Архив   Авторы  
Модель галактического гало. Согласно гипотезе Медведева и Мелотта при взаимодействии галактического ветра и межзвездной среды происходит ускорение частиц до высоких энергий.

Ветром навеяло
Общество и наукаТехнология

По мнению астрофизиков, пульс земной жизни бьется в Галактике - именно оттуда идут импульсы, приводящие к росту и сокращению биоразнообразия на нашей планете

 

История земной жизни со времени ее появления и до сегодняшнего дня насчитывает множество взлетов и падений. Взлеты - это периоды роста биоразнообразия. Падения - неожиданные "откаты" назад, сокращение числа родов животных. Некоторые из падений были столь значительны, что получили название "массовые вымирания". Но и это еще не все. За более чем полмиллиарда лет (период, начавшийся приблизительно 542 миллиона лет назад и получивший название "фанерозой", или "явная жизнь") биота Земли претерпела минимум пять крупных обновлений и множество более мелких. Существуют ли в этих процессах скрытые закономерности и какой механизм стоит за ними? Астрофизики предположили, что в основе изменений лежит космический фактор, а именно - вариации интенсивности внегалактических космических лучей.

Список Сепкоски

Приступить к серьезным исследованиям в этом направлении стало возможно лишь с появлением представительной статистики по видовому разнообразию различных эпох. А появилась она только к концу XX века. Одним из фундаментальных исследований, объединяющих результаты трудов нескольких поколений палеонтологов, стал список, составленный американским ученым из университета Чикаго Джеком Сепкоски (он умер несколько лет назад в возрасте около 50 лет). В этот список, опубликованный в 2002 году, вошли сведения о 36 380 родах ископаемых морских животных, и в частности о времени их первого и последнего появления в геологической летописи Земли. Потом за дело взялись представители точных наук - физики и математики. Роберт Роде и Ричард Муллер из университета Калифорнии провели статистический анализ биоразнообразия морской фауны на протяжении всего фанерозоя. Результат, опубликованный в 2005 году в журнале Nature, оказался очень интересен - выяснилось, что в истории земной жизни (в части ее морских представителей) явно выделяется несколько циклов. Закономерности накладывались одна на другую, но наиболее ярко выраженным оказался период продолжительностью около 62 миллионов лет.

Объяснения своему открытию Роде и Муллер не дали, а предложили на суд читателей несколько гипотез, связанных как с земными, так и с космическими факторами, начиная от периодически пробуждающегося вулканизма и заканчивая влиянием гипотетической звезды-компаньона Солнца, которая могла бы периодически возмущать облако Оорта - отдаленную область Солнечной системы, откуда к нам прилетают кометы. Исследователи не забыли упомянуть про сильные и слабые стороны каждой из версий, подчеркнув, что проблема требует дальнейшего изучения.

Ситуация оставалась без изменений, пока интерес к проблеме не проявили астрофизики. Михаил Медведев, сотрудник Российского научного центра "Курчатовский институт" и профессор университета Канзаса (США), выдвинул предположение, что в основе 62-миллионолетнего цикла в развитии жизни на Земле лежат вариации в интенсивности заряженных частиц высоких энергий, которые образуются в процессе взаимодействия галактического ветра с окружающим его межгалактическим газом.

Гости издалека

Основой для гипотезы Медведева стало интересное совпадение. Наряду с периодом колебания биоразнообразия существует похожий период в 63,6 миллиона лет - это период колебаний Солнца, а вместе с ним и всей Солнечной системы перпендикулярно плоскости Галактики. Половину этого времени Солнце проводит в южной (или "нижней") части галактического диска, а вторую половину - в северной, или "верхней", удаляясь от средней плоскости приблизительно на 70 парсек (1 парсек равен приблизительно 3,26 светового года, или 3х10 в 13-й степени километров).

Справедливости ради следует отметить, что на это совпадение обращали внимание и ранее (например, Джек Сепкоски и профессор геологии Чикагского университета Дэвид Рауп предположили, что гравитационные возмущения при проходе Солнца через галактическую плоскость могут приводить к более интенсивным кометным бомбардировкам Земли). Однако все исследователи полагали, что наибольшее влияние Солнечная система будет испытывать в середине галактического диска, где самая высокая плотность вещества. А следовательно, и период возмущений должен быть в два раза короче - около 30 миллионов лет, так как Солнце на своем пути дважды пересекает галактическую плотность за одно колебание.

И лишь Михаил Медведев и Адриан Мелотт, также сотрудник университета Канзаса, предположили, что ключевую роль в появлении 62-миллионолетнего цикла могут играть не галактические факторы, а "пришельцы извне" - заряженные частицы высоких энергий, которые проникают в Галактику из межгалактической среды.

