Diena, kai sprogo Žemė

Savo trumpos kelionės Žemės erdvėlaiviu metu, žmonija buvo ne vieno garsaus sprogimo liudininkė. Tarkime, Krakatoa. Kai 1883 metais šis Indonezijos vulkanas sprogo, aidas girdėjosi už 3000 kilometrų, o į atmosferą išsviesti pelenai dešimtmečius vėsino pasaulį. Dar yra mūsų pačių sukurti sprogimai. Galingiausias kada nors detonavęs branduolinis užtaisas, sovietų bombų Caras, 1961 m. atmosferoje sukūrė 10 kilometrų skersmens ugnies kamuolį.

Bet jei Wimas van Westrenenas, planetologas iš VU universiteto Amsterdame, Nyderlanduose, teisus, šie kataklizmai yra vieni niekai, palyginus su tuo, kas nutiko Žemei prieš 4,5 milijardus metų. Vos spėjo apdžiūti naujos planetos dažai, jos viduje kritinę masę pasiekė milžiniškas branduolinis reaktorius. Tai buvo branduolinė bomba, užgožianti visus mūsų apgailėtinus bandymus. Išlaisvinusio 11 000 milijardų Caro bombų galią sprogimo pakako mūsų naujagimio pasaulio suplėšymui.

Tai kontroversiška idėja, bet norint, galima rasti netiesioginių įrodymų, nuo mažesnių „iškastinių reaktorių“ giliai pusiaujo Afrikos požemiuose iki akivaizdaus disbalanso tarp Žemės gaunamos iš Saulės ir skleidžiamos energijos. Bet van Westrenenas daro dar drąsesnį pareiškimą. Didžiausias Žemės audringos atominės praeities įrodymas, sako jis, yra ramus dangaus kūnas, žvelgiantis į mus naktimis: Mėnulis.

Mėnulio prigimties paieškos visada buvo problema. Jis tiesiog per didelis. Jokia kita planeta Saulės sistemoje neturi tokio santykinai didelio palydovo: jis didesnis, nei ketvirtis Žemės skersmens. Toks kūnas negalėjo būti pasigautas pralekiantis pro šalį, kaip manoma, savo mažesnius palydovus pasigriebė kitos planetos. 1879-aisiais metais George'as Darwinas, Charleso Darwino sūnus astronomas, pasiūlė kitokią idėją. Jis iškėlė mintį, kad jauna Žemė taip greitai sukosi, kad suiro ir išsviedė vieną tokį gabalą į kosmosą.

Tuo metu idėja buvo populiari, bet XX a. pradžioje ją paneigė planetų dinamiką tiriantys mokslininkai, atradę, kad neatitinka skaičiai. Jie palygino Žemės ir Mėnulio kampinius momentus – kūno turimos sukimosi energijos matą. Bendra suma duotoje sistemoje – tokioje, kaip Žemės ir Mėnulio – visada išlieka ta pati, nebent ją paveiktų išorinis kūnas. Jei Mėnulis anksčiau buvo Žemės dalis, dabartinis Žemės ir jos palydovo kampinis momentas turėtų derėti su turėtu anksčiau.

Jei taip buvo, tada Žemė prieš suirdama praeityje turėjo suktis greičiau. Išties, papildomas kampinis momentas būtų sutrumpinęs dieną vos iki 4 valandų. Tam, kad Darwino hipotezė pasitvirtintų, reikia, kad Žemės sukimosi į išorę nukreipta jėga nugalėtų į vidų nukreiptą Žemės traukos jėgą, o tai reiškia, kad ji būtų turėjusi suktis dar greičiau – apsisukti apie savo ašį vos porą valandų.

Darwino idėjai pasitraukus, jos vietą užėmė kitos. Žinoma, kaip milžiniško sukrėtimo hipotezė arba „didysis smūgis“, idėja, kad tarpplanetinis biliardas pasiuntė Marso dydžio objektą link naujagimės Žemės. Trenkęsis į mūsų planetą, šis kūnas subyrėjo, į erdvę pasiųsdamas didžiulę nuolaužų krūvą, kuri vėliau apsijungusi suformavo Mėnulį.

