На нашей планете много пыли. Ежедневно из космоса в атмосферу попадают крохотные частицы, которые скапливаются на земле, в воде и на льду. По некоторым оценкам, за год на Землю из Солнечной системы выпадает около 60 тысяч тонн подобного мусора. Масса метеоритов, падающих на Землю за такой же период (всего 50 тонн), ничтожна по сравнению с массой пыли. Некоторые частицы имеют размер молекул. Другие, такие как микрометеориты, сравнимы по размеру с точкой в конце предложения. На ровную плоскую поверхность, скажем, на крышу дома, на участок площадью 0,3 м2 каждый год может попадать одна такая частица. А более мелких частиц, судя по всему, прибывает гораздо больше.
У этой пыли долгая история: она состоит из остатков звезд или первозданного материала, из которого возникли наше Солнце и Солнечная система, или даже из фрагментов других планет, оказавшихся в космосе после столкновения с астероидами. Ученые запускают летательные аппараты для сбора космической пыли, анализируют осадочные породы на дне океана и устанавливают гигантские вакуумные насосы. Лет десять назад один норвежский астроном-любитель поразил научное сообщество, предложив метод, с помощью которого любой желающий, воспользовавшись таким простым устройством, как магнит, может собирать с крыши дома микрометеориты и космическую пыль, причем даже в большом городе. Однако чаще всего в таких коллекциях сложно отделить сигнал от фона. В нашем мире много пыли самого разного рода, от выхлопов до продуктов человеческой жизнедеятельности, и трудно найти место, где космическая пыль сохраняется в первозданном виде. Но одно такое место существует – это Антарктика. Удаленность от всякой человеческой активности и широта пространства чистого льда размером с целый континент делают Антарктику естественной лабораторией, где ученые могут собирать и изучать звездную пыль.
В 2006 году трое немецких ученых начали исследовать пыль во льдах Восточной Антарктиды, вблизи немецкой станции Конен. Эта крохотная станция открыта лишь несколько месяцев в году, в летний период в Южном полушарии, и может вместить не более двенадцати человек. Она расположена на льду, примерно в 250 километрах от берега. С учетом большой высоты и отсутствия человеческой деятельности лед здесь остается почти в первозданном виде.
Исследователи выбрали участок, находящийся с наветренной стороны по отношению к станции, чтобы гарантировать чистоту образцов, и тщательно отобрали около 450 кг снега, находящегося непосредственно под поверхностным слоем. Зная свойства льда, они смогли выбрать снег, выпавший всего за один год. Затем отправили образцы в лабораторию в Мюнхен, позаботившись о том, чтобы они были доставлены в исходном замороженном состоянии.
Лаборатории по изучению метеоритов и космической пыли – это стерильные помещения, где ученые работают в одноразовых костюмах и бахилах, а воздух проходит через фильтры для удаления загрязняющих веществ. В мюнхенской лаборатории лед расплавили и с помощью тонких фильтров отделили все твердые частицы. А затем в другой немецкой лаборатории эту пыль проанализировали с помощью масс-спектрометра, чтобы разделить и изучить атомы, содержащиеся в образцах.
Исследователи были удивлены, обнаружив в образце льда необычный элемент – железо с атомной массой 60. Известно только два места, где образуется эта форма железа. Такое железо может быть продуктом ядерных реакций, как в реакторах. С учетом доминирующих ветров и большого расстояния от станции Конен до какого‐либо ядерного реактора исследователи понимали, что это железо образовалось не в ядерном реакторе. Оставался последний и единственный вариант: железо-60 происходит из космоса, из крупной сверхновой звезды.
Как частицы сверхновой звезды могли попасть на Землю? Ученые предположили, что это объясняется траекторией перемещения нашего Солнца по нашей галактике Млечный Путь. Как планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, так само Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути. В настоящее время Солнечная система вошла в обширную область пространства, называемого Местным межзвездным облаком. Это пространство протяженностью около 300 световых лет заполнено пылью от звезды, взорвавшейся когда‐то давным-давно. Солнечная система пересекает его со скоростью около 80 км/с, и звездная пыль ежедневно попадает на нашу орбиту, как дорожная пыль в кабриолет с открытым верхом.
Мы только-только начинаем изучать в Антарктике самых древних посетителей нашей планеты. Чистый воздух и отсутствие загрязнений на Южном полюсе означают, что там нет ни сажи, ни частиц, возникающих в результате человеческой деятельности или выветривания горных пород. В воздухе присутствует что‐то другое. И чтобы извлечь это “что‐то” в первозданной чистоте, ученые с Южнополярной станции установили гигантский вакуумный насос с фильтром на конце. Этот коллектор, названный Ловушкой космической пыли, построен вдали от самой станции, чтобы избежать попадания на фильтр загрязняющих частиц. Фильтр ежедневно улавливает тысячи микрометеоритов – фрагментов истории Солнечной системы.
