Вполне возможно, что древнюю Землю «атаковали» взорвавшиеся звезды

Астрономы считают, что каждые сто лет в Млечном Пути взрываются несколько сверхновых. За время существования планеты некоторые из них должны были взорваться очень близко к ней и, возможно, с катастрофическими последствиями. Какое влияние это оказало на жизнь Земли в общем и на эволюцию человека в частности?

Для наших предков австралопитеков, которые бродили по просторам Африки 2,5 миллиона лет назад, яркая новая звезда на небе, несомненно, вызвала бы любопытство. Такая же яркая, как полная луна, она отбрасывала бы тени ночью и была бы видна днем. По мере того как в течение следующих месяцев сверхновая звезда исчезала, она, вероятно, исчезала и из памяти. Но она оставила другие следы, которые обнаруживают сегодня.

За последние два десятилетия исследователи обнаружили сотни радиоактивных атомов, «замурованных» в отложениях минералов на морском дне, которые образовались в результате древнего взрыва, ознаменовавшего смерть ближайшей звезды. После сжигания ядерного топлива происходил коллапс звезды, ядро схлопывалось, и возникшая при этом ударная волна выбрасывала в стороны ее внешние слои, образуя расширяющийся шар из газа и пыли, температура которого была такой высокой, что на мгновение умиравшая звезда вспыхивала ярко, словно галактика. В результате на Землю градом обрушивались эти атомы, которые являются красноречивым свидетельством произошедшего.

Вспышки рентгеновских и гамма-лучей, вырывавшиеся с расстояния в сотни световых лет, вероятно, вреда Земле не причиняли. Но расширявшийся огненный шар ускорял космические лучи — в основном ядра водорода и гелия — до скорости, близкой к скорости света. Эти «снаряды» прилетали незаметно, десятилетия спустя, превращаясь в невидимый шквал, подобный обстрелу, который мог длиться тысячи лет и мог повлиять на атмосферу — и на жизнь.

В результате многочисленных исследований и предположений астрономы в общих чертах описали их возможные последствия. Вполне возможно, что под воздействием шквала космических лучей увеличилась частота мутаций за счет разрушения защитного озонового слоя Земли и создания потоков вторичных, проникающих в ткани частиц. Видимо, прорвавшись сквозь атмосферу, эти частицы также создали каналы для прохождения молнии, возможно, вызвавшей вспышку лесных пожаров. В то же время атмосферные реакции, вызванные радиацией, могли стать причиной дождя из соединений азота, которые служили удобрением для растений, поглощающих углекислый газ. Таким образом это астрономическое событие могло стать причиной охлаждения климата и способствовать началу ледникового периода 2,5 миллиона лет назад, в начале эпохи плейстоцена. Эти последствия, даже вместе взятые, «не похожи на событие вымирания динозавров — оно не столь заметное и локальное», говорит астроном Брайан Томас (Brian Thomas) из Университета Уошберна, который почти 20 лет изучает последствия космических катастроф на Земле.

Мало кто из астрономов предполагает, что сверхновые вызвали в то время какое-то значительное вымирание, и еще меньше палеонтологов готовы им поверить. «Смерть, пришедшая из космоса, всегда выглядит очень круто, — говорит палеонтолог Пинчелли Халл (Pincelli Hull) из Йельского университета. — Фактический материал представляет интерес, но он еще не совсем достиг того уровня, который необходим, чтобы уложиться у меня в голове».

