Статья: Внеземная причина вымирания в меловом и третичном периодах Экспериментальные результаты и теоретическая интерпретация

Недавняя неопубликованная работа D. A. Russell Национальных музеев Канады и настоящих авторов показали, что концентрация иридия граничного слоя породы в районе около Woodside Creek Новой Зеландии превышает приблизительно в 20 раз среднюю концентрацию в соседних известняках мелового и третичного периодов.

Внезапный приток внеземного материала

Чтобы проверить, имеет ли аномальный иридий на границе мелового и третичного периодов в разрезах Губбио внеземное происхождение, мы рассмотрели увеличение в 27 из 28 элементов, измеренных NAA, которое следовало бы ожидать, если бы иридий, превышая

Таблица 2. Распространенность рассеянных элементов в граничном слое Дании ppm (доли на миллион). * - колонка 1 минус колонка 2 - количество элемента, которое растворилось в кислоте или было потеряно при горении; распространенность осадка равна 44.5 процентов. † - содержание элементов V, Ag и In, по крайней мере, 20 процентов, а всех других, по крайней мере, в три раза больше в граничном осадке, чем в других осадках. Содержание всех «редких элементов», по крайней мере, на 20 процентов меньше в граничном осадке, чем в других осадках. «Другие элементы» не показывают закономерность распространенностей граничного осадка относительно других. ‡ - измерено с помощью XRF [43]. § - дозиметры были использованы в NAA измерениях этих элементов. Погрешности отображения применимы для сравнения двух входов для данного элемента, но неопределенности калибровки вероятно от 10 до 20 процентов должны быть учтены, когда значения используются для других целей.

уровень фона, прибыл из источника со средним составом земной коры. Распространенность иридия в коре Земли, менее 0.1 ppb [19, 22], является слишком маленькой, чтобы быть естественной для вещества с распространенностью иридия 6.3 ppb, как найдено вблизи Губбио. Внеземные источники с уровнями иридия сотен частей на миллиард или выше, более подходят, чтобы вызвать аномалию иридия. Рис. 10 показывает, что, если бы источник имел средний состав [46] коры Земли, ожидались бы увеличение значительно выше наблюдаемых во всех 27 элементах. Однако, для источника со средним карбонатным хондритовым составом [46], только никель должен показать элементное увеличение больше наблюдаемого. Как показано на рис. 11, такого увеличения в никеле не наблюдалось, но прогнозированный эффект несущественный и, учитывая соответствующие условия, окись никеля растворилась бы в морской воде [47]. Мы заключаем, что пример распространенности элементов в слоях Губбио согласуется с внеземным источником аномального иридия и не согласуется с источником коры Земли.

Рис. 10. (слева). Сравнение диаграмм распространенности исследуемых элементов в образцах Губбио с диаграммами распространенности элементов в обычных образцах, рассчитанной для коры Земли.

Рис. 11. (справа). Сравнение диаграмм распространенности исследуемых элементов в образцах Губбио с диаграммами распространенности элементов, рассчитанной для карбонатных хондритов.

Таблица 3. Состав всей пароды граничных слоев Губбио и Дании (в процентах). * - значения распространенности для элемента выражены отображенной формой. † - элементы Si, Ca, Mg, S, P и Ti Губбио были измерены с помощью программного обеспечения XRF [42]. Некоторое количество S может быть потеряно при этой процедуре подготовки образца. Ti Дании был измерен с помощью жесткого XRF [43]. Все другие измерения были проведены с помощью NAA. Анализы минералов были выполнены M. Ghiorso и I. S. E. Carrnichael с помощью дифракции рентгеновского излучения. ‡ - все железо представлено FeO. § - распространенность CO₂ была рассчитана на основе распространенности Ca, допуская, что весь кальций был представлен карбонатом. ¦ - разница в основном заключается в воде и органическом веществе.

