Новости всё Наука - iCity.life Архангельск

Мы думаем, что глубокий космос далекий и недостижимый, но на самом деле события в этом самом космосе могли помочь разогнаться эволюции жизни на Земле. Мы оказались здесь случайно. Эволюция могла пойти по другой ветке развития; любые шансы спонтанного появления жизни столь малы, что их можно назвать случайными. Жизнь Земли появилась вследствие цепочки случайных событий, странных ситуаций, удобных катастроф, от ледниковых периодов до столкновений астероидов — и вот мы здесь.

Принимая все это как данность, мы можем понимать историю жизни, только если изберем более широкое поле зрения. Организмы формируются под воздействием окружающей их среды, а эти среды формируются, в свою очередь, под действием мощнейших геологических сил, таких как вулканы и ледяные покровы, а также изменения климата.

И все же нам стоит еще больше расширить кругозор, закинуть сеть подальше. Что, если эти мощнейшие силы были под влиянием еще более мощных сил из более широкой Вселенной? Могли ли космические события в нашей Солнечной системе и даже нашей галактике сыграть свою роль? Должны ли мы буквально поблагодарить наши звезды за то, что мы здесь?

Наиболее известный пример эволюционного сдвига, вызванного астрономическими событиями, представляет собой вымирание динозавров, к которому привело падение гигантского метеорита 66 миллионов лет назад. Впервые эту гипотезу предложил Луис Альварес, его сын геолог Уолтер и их коллеги в 1980 году.

Исследователи обнаружили, что осадочные породы, которые сложились по всему миру во время вымирания динозавров, содержат большое количество редкого элемента — иридия. Ученые предположили, что иридий мог поступить из пыльных обломков метеорита, который врезался в Землю. В астероидах, которые были наиболее вероятным источником знакового метеорита, иридия гораздо больше, чем на Земле.

Как именно такое падение могло погубить динозавров — этот вопрос остается открытым. Но возможностей довольно много.

Высвобожденная энергия могла вызвать глобальные лесные пожары. Исследователи подсчитали, что чтобы доставить необходимое количество иридия, метеорит должен был быть порядка 10 километров в поперечнике. Воздействие такого монстра выпустило бы в миллионы раз больше энергии, чем водородная бомба. Более того, пыль и мусор, выброшенные в воздух, могли заблокировать солнечный свет и запустить постепенное снижение температуры на несколько последующих лет.

В 1991 году гипотеза падения получила новый импульс, когда ученые обнаружили ударный кратер более 160 километров шириной в месте Чиксулуб на полуострове Юкатан в Мексике. Его геологический возраст точно совпал с периодом вымирания.

Как именно падение метеорита повлияло на кончину динозавров, понятно не в полной мере; существуют свидетельства того, что они и так уже были близки к ней. Тем не менее логично предположить, что такое мощное событие должно было оставить некоторый отпечаток в эволюционной истории. И это открытие вызвало беспокойство на тему возможного падения разрушительного метеорита сегодня.

Кроме того, падения метеоритов — не единственное объяснение вымираний, которые происходили 66 миллионов лет назад.

Токухиро Нимура — ученый из Японской ассоциации Spaceguard, которая сформировалась для наблюдения околоземных объектов, которые могут ударить в планету. В марте 2016 года Нимура и его коллеги предположили, что вымирания, глобальное остывание и слой иридия могли быть вызваны прохождением Солнечной системы через молекулярное облако: одно из больших облаков газа и пыли в космосе, из которых образуются звезды. По мере того как пыль накапливалась в атмосфере, она формировала дымку, которая отражала солнечный свет и охлаждала планету.

Основная идея восходит к предположению британского астроному Уильяму Маккри, выдвинутому им в 1975 году. Он думал, что если Земля прошла бы через межзвездную пылевую «полосу», она должна была запустить ледниковый период. В то же время астрономы Митчелл Бегельман и Мартин Рис отметили, что такая пыль могла повлиять на то, как движутся частицы солнца, попадающие в атмосферу нашей планеты, и подвергнуть планету высоким дозам облучения, еще больше усугубив вымирания и изменения климата.