На чем основывались рассуждения ученых? Млечный Путь - это не только спиральный диск, который мы обычно видим на картинках, но и потоки так называемого галактического ветра, горячего газа, который со сверхзвуковой скоростью истекает из Галактики и, говоря образно, окутывает ее. При этом Галактика находится не в абсолютном вакууме, а в межгалактическом газе - очень разреженной, но все-таки ощутимой среде. В результате вокруг Млечного Пути образуется ударная волна, и галактический ветер "встречается" с межгалактическим газом. Именно здесь и происходит ускорение космических лучей до высоких энергий - настолько высоких, что они могут проникать в глубь Галактики, несмотря на ее магнитное поле, и достигать Солнечной системы. Однако это происходит не совсем симметрично.

"Если бы Галактика была неподвижна, - объясняет Михаил Медведев, - то космические лучи приходили бы к Земле равномерно и с юга, и с севера галактической плоскости. Но наш Млечный Путь движется - со скоростью приблизительно 150-200 километров в секунду он летит к северу в сторону скопления галактик в Деве. При этом получается, что поток набегающего газа "поджимает" область галактического ветра, и, следовательно, расстояние до ударной волны прямо по курсу движения Галактики значительно меньше, чем в "хвосте", и космическим лучам легче проникать в глубь Млечного Пути с севера".

То же самое происходит и с Солнечной системой: когда в своем путешествии по Галактике она берет слишком к северу, то получает более приличную "дозу" высокоэнергичных космических лучей по сравнению с тем временем, когда она находится в самом галактическом диске или с его южной стороны. По модели, разработанной астрофизиками, поток "внегалактических" космических лучей в этом случае может увеличиться в пять раз.

Под космическим ливнем

На основе этой модели Михаил Медведев построил график увеличения потока космических лучей в зависимости от расположения Солнца относительно галактического диска за последние приблизительно 550 миллионов лет (за это время Солнечная система успела совершить восемь колебаний и сейчас продолжает девятое) и сравнил его с колебанием уровня биоразнообразия в этот же период. Максимумы интенсивности космических лучей с высокой точностью соответствовали минимумам биоразнообразия морской фауны и описывали примерно 30 процентов ее вариаций.

При этом выяснилось, что самыми опасными из "пришельцев" оказываются космические лучи с энергией порядка 1011-12 электрон-вольт - примерно таких энергий достигают частицы в земных ускорителях, например, в ЦЕРНе или Дубне. Менее энергичные частицы отклоняются магнитным полем Земли и не достигают атмосферы, а более высокоэнергичные хоть и проникают с легкостью вглубь, но их количество не настолько велико, чтобы приводить к заметным эффектам.

Как же космические лучи влияют на земные процессы? Во-первых, воздействуя на сами живые организмы. Попадая в атмосферу, высокоэнергичные частицы рождают потоки вторичных заряженных частиц и излучения - составную часть естественного радиационного фона, в котором живут обитатели Земли. Если повышается число бомбардирующих Землю космических лучей, то увеличивается и общий риск повреждений организма под действием естественной радиации. "Этот фон может вызывать мутации, нарушения структуры наследственного аппарата клеток или изменения ее свойств, - поясняет Владислав Петров, заведующий отделом обеспечения радиационной безопасности космических полетов Института медико-биологических проблем РАН. - Если клетка не гибнет сразу, то может оказаться, что эти процессы оказывают и положительный эффект, но все-таки чаще происходят более печальные вещи: гибель клеток, нарушение нормального функционирования организма и системы в целом. Важно, что эти процессы протекают медленно, постепенно и незаметно для наблюдателя в данный момент".

Другой эффект - космические лучи могут косвенным образом влиять на климат Земли. "Космические лучи - основной источник ионизации атмосферы на высотах приблизительно от 3 до 35 километров, - поясняет Юрий Стожков, заведующий лабораторией физики Солнца и космических лучей Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. - Ионы, которые образуются в атмосфере, "прилипают" к центрам конденсации и ускоряют процессы конденсации водных капель, что приводит к появлению облаков. Космические лучи через процесс образования ионов обеспечивают возможность формирования грозовых облаков. А космические частицы с энергией около 1015 электрон-вольт индуцируют появление молниевых разрядов". И это лишь некоторые примеры механизмов действия космических лучей на климат и биосферу Земли.

"Еще рано утверждать, что значение имеет лишь один из них, - подчеркивает Михаил Медведев. - Кроме этого, влияние космических лучей заключается, видимо, не столько в непосредственном воздействии на биосферу, сколько в том, что они создают в ней постоянный "стресс", в условиях которого развивается жизнь".