Тем не менее ученые, занимающиеся поиском сверхновых, полагают, что другие взрывы, более отдаленные по времени, произошли ближе к Земле. И, по их мнению, эти сверхновые могут быть причиной некоторых событий вымирания, у которых отсутствуют обычные триггеры наподобие извержения вулканов или столкновения с астероидами. Адриан Мелотт (Adrian Melott), астроном из Канзасского университета в Лоуренсе, который исследует, как космические катаклизмы, произошедшие поблизости с Землей, могли не нее повлиять, говорит, что пора начать более тщательные исследования истории Земли на предмет древних вспышек сверхновых. Это не только поможет астрофизикам понять, как взрывы сформировали планеты по соседству с Солнечной системой и «засеяли» ее тяжелыми элементами, но и может дать палеонтологам возможность по-новому взглянуть на периодически повторяющиеся глобальные изменения. «Это нечто новое и незнакомое, — говорит Мелотт. — Чтобы принять это, поверить в это, нужно время».

Астрономы считают, что каждые сто лет в Млечном Пути взрываются несколько сверхновых. По закону средних чисел, за все время существования Земли на протяжении 4,5 миллиарда лет некоторые из них должны были взорваться очень близко к Земле — на расстоянии в пределах 30 световых лет — и возможно с катастрофическими последствиями. Даже взрывы, происходящие на расстоянии до 300 световых лет, должны оставлять следы в виде пылинок, выброшенных с оболочкой обломков, известных как остатки сверхновой. Когда в 1970-е годы физик Луис Альварес (Luis Alvarez) вместе со своим сыном-геологом Уолтером Альваресом (Walter Alvarez) отправились изучать верхние слои отложений, связанные с вымиранием динозавров 65 миллионов лет назад, они рассчитывали найти там пыль сверхновой. Вместо этого они обнаружили иридий, элемент, который редко встречается на поверхности Земли, но в изобилии встречается на астероидах.

В любом случае у Альваресов не было инструментов для поиска пыли сверхновых. Поскольку Земля уже и так во многом состоит из элементов, возникших в сверхновых миллиарды лет назад, до возникновения Солнца, большинство следов более поздних взрывов обнаружить невозможно. Но некоторые обнаружить можно. В 1990-е годы астрофизики поняли, что пыль сверхновых может также осаждать радиоактивные изотопы с периодом полураспада в миллионы лет, что слишком мало, чтобы существовать с момента возникновения Земли. Те, что найдены, должны быть результатом разлета при недавних (с геологической точки зрения) взрывах. Одним из ключевых индикаторов является железо-60, изотоп железа, образовавшийся в ядрах крупных звезд, период полураспада которого составляет 2,6 миллиона лет, и который не образуется естественным путем на Земле.

В конце 1990-х годов физик Гюнтер Коршинек (Gunther Korschinek) из Технического университета Мюнхена (TUM), занимающийся изучением астрочастиц, решил поискать его, отчасти потому, что в университете был подходящий для этой цели мощный масс-спектрометр с ускорителем (AMS). После ионизации образца масс-спектрометр разгоняет заряженные частицы до высоких энергий и пропускает их через магнитное поле. Под воздействием магнитного направление их движения меняется, и они устремляются к детекторам. Направление движения самых тяжелых атомов меняется меньше всего, поскольку они обладают большей инерцией.

Особенно сложно отделить атомы железа-60 от столь же массивных, но имеющих другой заряд атомов никеля-60, но масс-спектрометр из мюнхенского университета, построенный в 1970 году, был одним из немногих в мире, который обладал достаточной мощностью, чтобы отделить их друг от друга.

Кроме того, Коршинеку был нужен «правильный» образец — фрагмент геологического отложения, образовавшегося за миллионы лет, в котором можно выделить следы железа. Керны, взятые во льдах Антарктиды, для этого не подходили, поскольку их возраст составляет всего около пары миллионов лет. Большинство океанских отложений накапливается так быстро, что любые следы железа-60 растворяются до незаметных уровней. Коршинек в конечном итоге использовал фрагмент поверхностного слоя железомарганцевых отложений, извлеченный с подводной возвышенности в северной части Тихого океана немецким исследовательским судном «Вальдивия» (Valdivia) в 1976 году. Этот поверхностный слой образуется на участках морского дна, где отложения не могут осесть из-за уклона или течений. При подходящем рН воды атомы металлов избирательно осаждаются из воды со скоростью несколько миллиметров в миллион лет, медленно образуя минеральную корку.