Теперь Нимура воскресил идею Маккри, утверждая, что падение в Чиксулуб было недостаточно катастрофическим, чтобы вызвать все вымирания конца мелового периода.

Тем не менее сейчас это в основном спекуляции.

«Идея поразила меня как очень интересная и правдоподобная, но пока она не развита и не имеет четких подтверждающих доказательств», говорит астроном Мартин Бич из колледжа Кэмпион при Университете Реджайны в Саскачеване, Канада.

Это событие 66 миллионов лет было лишь одним из нескольких известных «массовых вымираний», в ходе которых много видов по всей планете внезапно исчезли.

Самое большое вымирание произошло в конце пермского периода 252 миллиона лет назад, когда на Земле вымерло не меньше 96% всей жизни. Вся современная жизнь произошла от уцелевших 4%, поэтому очевидно, что эволюционная история могла быть совершенно другой, если бы того вымирания не случилось. Когда виды отмирают, получившие возможность развиваются и используют ее по максимуму, диктуя то разнообразие видов, которого не было бы в противном случае.

Палеонтологи давно спорят на тему того, что было причинами этих массовых вымираний.

Вполне возможно, как и менее масштабные сокращения популяции, они могут быть неотъемлемой частью работы экосистем. Поскольку вся жизнь взаимосвязана, небольшой сдвиг в одной популяции может вызвать эффект домино, послав ударные волны через всю систему.

Но более вероятно, что по крайней мере некоторые массовые вымирания были вызваны внешним влиянием на живой мир.

Одно такое массовое вымирание произошло в конце триасового периода. Около половины всех видов на Земле исчезли. Это событие могло быть также вызвано увеличением вулканической активности, изменениями климата, но вероятнее всего — падением метеорита.

Такие катастрофические события не могут быть результатом чистой случайности, попаданием на Землю случайной кометы или астероида. Вместо этого космические обстоятельства могут систематически приводить к сближению таких объектов с нашим миром.

Самая известная из таких идей заключается в том, что у Солнца есть тусклая звезда-компаньон, которая так далеко, что ее никогда не наблюдали непосредственно. Эта звезда, «Немезида», или «Звезда Смерти», периодически притягивает куски ледяных пород с окраин Солнечной системы и посылает их тусоваться в наших окрестностях.

Эту идею в 1984 году предложили две команды астрономов: Дэниел Уитмайр и Альберт Джексон и Марк Дэвис, Ричард Мюллер и Пит Хат. Все они отталкивались от открытия, которое случилось ранее в том году: массовые вымирания происходили с регулярными интервалами примерно в 26 миллионов лет на протяжении последних 500 миллионов лет.

Итак, возможно, гравитационное притяжение Немезиды, которая кружится вокруг Солнца на орбите в 1,5 светового года от нас, нарушило облако Оорта: собрание ледяных объектов, которое находится за орбитой Плутона на расстояниях в 0,8–3 световых года, слабо связанное гравитацией Солнца. Облако Оорта является источником «длиннопериодичных» комет, которые возвращаются во внутреннюю Солнечную систему каждые двести лет или около того.

Немезида должна быть крошечной звездочкой, возможно, красным или даже коричневым карликом не больше Юпитера. Поэтому ее никогда не замечали. На таком расстоянии ее было бы трудно разглядеть даже с применением наших мощнейших телескопов.

Но это не единственная проблема в теории Немезиды.

В исследовании, опубликованном в 2010 году, астрофизик Адриан Мелотт из Университета Канзаса и палеонтолог Ричард Бамбах из Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия, решили заново взглянуть на окаменелости с использованием последних данных. Они подтвердили, что массовые вымирания повторялись каждые 27 миллионов лет. Но такая картина слишком заурядная, чтобы вписаться в идею с Немезидой. Такой далекий карлик неизбежно подвергался бы влиянию других звезд поблизости, производя менее постоянный поток комет.

