Kosmiczny łomot

Archiwum

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego

Około 3,9 mld lat temu, kiedy Ziemia była jeszcze młodą planetą, prawdopodobnie przeżyła ciężkie bombardowanie. Do niedawna uważano, że żadna forma życia nie przetrwałaby takiego kosmicznego gradobicia. A może właśnie wtedy życie na dobre wystartowało?

Kiedy patrzymy na powierzchnię Księżyca nawet w niewielkim przybliżeniu, pierwsze, co zwykle dostrzegamy, to mrowie kraterów. Są wszechobecne. Właściwie wypełniają całą księżycową przestrzeń. Mają różne rozmiary – od małych o średnicy poniżej centymetra do olbrzymów o średnicy setek kilometrów. Skąd wzięły się te dziury? Odpowiedź na to pytanie umożliwili wiele lat temu astronauci z misji Apollo, którzy przywieźli na Ziemię 382 kg księżycowego gruntu. Były tam liczne skały powstałe w wyniku potężnych uderzeń planetoid. Wiek większości był bardzo zbliżony – miały około 3,9 mld lat.

Jeden z wielkich księżycowych kraterów. Większość powstała przed miliardami lat i do dziś zmieniły się niewiele na martwym geologicznie globie.

Na tej podstawie w połowie lat 70. badacze Fouad Tera i Grenville Turner sformułowali hipotezę „księżycowego kataklizmu”, który – jak sugerowali – miał całkowicie odmienić oblicze ziemskiego satelity. I wcześniej, i później meteoryty uderzały, rzecz jasna, o powierzchnię Srebrnego Globu, ale – wedle tej tezy – tylko raz w jego dziejach w dość krótkim okresie powstało ponad półtora tysiąca kraterów o średnicy powyżej 100 km oraz niezliczenie dużo mniejszych. Ów „dość krótki okres” mógł trwać od kilkunastu do nawet 200 mln lat, zatem nie należy wyobrażać sobie bombardowania jako pojedynczego zdarzenia – podkreślali badacze. Raczej były to serie powtarzających się co pewien czas intensywnych impaktów. Jednak nawet 200 mln lat w geologicznej skali czasu to nie tak znowu dużo – mniej niż 5% historii Układu Słonecznego, liczącej prawie 4,6 mld lat (Księżyc jest młodszy najwyżej o 100 mln lat). Krótki czy długi, był to w każdym razie niezwykle ważny moment w dziejach nie tylko Księżyca, ale i całego Układu.

Cenniejsze niż diamenty

Koncepcja „księżycowego kataklizmu” nie została powszechnie uznana. Wciąż trwa spór, czy skały dostarczone przez statki Apollo rzeczywiście odzwierciedlają całą prawdę o wczesnych dziejach Księżyca. Jak każda hipoteza naukowa, również i ta propozycja ma licznych przeciwników. Wielu badaczy uważa, że około 3,9 mld temu zakończyła się długa epoka intensywnych zderzeń w Układzie Słonecznym, trwająca od początku jego istnienia. Zachowane na Księżycu kratery byłyby zatem pozostałością po ostatnim cyklu bombardowań, który zniszczył ślady poprzednich. Ponadto sześć amerykańskich pojazdów (a także trzy radzieckie sondy bezzałogowe Luna) lądowało zawsze w tej samej części globu. Słusznie zatem zwracano uwagę, że księżycowy grunt mógł opowiadać historię tylko tych konkretnych kraterów, w pobliżu których znajdowały się lądowiska (przede wszystkim wielkiego Mare Imbrium, czyli Morza Deszczów), a nie odnosić się do całego globu.

W 2000 roku opublikowano badania, które znacznie zmniejszyły krąg sceptyków. Barbara Cohen z University of Tennessee w Knoxville (USA) i dwaj jej współpracownicy – Tim Swindle i David Kring – sięgnęli po inne księżycowe okruchy, których nie przywiozła żadna misja kosmiczna. To meteoryty, które spadły na powierzchnię Ziemi w ostatnich milionach lat. Jest ich niewiele i są bardzo cenne – nie tylko dla nauki, ale również jako lokata kapitału (niektóre mają większą wartość niż diamenty). Pierwszy znaleziono w roku 1982 na Antarktydzie. Do tej pory zidentyfikowano około 130 księżycowych kamieni, przy czym większość odkryto dopiero po roku 2000, głównie dzięki aktywności poszukiwaczy meteorytów, którzy przemierzają pustynie Afryki i Półwyspu Arabskiego.