Коршинек с коллегами разрезали свой образец на слои разного возраста, химически выделили железо и пропустили атомы через свой масс-спектрометр. В 1999 году в научном журнале Physical Review Letters, публикуемым Американским обществом физиков, ученые написали, что среди тысяч триллионов атомов обычного железа они обнаружили 23 атома железа-60, относящихся к периоду менее трех миллионов лет назад. Началась эра геохимии сверхновых. «Мы были первыми, кто начал экспериментальные исследования», — говорит Коршинек.

За ними последовали другие. Железо-60 было найдено в поверхностных слоях океанских отложений, взятых из других частей света и даже в микроокаменелостях океанских отложений, микроскопических ископаемых остатках живых существ, которые на радость охотникам за сверхновыми «впитали» и накопили железо в своих организмах. Большинство результатов указывало на локальный взрыв сверхновой в период между двумя и тремя миллионами лет назад — с некоторыми следами, указывающими на взрыв второй сверхновой несколькими миллионами лет ранее.

Хотя остатки от этих взрывов уже давно пронеслись мимо Земли, дождь из выброшенных ими атомов продолжается. В 2019 году команда Коршинека получила железо, прогнав через свой масс-спектрометр полтонны свежего антарктического снега, и обнаружила несколько атомов железа-60, которые, по его оценкам, упали на Землю за последние 20 лет. Другая группа ученых нашла небольшое количество атомов в космических лучах, обнаруженных усовершенствованным космическим аппаратом «Эксплорер» (Explorer), запущенным НАСА для изучения состава небесных тел, на полпути между Солнцем и Землей. Исследователи обнаружили железо-60 даже в лунном грунте, привезенном участниками миссий «Аполлон» (Apollo). «Луна подтвердила, что это было не просто какое-то земное явление», — говорит астроном Адриенн Эртель (Adrienne Ertel) из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (UIUC).
Астроном Дитер Брайтшвердт (Dieter Breitschwerdt) из Технического университета Берлина пытается проследить путь железа к его источнику в небе. Когда ему стало известно о результатах исследований Коршинека, он изучал местный «пузырь», область пространства вокруг Солнечной системы, «расчищенного» от большей части газа и пыли. Вероятными «метлами» были сверхновые, поэтому он начал отслеживать группы звезд по соседству с Солнечной системой, чтобы увидеть, проходили ли они достаточно близко к Солнцу, чтобы «выбросить» железо-60 на Землю при взрывах некоторых из этих звезд.

Используя данные, полученные спутником «Гиппаркос» (Hipparcos), запущенным Европейским космическим агентством для картографирования звездного неба, Брайтшвердт искал скопления звезд на общих траекториях и попытался повернуть время вспять, чтобы увидеть, где они были миллионы лет назад. Казалось, что около 2,5 миллиона лет назад в идеальном месте — на расстоянии в 300 световых лет от Земли — находились два скопления, входящие сегодня в OB-ассоциацию Скорпиона-Центавра (Sco OB2). «Это было похоже на чудо», — говорит он. Вероятность того, взрыв произошел в «нужное» время, была высока. Схлопывание ядра сверхновых происходит в звездах с большой массой. Основываясь на данных о возрасте и массе 79 звезд, оставшихся в скоплениях, Брайтшвердт предполагает, что за последние 13 миллионов лет с десяток бывших звезд, входивших в эти скопления, взорвались как сверхновые.