Iš pradžių nebuvo nieko, kas iškeltų didžiojo smūgio teoriją virš kitų palydovo kilmės paaiškinimų. „Tai buvo pasiūlyta, nes niekas kita neveikė,“ sako Matija'as Ćuk'as, Harvardo universiteto planetologas. Tačiau tai pasikeitė, vis tobulinant mūsų susikurtą ankstyvosios Saulės sistemos atvaizdą. Duomenys rodo, kad planetos susiformavo, į asteroidus panašioms uoloms daužantis vienai į kitą, sulimpant į vis didesnius ir didesnius kūnus. Visiškai tikėtina sulaukti didžiulių smūgių vėlesnėse šio proceso stadijose. „Žinome, kad susidūrimai yra svarbūs planetų formavimuisi,“ pabrėžia Ćuk'as.

Kaip bebūtų, mums gali tekti apgalvoti viską dar kartą. Patį didįjį smūgį gali anuliuoti nauja Apollo astronautų pargabentų uolienų analizė. Pagal didžiojo smūgio teoriją, jos ne visos kilo iš Žemės, tad galima būtų tikėtis, kad uolienos, lyginant su žemiškosiomis, viena nuo kitos skirsis sudėtimi ir ypač – tų pačių elementų izotopine sudėtimi.

Čia ir glūdi problema. Kai kosmochemikas Junjunas Zhangas iš Čikagos universiteto su kolegomis pernai baigė neregėto detalumo Mėnulio uolienų analizę, pasirodė, kad deguonies, chromo, kalio ir silicio izotopai neatskiriami nuo žemiškųjų. Tada šių metų vasarį, Hejiu Hui, geologas iš Notre Dame'o universiteto Indiana'oje su kolegomis išsiaiškino, kad keletoje pavyzdžių, laikytų pirmosios Mėnulyje susiformavusios plutos fragmentais, tarp kurių ir žymusis Pradžios akmuo, pargabentas Apollo 15 astronauto Davido Scotto, buvo vandens. Pragariškame milžiniško susidūrimo karštyje uolienos turėjo išsilydyti ir jose buvęs vanduo išgaruoti.

Sprogimas praeityje

Hui neabejoja atradimų reikšmingumu. „Tai meta iššūkį didžiojo smūgio scenarijui,“ sako jis. Van Westrenenas tiesmukesnis: „Mėnulio cheminė sudėtis suduoda didžiojo smūgio scenarijui mirtiną smūgį. Jis negali būti teisingas.“

Iš pirmo žvilgsnio, radiniai primygtinai rodo, kad Mėnulis kadaise buvo Žemės dalimi, kuri kažkokiu būdu atsidūrė kosmose neužteršta susiduriančių planetų uolienomis. Tačiau norint išvengti kampinio momento problemos, sugriovusios Darwino sprendimą, turėjo būti greitai ir tiksliai suteiktas galingas energijos postūmis. Van Westreneno skaičiavimai rodo, kad energija turėjo būti ekvivalenti 40 milijonų milijardų ant Hirosimos numestų atominių bombų.

Pirmasis van Westreneno dėmesį galimu energijos šaltiniu patraukė branduolio geofizikas Robas de Meijeris iš Keiptauno universiteto, P. Afrikoje. Mintis, kad save palaikantys branduoliniai reaktoriai gali būti užkasti Žemėje sklando jau 60 metų. Beveik užtikrintai, maži reaktoriai kažkada buvo aktyvūs. 1972 m., Prancūzijos Alternatyvios energijos ir atominės energijos komisija (French Alternative Energies and Atomic Energy Commission – CEA) kasinėjo Oklo regioną Gabone Vakarų Afrikoje, ieškodama urano, kai aptiko ženklų urano izotopo ²³⁵U sumažėjimą, rodžiusį, lyg jis buvo apdorotas branduoliniame reaktoriuje.

Tolesnė žvalgyba atrado 16 natūralių senovinių 1,5 – 10 metrų skersmens reaktorių. Jie buvo aktyvūs maždaug prieš 2 milijardus metų ir tikriausiai įsijungdami ir išsijungdami veikė keletą šimtų tūkstančių metų, išskirdami apie 100 kilovatų galios, kol baigėsi urano atsargos.