Еще маловероятнее, чтобы датский граничный слой, который имеет значительно больше иридия, чем итальянская глина мелового и третичного периодов, имел земное происхождение. Концентрация иридия в горных породах верхней мантии (которые содержат большее количество иридия, чем кора) меньше 20 ppb [48], и поэтому существование естественногоисточника маловероятно. Однако, существуют ограниченные земные источники с намного большей распространенностью иридия; например, руды сульфида и хромита никеля [48] содержат сотни и тысячи миллиардных иридия, соответственно. Датский граничный слой, однако, не содержит достаточного количества никеля [506 миллионных (ppm)] или хрома (165 ppm), чтобы объяснить содержание иридия, таким образом, если конечно морская химия не сконцентрировала иридий специально (равномерно в сульфидной среде) и удалила другие элементы в другое место. Вероятность этих эффектов, происходящих в природе, кажется менее вероятной, чем внеземное происхождение иридия.

Далее мы рассматриваем, вызвана ли аномалия иридия аномальным притоком внеземного вещества во время вымираний, или нормальным, медленным накоплением метеоритного вещества [19], сопровождавшимся концентрацией в граничных породах некоторым опознаваемым механизмом.

Судя по имеющимся данным, существует основание для аномального притока в наблюдениях, что избыток иридия происходит точно во время одного из вымираний; что вымирания были необычными событиями, которые могут хорошо указывать необычную причину; что вымирания были, ясно всем в мире; и что аномалия иридия теперь известна в двух различных областях в Западной Европе и в Новой Зеландии. Кроме того, мы покажем далее, что столкновение 10 км пересекающего орбиту Земли астероида, событие, которое вероятно происходит с той же самой частотой, как и главные вымирания, возможно, произвело наблюдаемые физические и биологические эффекты. Однако, можно создать два других сценария, которые могли бы привести к концентрации нормального фона иридия на границе. Они кажутся гораздо менее вероятными, чем модель внезапного притока, но в настоящее время мы определенно не можем исключать любой из них.

Первый сценарий требует физического или химического изменения в водах океана во время вымираний, которое привело к происхождению существующего иридия в морской воде. Это потребовало бы концентраций иридия в морской воде, которые являются выше наблюдаемых. Кроме того, это означает, что положительная аномалия иридия должна была незамедлительно сопровождаться компенсирующей отрицательной аномалией, но это не замечено.

Второй сценарий допускает сокращение нормы отложения всех компонентов морского осадка за исключением метеоритной пыли, которая несет концентрированный иридий. Этот сценарий требует удаления глины, но не частиц с иридием возможно потоками как раз подходящей скорости. Эти потоки должны были воздействовать и на итальянские и датские области точно во время вымираний третичного и мелового периодов, но не во время других периодов, представленных нашими образцами. Мы чувствуем, что этот сценарий слишком натянутый, заключение более подробно рассмотрено в работе [23].

В резюме, мы заключаем, что аномальную концентрацию иридия на границе третичного и мелового периодов лучше интерпретировать как указание на аномальный приток внеземного вещества.

Отрицательные результаты испытаний для гипотезы суперновой звезды

Значительное внимание было уделено гипотезе, согласно которой вымирания третичного и мелового периодов были результатом близлежащей суперновой звезды [11]. Грубый расчет расстояния от предполагаемой суперновой звезды до Солнечной системы, основанный на измеренной поверхностной плотности иридия в граничном слое Губбио и ожидаемом количестве иридия, которое должно быть развеяно при взрыве новой звезды, дает приблизительно 0.1 световых лет. Вероятность приблизительно 10^-9 [49], что в течение последних 100 миллионов лет, суперновая звезда оказалась в пределах этого расстояния от Солнца. Любой механизм с такой низкой априорной вероятностью является, очевидно, одноразовой теорией. Однако, потому что теория могла быть подвергнута прямым экспериментальным испытаниям, она была рассмотрена как реальная возможность, пока мы не получили две других независимых детали доказательства, которые вынудили нас отклонить ее.

Элементы тяжелее никеля могут образоваться в звездах только нейтронным захватом, сопровождаемым бета-распадом. До сих пор теоретически допускалось, что существует наиболее интенсивный источник нейтронов, образованный гравитационным обрушением ядра звезды, которое ведет немедленно к взрыву суперновой звезды. В этой окружающей среде быстрый захват нейтронов ("r-процесс") ведет к формированию самых тяжелых известных изотопов. Более медленный захват нейтронов тяжелыми изотопами в эволюционированных звездах (" s-процесс ") ведет к различному смешиванию изотопов [50].

