Ацидалийская изотопная аномалия — а что, если копнуть поглубже?
Как отмечал Иоганн Вольфганг Гёте, «Говорят, что между двумя противоположными мнениями лежит истина, но это не так. Между двумя противоположными мнениями лежит проблема». Думаю, это глубочайшее наблюдение схватывает как раз тот фактор, который мешает изучать уникальные явления и аномалии. Часть наблюдателей в псевдорелигиозном предвкушении (это дофамин?) мечтает, чтобы аномалия превратилась в легализованное чудо, а их оппоненты начисто отвергают любой выход за брустверы научного скептицизма, опасаясь навлечь на себя славу шарлатанов. Примерно такой полярности мнений я ожидал в дискуссии к недавнему посту об Оумуамуа, и, к счастью, не получил ее. Примерно по этой же причине я избегал углубляться в пересказ различных трактовок «парадокса Ферми», хотя и внимательно отслеживаю, что о нем пишут хабровчане и в особенности @SLY_G. Тем не менее, в этой публикации я затрону тему на грани фола — расскажу, что известно о радиационной аномалии и специфическом изотопном составе грунта в некоторых регионах Марса. Уфологическая трактовка этих удивительных данных: что же тут непонятного, на Марсе была ядерная война, у нас под боком существовала высокотехнологичная цивилизация, пополнившая список жертв парадокса Ферми. Но я расцениваю эту публикацию скорее как продолжение материала о потухшем ядерном реакторе в Окло. Также в статье будут затронуты гипотетические аспекты «маленького теплого пруда Дарвина». Возможно, этот пруд не просто должен быть теплым, но и подогреваться должен именно от радиоактивных источников.
Радиация и благородные газы
Как известно, на Марсе нет магнитного поля, атмосфера очень тонкая и почти полностью углекислотная — и, соответственно, нет ничего подобного озоновому слою. Я уже затрагивал эти вопросы в статье «Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать», а также рекомендую почитать значительно более глубокую статью Виталия Егорова «Нужно ли Марсу магнитное поле». Любая пилотируемая экспедиция на Марс требует в первую очередь именно защитить космонавтов от радиации — сначала в полете, а затем и по прибытии. Поэтому еще в 2004 году аппарат «Кьюриосити» измерял радиационный фон в кратере Гейл. Полученные им данные были тревожны с количественной точки зрения (оказалось, что на Марсе человек получит около 0,2 миллизиверта радиации в день, поэтому даже за 500 дней марсианской экспедиции серьезно подорвет здоровье). Но «Кьюриосити» выявил, что радиация на Марсе обусловлена отнюдь не только космическим излучением и порывами солнечного ветра, а имеет «родное» марсианское происхождение. В марсианском реголите имеются изотопы урана-233 и тория-232, а также особенно характерные следы благородных газов: радиоактивного аргона-40, а также экзотические изотопы криптона и ксенона.
Эти данные были получены при помощи инструментария SAM («Анализ образцов на Марсе»), установленного на марсоходе «Кьюриосити». SAM изучал содержание криптона и ксенона в марсианской атмосфере. Два этих газа часто используются в качестве трассировочных элементов, с их помощью удобно отслеживать эволюцию и истончение атмосферы. В качестве референсных значений содержания криптона и ксенона SAM использовал данные, ранее полученные аппаратами «Викинг» в середине 1970-х (недавнее прошлое) и показатели содержания криптона и ксенона в марсианских метеоритах (далекое прошлое).
Благородные газы — ключевой индикатор эволюции планет. Особенно полезны в таком качестве криптон и ксенон, поскольку у них большое количество стабильных изотопов — шесть и девять соответственно. Поскольку и те, и другие образуются при распаде строго определенных радиоактивных элементов каждый, по ним крайне удобно отслеживать исходные вещества — а, значит, и эволюцию литосфер и атмосфер. В данном случае информативны именно тенденции: накапливается ли определенный изотоп или, наоборот, истощается:
Также известно, что и ксенон, и аргон в марсианской атмосфере имеют преимущественно радиогенное происхождение, чего не скажешь о земной атмосфере, либо о «стандартном» составе этих изотопов в углеродистых хондритах. Углеродистые хондриты — это метеориты, являющиеся остатками протопланетного облака нашей системы и позволяющие судить, каков был ее состав «из коробки». Уже установлено, что марсианские метеориты получили нейтронное облучение порядка 1015/см2, но до сих пор принято считать, что эта доза получена из космоса. Тем не менее, также есть основания полагать, что изотопы могут иметь «внутримарсианское» происхождение. Идея о ядерных реакторах естественного происхождения — скорее реальность, чем фантастика; этот феномен я уже рассматривал в статье об Окло.