Buvo pasiūlyta ir didesnių reaktorių – išties, buvo iškelta mintis, kad Žemės branduolyje veikia milžiniškas branduolinis reaktorius. Van Westrenenas greitai sumojo, kad kažkas panašaus galėtų paaiškinti Mėnulio atsiradimą. „Branduolinis sprogimas yra vienintelis mūsų sugalvotas dalykas, galintis pakankamai greitai suteikti būtinos energijos,“ sako jis.

Tačiau turėtų būti kažkas daug didesnio, nei Oklo reaktoriai ir energija turėtų būti generuojam kiek kitaip – panašiai, kaip dabartiniuose bryderiuose. Pagrindinė mintis, kad sunkūs elementai, tokie, kaip uranas, toris ir plutonis buvo koncentruoti tankiose uolienose, giliai nugrimzdusiose į Žemę netrukus po jos susiformavimo. Jie susikaupė prie plutos ir mantijos ribos, kur geologinės jėgos sukaupė juos į didelius rezervuarus.

Tose uolose skylantys radioaktyvūs branduoliai paskleidžia greituosius neutronus, kurie savo ruožtu irgi gali paleisti reakcijas. Bet jei neutronai pataiko į tinkamo tipo branduolį, tarkime, ²³⁸U, jie gali būti sugerti. To rezultatas – plutonis-239, kuris skyla pats. Jei absorbcija vyksta nekontroliuojamai, skylanti medžiaga kaupiasi, kol peržengiamas kritinis lygis ir įvyksta sprogimas.

Vidinis branduolinis reaktorius galėtų paaiškinti, kodėl Žemė, kaip ir dauguma kitų Saulės sistemos planetų, išspinduliuoja ženkliai daugiau energijos, nei gauna iš Saulės. Ši perteklinė energija maitina Žemės magnetinį lauką, vulkanus ir žemės drebėjimus, ir didžioji jos dalis, manoma, randasi iš radioaktyvių procesų planetos gelmėse. Tai patvirtina ir nuolatinis vaiduokliškų neutrinų srautas, aptiktas KamLAND ir Borexino neutrinų detektoriais, įrengtais atitinkamai Japonijoje ir Italijoje. Jų sugautų dalelių energija rodo visus branduolinių reakcijų šalutinių produktų ženklus, sklindančius ir Žemės vidaus. Neaišku tik ar šie neutrinai sklinda dėl natūralaus elementų skilimo Žemės viduje ar tai natūralūs reaktoriai paskatina jų sklidimą tam tikruose regionuose. Norint gauti užtikrintą atsakymą, reikėtų pasaulinio tinklo neutrinų detektorių, galinčių sudaryti mūsų planetos radioaktyvių medžiagų klodų žemėlapį.

Net jei būtų rasti pasaulinių „georeaktorių“ įrodymai, vis vien daugelį tektų įtikinėti, kad jie galėjo suformuoti Mėnulį. Ćukas pritaria tam tikrai standartinio scenarijaus versijai. „Nemanau, kad galima atskirti Mėnulio formavimąsi nuo didžiojo smūgio,“ sako jis.

Tai taręs, jis pripažįsta, kad norint išsaugoti didįjį smūgį, reikia kažką duoti. Ironiška, bet jo idėja prasideda nuo kampinio momento išsaugojimo – nepajudinamos koncepcijos, sužlugdžiusios ankstesnę Darwino hipotezę apie nuo Žemės atsiskyrusį Mėnulį.

Galingi smūgiai turi problemą, kad jie suteikia Žemei daug energijos – tiek daug, kad planeta pradeda suktis greičiau, nei 4 valandų periodu, kurį kampinio momento išsaugojimas rodo buvus įmanomą, formuojantis Mėnuliui. Bet tik tuo atveju, jei Žemė ir Mėnulis sudarė uždarą sistemą. Kartu su kolege iš Harvardo Sarah Stewart, Ćukas sukūrė įstabų būdą pašalinti pertekliniam kampiniam momentui, panaudojant trečią kūną: Saulę.

