Предпочтительную модель происхождения Солнечной системы, не противоречащую известным в настоящее время фактическим данным и объясняющую их наиболее естественным путем, можно кратко описать следующим образом. Солнце и планеты образовались в едином процессе в результате сжатия (коллапса) прото-солнечной туманности, состоявшей на 98— 99% из газа, обладавшей относительно медленным вращением и имевшей массу, лишь немного превышающую массу Солнца. При сжатии протосолнечной туманности сначала образовалось более плотное горячее ядро. Затем вследствие неустойчивости на краю ядра, в его экваториальной плоскости, отделилось небольшое количество вещества, из которого сформировалось уплощенное газопылевое облако — диск. Вещество, продолжавшее падать на диск, способствовало разрастанию диска до размеров, близких к размерам современной планетной системы. Ядро, от которого передавался вращательный момент, сжавшись, превратилось в Солнце. Согласно расчетам, проведенным учеными разных стран, эта стадия протекала в течение одного миллиона лет.
Большая часть имеющейся на сегодня информации о строении недр Земли, расположенных под земной корой, получена на основании сейсмических исследований. Сейсмическими волнами называются упругие колебания, распространяющиеся в Земле и возбуждаемые различными землетрясениями. Траектория и скорость распространения сейсмических волн зависят от плотности и упругих свойств вещества, а также от температуры и давления в недрах Земли. Следовательно, анализируя данные, полученные при регистрации волн от землетрясений, можно получить сведения об этих характеристиках вещества.
Но как узнать о химическом составе недр Земли?
Мантийное вещество, частично расплавляясь, образует магму, которая извергается на поверхность Земли, формируя вулканические (эффузивные) горные породы. Состав этих пород должен в некоторой степени отражать химический состав мантии. Кроме того, в вулканических породах содержатся фрагменты пород мантии, которые магма захватывает во время своего подъема к поверхности Земли. Исследование таких фрагментов (их геологи называют ксенолитами) дает наиболее непосредственную информацию о химическом составе мантии.
Однако следует отметить, что при частичном плавлении мантийного вещества в первую очередь в расплав переходят породы и минералы, имеющие более низкую температуру плавления. В результате начинается так называемый процесс дифференциации (разделения) вещества, и поэтому вулканические породы по своему составу, вообще говоря, отличаются от исходного мантийного вещества. С другой стороны, ксенолиты, хотя и с очень большой вероятностью представляют собой мантийное вещество, но их содержание в вулканических породах настолько мало, что делать выводы о составе вещества мантии в целом на основании анализа ксенолитов вряд ли правомочно.
Все метеориты разделяются на три большие группы: каменные, железные и железо-каменные, занимающие как бы промежуточное положение между первыми двумя группами. До сих пор достаточно точные определения возраста имеются только для каменных метеоритов, содержащих сравнительно большое количество радиоактивных элементов. Железные метеориты почти не содержат радиоактивных элементов, используемых при определении возраста, и поэтому достоверных сведений о возрасте таких метеоритов пока нет, хотя и имеются успешные определения возраста для силикатов, входящих в состав таких метеоритов (так называемых силикатных включений).
Измерения возраста метеоритов, сделанные к настоящему времени, дают результаты, мало зависящие от типа метеорита и способа определения, в интервале 4,5—4,6 миллиарда лет. С точностью до нескольких десятков миллионов лет, зависящей от типа метеорита, среднее значение принято равным 4,55 миллиарда лет. Поскольку возраст Земли и метеоритов предполагается одинаковым, то возраст нашей планеты также считается около 4,55 миллиарда лет.
Совершенно очевидно, что экспериментально нельзя проверить достоверность возраста Земли, определенного таким образом. Но здесь следует отметить и условность принятого численного значения для возраста Земли. Ведь пока неясно, в каком физическом и химическом состоянии находилась Земля в то время. Да и вообще непонятно, с какого момента надо отсчитывать ее возраст: с того, когда она достигла современных размеров, или, может, с того, когда Земля расслоилась на ядро, мантию и кору?
Таким образом, пока нет ответа на вопрос, какому из названных случаев соответствует значение возраста Земли, принятое по аналогии с возрастом метеоритов. Поэтому в настоящее время, говоря о возрасте 4,55 миллиарда лет, просто считают, что в это время Земля начала свое существование как обособленное тело Солнечной системы.
