километров, в которых нашли минералы и горные породы, образующиеся при высоких давлениях и температурах. Скоро стало ясно, что это остатки взрывных метеоритных кратеров. Было известно, что метеориты нередко отличаются высоким содержанием редких элементов. Столкновение с Землей небесного тела размером около 10 км вполне могло бы стать причиной иридиевой аномалии. Ссылаясь на данные ядерных испытаний, Альваресы утверждали, что атмосферная циркуляция быстро разнесла бы продукты взрыва по всей Земле. Экологи подтвердили, что выброс такого объема вещества в атмосферу вызвал бы глобальную остановку фотосинтеза и, как следствие, гибель большинства крупных животных. А вскоре на краю полуострова Юкатан был открыт кратер Чикшулуб, по большей части скрытый водами Мексиканского залива, возраст которого составляет как раз в 66 млн лет.

Агония звезды

Говорят, в момент смерти вся жизнь проходит перед глазами. Трудно сказать о людях, но у массивных звезд это именно так. Звезда, которая взрывается как сверхновая, за считаные дни выделяет столько же энергии, сколько выработала с момента рождения. По светимости она в это время превосходит целую галактику с сотнями миллиардов звезд.

Звезда — это термоядерный реактор, который из легких элементов, водорода и гелия, производит более тяжелые — от углерода, азота и кислорода до никеля и железа. Тепла при этом выделяется примерно как в человеческом теле –1 ватт на килограмм массы. Но звезды так велики, что их недра разогреваются от этого до десятков миллионов градусов. От немедленного взрыва звезду удерживает самогравитация, то есть притяжение одних масс ее вещества к другим.

Когда топливо заканчивается, выделение тепла падает, и гравитация побеждает. Недра звезды обрушиваются внутрь себя. Электроны, придающие атомам объем, вдавливаются в ядра, где сливаются с протонами, превращая их в нейтроны. Вещество в центре звезды сжимается в триллионы раз, образуя сгусток ядерной материи. На него падают лишенные опоры верхние слои звезды. Они еще содержат ядерное топливо. При ударе они так разогреваются, что ядерные реакции ускоряются в триллионы раз. Происходит чудовищный термоядерный взрыв, который разносит по космосу всю оболочку звезды, попутно синтезируя небольшое количество элементов тяжелее железа вплоть до урана и плутония. На месте взрыва остается лишь небольшой сгусток сверхплотной ядерной материи — нейтронная звезда. Подобные катастрофы случаются в нашей Галактике примерно раз в сто лет. Такое выделение энергии могло бы выжечь всю жизнь на планетах, если бы, к нашему счастью, большую часть энергии не уносили неуловимые нейтрино. Но даже та небольшая доля энергии, которая испускается в виде жесткого излучения, может уничтожить условия для жизни на планете, оказавшейся ближе 20–30 световых лет от сверхновой.

Сейчас в таком радиусе от Земли насчитывается более 200 звезд. Среди них нет ни одной массивной, которая могла бы со временем стать сверхновой. Но соседи Солнечной системы меняются при ее движении по Галактике. Только за последние 10 млн лет мы как минимум дважды проходили через остатки взрывов сверхновых, от которых сохранился след в геологической летописи Земли.

Сверхновые из-под воды

Обвинение в убийстве динозавров со сверхновых сняли. Однако это не значит, что они не были замешаны в других глобальных катастрофах. Работа Альваресов показала, что искать надо характерные для сверхновых радиоактивные изотопы. Найти их удалось уже в XXI веке.

На дне океанов постепенно осаждаются металлы, растворенные в воде. В результате образуются железомарганцевые конкреции. В 2016 году журнал Nature опубликовал анализ изотопного состава конкреций из Тихого, Индийского и Атлантического океанов. Оказалось, что в слоях возрастом 1,7–3,2 и 6,5–8,7 млн лет в десятки раз повышено содержание железа-60. Этот изотоп, в отличие от стабильного железа-56, имеет период полураспада всего 2,6 млн лет, и земных источников у него нет. Он мог появиться только при недавних взрывах сверхновых.

В том же выпуске Nature другие исследователи проанализировали, как порожденные сверхновыми изотопы могли попасть на Землю. Чтобы их не сдул солнечный ветер, они должны были оседать на частицах межзвездной пыли. А продолжительные интервалы накопления объясняются тем, что Солнечная система каждый раз проходила через несколько остатков сверхновых. К счастью, все эти взрывы происходили не слишком близко к нам. По современным оценкам, сверхновая в 30 световых годах вызвала бы катастрофические нарушения в климате и биосфере, но такое, по-видимому, случается лишь раз в миллиард лет. Сверхновые, оставившие след в железомарганцевых конкрециях, взрывались в сотнях световых лет, и лишь потом на Землю оседала их радиоактивная пыль.

В 2020 году американские исследователи предложили новую версию массового вымирания в конце девонского периода (359 млн лет назад). Тогда резко упало содержание озона в атмосфере, а в отложениях находят изотопы самария-146 и плутония-244. Авторы считают это указанием на взрыв сверхновой чуть дальше радиуса катастрофического поражения — в 60-70 световых годах от Солнечной системы.