Вперед и выше

Над выводами астрофизиков уже задумались палеонтологи. "Негативное влияние высокого уровня радиации очевидно, однако еще предстоит изучить механизмы, которые могли бы приводить именно к глобальному снижению биоразнообразия, - говорит Александр Алексеев, профессор кафедры палеон-тологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и заведующий лабораторией Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН. - На протяжении сотен миллионов лет организмы приспособились к колебаниям уровня радиации. Например, во время смены знака магнитного поля Земли его интенсивность снижается в несколько раз и, соответственно, должен возрастать уровень радиации. Между тем в истории Земли насчитывается много сотен таких перемен магнитного поля, которые никак не отражены в изменениях биоразнообразия".

Это, впрочем, не отменяет того факта, что космические лучи продолжают оставаться важным фоном, на котором разыгрывается драма развития жизни на Земле. Если в целом ситуация на планете благополучна, то эволюция идет своим чередом и по своим законам. Но если происходит что-то из ряда вон выходящее (удары комет и астероидов, интенсивные вулканические извержения и так далее), то повышенный или пониженный фон космической радиации может сыграть свою роль. "Скорее всего в природе наблюдается сочетание сравнительно плавных и периодических изменений биоразнообразия с несистематическими массовыми вымираниями, которые иногда накладывались друг на друга, - объясняет Александр Алексеев. - Единая причина для них пока не найдена. Массовые вымирания организмов играли важнейшую роль в истории органического мира Земли. В их ходе исчезали специализированные группы, ранее занимавшие важное место в экосистемах, и это открывало путь для быстрой эволюции организмов, которым удалось пережить такую катастрофу".

Интересно, что сейчас мы становимся свидетелями, а также главным двигателем чрезвычайно сильного падения биоразнообразия. Подтверждает это, например, Красная книга, 30-летие которой исполнилось совсем недавно. По словам Александра Алексеева, уже зафиксированы десятки и сотни видов наземных животных и птиц, истребленных человеком. Основные последствия связаны с высокими темпами уничтожения тропических дождевых лесов. "Еще более существенными должны быть изменения среди насекомых", - считает ученый.

Теория Медведева, впрочем, позволяет посмотреть на проблему в ином ракурсе. Сейчас Солнце находится на расстоянии примерно 8 парсеков к северу от центра галактического диска и продолжает двигаться вверх. Таким образом, "буквально" через каких-то 10 миллионов лет нам следует ожидать нового максимума интенсивности космической радиации, а в ближайшие 30 миллионов лет мы будем жить в повышенном радиационном фоне. Приведет ли это к снижению биоразнообразия, проверят наши потомки.

Впрочем, шанс посчитать вклад космических лучей в общий процесс эволюции есть и у наших современников. Сложность состоит в том, что эффекты, которые удается наблюдать на Земле, обычно очень малы, а их связь нелинейна. Однако некоторым подтверждением гипотезы о влиянии космических лучей могут стать наблюдения неба в гамма-диапазоне. Космические лучи высоких энергий, взаимодействуя с галактическим межзвездным газом, рождают нейтральные пионы, которые затем распадаются с образованием гамма-квантов определенных энергий. Согласно модели Медведева интенсивность потоков космических лучей на севере Галактики выше, чем на юге, поэтому и поток гамма-квантов в северной части неба должен быть больше. Подтвердить это предположение поможет орбитальная гамма-обсерватория GLAST (НАСА, запуск - 2008 год), недавно переименованная в "Ферми". Чувствительности приборов обсерватории должно хватить для того, чтобы наблюдать этот эффект. Если это удастся, то модель такого влияния космических лучей на земную эволюцию получит дополнительное подтверждение.

Политика и экономика

Что почем
Те, которые...

Общество и наука

Телеграф
Культурно выражаясь
Междометия
Спецпроект

Дело

Бизнес-климат
Загранштучки

Автомобили

Новости
Честно говоря

Искусство и культура

Спорт

Парадокс

Анекдоты читателей

Анекдоты читателей
Популярное в рубрике
Яндекс цитирования

Copyright © Журнал "Итоги"
Эл. почта: itogi@7days.ru

Редакция не имеет возможности вступать в переписку, а также рецензировать и возвращать не заказанные ею рукописи и иллюстрации. Редакция не несет ответственности за содержание рекламных материалов. При перепечатке материалов и использовании их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, а также в Интернете, ссылка на "Итоги" обязательна.

Согласно ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ сайт ITOGI.RU относится к категории информационной продукции для детей, достигших возраста шестнадцати лет.

Партнер Рамблера