До сих пор то, что возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, принималось нами почти как нечто само собой очевидное. Но, собственно говоря, каким образом было установлено, что возраст Земли, по-видимому, составляет 4,5 миллиарда лет?
Земля, как уже неоднократно говорилось, обладает внутренним источником тепла, являющимся решающим фактором в ее развитии. И его существование стало причиной различных движений земной коры, бесчисленно раз происходящих после ее образования. Поэтому обнаружить породы, сформировавшиеся в период становления Земли как планеты, фактически невозможно. А ведь анализ лишь этих пород при помощи рассмотренных далее методов определения абсолютного возраста смог бы точно установить время, когда образовалась Земля. Однако надеяться иа это совершенно бесомысленно.
Возраст, принятый в настоящее время для Земли, определен косвенно — по возрасту метеоритов. Можно считать, как уже говорилось, что Земля и метеориты сформировались почти в одно и то же время. На это хотя бы указывает то, что И в Земле и в метеоритах раньше должно было содержаться значительное количество йода-129, имеющего период полураспада 17 миллионов лет. А поскольку Земля и метеориты образовались почти в одно и то же время, то если бы удалось достоверно определить возраст метеоритов, его можно было бы считать и возрастом Земли.
Для определения абсолютного возраста пород существуют различные методы. Мы их рассмотрим далее. Здесь же приведем результаты определения возраста метеоритов.
Но этого мало. Еще одним условием, необходимым для начала цепной реакции в прошлом, даже в обогащенном природном уране, является наличие воды. Ведь вода эффективно замедляет нейтроны, что и приводит к цепной реакции. Размышляя над этой проблемой, Дж. Уезерилл и М. Ингрэм пришли к выводу, что хотя обогащенность ураном-235 и была, по-видимому, достаточной для начала цепной реакции в природном уране в прошлом, однако такая реакция, вероятно, никогда не могла там происходить, так как вблизи минералов не было тогда достаточного количества воды, необходимой для замедления нейтронов.
Однако впоследствии оказалось, что расчеты Уезерилла и Ингрэма были отнюдь не безупречными. Так, вскоре после опубликования их работы Казио Курода из Арканзасского университета (США) показал, что при образовании залежей урановой руды в прошлом должно было присутствовать вокруг достаточное количество воды, чтобы в соответствующей степени замедлить нейтроны (следовательно, вероятность начала приходной цепной реакции была достаточно высокой) . Прошло 8 лет, и феномен Окло, видимо, подтвердил предсказание Куроды. Правда, нигде за пределами Окло следов подобного природного ядерного реактора не обнаружено.
Следует отметить, что возможность природного ядерного взрыва в прошлом уже была предсказана к тому времени теоретически. Для того чтобы самопроизвольно началась цепная реакция, природный уран должен был быть в достаточной степени обогащен ураном-235, содержание которого в природном уране в настоящее время не превышает 0,72%. Дело в том, что сколько ни собирай вместе урана-238 (основного изотопа природного урана), цепная реакция не начнется. Поэтому-то, как известно, для получения более эффективного горючего из природного урана для ядерньщ реакторов необходимо путем очень сложных и дорогостоящих операций повысить в нем концентрацию урана-235.
С другой стороны, уран-238 по сравнению с ураном-235, имеющим период полураспада 700 миллионов лет, обладает очень длительным периодом полураспада — 4,5 миллиарда лет. И если мы мысленно отправимся в прошлое, то количество урана-235, имеющего более короткий период полураспада, станет быстро увеличиваться по сравнению с ураном-238. Сейчас количество урана-235 в природном уране не превышает 0,72%, а 1 миллиард лет назад оно уже должно было составлять около 2%.
С проблемой однородности изотопного состава Земли связано и недавно обнаруженное поразительное природное явление, ставшее широко известным под названием феномена Окло.