Некоторые частицы особенно важны. Судя по их возрасту, они образовались до возникновения нашего Солнца и Солнечной системы. Например, они показывают, что звезды определенного типа, называемые красными карликами, создают углерод, из которого состоят наша планета и наши тела.
Ловушка космической пыли
Ловушка космической пыли была установлена в 2019 году и продолжает собирать космических пришельцев ежедневно в летний сезон. И это только начало работы. Как спутники, летящие к другим планетам на протяжении нескольких лет, так и Ловушка тихонько накапливает долетающие до нас космические частицы. Удаленность и экстремальные условия Антарктики, создавшие множество препятствий в исследованиях таких ученых и первопроходцев, как Моусон и Бикертон, обеспечивают идеальную среду для изучения других миров.
Рядом с Ловушкой космической пыли установлен Южнополярный телескоп – чудо современной инженерии. В отличие от обычных телескопов для наблюдений неба в видимом свете, этот телескоп с девятиметровой апертурой способен анализировать микроволновой свет в дневное время. Каждая деталь аппарата проделала долгий путь, прежде чем прибыла на станцию Мак-Мердо, а затем еще сотни километров до Южного полюса. И если что‐то ломается, запасные части приходится доставлять с расстояния в тысячи километров.
Южнополярная станция Амундсена – Скотта расположена на ледяном плато на высоте 2800 метров над уровнем моря – это негостеприимное место, где летом температура не поднимается выше –25 °C. Самолет прибывает сюда после трехчасового перелета со станции Мак-Мердо, и пока его быстро разгружают и высаживают пассажиров, моторы продолжают работать, чтобы самолет сразу мог вылететь обратно к Мак-Мердо. Рейсы часто отменяют из‐за плохой погоды или механических неисправностей самолетов. И эти же особенности Южнополярной станции объясняют, почему она является таким уникальным местом для установки телескопа. В холодной, сухой и незагрязненной атмосфере телескопы позволяют наблюдать за небом с высоким разрешением. А поскольку на Южнополярной станции день и ночь длятся по полгода, аппарат может следить за небом непрерывно на протяжении большой части года.
Телескоп на Южнополярной станции предназначен для наблюдений за самым старым светом во Вселенной, который появился всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная была горячим и плотным супом из заряженных частиц. По мере расширения и охлаждения Вселенной эти частицы соединялись между собой с образованием нейтральных атомов, так что свет впервые смог перемещаться свободно. Космический микроволновой фон – результат этого события, мгновенный снимок новорожденной Вселенной. Он распространяется во всех направлениях почти равномерно, но ученые умеют замечать минимальные флуктуации температуры в отдельных небольших участках, что помогает раскрывать тайны нашего космического происхождения. Однако это очень слабые сигналы, для регистрации которых требуется специальное измерительное оборудование. Благодаря чистоте воздуха на Южном полюсе телескоп может производить измерения космического микроволнового фона с большей точностью и разрешением, чем в каком‐либо другом месте на Земле. Эти наблюдения позволяют раскрывать тайную структуру Вселенной, которую нельзя анализировать в видимом свете. Различия в плотности сигналов помогут установить природу таинственной темной энергии и темной материи. Темная материя полностью невидима, но, по некоторым оценкам, на ее долю приходится до 26 % массы Вселенной. Ее распределение в пространстве приходится измерять косвенным путем – через анализ ее влияния на соседнюю материю. И именно здесь оказывается полезным измерение космического микроволнового фона. Анализируя искривления или отклонения космического микроволнового фона в очень сильном приближении, астрофизики могут предположить, как участки темной материи искажают пространство в разных частях неба.
Фрагменты Солнечной системы падали на Землю с момента образования нашей планеты, и многие из них были захвачены полярными льдами. Как артефакты и осколки на археологических раскопках, метеориты могут служить фрагментами для восстановления истории Вселенной. Некоторые антарктические метеориты происходят из небольших каменистых тел, попавших на орбиту в то время, когда Солнечная система все еще представляла собой вращающийся пылевой диск. Атомы в составе таких метеоритов указывают на химический состав самых первых небесных тел и позволяют объяснить, почему планеты и астероиды содержат разные наборы минеральных компонентов. Другие метеориты отражают разные фазы в истории Марса и Луны. Большинство лунных метеоритов образованы из древних потоков лунной лавы. Анализ атомного состава гранул таких метеоритов показывает, когда на Луне активно действовали вулканы и когда позднее они начали утихать. Марсианские метеориты дают информацию о ранней атмосфере и минеральном составе планеты. Когда‐то Марс был геологически активной планетой, и метеориты позволяют узнать о его переходе в неактивное состояние.
Движение льдов помогает раскрывать тайны из истории Солнечной системы, но также оно имеет чрезвычайно большое значение для понимания процессов на Земле. Объем, распределение и перемещение земных льдов определяются взаимодействием между океанами, сушей и атмосферой. Чем больше мы вглядываемся в лед, тем отчетливее видим, что он является важнейшим элементом для понимания прошлого, настоящего и будущего нашей планеты.