Видимых свидетельств существования этих сверхновых в Sco OB2 давно нет: примерно через 30 тысяч лет остатки сверхновых рассеиваются, а черные дыры или нейтронные звезды, которые они оставляют после себя, обнаружить трудно. Но направление, в котором железная пыль попала на Землю, теоретически может указывать на ее источник. Образцы с морского дна никакой информации о направлении не дают, поскольку пыль по мере ее оседания перемещается под воздействием ветра и океанских течений. Однако на Луне «нет атмосферы, поэтому она остается там, где осела», говорит Брайан Филдс (Brian Fields), астроном из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. Поскольку Луна вращается, продольное направление не подходит, но если бы на одном из полюсов было обнаружено больше железа-60, чем, например, на экваторе, это могло бы послужить подтверждением гипотезы Брайтшвердта, согласно которой источником является Sco OB2. Филдс и несколько его коллег хотят проверить эту идею, и они обратились в НАСА с просьбой предоставить им образцы лунного грунта, которые будут собраны и доставлены на Землю в ходе будущих запусков луноходов или полетов на Луну с человеком на борту.

У команды Коршинека теперь есть конкурент по поискам железа со сверхновых, это группа ученых во главе с Антоном Уоллнером (Anton Wallner), работавшим после защиты докторской диссертации в команде Коршинека. Он проводит анализ нескольких образцов поверхностного слоя железомарганцевых отложений, извлеченных со дна Тихого океана японской горнодобывающей компанией, в Австралийском национальном университете (ANU), используя модернизированный масс-спектрометр с ускорителем. «Теперь мы потеснили Мюнхен», — говорит Уоллнер.

В этом году команда Уоллнера как никогда точно изучила время появления недавних сверхновых, разрезав образец поверхностного слоя отложений на 24 слоя толщиной в один миллиметр, каждый из которых соответствует 400 тысячам лет, о чем написала в статье, опубликованной в американском научном журнале Science Advances. «С таким временным разрешением этого раньше никогда не делали», — говорит Уоллнер, работающий в Центре Гельмгольца Дрезден-Россендорф. 435 атомов железа-60, которые они извлекли, позволили связать их появление с взрывом самой последней сверхновой 2,5 миллиона лет назад и подтвердить факты, указывающие на взрыв другой сверхновой, произошедший ранее, — по их подсчетам, 6,3 миллиона лет назад. Сравнив концентрацию железа-60 в поверхностном слое отложений с моделями, указывающими на количество желаза-60, образующемся в сверхновой, ученые рассчитали примерное расстояние от этих сверхновых до Земли — 160-320 световых лет.

Кроме того, команда Уоллнера обнаружила 181 атом плутония-244, еще одного радиоактивного изотопа, который, возможно, образовался в результате взрыва не звезды-предшественницы (как железо-60), а самой сверхновой. Правда, по поводу источника плутония-244 ведутся ожесточенные споры: некоторые исследователи считают, что в сверхновых процесс образования плутония-244 в больших количествах сложен. Они считают его результатом столкновений между нейтронными звездами, и это якобы пепел, оставленный после себя сверхновыми.

Эти столкновения, называемые килоновами, происходят в 100 раз реже, чем сверхновые, но при них образуется гораздо большее количество самых тяжелых элементов. «При слиянии нейтронных звезд плутоний образуется легко, — говорит Ребекка Сурман (Rebecca Surman), астрофизик из Университета Нотр-Дам. — А в сверхновых это происходит гораздо сложнее».

Но Сурман все же считает, что роль сверхновых велика. Она считает, что плутоний-244, обнаруженный на морском дне, является признаком того, что килонова в далеком прошлом «засыпала» наше межзвездное пространство тяжелыми элементами. Она предполагает, что когда взорвались две последние сверхновые, их расширяющиеся остатки, возможно, захватили часть этого межзвездного плутония-244 и доставили вместе со своим собственным железом-60 на Землю. Однако, по словам Коршинека, чтобы убедить его в том, что несколько редких событий произошли так близко и так недавно, потребуется больше данных о волне плутония и его времени.