В 1972 г. появилось в печати сообщение французских ученых о том, что в руднике Окло, находящемся в государстве Габон, расположенном в Западной Африке у,берегов Атлантического океана, ими обнаружен уран с крайне необычным изотопным составом. При этом утверждалось, что такой изотопный состав .произошел в результате протекавшей в этом районе около 1,8 миллиарда лет назад цепной реакции деления ядер урана. В общем, в своем сообщении французские ученые предположили, что 1,8 миллиарда лет назад в природе произошла цепная реакция, подобно протекавшим при ядерных взрывах в Хиросиме и Нагасаки, которые мы, японцы, никогда не сможем забыть.
В ходе цепной реакции (в том числе и приводящей к ядерному взрыву) изотопный состав урана изменяется. На рис. 3 показаны изотопные отношения урана, измеренные для руды в Окло. Полученные значения имеют разброс до 40%, тогда как повсюду за пределами Окло это значение остается практически постоянном, проявляя примечательную устойчивость. И необычно большие изотопные отношения урана иначе как с помощью ядерного взрыва не объяснить.
Правда, не все так просто. Сравнительно недавно, например, появилось сообщение ученых из Чикагского университета о том, что в исследовавшемся ими метеорите Алленде (по названию места в Мексике, около которого он был найден) отношение изотопов кислорода довольно сильно отличается от значения, характерного для вещества Солнечной системы в целом. Достаточно ясного ответа на вопрос, каково происхождение кислорода с этим необычным изотопным отношением, пока не имеется. Некоторые ученые предполагают, что метеорит Алленде вобрал в себя вещество, образовавшееся при взрыве Сверхновой, произошедшем непосредственно перед началом формирования Солнечной системы, но «примешавшееся» в вещество Солнечной системы локально (то есть не распространившееся по всей системе).
Какой могла быть эта нарушившая однородность примесь — это одна из многих проблем происхождения Солнечной системы.
Если учитывать эти исключения, изотопный состав встречающихся в природе химических элементов в основном однороден. Открытие этого явления — одно нз самых выдающихся достижений в изучении истории образования планет с 50-х годов.
Каков же смысл однородности изотопного состава?
Мы установили, что изотопный состав определяется типом реакции нуклеосинтеза элементов. Одинаковое же значение изотопного состава химических элементов, слагающих Солнечную систему, вряд ли образовалось случайно (слишком уж большое нагромождение случайностей требовалось бы для этого). И самым разумным объяснением является то, что химические элементы, слагающие Землю, метеориты, а также Луну, образовались в одних и тех же реакциях нуклеосинтеза. Образно говоря, вещество, из которого образовались планеты и метеориты, «сварилось» в одном «котле».
Все эти геохимические и космохимические данные хорошо согласуются с астрофизическими представлениями о том, что Солнце и планеты образовались из существовавшего тогда межзвездного газа. Химические элементы, образующиеся в бесчисленно раз повторяющихся реакциях нуклеосинтеза, были в нем столь хорошо перемешаны, что сформировавшаяся в конце концов Солнечная система стала обладать достаточно однородным изотопным составом.
Как уже отмечалось, изотопный состав химических элементов, существующих в Солнечной системе, в общем очень постоянен. Первые сведения об однородности изотопного состава были получены при изучении пород Земли. Затем такая же однородность обнаружилась в породах Луны и метеоритов.
Однако есть и исключения. В случае с изотопами свинца они, например, связаны с существованием изотопов, образующихся при распаде других элементов. Когда вещество минералов содержит много урана и тория, доля образующихся при их распаде изотопов свинец-206, свинец-207 и свинец-208 становится большей. Поэтому можно ожидать, что будут иметь разные значения отношения изотопов свинца в этих минералах и в минералах, совсем не содержащих урана и тория или содержащих их там в очень малых количествах. Кроме того, изотопные отношения урана и тория являются постоянными, только если их ' наблюдать в один и тот же момент. С течением же времени они изменяются в результате радиоактивного распада, и поэтому изотопные составы урана и тория в настоящем и прошлом различны.
С другой стороны, изотопы элементов, совершенно не различимые химически, из-за небольшой разницы в массе ведут себя в физических процессах несколько отлично. Например, при кипячении воды будут преимущественно испаряться молекулы, в которых водород представлен обычным (легким) изотопом. При этом в оставшейся воде постепенно будет увеличиваться доля так называемой тяжелой воды, в состав молекул которой входит дейтерий. Однако в обычных условиях обогащенность каким-либо изотопом в результате различных природных процессов не превышает 1 %.