Нет, решили ученые. Волны массового вымирания должны быть обусловлены не звездой-компаньоном, а другой планетой.

В 1985 году Уитмайр и его коллега Джон Матезе предположили, что может существовать относительно небольшая твердая планета в пять раз массивнее Земли, вращающаяся в Солнечной системе далеко за Нептуном. Эта планета может стягивать кометы, не из облака Оорта, а из более близкого пояса Койпера. Это еще один диск ледяных камней на краю Солнечной системы, Плутон и его луна Харон признаны его членами. Уитмайр и Матезе назвали свой гипотетический объект «планетой Х».

Вполне возможно, что нам пока не удалось найти еще одну планету в Солнечной системе, которая больше Земли. Перед тем как космический аппарат «Новые горизонты» достиг Плутона и Харона в 2015 году, у нас были довольно плохие снимки этих объектов, и мы только начали поиск более крупных тел в поясе Койпера. Если планета Х темная и не отражает свет, она вполне могла бы ускользать от наших телескопов.

Более того, в январе 2016 года астрономы предложили, что в Солнечной системе может быть девятая планета, за Нептуном, с массой в 10 земных. Предложение выросло из наблюдений видимых объектов пояса Койпера, которые, казалось, были встревожены невидимым влиянием.

Если эта планета существует, она вряд ли будет делать заявленное за планетой Х. Но история показывает, что мы многого не знаем о нашем собственном заднем дворе.

Уитмайр, работающий в настоящее время в Университете штата Арканзас, решил развить гипотезу планеты Х еще дальше. В 2015 году он показал, что эта идея согласуется с периодичностью вымираний в 27 миллионов лет, замеченной Мелоттом и Бамбахом. Более того, Уитмайр говорит, что второй такой объект — планета Y? — мог бы объяснить еще одно колебание в палеонтологической летописи.

Эту картину заметили Ричард Мюллер и Роберт Роде в 2005 году. Они выяснили, что разнообразие морских видов поднимается и падает каждые 62 миллиона лет: это колебание должно быть вызвано либо изменением в темпах вымирания, либо в темпах видообразования.

Волны комет, вызванные «скрытыми» планетами, могут быть объяснением для таких картин, говорит Мелотт. Но добавляет, что за этими колебаниями могут стоять и другие, более далекие космические события.

В 2007 году Мелотт и его коллега Михаил Медведев заявили, что пульс в 62 миллиона лет мог быть вызван регулярной особенностью путешествия нашей Солнечной системы через Млечный Путь.

Наша галактика имеет форму блюда. По мере ее вращения, Солнце поднимается и падает на галактической плоскости, как лошадка на карусели. Эти изменения в положении могут менять количество космических лучей, которые проливаются потоком через Солнечную систему и попадают в Землю.

Космические лучи — это высокоэнергетические субатомные частицы, протоны и электроны, летящие через пространство. Считается, что они должны рождаться в высокоэнергетических астрономических процессах. Некоторые рождаются в сверхновых: звездах, которые взрываются, когда их топливо исчерпывается. Другие рождаются в черных дырах в центрах других галактик.

Существуют разные способы, которыми они могли повлиять на окружение Земли и на нашу эволюцию.

Космические лучи сами по себе могут быть вредными. Когда они сталкиваются с молекулами в воздухе, они порождают ливни частиц, которые могут вызывать мутации в ДНК. Обычно это плохо для жизни. Тем не менее низкий уровень мутаций может фактически увеличить разнообразие, сделать жизнь более разновидной.

Столкновения космических лучей также могут менять химический состав атмосферы. Они могут производить электрически заряженные частицы, которые влияют на формирование облаков, а значит, и климата, или же они могут разрушать озоновый слой, который защищает Землю от вредного влияния ультрафиолетовых лучей Солнца.

Поскольку многие космические лучи, как полагают, должны создаваться сверхновыми в пределах нашей галактики, покачивание вверх-вниз нашей Солнечной системы может менять поток космических лучей со всеми вытекающими для земной жизни.