Какое влияние могли оказать близлежащие сверхновые, помимо того, что они засыпают Землю ядрами редких элементов? В 2016 году группа ученых во главе с Мелоттом и Томасом оценила поток различных форм света и космических лучей, которые, вероятно, достигнут Земли в результате взрыва на расстоянии 300 световых лет. В статье, опубликованной в американском научном журнале Astrophysical Journal Letters, они пришли к выводу, что наиболее активные, потенциально разрушительные фотоны — рентгеновские или гамма-лучи — окажут минимальное воздействие. «При этом возникает на так много высокоэнергетического излучения», — говорит Томас. Они предположили, что несколько недель яркого света окажут не большее воздействие, чем нарушение режима сна.

Совсем другое дело — космические лучи, частицы, ускоренные до скорости, близкой к скорости света, ударными волнами в расширяющемся огненном шаре сверхновой. Поскольку они заряжены, они могут отклоняться от Земли под воздействием галактических магнитных полей. Но считается, что в местном «пузыре» в основном нет полей, поэтому космические лучи, находящиеся на расстоянии всего в 300 световых лет от нас, почти не встретят на своем пути препятствий.

Мелотт и Томас обнаружили, что атмосфера подверглась бы затяжному «обстрелу». «Активизация — это медленный процесс, длящийся, по крайней мере, несколько десятилетий, — говорит Томас, объясняя, что пик достигается примерно через 500 лет после вспышки сверхновой, и происходит 10-кратное увеличение ионизации атмосферного газа, которое сохранится в течение пяти тысяч лет. С помощью химической модели атмосферы, разработанной НАСА, они подсчитали, что химические изменения, вызванные ионизацией, в некоторых местах приведут к разрушению озонового слоя примерно на 7% и более и ускорят образование соединений оксида азота, служащих удобрением, на 30%. Возможно, связанного с этим резкого увеличения количества растений было достаточно, чтобы климат стал более холодным, и возникли условия для начала плейстоцена.

Да и космические лучи никуда не исчезли. Когда частицы высокой энергии попадают в верхние слои атмосферы, они создают каскады вторичных частиц. Большинство из них исчезают при дальнейших столкновениях, но мюоны — тяжелые быстрораспадающиеся родственники электронов — продолжают существовать. Существа на поверхности Земли получали бы дозу радиации, втрое превышающую нормальную — эквивалентную одной или двум компьютерным томографиям в год. «Это повышенный риск [возникновения рака], но не радиационное поражение», — говорит Томас. В целом, по мнению этих ученых, последствия были «не катастрофическими», но их можно было бы обнаружить в летописи окаменелостей, если, например, некоторые уязвимые виды исчезли, а другие выжили.

В статье, опубликованной в научном журнале Astrobiology в 2019 году, Мелотт и двое его коллег пришли к выводу, что если бы сверхновая взорвалась не на расстоянии в 300 световых лет от нас, а всего в 150 световых лет, мюонное излучение стало бы на удивление серьезным ударом для морских животных. Вода блокирует большинство частиц, которые попадают с неба, но мюоны могут проникать на глубину до одного километра. Морские существа, обычно защищенные почти от всех видов излучения, стали бы жертвами максимального относительного увеличения дозы и пострадали бы больше всего. Это сопоставимо с исчезновением морской мегафауны в начале эпохи плейстоцена, только недавно обнаруженного в летописи окаменелостей.

Затем, в прошлом году, сторонники гипотезы сверхновой предположили, что подобный сценарий мог быть причиной крупного события вымирания 359 миллионов лет назад, в конце девонского периода. Группа ученых, возглавляемая Джоном Маршаллом (John Marshall) из Университета Саутгемптона, обнаружила, что споры папоротниковидных растений того времени внезапно деформировались и потемнели, объяснив это воздействием ультрафиолетового излучения. При этом астрономическую причину ученые не называли. Но в статье, опубликованной в журнале Национальной академии наук США Proceedings of the National Academy of Sciences, астрономы увидели в этом возможный результат взрыва ближайшей сверхновой. Они предположили, что взрыв, произошедший, возможно, всего на расстоянии 60 световых лет от нас, мог залить Землю ультрафиолетом, разрушив озоновый слой. «Это чисто гипотетически», — признает один из авторов статьи Джон Эллис (John Ellis), ученый-теоретик из Королевского колледжа Лондона, поскольку в настоящее время невозможно идентифицировать радиоактивные следы взрыва сверхновой такой давности.