Кратко об «устройстве» природного ядерного реактора: поскольку самые распространенные радиоактивные элементы (торий, уран и плутоний) подвержены полураспаду, очевидно, что ближе к моменту аккреции планет из протопланетного диска и содержание этих элементов в породах выше, чем пять миллиардов лет спустя. Таким образом, в древних компактных залежах урана могла бы самоподдерживаться ядерная реакция — при одном важном условии. Вблизи залежей должна течь вода (полноводная река), которая служила бы как замедлителем нейтронов, так и теплоотводом (и породы, и вода в месте ядерной реакции должны нагреваться). Известные потухшие ядерные реакции в районах Окло и Бангомбе находятся в Габоне, то есть, во влажном экваториальном климате и вблизи от той линии, по которой раскололись Африка и Южная Америка. Если предположить, что в Гондване, на стыке этих современных континентов, действительно существовал большой ядерный реактор или кластер таких реакторов — то напрашивается вывод, что пару миллиардов лет назад условия на Марсе были даже более благоприятны для образования подобных «очагов». Во-первых, на Марсе отсутствует тектоника плит. Поэтому древние залежи урана могли бы дольше оставаться целостными; оставались бы на месте падения и метеориты, и астероиды, оставляющие импактные кратеры. При этом Марс расположен буквально «по соседству» с поясом астероидов, откуда могли прилетать глыбы, богатые ураном и торием. Во-вторых, поскольку Марс меньше Земли, на протяжении своего геологического прошлого он быстрее остывал, и поэтому его грунтовые воды могли распространиться на большую глубину.
Существует масса косвенных доказательств, что в далеком прошлом на поверхности Марса протекали ядерные реакции. Содержание калия, урана и тория в марсианском реголите гораздо выше, чем в марсианских метеоритах (которые, по-видимому, являются образцами подповерхностных пород). Концентрация радиоактивного калия и тория наиболее высока на Ацидалийской равнине, где более 2 млрд лет назад должно было находиться мелкое море.
Ацидалийская ареография
Итак, исходя из паттернов распределения радиоактивного калия и тория на поверхности Марса, можно сделать такие выводы. На территории бывшего Ацидалийского моря (нынешней Ацидалийской равнине в высоких северных широтах Марса) в районах Сидония и Утопия, а также под координатами 50 с.ш. 120 з.д. в районе Хаос могли произойти два ядерных взрыва. Масс-спектрометрия ксенона в марсианской атмосфере в целом напоминает распределение ксенона в земной атмосфере после надземных ядерных испытаний. Высокое содержание аргона-40 может объясняться массовым нейтронным облучением калия-39 (с захватом одного нейтрона в каждый атом). Такая жен ситуация (+1 нейтрон) может объяснять высокое содержание тяжелого азота-17 и тяжелого водорода-2 (дейтерия). Вот где измеряли состав атмосферы и реголита два марсохода: «Оппортьюнити» и «Кьюриосити»:
Копирайт на этом рисунке переадресует нас к Джону Бранденбургу, сотруднику JPL (лаборатории реактивного движения) в составе NASA. Уважаемый @Javian в 2015 году разместил на Хабре первоапрельскую публикацию об этом ученом-плазмофизике, который на серьезных щах проповедует о ядерном палеоконфликте между сидонийцами и утопийцами. Мне кажется нелепым поддерживать его уфологические выкладки, вплоть до распознавания диадемы на «лице» в Сидонии. Но, возвращаясь к гётевскому тезису, с которого начинал эту статью, приму за версию, что изотопный состав криптона, ксенона, аргона и калия на севере Марса сильно напоминает сигнатуру открытого ядерного взрыва. Вот более развернутое изложение этой гипотезы (также по Бранденбургу):
На территории Ацидалийского моря мог сформироваться глубокий (многокилометровый) конгломерат пород с высокой концентрацией урана, тория и калия. Возможно, «инициирующим зарядом» стал удар астероида и последовавший за ним взрыв. В результате взрыва была кратковременно достигнута высокая температура и давление, необходимые для запуска ядерной реакции по принципу, напоминающему имплозию. Тем не менее, взрыв был неядерный, либо ограниченно-ядерный, так как в кратер быстро проникли глубокие грунтовые воды, либо воды Ацидалийского моря, если оно к тому времени еще не успело полностью пересохнуть. Вода сработала как замедлитель нейтронов, превратив «бомбу» в «реактор». Это событие произошло около 1 миллиарда лет назад, когда доля 235U в урановой руде составляла около 3% (сейчас — примерно 0,72% в земных породах, что в данном случае сопоставимо). Реактор мог работать на протяжении миллионов лет, производя 233U и 239Pu быстрее, чем они успевали распадаться. Оба этих изотопа при распаде испускали нейтроны, которыми напитались окружающие породы, в частности, содержавшиеся в них калий и аргон.
Учитывая, что облучены оказались большие территории на севере Марса (не менее, чем весь район, обследованный «Кьюриосити» и частично район, обследованный «Оппортьюнити»), не исключено, что как минимум один ацидалийский реактор все-таки достиг критической массы и перешел к цепной реакции, которая охватила не только первичный 235U, но и вторичные 233U и 239Pu. Последней каплей на пути к этому событию могла стать возросшая геотермальная активность, из-за которой испарилась часть воды-замедлителя. Взрыв мог быть сопоставим по силе с еще одним ударом астероида и поднять в атмосферу несколько километров распыленных пород, а вместе с ними насытив ее радиоактивными изотопами ксенона и криптона — и попутно спровоцировав подобие ядерной зимы. В районе современных Ацидалийских холмов (Acidalia Colles) наблюдается впадина диаметром около 400 км, которая могла сформироваться в результате такого события.