Тем не менее довольно странно, что эти эффекты проявились только среди морских окаменелостей. Во всяком случае можно было бы ожидать, что живущие в море организмы лучше защищены от ливней вредоносных частиц, чем живущие на суше.

Даже Мелотт теперь думает, что эта идея не может объяснить цикл в 62 миллиона лет в палеонтологической летописи. В 2011 году он предположил, что это может быть врожденный геологический «пульс Земли», возможно, связанный с изменениями в тектонической активности.

Существует аналогичная картина изменений в составе морских осадочных пород, говорит Мелотт. Это то, что можно было бы ожидать от изменений темпов горообразования и эрозии, вызванной сдвигами в движении тектонических плит.

Смертельные лучи из космоса, кажется, могут быть хорошей причиной некоторых эволюционных сдвигов, наблюдаемых в палеонтологической летописи.

Мы постоянно подвергаемся воздействию низких уровней космических лучей. Но одна сверхновая может выпустить такой смертоносный взрыв этих частиц, что стерилизует планету, если ей не повезет оказаться поблизости и в нужном направлении.

Звезды становятся сверхновыми постоянно; во время этого они могут временно светиться ярче целых галактик. Каждый год в других галактиках мы наблюдаем множество сверхновых, но в нашей собственной галактике люди видели сверхновую в последний раз 140 лет назад. Еще одна, которая родилась в 1572 году, была такой яркой, что астроном Тихо Браге видел ее невооруженным глазом и успешно описал.

«Сверхновая Тихо» была безопасно удаленной: в 7500 световых годах. Если бы такой взрыв случился намного ближе к нам, он стал бы серьезной бедой. Земля была бы обрита наголо потоком частиц и рентгеновских и гамма-лучей.

Случалось ли такое когда-нибудь?

Считается, что сверхновая должна быть в пределах 30 световых лет, чтобы иметь разрушительные для Земли последствия. Так близко к нам находится не так много звезд.

Однако в 2002 году исследования астрономов показали, что в пределах 420 световых лет от Земли могло быть 20 сверхновых за последние 11 миллионов лет, только из одной группы звезд. Такие события вполне могли оставить отпечатки в палеонтологической летописи.

Они определенно оставили следы в осадочных породах. Сверхновые рассеивают внешние слои взрывающейся звезды в космос, включая некоторые атомы, которых на Земле не так много.

Один из таких красноречивых продуктов сверхновых — это железо-60, которое на Земле не образуется в природе. В 1999 году физики обнаружили высокие уровни железа-60 в геологических структурах на глубине океана — железомарганцевых корках, образованных за последние 5 миллионов лет. Железо-60 также нашли в лунной почве и оно, похоже, пришло от двух сверхновых в 320 световых годах от нас, семь и два миллиона лет назад соответственно.

Последние взрывы, похоже, оставили следы в палеонтологической летописи.

В исследовании, опубликованном в августе 2016 года, астрофизик Шон Бишоп из Технического университета Мюнхена и его коллеги сообщили об обнаружении железа-60 в ископаемых кристаллах оксида железа. Изначально эти кристаллы были сделаны бактериями, которые используют магнитный оксид, чтобы выстраиваться в соответствии с магнитным полем Земли. Железо-60 начало появляться в таких ископаемых в морских отложениях, сформированных 2,6-2,8 миллиона лет назад.

Жизнь могла быть потревожена этими сверхновыми.

Рентгеновские и гамма-лучи, идущие от столь отдаленного источника, сами по себе не являются проблемой. «Они не проникают в нашу атмосферу и поэтому не могут непосредственно привести к стерилизации или массовым вымираниям», говорит Бишоп.

Но он также говорит, что эти лучи могут создавать косвенную опасность, повреждая озоновый слой. «С уменьшением озонового слоя, насколько нам известен со времен антарктической озоновой дыры, ультрафиолетовый свет Солнца будет проникать на поверхность Земли и может стать проблемой для организмов».