Zespół pod kierunkiem Cohen miał do dyspozycji znacznie mniejszy asortyment księżycowych posłańców. Do analiz wybrano tylko cztery kamienie, które – jak wskazywały analizy chemiczne – pochodziły z innych regionów Księżyca niż te odwiedzone przez sondy. We wszystkich tkwiły drobiny minerałów, które wykrystalizowały z materii skalnej stopionej podczas największych bombardowań. W żadnej z próbek nie znaleziono śladów impaktów starszych niż 3,9 mld lat. To wzmacniało hipotezę wielkiego bombardowania, które mógł w tym czasie przeżyć cały Księżyc.

A skoro on – to również i Ziemia, choć śladów tamtych zderzeń nie znajdziemy na naszej planecie, gdyż jej powierzchnia wciąż zmienia się i odmładza. Inaczej jest na martwym geologicznie Księżycu, gdzie kratery sprzed wielu miliardów lat przetrwały do dziś. Ile takich dziur impaktowych mogło powstać na Ziemi? Jeśli założyć, że w czasie krótszym niż 200 mln lat planetoidy zdołały wybić na Księżycu około 1700 kraterów o średnicy ponad 100 km, to nasz glob, znacznie przecież większy, mógł otrzymać nawet dziesięciokrotnie więcej takich ciosów – szacowali badacze. Wypada średnio jeden wielki impakt co kilkanaście tysięcy lat, co oczywiście niewiele mówi o rzeczywistym przebiegu zdarzeń, ponieważ kosmiczne ciosy najpewniej zadawane były seriami. Dla porównania, obecnie tak wielkie kratery impaktowe (np. Chicxulub w Meksyku mający średnicę około 200 km) powstają na Ziemi co 100 mln lat. Żyjemy w bardzo spokojnych czasach.

Neptun dostaje kopniaka

Co mogło być przyczyną tak dramatycznych wydarzeń? Nikt tego nie wie. Jedną z ciekawszych hipotez zaproponowano w 2005 roku. Według niej we wczesnym Układzie Słonecznym nastąpiły nagłe przetasowania planet. Alessandro Morbidelli, Kleomenis Tsiganis, Rodney Gomes i Harold Levison w serii artykułów zamieszczonych w „Nature” dowodzili, że początkowo orbity Jowisza i Saturna znajdowały się bliżej siebie, za to Uran był bardziej oddalony od Słońca niż Neptun. Jeszcze dalej krążyła wokół Słońca olbrzymia ilość planetozymali, czyli zarodków planet. Były to grudy materii średnicy nawet do kilkuset kilometrów.

Do zamieszania doszło, gdy Jowisz zaczął przesuwać się ku gwieździe, a pozostałe trzy gazowe olbrzymy – się od niej oddalać. W pewnym momencie czas obiegu Saturna wokół Słońca zrównał się z dwoma obiegami Jowisza, co zdaniem badaczy wywołało rezonans grawitacyjny między obiema planetami. Doprowadził on do wypchnięcia Neptuna aż do strefy planetozymali. Te pierzchały na wszystkie strony. Wiele z nich skierowało się ku centrum Układu na spotkanie ze znajdującymi się tu małymi, skalistymi globami. Słabą stroną tej hipotezy jest czas – powątpiewano bowiem, aby tak znacząca reorganizacja Układu Słonecznego nastąpiła dopiero kilkaset milionów lat po jego powstaniu. Badacze dowodzili jednak, że Jowisz i Saturn bardzo wolno oddalały się od siebie i mogło upłynąć wiele setek milionów lat, zanim doprowadziły do zamieszania w całym Układzie.