В статье, опубликованной в журнале The Journal of Geology в 2020 году, Мелотт и Томас в своих гипотезах заглянули еще дальше в прошлое. Они отметили, что, вторичные космические лучи, отрывая электроны от молекул воздуха, могли создать каналы для молнии, что повысило вероятность возникновения гроз, в результате которых не только образовывалось больше соединений азота, но и возникали лесные пожары. Любопытно, что в начале плейстоцена в некоторых частях света на наскальных рисунках был обнаружен слой сажи. Мелотт и Томас предположили, что эти лесные пожары, вызванные взрывом сверхновой, возможно, заставили первобытных людей слезть с деревьев и переместиться в саванну, что привело к прямохождению, увеличению размера мозга и всему, что последовало за этим. «Любопытно предположить, что 2,5 миллиона лет назад сверхновая оказала такое значение [на эволюцию], что мы сейчас разговариваем по скайпу», — говорит Коршинек.

Такие сценарии не очень нравятся палеонтологам. «Временная привязка — это тривиальный ответ на все, — говорит Халл. — Всегда, когда что-то вымирает, что-то происходит». Кроме того, по ее словам, переход к плейстоцену «не нуждается в объяснении». Она говорит, что большее влияние на глобальный климат могли оказать другие события, происходившие примерно в то же время, такие как закрытие Панамского перешейка, которое серьезно изменило циркуляцию океана.

Чтобы доказать свою правоту, говорит она, астрономам необходимо более точно определить время появления древних сверхновых. Им «нужно изучить больше образцов поверхностного слоя отложений». Но поиск следов сверхновых не становится легче. В 2019 году Технический университет Мюнхена свернул работы на своем масс-спектрометра с ускорителем, и теперь только в Австралийском национальном университете есть достаточно мощный ускоритель, на котором можно отделить железо-60.

Что же касается более редких изотопов, таких как плутоний-244, они могли бы позволить исследователям заглянуть еще дальше в прошлое, но для них требуется масс-спектрометры с ускорителем, в котором главное не просто мощность, а чувствительность. По словам Уоллнера, в мире есть очень мало масс-спектрометров, которые соответствуют этим требованиям. Он добился финансирования строительства в немецком городе Дрезден новой научной лаборатории, оснащенной масс-спектрометром с ускорителем, специализирующемся на исследовании самых тяжелых элементов, она должна быть открыта к 2023 году. С целью возобновления поиска железа-60 его научная группа также обратилась за финансированием из госбюджета для создания нового мощного масс-спектрометра с ускорителем, который может быть запущен в эксплуатацию через семь лет.

Для астрономов внезапная вспышка света в небе сегодня стала бы лучшей возможностью увидеть, как сверхновая влияет на Землю. Но шансы на то, что мы увидим световое шоу, подобное тому, которое, возможно, ослепило наших далеких предков, невелики. Бетельгейзе, неспокойная красная гигантская звезда, которая, вероятно, взорвется где-нибудь в ближайшие 100 тысяч лет, в последние месяцы успокоилась, и в любом случае она находится на расстоянии более 500 световых лет. Sco OB2 сейчас удаляется от Солнца. И, пользуясь данными, полученными с помощью космического телескопа «Гея» (Gaia), преемника «Гиппаркоса», запущенного Европейским космическим агентством, Дитер Брайтшвердт отследил еще 10 скоплений звезд. «Ни одно из них к нам не приближается, — говорит он. — Это у Земли блестящее будущее, а не у сверхновых».