По расчетам астронома Нарцисо Бенитеса и его коллег, сверхновых на таких расстояниях потенциально могут истощить атмосферный озон.

Более того, в исследовании от июля 2016 года Мелотт и его коллеги подсчитали, что космические лучи от сверхновых могли увеличить число высокоэнергетических нейтронов и мюонов, достигающих земли, утраивая суммарную дозу облучения наземных организмов. Это может спровоцировать раковые мутации, а также запустить изменения климата, говорят ученые.

2,6 миллиона лет действительно имело место небольшое массовое вымирание, на рубеже эпох плиоцена и плейстоцена. Но мы не можем сказать наверняка, что сверхновые «приложили к этому руку».

На самом деле нет никаких прямых доказательств того, что сверхновые вообще когда-либо вмешивались в эволюционную историю жизни, говорит Бишоп. «Спустя миллионы лет это будет невероятно трудно доказать». К примеру, нет никакой возможности собрать и изучить окаменевшую ДНК на предмет мутаций после такого длительного периода времени, не говоря уж о том, чтобы сравнить ее до и после события.

Тем не менее есть еще один вид космического взрыва, еще более мощный.

Небеса иногда раздирают взрывы — гамма-всплески: чрезвычайно интенсивные взрывы, высвобождающие гамма-лучи, которые живут от долей секунды до нескольких часов. Гамма-всплески находятся среди самых энергетически мощных событий во Вселенной. Они рождаются, когда взрываются особенно мощные звезды.

К счастью, гамма-всплески пока видели только в очень далеких галактиках. Но если бы один из таких родился поблизости, сверхновая была бы фейерверком в сравнении. Что еще хуже, мы вряд ли смогли бы заранее обнаружить его приближение, не быстрее чем за пару часов. К счастью, Мелотт говорит, что гамма-всплески на 10 000 световых лет в округе рождаются примерно раз в 170 миллионов лет.

И хоть это довольно редко, Земля существовала достаточно долго, чтобы ее поразило много раз. В 2004 году Мелотт предположил, что массовое вымирание конца ордовика 440 миллионов лет назад могло быть связано с гамма-всплеском. И все по плану: рентгеновские и гамма-лучи сильно повредили озоновый слой, запустили глобальное охлаждение за счет образования густого задымления оксидами азота в атмосфере.

Мелотт утверждает, что модель вымираний конца ордовика вписывается в эту картину. К примеру, мелководные морские организмы, которые были сильнее подвержены воздействию ультрафиолетового излучения, чем глубоководные, пострадали сильнее. Кроме того, климат стал заметно холоднее.

Может ли такое произойти вновь? Земле осталось жить около двух миллиардов лет, после чего Солнце расширится и сделает планету непригодной для обитания. В анализе 2011 года Бич подсчитал, что за это время может произойти порядка 20 событий сверхновых и один гамма-всплеск поблизости, которые нанесут вред. Но это слабо тревожащие цифры.

К тому же Мелотт говорит, что мы сможем увидеть сверхновые заранее, поскольку измеряем возраст ближайших звезд. Ближайшая из тех, что могут скоро детонировать — в ближайший миллион лет, — это Бетельгейзе в созвездии Ориона. Она слишком далеко, чтобы причинить какой-либо ущерб.

Бич говорит, что теоретически можно было бы менять звезды инженерным методом, чтобы избежать катастрофических взрывов. «Если бы цивилизация знала, что в ее окрестности собирается лопнуть сверхновая, один из вариантов выживания был бы попробовать какой-нибудь суперастроинженерный проект».

Например, они могли бы отклонить взрыв, заставив звезду потерять массу или замешав какой-нибудь материал, который мог бы замедлить ее коллапс. «Как можно было бы физически осуществить такой проект, я не знаю, но физика этой ситуации и что нужно сделать, чтобы продлить жизнь звезды, вполне хорошо понятны».

Бич предполагает, что звезды, которые грозят стать сверхновыми, могли бы быть хорошими местами для поиска инопланетян. Если такая звезда начнет вести себя странно, это может быть признаком умышленного ее изменения.