Маленький радиоактивный теплый пруд
Безусловно, просторы Ацидалии еще ждут своих ядерщиков и геологов, которые возьмутся за решение этой загадки с должным упорством и любопытством, но эта сугубо гипотетическая модель наводит нас на неожиданные мысли о зарождении жизни — не на Марсе, а на Земле. В катархее, продолжавшемся на Земле около 4,5–4 миллиарда лет назад, условия на нашей планете были в некотором отношении близки к древнемарсианским.
В первую очередь, речь идет о недостатке воды (она поступала на Землю извне, прилетая на астероидах, кометах и сохранившихся к тому моменту планетезималях), о слабой освещенности (Солнце еще не успело разгореться) и о сильном радиоактивном облучении именно того характера, что и на древнем Марсе: запасы урана и тория были еще очень велики, а озонового слоя еще не были, так как почти нет кислорода.
По-видимому, именно на границе катархея и архея на Земле возникла жизнь, которая могла быть только хемотрофной и анаэробной. Но наиболее благоприятные условия для нее в тот период складывались именно на глубине, в мелкопористых породах, чья ячеистая структура обеспечивала компартментализацию, отдаленно напоминающую эукариотическую клетку.
Наиболее известный эксперимент, моделирующий условия для возникновения жизни, поставили в 1953 году Стенли Миллер и Гарольд Юри. Они закачали в герметичную колбу смесь газов и водяного пара, напоминающую по составу атмосферу молодой Земли — и стали пропускать через колбу электрические разряды, имитирующие молнии. Эксперимент показал, что в таких условиях в колбе действительно образуется сложная органика, в том числе, липиды и некоторые аминокислоты. Но те же «молнии» разрушали эту органику, поэтому «маленький теплый пруд», предложенный Миллером и Юри, был шагом в правильном направлении –, но возникновения жизни не объяснял.
Роль молний в данном сеттинге является принципиальной, так как они отщепляют электроны от атомов — прежде всего, от водорода, в атоме которого один протон и один электрон. Свободные электроны нужны для поддержания химических реакций. Но молния — не лучший инструмент для высекания электронов; молнии образуются слишком высоко в атмосфере, они нерегулярные и разрушительные. Гораздо более надежный и стабильный источник электронов — это медленная ядерная реакция.
В 2016 году Тошикадзу Эбисудзаки и Шигенори Маруяма из Токийского университета выдвинули гипотезу, что именно радиоактивный гейзер является не только идеальной кузницей для образования жизни, но и трамплином для высмаркивания ее в незаселенную протобиосферу. По их мысли, гейзер в непосредственной близости от ядерного реактора удовлетворяет следующим условиям:
(1) Ионизирующее излучение высокой плотности, поддерживающие цепные химические реакции. При постоянном облучении «перезапустить» биохимическую реакцию можно даже на основе обычного дегтя.
(2) В такой системе поддерживается циркуляция материи и энергии, аналогичная сезонной циркуляции в планетарном масштабе (чередование теплых и холодных, сухих и влажных «сезонов»). Таким образом, создаются условия для формирования сложных органических соединений.
(3) Температура в гейзере ниже 100 °C, а давление близко к атмосферному. Поэтому, в отличие от глубоководных «черных курильщиков», гейзер может породить не экстремофилов, а простейшую жизнь, вполне приспособленную к эволюции на мелководье.
(4) Гейзер является компактной редуцирующей средой, металлическое сырье (ионы) можно захватывать прямо из гейзерной стенки.
(5) Гейзер служит контейнером, в котором надежно удерживаются летучие химические соединения.
Кроме того, радиация является стабильным мутагенным фактором, подстегивающим эволюцию. Это тема для отдельной статьи, но здесь достаточно оговориться, что пагубное воздействие радиации на организм тем более пренебрежимо, чем меньше живет организм. Не только одноклеточные, но и значительно более сложные организмы (например, плесень) в условиях жесткого ионизирующего излучения эволюционируют активнее, приспосабливаются к любой радиации, в том числе, солнечной, и даже могут использовать радиоактивные элементы как источник энергии.
Заключение
Несмотря на неплохую исследованность силами марсоходов, Ацидалийская равнина вряд ли является оптимальным районом для первой экспедиции на Марс (в конце концов, там слишком холодно по сравнению с тем же кратером Гейла). Но ее специфический изотопный состав заставляет задуматься — и дает повод проверить, похож ли этот район в геохимическом отношении на Окло в Габоне. Могли ли там по сей день сохраниться обитаемые водоносные горизонты, могла ли ядерная реакция вместе с геотермальной энергией создать на Марсе условия, чтобы на дне Ацидалийского моря образовалась примитивная жизнь — и, возможно, сохранилась там на глубине по сей день.