Idėjos pagrindas – tam tikras Saulės, Žemės ir Mėnulio išsirikiavimas sukūrė situaciją, žinomą, kaip evekcijos rezonansas. Jis sulaikė Mėnulį orbitoje, apsaugodamas nuo tolydaus tolimo nuo Žemės, vykusio nuo pat palydovo susiformavimo. Tokia situacija galėjo tęstis 100 000 metų ar panašiai, sako Ćukas. Tuo metu Žemė, Mėnulis ir Saulė buvo surakinti į gravitacinę trijulę ir Žemės perteklinis kampinis momentas per Mėnulį galėjo būti perduotas Saulei. Galiausiai Mėnulis ištrūko ir vėl ėmė tolti nuo Žemės – tai vyksta iki šiol, po kelis centimetrus kasmet.

Tikrasis atlygis išryškėjo, kai Ćukas ir Stewart išsiaiškino, ką tai reiškė didžiajam smūgiui. Toks mechanizmas leidžia Žemei praeityje suktis greičiau, tad reikėtų mažiau energijos išsviesti Mėnulį į orbitą. Vietoje Marso dydžio tarano, pakaktų vos pusės masės, kuri būtų trenkusis į Žemę statesniu kampu ir giliai pasilaidojusi. Ćuko ir Stewart kompiuterinės simuliacijos rodo, kad tiek suteiktos energijos kaip tik pakaktų išsviesti gabalą vien Žemės uolienų į orbitą – taip padarant Mėnulį izotopiškai neatskiriamą nuo Žemės.

Kitokį „lengvesnio didžiojo smūgio“ variantą pasiūlė planetologė Robin Canup iš Pietvakarių Tyrimų instituto Boulderyje, Kolorade. Ji pasiūlėdviejų, maždaug pusės Žemės dydžio planetų lėtą susidūrimą. Iš susiliejimo, pradėjusio mūsų planetą, liekanų susiformavo Mėnulis, – todėl jo sudėtis tokia pati.

Šie du modeliai labai skirtingi, bet abu turi pranašumą, kad išsaugo kažką iš didžiojo smūgio modelio, nepasitelkdami kažko tokio ekscentriško, kaip didžiulis, Žemės gelmėse sprogstantis branduolinis reaktorius. Van Westrenenas lieka ramus, nurodydamas, kad Ćuko modelyje greičiau besisukanti Žemė sumažina ir Mėnulio suformavimui reikalingo branduolinio sprogimo energiją.

Jis siūlo išbandyti šią idėją. Gebėdami paversti vieną elementą kitu, giliai žemėje esantys reaktoriai turėjo padidinti ksenono-136 lygį išsviestoje medžiagoje, iš kurios susiformavo Mėnulis. Šis izotopas formuojasi tik energinguose astrofizikiniuose procesuose, tokiuose, kaip supernovos, arba vykstant radioaktyviajam skilimui tokių elementų, kaip uranas ir plutonis. Bet koks ksenono perteklius mėnulyje, lyginant su randamu meteorituose, kurių medžiaga nekito nuo Saulės sistemos aušros, rodytų, kad palydovo gimime vyko ir branduoliniai procesai. Iš principo, ksenono lygį galima išmatuoti būsimų Mėnulio gręžimo eksperimentų metu.

Tačiau tokių kasinėjimų teks laukti dar ne vieną dešimtmetį. O kol kas dėl vietos po saule (ar reikėtų sakyti „po Mėnuliu“?) kausis konkuruojantys palydovo kilmės paaiškinimai. „Dar laukia daug darbo,“ sako Ćukas. Bet gera naujiena tai, kad koks bebūtų rezultatas, po kojomis nėra tiksinčios laikrodinės bombos: santykinai trumpai gyvuojantys izotopai, kurie galėjo varyti van Westreneno sprogimą, jau turėjo suskilti. Ar Žemė vieną dieną prieš 4,5 milijardus metų susprogo, ar ne, mažai tikėtina, ką nors panašaus patirti vėl.

Stuart Clark yra New Scientist konsultantas. Jo naujausia knyga yra The Day Without Yesterday (Polygon)

Stuart Clark
New Scientist, № 2924