Są oczywiście i inne propozycje wyjaśnienia przyczyny owych zdarzeń sprzed 3,9 mld lat, które geolodzy określają angielskim terminem Late Heavy Bombardment (LHB), czyli późne ciężkie bombardowanie. Jedna z nich zakłada, że deszcz planetoid został wywołany przejściem innej gwiazdy w pobliżu Układu Słonecznego. Według innego scenariusza bombardowania sprowokowała nieistniejąca już niewielka planeta typu ziemskiego. Ostatecznie została ona unicestwiona; zanim to jednak nastąpiło, jej orbita przybrała silnie eliptyczny kształt i sięgnęła aż do potężnego pasa planetoid między Marszem a Jowiszem. Wiele z nich zostało wytrąconych z dotychczasowych trajektorii i pędziły stadami na złamanie karku m.in. ku Ziemi i Księżycowi.

Nie ma jak w ukropie

Niezależnie od tego, co mogłoby sprowokować to bombardowanie, jego konsekwencje dla życia na Ziemi powinny być olbrzymie. W tej sprawie badacze się raczej zgadzają, różnią się natomiast w poglądach na temat tego, jakie konkretnie byłyby skutki takich impaktów. Zwolennicy pesymistycznej tezy uważają, że żaden żywy organizm nie przetrwałby długotrwałej serii niszczycielskich uderzeń. Z kolei według optymistów konsekwencją bombardowań byłaby eksplozja życia.

Do niedawna przeważał pesymizm – powszechnie sądzono, że z takiej apokalipsy nic nie powinno ocaleć. Podczas impaktów uwalniały się bowiem olbrzymie ilości energii cieplnej, a pod wpływem bardzo wysokich temperatur skały budujące wierzchnią część skorupy ziemskiej topniały, zamieniając się w płynną magmę, która zalewała glob. Trudno sobie wyobrazić, aby cokolwiek zdołało ujść z życiem z takiego ukropu. Pod warunkiem oczywiście, że wcześniej jakiekolwiek życie na Ziemi istniało.

Wielu badaczy uważa, że to niezwykle mało prawdopodobne, ponieważ powierzchnia planety była w ciągu pierwszych 600–700 mln lat zbyt gorąca. Temperatury, tuż po uformowaniu się globu sięgające nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza, spadały powolutku. Szukając odpowiedniego określenia na tę gorącą fazę w dziejach Ziemi, geolodzy zaproponowali termin Hadean (Hadej), zainspirowani wizją mitologicznego Hadesu. Na takim skąpanym w gorącej lawie globie nie byłoby warunków do życia, tak jak nie ma ich w piecu hutniczym.

Pewne poszlaki wskazują jednak, że Ziemia (a także Mars) mogła ostygnąć już 4,3–4,4 mld lat temu. Taki wiek mają maleńkie cyrkony znalezione w latach 80. w Australii Zachodniej. Te prastare kryształki analizuje się obecnie bardzo drobiazgowo i z analiz tych wynika, że już 200 mln po powstaniu Ziemi falowały na niej morza, z których wyłoniły się pierwsze lądy, niszczone przez deszcze i wiatry. Można sobie łatwo wyobrazić istnienie życia na takim globie. Załóżmy, że tak właśnie było, po czym po setkach milionów lat względnego spokoju nadeszła epoka kosmicznych kraks. Co wtedy stałoby się z tym wczesnym życiem? Czy rzeczywiście mogło ulec całkowitej zagładzie? To by oznaczało, że narodziło się ono na planecie dwukrotnie. Bardziej prawdopodobne wydaje się, że mimo wszystko jakaś grupa organizmów zdołała się uratować z katastrofy.

Jej rozmiary byłyby naprawdę olbrzymie. Obliczenia, które wykonali niedawno geolodzy Oleg Abramov i Stephen Mojzsis z University of Colorado w Boulder (USA), wskazują, że podczas największych kolizji jedna czwarta skał budujących skorupę ziemską zamieniłaby się w gorącą magmę. Badacze opracowali komputerowy model takiego bombardowania. Zbudowali go, wykorzystując wiedzę pochodzącą z analiz kraterów i meteorytów księżycowych, a także pokaźny już dorobek rozważań teoretycznych na temat przebiegu i skutków impaktu. Następnie zmieniali rozmiary pędzących ku Ziemi obiektów oraz częstotliwość i rozmieszczenie uderzeń, aby zobaczyć, jak silnie mogła zostać nadtopiona skorupa ziemska.