Космические угрозы жизни на Земле могут быть еще более экзотическими.

В книге 2015 года «Темная материя и динозавры» физик Лиза Рэндалл из Гарвардского университета предположила, что загадочное космическое вещество — темная материя — могло быть абсолютным убийцей динозавров.

Темная материя не взаимодействует со светом, поэтому мы не можем видеть ее напрямую. Она воздействует на обычную материю лишь посредством гравитации: у нее есть масса, поэтому она притягивает материю, как любое обычное вещество. Мы не знаем, что такое темная материя. Никто никогда не находил ни одной ее частицы. Но большинство физиков и астрономов уверены в ее существовании. Если бы ее не было, галактики не вращались бы так быстро и при этом не развалились. Темная материя превосходит обычную материю в пять раз. Считают, что она окружает каждую галактику сферическим гало.

Рэндалл предположила, что определенная темная материя отличается от остальной.

Эта «экзотическая темная материя» может чувствовать другую силу, как гравитацию, по типу электромагнитной, которая позволяет обычному веществу взаимодействовать со светом. Эта экзотическая темная материя могла сформировать диск в галактической плоскости и прохождение Солнечной системы через этот диск могло нарушить путь кометы в облаке Оорта, что привело к столкновению ее с Землей 66 миллионов лет назад.

Биолог Майкл Рампино из Университета Нью-Йорка расширил эту идею. В исследовании, опубликованном в 2015 году, он предположил, что некоторые частицы темной материи могли захватываться и уничтожаться в ядре Земли. Это привело к высвобождению энергии, повышению вулканической активности и созданию «пульса Земли», который Мелотт ранее связал с вымираниями.

Что ж, может быть и так. Но некоторые ученые считают эти идеи слишком сомнительными, и вряд ли они привлекли бы много внимания, если бы их выдвигал кто-нибудь другой, не такой известный, как Рэндалл, а она чуть ли не суперзвезда в области космологии.

«Придется изобрести новую физику, чтобы заставить этот механизм работать», говорит Мелотт.

«Этот аргумент кажется мне слишком надуманным», соглашается Бич.

Но добавляет, что хотя пока неясно, действительно ли в нашей галактике есть диск темной материи, «мы так мало знаем о распределении и составе темной материи в галактическом диске и гало, что любое допущение в рамках нашей текущей неопределенности вполне возможно». Пока это интересная, но сомнительная идея. Стоит ли доверять ей?

Все отдельные истории, что мы обсудили, бездоказательны, и многие из них спорные. Но сделайте шаг назад — и у вас не останется сомнений, что так или иначе жизнь на Земле связана и зависит от космических сил. Сложность состоит в том, чтобы выяснить, какие космические явления сыграли роль в отдельно взятом случае. Эти факторы растянулись на такие огромные временные масштабы, что о надвигающейся угрозу нашему выживанию в этом ключе даже переживать не стоит. В обозримом будущем нашей планете не угрожает никакой катастрофический метеорит, хотя наблюдать, безусловно, стоит.

Но никто не говорит, что человеческая цивилизация совершенно защищена от космических угроз.

Мелотт говорит, что больше всего нам стоит опасаться солнечных вспышек: резких вспышек Солнца, которые облучают планету частицами и радиацией. Электромагнитный импульс, который они производят, может парализовать телекоммуникации.

Одно из таких событий в 1859 году посеяло хаос в ранних телеграфных сетях, поразив нескольких операторов шоком и вызвав пожары. Сегодня же, с нашей гигантской сетью связи, последствия будут разрушительными. Мы едва избежали этой судьбы в 2012 году, когда солнечный супершторм прошел мимо нас, но в 1989 году был тоже большой, нарушивший канадскую энергосеть.

Если событие вроде такого может поставить цивилизацию на колени, оно может и оставить отпечаток в эволюционной летописи, потому что, по иронии судьбы, остановит последнее массовое вымирание, которое происходит сейчас по нашей вине.