Ядерна космохімія

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Навіть не будучи фахівцем в астрономії, неважко уявити, наскільки велика енергія всієї видимої речовини в нашій Галактиці. Але виявляється, приблизно стільки ж енергії накопичено в невидимих оку космічних променях. Частинками високих енергій заповнено буквально весь простір Галактики. І, будучи свідками грандіозних процесів народження зоряних систем, вибухів наднових і багатьох інших явищ, вони в той же час і самі активно впливають на характер фізичних умов в різних куточках космосу.

Вивчення космічних променів було і залишається одним з головних наукових завдань, вирішувати які допомагає космонавтика. Але, виявляється, багато чого з того, що досліджується за допомогою далеких космічних кораблів, можна робити, вивчаючи метеорити.

Справа в тому, що всі тіла Сонячної системи безперервно опромінюються потоками галактичних космічних променів. Та й саме Сонце, поряд з сонячним вітром, в періоди інтенсивних сонячних спалахів також випускає частинки високих енергій.

Таке опромінення космічної речовини, хоча і змінюється за величиною з часом, мало місце завжди, з самого початку існування Сонця і планет, і навіть протопланетної туманності. Сліди цього опромінення несе на собі хімічний і ізотопний склад речовини, скажімо, на поверхні Місяця та інших безатмосферних планет, на малих планетах-астероїдах і в метеоритах, наскрізь пронизуваних швидкими частинками. Знаючи, як, в який бік і на скільки змінюється ізотопний склад елементів в залежності від енергії частинок, інтенсивності і часу опромінення, можна відтворити фізичні умови, в яких знаходилося те чи інше космічне тіло.

Зокрема, за ізотопним складом метеоритів можна визначати, яка, наприклад, була інтенсивність космічних променів у Сонячній системі два роки тому. Або, скажімо, за мільйон років до нашої ери!

Але перш ніж це стало можливим, необхідно було дізнатися, як саме змінюється ізотопний склад елементів під впливом різних типів опромінення. Які ізотопи і з якою швидкістю накопичуються або руйнуються в речовині в залежності від сорту, енергії, кількості частинок, що бомбардують її? Іншими словами, скласти програму поведінки речовини на всі можливі випадки її космічного життя.

З цією метою багато років вчені займалися моделюванням ядерних процесів, що протікають в космічних тілах під дією частинок високих енергій. Почали з того, що стали опромінювати мішені самого різного хімічного складу частинками, прискореними на синхроциклотроні Об’єднаного Інституту ядерних досліджень в Дубні. В основному, вивчали реакції на протонах, тому що космічні промені на 85 відсотків складаються саме з протонів, які і грають головну роль в таких процесах.

Зібравши великий фактичний матеріал, отриманий з експериментів на прискорювачах в ЦЕРНі (Швейцарія), і доповнивши його літературними даними, які якось відносяться до вивчених явищ, вчені створили універсальну модель процесів, що відбуваються в космічних тілах під дією випромінювання.

До того часу, коли почалися вивчатися ядерні процеси в космічних тілах стали з’являтися роботи, в яких повідомлялося про аномальний ізотопний склад різних елементів в речовині метеоритів. Наприклад, відношення гелію-3 до гелію-4 в порівнянні з подібною величиною на землі в метеоритах виявлялося в мільйони разів більше. Підвищений вміст спостерігався практично для всіх ізотопів з малою поширеністю в метеоритній речовині.

Примітно, що видатний український вчений академік В. І. Вернадський ще в 1934 році після відкриття космічних променів припустив, що ізотопний склад небесних тіл під дією високо-енергічних частинок повинен зазнавати змін.

І ось в залізних метеоритах були виявлені ті зрушення, які були знайдені в ізотопному складі інертних газів. Фактично те, що робиться за допомогою космічних кораблів, що літають до найближчих планет, можна робити і за допомогою метеоритів. Більш того, в порівнянні з космічними кораблями вони літають цілу вічність і охоплюють величезну область в просторі Сонячної системи. Вони падають на Землю досить часто. А в їх хімічному складі записана вся багатовікова історія: не тільки їх власна, а в деякому сенсі і Сонячної системи. Потрібно лише правильно прочитати цю історію, іншими словами, вміти точно визначати ізотопний склад речовини метеоритів. Всіма цими питаннями і займається ядерна космохімія.

Вік метеоритів

Ще одним з успіхів ядерної космохімії було визначення космічного віку метеоритів як самостійних тіл. Це не час затвердіння речовини, а час, коли вони почали піддаватися опроміненню, тобто коли вони виділилися з великого тіла. Це є принципово важливим, тому що існувала навіть така думка, що метеорити існують 4,5 мільярда років, що це тіла, що не увійшли до складу великих небесних тіл при формуванні планет Сонячної системи з протопланетного згустку.

Але перші ж дані показали, що космічний вік залізних метеоритів (для залізних і для кам’яних метеоритів спостерігається велика відмінність) може змінюватися в межах від ста мільйонів років до двох мільярдів. Вони поділяються ще на кілька типів: мабуть, було кілька різних «материнських» тіл, до складу яких вони входили раніше. Тобто залізні метеорити – це не залишки протопланетної хмари, а вторинні і третинні утворення. Причому походять вони, мабуть, з астероїдного поясу.

Кам’яні метеорити складають близько 85 відсотків від загального числа метеоритів. Космічний вік їх менше десяти мільйонів років. Вони ніяк не могли прийти з астероїдного поясу.

Більш того, радіоактивне датування дозволило розробити новий метод визначення орбіт метеоритів. Проаналізувавши дані по всіх метеоритів, для яких було відомо вміст алюмінію-26, вчені прийшли до цікавого висновку, що орбіти більшості кам’яних метеоритів знаходяться на дуже невеликих відстанях, десь не далі Марса.

Проблема нейтрино і Сонце

Ви знаєте цю проблему з нейтрино, яких Сонце випромінює на порядок менше, ніж це випливає з теорії. Запропоновано кілька гіпотез і, зокрема, гіпотеза Фаулера про те, що на Сонці йде перемішування надр. Причому з інтервалом в триста мільйонів років і тривалістю близько десяти мільйонів років. І з цим явищем можна пов’язати льодовики, тому що періоди заледеніння на Землі мають ті ж характерні цифри. Відповідно до цієї гіпотези ми живемо в льодовиковому періоді. Коли детально вивчили дані з фізики Сонця то прийшли до такого висновку, що зміни у фізичних процесах на Сонці повинні були спричинити і зміни в інтенсивності сонячного вітру і космічних променів. І це повинно було відбитися на вмісті довгоживучих ізотопів в місячному грунті.

За місячними даними вчені виявили, що в середньому два — шість мільйонів років тому потік галактичних космічних променів був вище, ніж за останній мільйон років. Тобто два-шість мільйонів років тому діяльність Сонця була меншою. З цих даних можна було б зробити висновок, що процес перемішування надр Сонця, якщо такий існує, почався кілька мільйонів років тому. Але такий висновок передчасний, поки не з’являться інші, незалежні докази.

Проте зараз можна сміливо стверджувати, що ядерна космохімія дає дослідникам потужні методи в дослідженні багатьох сторін еволюції Землі і Всесвіту.

Автор: А. Лаврухіна, професор, доктор хімічних наук.