Один тяжелый изотоп в частности давал возможность испытания гипотезы суперновой звезды; это - плутоний 244 с периодом полураспада 80.510⁶ лет. Взрыв суперновой звезды должен выпустить расширяющийся снаряд только что созданных тяжелых элементов с отношением атомов иридия к атомам плутония равным приблизительно 1000. Эта величина выведена из существования аномалии в распространенности тяжелых изотопов ксенона в метеоритах, наличие которого объясняется расщеплением плутония 244 [51]. Плутоний 244, вошедший в состав Земли во время образования солнечной системы, приблизительно 4.7 миллиардов лет назад, распался бы за 58 периодов полураспада, или с коэффициентом 10¹⁷, что сделало его необнаружимым в районе Губбио самой чувствительной доступной техникой. Если вымирания третичного и мелового периодов произошли из-за суперновой звезды, и если это был источник аномального иридия, на каждый атом иридия должно приходиться примерно 10^-3 атома плутония 244, и этот плутоний 244 должен был распасться только с коэффициентом 2.

Плутоний 244 легко обнаружим как массовой спектрометрией, так и NAA. Первый более чувствителен, но последний оказался сразу доступен. В NAA, который мы использовали, плутоний 244 преобразован в плутоний 245, который имеет период полураспада 10 часов и испускает много характерных гамма-лучей и рентгеновское излучение. Плутоний был химически отделен от 25- и 50-граммовых порций граничной глины и от 50-граммовой порции пласта глины ниже границы третичного и мелового периодов, и почти "без массы" образцы были получены - никакой несущей среды не было добавлено. Химические разделения были также выполнены с фракциями плутония после нейтронного облучения. Никакой другой гамма-радиации, кроме как связанной с изотопами плутония, не наблюдалось. Чтобы измерять химическую концентрацию, растворимые кислотой и нерастворимые кислотой осадки Губбио были смешаны с небольшими количествами радиоизотопного плутония 238. Этот изотоп плутония легко обнаружим через его альфа-распад, поскольку его период полураспада - только 87.7 лет. Кроме того, один из образцов был смешан с плутонием 244. Рисунок 12a отображает спектр гамма-луча образца смешанного приблизительно с 20 пикограмм плутония 244; это указывает как на чувствительность NAA для обнаружения плутония 244, так и на свободу очищенного от других элементов образца, которые могли бы препятствовать обнаружению плутония 244. Отношение изотопного плутония в этом образце и в радиоизотопном (плутоний 238) были также измерены масс-спектрометром с однонаправленной фокусировкой в радиусе 5 футов.

Плутоний 244 был обнаружен в образцах Губбио (рис. 12b), с пределом обнаружения менее 10 процентов от количества, которое должно было бы сопровождать измеренный иридий, если суперновая звезда была бы причиной происхождения последнего. Океан, однако, может производить химические и физические изменения в осадочных материалах, а также изменения диагенеза в осажденных отложениях, так что отсутствие измеряемого плутония 244 не абсолютно заключительный аргумент.

Второй метод, который должен был проверить, была ли суперновая звезда причиной аномалии иридия, включал измерение отношения изотопного иридия в граничном веществе. Иридий имеет два устойчивых изотопа, 191 и 193, которые окажутся приблизительно в той же самой относительной распространенности, от 37.3 до 62.7 процентов, во всем веществе солнечной системы из-за смешивания протосолнечного газового облака. Однако различные суперновые звезды должны произвести иридий с различными изотопными отношениями из-за различий во вкладах r- и s-процессов, вызываемых изменениями в нейтронных потоках, временах реакции, и так далее, от одной суперновой звезды до следующей. Согласно этой общепринятой картине, иридий Солнечной системы - смесь элемента, произведенного всеми сверхновыми звездами, которые инжектировали вещество в газообразную туманность, которая, в конечном счете, уплотнилась, чтобы сформировать Солнце и его планеты. Отдельная суперновая звезда произвела бы иридий с изотопным отношением, которое могло бы отличаться от изотопного отношения иридия в веществе Солнечной системы в 2 раза [52].