Jednak co ciekawe, nawet upadki planetoid o średnicy kilkuset kilometrów nie musiałyby oznaczać całkowitej zagłady życia – doszli do wniosku Abramov i Mojzsis. Wszystko, co egzystowało na powierzchni planety, niewątpliwie by wyginęło, ale jakaś część odpornych na trudne warunki jednokomórkowych organizmów mogłaby przetrwać w podziemnych schronach. Ocalałyby hipertermofile, czyli archeowce świetnie się czujące w temperaturach 70–110 °C. Znalazłyby azyl w licznych pustych przestrzeniach w skorupie ziemskiej. Z symulacji wynika, że na rozgrzanej planecie przybyłoby takich miejsc, a zatem hipertermofile mogłyby wtedy przeżyć okres rozkwitu i ekspansji. Opisując wyniki badań w „Nature” z 21 maja, naukowcy z University of Colorado zauważają, że nawet jeśli wcześniej życia na Ziemi nie było, to mogło się ono narodzić w takich gorących miejscach właśnie dzięki bombardowaniom.

Lecą cegiełki życia

Dwa tygodnie po tej publikacji w „Geochimica et Cosmochima Acta” ukazały się wyniki badań Marka Sephtona i Richarda Courta z Imperial College London, którzy doszli do podobnych wniosków, choć poruszali się inną drogą. Poddali oni analizie próbki 15 chondrytów węglistych – najstarszych meteorytów zawierających niezmienioną materię obłoku, z którego wyłonił się Układ Słoneczny. Rozgrzali je na moment do gigantycznych temperatur, aby uległy pirolizie, czyli rozkładowi termicznemu. Następnie za pomocą spektroskopii FTIR określili skład chemiczny uwolnionych podczas pirolizy gazów. Po co to wszystko?

Sephton i jego współpracownicy chcieli w ten sposób sprawdzić, ile pary wodnej i dwutlenku węgla mogło zasilić atmosferę w epoce bombardowań. Wpadający w ziemską atmosferę obiekt kosmiczny rozgrzewa się do gigantycznych temperatur i spala, zamieniając w chmurę gazów. Sephton i Court tak ustalili warunki doświadczenia, aby to, co działo się w mikroskali w ich laboratorium, oddawało w przybliżeniu los pędzących ku Ziemi planetoid. Dlatego m.in. wybrali prastare chondryty węgliste, zakładając, że podobne obiekty spadały na nasz glob przed 3,9 mld lat. Okazało się, że średnio 12% masy meteorytu spalanego w laboratorium zamieniało się w parę wodną, a około 6% w dwutlenek węgla.

Wtargnięcie jednego, nawet olbrzymiego intruza w ziemską atmosferę nie zmieniłoby zauważalnie jej składu – uznali badacze. Co innego, gdyby intensywne bombardowania trwały dziesiątki milionów lat. Wtedy planetoidy mogłyby dostarczyć wystarczająco dużo pary wodnej i dwutlenku węgla, aby planeta została otoczona wilgotniejszą i cieplejszą atmosferą, co sprzyjałoby rozwojowi życia. A jeśli wcześniej nie było go na Ziemi, planetoidy mogły zainicjować jego powstanie, przynosząc niektóre potrzebne budulce. Sephton był jednym z głównych autorów zeszłorocznych badań chondrytu węglistego Murchisona, który spadł w południowej Australii. Znaleziono w nim uracyl i ksantynę – dwie z kilku zasad azotowych wchodzących w skład kwasów nukleinowych, które przechowują informację genetyczną. Przynajmniej niektóre cegiełki życia, z których jesteśmy zbudowani, mogą mieć pozaziemskie pochodzenie. Te związki mogły oczywiście dotrzeć na Ziemię wkrótce po jej powstaniu, a nie dopiero 700 mln lat później, gdy Jowisz z Saturnem sprowadziły na nasz glob grad planetozymali. Tak czy owak wygląda na to, że nawet największy deszcz planetoid raczej pomógł, niż zaszkodził życiu na Ziemi. Nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło.

ANDRZEJ HOŁDYS jest niezależnym dziennikarzem popularyzującym nauki o Ziemi, współpracownikiem „WiŻ”.

Kosmiczny łomot

Archiwum

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego