Вместо того чтобы подвергнуть сомнению собственную методологию, та команда ответила на вызов Гленна, опубликовав статью, где утверждалось, что, несмотря на горы документации, наши выводы ошибочны. Авторы утверждали, что металлические сплавы в наших образцах должны быть искусственными, а не природными. По их мнению, наши образцы были случайно созданы золотодобытчиками в результате динамитных взрывов, которые те производили, разрыхляя глину для промывки золота. Эти взрывы, по предположению российской команды, могли раздробить находившиеся поблизости инструменты, трубы и другое неизвестное горнодобывающее оборудование, изготовленное из алюминиевых сплавов. Затем кусочки этого металлического материала могли с большой скоростью врезаться в соседние скалы. Авторы допускали, что в составе этих скальных мишеней были остатки углистого хондрита CV3, такого же, как и хорошо известный метеорит Альенде, которые изначально не содержали никаких металлических сплавов, и в итоге пришли к выводу, что наши образцы возникли в результате случайного сплавления искусственно взорванного металла с древним метеоритом.
Несмотря на творческий характер, эта идея не выдерживает критики.
Во-первых, российская группа не смогла назвать ни одного металлического орудия, используемого золотодобытчиками, которое имело бы подходящий химический состав для объяснения квазикристаллов или сплавов алюминия и меди, обнаруженных в нашем образце. На деле, исследуя вопрос об использовании алюмомедных сплавов, я обнаружил, что металлы с таким составом слишком хрупки для любого практического применения. Алюмомедные сплавы с добавлением лишь нескольких процентов меди в алюминий или наоборот действительно широко используются. Однако сплавы, обнаруженные в метеорите Хатырка, включают эти металлы в пропорции 50:50 или 60:40, и для них нет никакого промышленного применения по одной простой причине: они слишком хрупки.
Во-вторых, если бы предположение о взрыве было верным, следовало бы ожидать находки металлических сплавов, соединенных с обычными земными минералами. Земных минералов на Лиственитовом невообразимо больше, чем метеоритного материала. На самом деле еще до того, как русские предложили свою идею взрыва, мы систематически искали такие примеры, чтобы проверить нашу метеоритную гипотезу. Однако подобного образца не нашли ни мы, ни российская команда. Ни одного.
В-третьих, гипотеза взрыва не объясняла квазикристаллическое зерно, полностью заключенное в стишовит, которое Лука обнаружил во флорентийском образце. Стишовит – это силикат, который можно создать только при сверхвысоком давлении. Такое давление никак не могло быть вызвано металлической шрапнелью, разогнанной динамитным взрывом.
Поскольку стишовит не мог образоваться в результате взрыва, он, согласно логике российской группы, должен был являться частью метеорита до взрыва. Металлический алюминиевый сплав, который русские объявляли искусственным, должен был в результате взрыва попасть в метеорит. Но если бы это было так, то зерно стишовита, которое, согласно их гипотезе, являлось частью метеорита, должно было бы иметь большое отверстие в том самом месте, куда ударил искусственный сплав, а никаких подтверждений тому не было.
В-четвертых, гипотеза взрыва не могла объяснить, почему некоторые из наших зерен были обнаружены в нетронутой глине глубоко под землей, которая, по-видимому, оставалась непотревоженной в течение тысяч лет. Никакой взрыв динамита не мог отправить куски металла от лежащих поблизости инструментов на сотни метров вниз по течению и через такую толщу отложений на глиняном дне, тем более не оставив множество других очевидных повреждений вокруг.
В итоге эти и другие указанные нами недостатки в объяснении, предложенном российской командой, продемонстрировали, насколько сильны наши доводы в пользу естественного происхождения образцов и насколько сложно найти им сколько-нибудь правдоподобную альтернативу.
Наша команда больше обрадовалась бы, если бы российским ученым удалось найти новые образцы метеорита, ведь это принесло бы дополнительные научные данные. Но я всегда знал, что любой другой группе сложно будет повторить успех нашей экспедиции, поскольку никто не мог надеяться воспроизвести самую важную составляющую нашего успеха – членов нашей команды.
Другие ученые могли откопать и промыть столько же материала, сколько и мы, но у них ни за что не нашлось бы таких преданных и внимательных землекопов, как Уилл, или таких опытных и искусных шлиховальщиков, как Валерий. У них никак не могло быть такого квалифицированного эксперта по метеоритам, как Гленн. Они не могли надеяться повторить многолетний опыт Валерия, Марины и Вадима, работавших с природными рудами на Чукотке и в других регионах. Им бы просто не понадобилась собственная картографическая команда для изучения геологической истории местности, потому что Крис и Майк при поддержке Марины и Саши уже проделали всю эту тяжелую работу за них. И пожалуй, самое главное, они и близко не смогли бы найти никого с такими познаниями, талантом и беззаветной преданностью делу, как у Луки.
Я особенно горжусь тем фактом, что члены нашей команды поддерживают высокие научные стандарты и постоянно подвергают сомнению свои собственные выводы, чтобы не стать излишне самоуверенными или небрежными. Линкольн Холлистер служил в этом отношении примером для всех нас. По сравнению с другими исследователями и группами мы всегда были самыми жесткими критиками собственной работы. Мы снова и снова задаем себе вопросы и ставим свои выводы под сомнение, чтобы не упустить ни одной детали или теоретической возможности.
За прошедшие после экспедиции годы мы методично исключили все возможные объяснения того, как наши образцы могли бы быть порождены естественными земными силами или оказаться побочным продуктом промышленной или горнодобывающей деятельности. Но всегда оставалась кошмарная возможность, к которой мы возвращались снова и снова: не могли ли мы стать жертвами тщательно продуманного розыгрыша?
Измерения изотопов кислорода на масс-спектрометре NanoSIMS подтвердили, что силикаты произошли из углистого хондрита CV3, возникшего в эпоху зарождения Солнечной системы. Однако NanoSIMS нельзя было использовать для проверки металлических сплавов, потому что они не содержали кислорода.
Мог ли коварный мистификатор соединить настоящий метеоритный материал, похожий на Альенде, с синтетическими алюмомедными сплавами и подвергнуть смесь воздействию определенного сочетания высокого давления и температуры, чтобы в итоге получить образцы, подобные тем, которые мы добыли?
Первой проблемой, с которой мы столкнулись при изучении этого диковатого сценария, было все то же обстоятельство, что делало настолько несостоятельной российскую гипотезу о взрыве. Легкодоступных металлов с таким же составом алюминия и меди, который был обнаружен в наших образцах из Хатырки, не существует. Подобные сплавы попросту слишком хрупки, чтобы иметь какое-либо промышленное или коммерческое применение. Фальсификаторам пришлось бы самостоятельно синтезировать специфические комбинации металлов, начиная с чистого алюминия и меди. Причем провернуть все это пришлось бы до 1979 года, когда Валерий извлек первые образцы из Лиственитового. Проблема с этим конкретным сроком заключается, конечно, в том, что он на несколько лет предшествует тому моменту, когда мы с Довом Левином рассмотрели возможность существования квазикристаллов, и тому времени, когда они были обнаружены в лаборатории. Это означает, что ни у кого не могло быть никакой мотивации для создания металлических сплавов с таким своеобразным химическим составом. Но, даже если предположить, что фальсификатор все же изготовил их и смешал с настоящими метеоритными минералами, следует учесть, что ему пришлось бы поместить плоды своего коварного труда в темный ручей в далеких Корякских горах и захоронить их глубоко в толстом слое глины, не зная, сможет ли кто-нибудь когда-нибудь их обнаружить.
Хотя все это было до нелепости маловероятно, мы тем не менее устроили мозговой штурм, чтобы понять, сумеем ли мы придумать процесс создания зерен найденного нами типа без каких-либо явных признаков подделки. Как мы ни старались, никому из нас так и не удалось придумать хоть сколько-нибудь работоспособной схемы.
В итоге мы все же придумали собственную фантастическую гипотезу, которая пришлась бы по душе сценаристам сериала “Звездный путь”.
Представьте себе, что метеорит Хатырка возник в результате столкновения обычного углистого хондрита с космическим кораблем пришельцев. Тогда можно вообразить, что невиданное ранее сочетание алюминия и меди могло быть остатком того космического корабля. Эта версия всегда была у нас темой для шуток и выдумок, в частности потому, что по такой логике наш квазикристалл оказывался доказательством существования жизни на других планетах.
Разумеется, это была лишь шутка. Суть смехотворной теории с инопланетным звездолетом заключалась в том, что, как бы безумно это ни звучало, ее ложность доказать труднее, чем ложность любой из более правдоподобных версий, которые мы рассматривали – и все без исключения успешно опровергли.
Но если гипотеза с инопланетянами – лишь шутка, то какова же тогда настоящая разгадка тайны происхождения нашего природного квазикристалла: когда и как он образовался?
Глава 22Загадка природы
Менее чем через год после возвращения по домам с Чукотки наша команда уже располагала огромным количеством новых фактов. Мы за пределами разумных сомнений доказали, что природа создала квазикристаллы задолго до того, как люди изготовили их в лаборатории, и что образцы, обнаруженные нами на Чукотке, были не с нашей планеты. Это были гости из космоса.
На этом можно было остановиться, объявить победу и перейти к другим исследованиям. Но ни моя ДНК, ни ДНК Луки подобного не допускали. Наше любопытство было раззадорено как никогда, и мы были фанатично привержены выяснению того, откуда прилетел наш метеорит, когда он образовался и каким образом возник. Ответить на все эти вопросы было непросто. Единственным способом продвинуться вперед было испробовать все возможности. Одновременно.
Заглянуть под каждый камень. Эти слова стали моей мантрой с тех пор, как в давно забытом музейном образце был обнаружен первый природный квазикристалл. После нашей экспедиции такой всеохватный подход стал уместнее, чем когда-либо.
Отсмотреть каждую деталь природных образцов, привезенных с Чукотки. Разработать эксперименты, воспроизводящие экстремальные условия космического пространства, чтобы проверить наши теории с использованием искусственных сплавов. Найти новые способы поиска первичного вещества метеорита Хатырка. Собрать похожие метеориты и исследовать их на предмет содержания природных квазикристаллов или других якобы “запрещенных” сплавов металлического алюминия. И наконец, придумать, как заниматься всем этим одновременно, потому что никто не знает заранее, сколько займет работа над каждой из этих идей и какая из них окажется наиболее плодотворной, если таковая вообще будет.
В результате с 2012 года наше поле исследований сделалось необычайно разнообразным и стало включать в себя новые, порой рискованные эксперименты. Для помощи в наших поисках были привлечены новые группы ученых, каждая из которых обладала массой узкоспециализированных познаний. На этом пути нас поджидал ряд болезненных неудач. Но до сих пор меня до глубины души впечатляют замечательные идеи и достигнутый нами за такое короткое время невероятный прогресс.
Алюминиевые черви и минеральные лестницы
Мы начали с зерна № 125. Из всех зерен, привезенных нами с Лиственитового, в нем был самый длинный и отчетливый пример контакта кислородсодержащего силиката с хатыркитом, кристаллическим алюмомедным сплавом, наиболее часто встречающимся в наших образцах металлом. Изучение текстур вблизи места контакта казалось многообещающим подходом, чтобы попытаться понять те могущественные силы, которые породили это необычное сочетание минералов.
Один из первых членов нашей команды, Линкольн Холлистер, идеально подходил на роль руководителя исследования. Мы с Линкольном начали совместную работу в январе 2009 года, всего через несколько дней после открытия нами первого природного квазикристалла. Он был известен своей способностью собирать воедино историю горных пород, основываясь на их структуре и составе, а нам требовался как раз такой анализ. Официально Линкольн ушел на пенсию и покинул Принстон в тот самый месяц, когда началась наша экспедиция на Чукотку, но он настаивал на том, что не собирается выходить из этого проекта. Ему нравилось быть на острие новаторских исследований.
Первым новым членом нашей команды стал Чейни Лин, аспирант, приехавший в Принстон осенью 2011 года, чтобы изучать под моим руководством теоретическую физику. Как только он столкнулся с тайнами и загадками, окружающими природные квазикристаллы, они крепко его зацепили. Как и всех нас.
Чейни начал с летнего проекта по поиску новых образцов метеорита в тех десятках пакетов с материалом, что мы привезли с Чукотки. Лука уже завершил два полных прохода по сотням тысяч зерен, и пора было подключить к делу свежую пару глаз. Долгосрочная цель Чейни заключалась в том, чтобы стать физиком-теоретиком, а для этого нужно больше математики, чем микроскопии. Так что, прежде чем заниматься изучением каких-либо зерен и проверкой их химического состава, ему требовалось научиться пользоваться электронным микроскопом, а это весьма тонкое дело.
Под руководством Яо Наня, директора Принстонского центра визуализации и анализа, Чейни вскоре стал одним из лучших специалистов по электронной микроскопии на кампусе. У него хватало терпения и мастерства, чтобы извлекать точную и значимую информацию из наших крошечных образцов. К концу своей летней практики Чейни и еще один аспирант завершили третий проход по всему материалу. Они обнаружили еще два фрагмента метеорита, что стало для нас большим событием.
Чейни тогда решил продолжить участие в нашем исследовании параллельно со своей работой в области теоретической физики. Студентом он провел последние четыре года на восточном побережье в Нью-Йоркском университете. Но от родного ему Лос-Анджелеса в Чейни осталась столь характерная для калифорнийцев манера непринужденно держаться. Среди многих его положительных черт была способность воспринимать критику, не впадая в эмоции и не становясь в оборонительную позицию. Мои отзывы он всегда слушал с открытой улыбкой, а затем давал оригинальные и содержательные ответы. Я подумал, что он стал бы идеальным учеником для Линкольна, который пользовался на кампусе репутацией прекрасного, но требовательного наставника.
Когда я познакомил Чейни и Линкольна (см. фото ниже), они мгновенно нашли общий язык. Их сразу захватил детальнейший анализ всех составляющих зерна № 125, начиная с мест контакта силиката и хатыркита.
Вскоре Чейни совершил свой первый научный прорыв. Изучая зерно № 125 при помощи электронного микроскопа, он определил, что червеобразные нити в металлическом хатырките были почти чистым алюминием, чего прежде не встречалось ни в каком другом минерале. Обнаружение этого невозможного вещества вместе с невозможными сплавами металлического алюминия значительно увеличило загадочность метеорита Хатырка. Чейни предъявил нам с Линкольном доказательства наличия чистого алюминия в своей обычной сдержанной манере. Но по его улыбке до ушей было видно, что его переполняет гордость за это открытие.
Линкольн дал профессиональную интерпретацию полученному Чейни изображению, которое представлено вверху. Он отметил, что регулярная текстура из темных червеобразных алюминиевых нитей между каналами светлого хатыркита, содержащего одну часть меди на две части алюминия, – это верный признак того, что металлическое зерно каким-то образом полностью расплавилось, а затем быстро остыло.
По словам Линкольна, если исходный расплав содержал одну часть меди и чуть более двух частей чистого алюминия, то при его охлаждении и затвердевании естественным образом произошло бы разделение с образованием толстых полос хатыркита и тонких червеобразных нитей из излишков алюминия, что мы и наблюдали в зерне № 125.
Изучать с помощью электронного микроскопа силикатный материал – более темное вещество по другую сторону границы металл-силикат – было труднее. Когда Чейни и Линкольн впервые рассмотрели его под сканирующим электронным микроскопом и сделали химические пробы с помощью электронного микрозонда, они обнаружили необычный состав и текстуру, которые не смогли с ходу идентифицировать. Чейни под руководством Линкольна несколько недель бился над этой загадкой и применил множество творческих приемов. Но ничего не получалось.
В конце концов они решили, что проблема заключается в сильной изменчивости состава на крошечных расстояниях – всего в несколько межатомных дистанций. Микрозонд показывал лишь средний состав на гораздо большей площади, что приводило к размыванию мелкомасштабных вариаций. Нам нужно было найти другой экспериментальный подход, позволяющий обнаружить различия в составе, возникающие на очень малых расстояниях.
После консультации с Лукой Бинди и Яо Нанем мы разработали план использования специальной установки, известной как FIB (Focused Ion Beam), что означает “сфокусированный ионный пучок”. Нам предстояло провести рискованную хирургическую операцию, которую мы до тех пор не выполняли ни с каким другим зерном. FIB должен был отрезать и отделить ультратонкий срез загадочной области образца. Затем этот срез предстояло исследовать с помощью просвечивающего электронного микроскопа, который, в отличие от микрозонда, был достаточно мощным, чтобы измерять различия в составе на очень малых расстояниях.
На проведение нашей FIB-хирургии и выполнение необходимых измерений ушло целых шесть месяцев. Для подготовки образца понадобился опыт Яо Наня. Сначала он вместе со мной, Чейни и Линкольном внимательно рассмотрел крошечный образец. Затем исключительно аккуратно нанес на него чрезвычайно узкую полоску платины в строго определенном месте, где, по-видимому, состав обладал наибольшей вариативностью. Это место обозначено на предыдущем изображении пунктирной линией. Ширина нанесенной платиновой полоски составляла меньше сотой доли толщины человеческого волоса.
Затем образец был отправлен эксперту по FIB Джамилю Кларку в Hitachi High Technologies (Южная Каролина). Он сфокусировал интенсивный ионный пучок на образце и испарил материал, окружающий крошечную платиновую полоску Наня. Эта полоска имела достаточную толщину, чтобы отталкивать ионы, и поэтому материал, лежащий непосредственно под ней, гарантированно оставался нетронутым.
Пучок ионов создал вокруг платиновой полоски углубление. В нем осталась перегородка из метеоритного материала толщиной с паутинку, стоявшая в микроскопическом кратере подобно хрупкому крылу бабочки. С исключительной осторожностью Джамиль отделил этот тончайший фрагмент от остальной части образца и отправил все нам обратно.
Когда мы открыли упаковку, почти прозрачный срез был едва виден. Стоит чихнуть – и образец пропадет, подумал я. Как только мы изучили его под просвечивающим электронным микроскопом, стало сразу ясно, почему микрозонд никак не мог дать четкого представления о составе и текстуре образца. Вместо однородного слоя какого-то минерала перед нами предстал сложный мелкодисперсный хаос. И именно это направило нас к новой серии важных открытий.
Первоначально срез состоял из силикатного материала, который обычно содержится в матрице, окружающей хондры углистых хондритов. Но было одно существенное отличие. В данном случае изображение показывало, что силикатный материал расплавился, а затем быстро остыл. Похоже, история начинала складываться воедино, поскольку это соответствовало червеобразным алюминиевым нитям, найденным нами в другой части зерна, которые также указывали на расплавление и последующее быстрое остывание.
Поскольку охлаждение силиката произошло очень быстро, мелкодисперсный беспорядок, обнаруженный нами с помощью просвечивающего электронного микроскопа, оказался стоп-кадром древнего бурного процесса. Жидкость образовала реки и ручьи между остатками, которые не расплавились, и каждый поток быстро затвердевал, формируя структуры, похожие на лестницы (см. фото вверху).
Белые ступеньки этих лестниц состоят из стекловидного вещества – аморфного диоксида кремния. Но, что еще важнее, темные их ступеньки состоят из редкого минерала аренсита. Как и стишовит, который был обнаружен в другом нашем образце, аренсит образуется только при сверхвысоком давлении. По подсчетам Чейни и Линкольна, оно должно было как минимум в 50 000 раз превышать нормальное атмосферное давление на Земле. А температура должна была достигать не менее 1100 градусов Цельсия, чтобы расплавить и алюминий, и медь.
Продолжив изучение остальной части силиката в зерне № 125, за пределами среза FIB, мы обнаружили, что она состоит из минералов, образующих формы, напоминающие рыхлую матрицу того зерна, которое мы с Гленном анализировали вскоре после возвращения из экспедиции. Разница заключалась в том, что на этот раз зерна минерала матрицы были спрессованы в плотный комок, чего как раз и следовало ожидать в случае, если он подвергся высокоскоростному удару другого астероида в космосе. Ударная волна, вызванная столкновением, могла сжать и уплотнить рыхлое вещество матрицы в те формы, которые мы видели под микроскопом. И столкновение расплавило бы матрицу в определенных местах, где температура и давление были особенно высокими. Открытие лестниц из аренсита и кремния, а также анализ смятой матрицы давали нам прямое количественное доказательство того, что метеорит Хатырка подвергся одному из самых мощных ударов, следы которых когда-либо обнаруживались в углистых хондритах CV3.
Все, что мы узнали на тот момент, подтверждало уникальность метеорита Хатырка. Мы с Лукой чувствовали мощнейший прилив сил и готовность взяться за следующие открытые вопросы.
Были ли природные квазикристаллы частью метеорита Хатырка, когда он начал формироваться в зарождающейся протосолнечной туманности 4,5 миллиарда лет назад? Или они образовались позже в результате столкновения?
Линкольн поддерживал вторую теорию, согласно которой природные квазикристаллы образовались после сильного удара. Он считал более вероятным, что алюминий и медь первоначально были химически связаны с более типичными для хондритовых метеоритов минералами. Он предполагал, что некоторые из этих минералов расплавились под действием высокой температуры и давления при столкновении, высвободив свои атомы для образования как квазикристалла, так и двух “невозможных” кристаллических алюмомедных сплавов хатыркита и купалита, обнаруженных в образце.
С другой стороны, Гленн Макферсон склонялся к тому, что квазикристаллы и сплавы алюминия и меди существовали с самого начала. Он считал более вероятным, что чистые алюминий и медь конденсировались непосредственно из газа протосолнечной туманности на самых ранних стадиях развития Солнечной системы и были частью метеорита Хатырка на протяжении всего его существования.
Поначалу было непонятно, как сделать выбор между этими двумя теориями. Нам с Лукой нужно было придумать какой-то новый эксперимент. Но какой? – недоумевали мы.
Затерянные в космосе
Мой принцип заглядывать под каждый камень иногда приводил к проблемам.
Пока Чейни и Линкольн продолжали делать находки в зерне № 125, мы с Лукой размышляли над новыми способами изучения наших образцов. Нам отчаянно хотелось придумать новые неразрушающие тесты. Образцы из экспедиции были очень ограниченным ресурсом, и мы старались сохранить как можно больше материала для новых этапов исследования.
Проблемы стал создавать процесс подготовки наших образцов для электронного микроскопа. Образец сначала нужно было закрепить в специальном держателе, залив его горячей эпоксидной смолой, затем дать ему остыть и, наконец, разрезать заключенный в оболочку материал, чтобы открыть гладкую поверхность, которую можно было бы изучать.
Затвердевшая эпоксидная смола помогала сохранить образец в целости во время разрезания, но именно с нашими материалами при этом возникала специфическая проблема. Тепло эпоксидной смолы имело тенденцию повреждать контакт между металлом и силикатами. Наши образцы были особенно уязвимы из-за разницы в скорости теплового расширения алюмомедных сплавов и силикатов. Поскольку мы как раз изучали места контакта между этими материалами, нам надо было, насколько возможно, предохранить их от возмущений.
Многообещающей альтернативой была рентгеновская томография – по сути, КТ для минералов. Она позволяет идентифицировать минералы внутри образца и построить чрезвычайно полезную трехмерную реконструкцию. Этот метод уже хорошо зарекомендовал себя в медицинской диагностике, но все еще оставался относительно новым в изучении минералов. Он не мог и приблизиться к тому высокому разрешению, которого мы достигли в эксперименте на установке FIB, и даже уступал по точности уже использованным нами электронным микрозондам. Но у него было одно главное преимущество: для него не требовалось ни разрушительной горячей эпоксидной смолы, ни процедуры нарезки.
Мы с Лукой читали об этой новой технологии и решили выполнить пробный эксперимент. Лука смог получить доступ к аппарату с низким разрешением. Поэтому он протестировал часть образца, не покрытого эпоксидной смолой. Результаты выглядели многообещающе, и я договорился о проведении более точных сканирований в Центре рентгеновской компьютерной томографии высокого разрешения при Техасском университете, где аппараты были из числа лучших в мире. От меня требовалось лишь предоставить лаборатории чистые образцы, которые не покрывались эпоксидной смолой.
К тому времени совершенно нетронутыми оставались только два образца, с которыми Лука работал во Флоренции. Так что именно их предстояло отправить в Техас. Лука тщательно упаковал два зерна – № 124 и № 126, – используя те же методы, которые применял для отправки мне образцов в течение пяти предыдущих лет. Как обычно, он сам отнес набитую мягким наполнителем коробку в офис Air Express во Флоренции и отправил ее мне в Принстон.
И все. Это был последний раз, когда мы ее видели. Компания Air Express потеряла всякий след наших бесценных крошечных зернышек.
Я был в ужасе. В абсолютном, неподдельном ужасе. Наша экспедиционная команда совершила почти невозможное: преодолела тысячи километров до самого восточного края России, пересекла тундру, форсировала бурную реку Хатырку, избежала встречи с огромными камчатскими бурыми медведями, сражалась с безжалостными комарами, выкопала тонны почти замерзшей глины в ледяной воде голыми руками, пробилась сквозь шторм обратно к цивилизации, вывезла наш просеянный материал из России, кропотливо отсмотрела миллионы зерен – и все это только ради того, чтобы какой-то безымянный некомпетентный работник потерял две из наших самых ценных находок?
Следующие несколько месяцев я как одержимый проверял свой почтовый ящик, пока Лука проедал плешь представителям Air Express.
Покинула ли посылка Италию? Она что, застряла на таможне? В зоне выдачи багажа? Оказалась закопана в глубине кузова грузовика доставки? А как насчет компьютерной системы отслеживания?
Со все растущим отчаянием Лука пытался добиться помощи от курьерской компании, объясняя, как чрезвычайно редки эти зерна, как трудно их было достать и насколько они важны для научных исследований и нашего понимания фундаментальной природы материи.
С течением времени Лука впадал во все большее возбуждение. Но итальянский офис Air Express просто игнорировал инцидент. Им так и не удалось выяснить, что случилось с нашей посылкой. Хуже всего то, что персонал не проявлял ни малейшего желания помочь.
Годом ранее я усомнился в разумности использования экспресс-почты, когда Гленн с ее помощью отправил мне несколько редких образцов из Смитсоновского института. Но он лишь рассмеялся и сказал мне, что все геологи пользуются той или иной экспресс-почтой, даже когда имеют дело с самыми ценными минералами. Такой же ответ я получил от Джона Эйлера из Калтеха. Все убеждали меня, что я параноик.
Затем случилась катастрофа с Air Express. И теперь уже никто не смеялся.
С того момента я отказался доверять наши образцы метеорита Хатырка какой-либо службе доставки. Ничего подобного больше никогда не будет отправлено экспресс-почтой, даже международные посылки Луке в Италию. Я настоял на том, чтобы все доставлялось лично, если не мной, то студентом или коллегой, который ехал в Италию, Калифорнию, Вашингтон, Принстон или возвращался оттуда.
К сожалению, утерянные образцы были также последними из тех, что не покрывались эпоксидной смолой, поэтому мы так и не смогли провести рентгеновскую томографию – эксперимент с получением трехмерного изображения, который мог бы открыть совершенно новое измерение в нашем исследовании. Это было и остается для нас огромным разочарованием. Но мы все еще рассматриваем возможность использования этой техники для анализа других метеоритов в поисках металлических алюминиевых сплавов и квазикристаллов.
Квазикристаллы под давлением
Нам пришлось смириться с тем фактом, что два – ДВА! – наших самых ценных образца были потеряны. Мы старались двигаться дальше как могли и сосредоточили свое внимание на поиске новых способов определения того, как образовались метеорит Хатырка и его природные квазикристаллы.
Данные по зерну № 125 наряду с результатами более ранних исследований показали, что метеорит Хатырка испытал высокоскоростное столкновение в космосе – удар, который создал сверхвысокое давление. Отсюда вытекал важный вопрос: можно ли ожидать, что скрытый внутри метеороида квазикристалл, а именно икосаэдрит, выдержит экстремальное давление, более чем в 50 000 раз превышающее атмосферное давление на поверхности Земли?
Если нет, то икосаэдрит никак не мог быть частью Хатырки с момента зарождения Солнечной системы, как считал Гленн, поскольку не выдержал бы высокоскоростного столкновения, который метеороид позднее испытал, путешествуя в космосе. В таком случае мы бы знали, что икосаэдрит образовался уже после испытанного Хатыркой последнего сильного удара, когда давление было намного ниже, как полагал Линкольн.
Этот вопрос оказался в центре нашего исследования. Стабильность квазикристаллов и межатомные силы, удерживающие их атомы вместе, – это ключевые вопросы в физике конденсированных сред и материаловедения. Проверки на устойчивость уже проводились, но либо при более низких давлениях, либо при более низких температурах. При сочетании высоких давлений и температур, характерных для Хатырки, таких исследований никто еще не проводил. Однако много лет назад мы с Довом Левином и Джошем Соколаром сконструировали картонные и пластиковые модели, показывавшие возможность существования межатомных сил, обеспечивающих устойчивость в таких экстремальных условиях.
На этот раз не было необходимости подвергать риску какие-либо из наших образцов. Испытания можно было провести с искусственными квазикристаллами икосаэдрита. Нынешняя доступность синтетических квазикристаллов напоминала о том, как долго я был заворожен этим материалом. Удивительно было сознавать, что теперь искусственные квазикристаллы стали чем-то обыденным, что можно недорого заказать в химической компании.
Организовать эксперимент по проверке устойчивости при высоком давлении и высокой температуре было гораздо более трудной задачей. Очень немногие лаборатории способны выполнять такие сложные испытания с приемлемой точностью. Лука нашел Винченцо Стагно и его коллег Хо-Кванг Мао и Фэй Инвэя в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия.
Для установки требовалось три компонента: крошечная “наковальня” – ячейка из карбида вольфрама размером менее дюйма для создания давления, ускоритель элементарных частиц с длиной окружности около пяти километров, способный разгонять электроны до скорости 99,9999998 % скорости света и направлять их по кругу, заставляя испускать рентгеновские лучи высокой интенсивности, а также сложные магниты и детекторы, позволяющие очень точно направлять эти лучи на материал в ячейке и фиксировать получаемую рентгеновскую дифракционную картину.
Подобные ускорители и детекторы есть только в пяти местах в мире. Институт Карнеги имеет в своем распоряжении канал с рентгеновским излучением высокой интенсивности в Аргоннской национальной лаборатории близ Чикаго, где и были выполнены пробные эксперименты. Окончательные измерения были проведены на аналогичной установке под названием SPring-8 (Super Photon ring-8 ГэВ) в префектуре Хёго примерно в четырехстах километрах к юго-западу от Токио.
Наш план заключался в том, чтобы окружить синтетические образцы икосаэдрита, квазикристалла того же типа, который мы обнаружили в Хатырке, графитовым нагревательным устройством и поместить его в ячейку-“наковальню” из карбида вольфрама, стенки которой можно сжимать с помощью пресса и таким образом сдавливать все, что находится между ними. Рентгеновские лучи, испускаемые электронным пучком, направлялись бы на квазикристалл, и по мере постепенного роста давления и температуры можно было бы непрерывно отслеживать любые изменения в дифракционной картине. На планирование и проведение этого изящного эксперимента потребовалось полтора года, но результаты того стоили.
Выводы были убедительными и бесспорными. Икосаэдрит не трансформировался даже в экстремальных условиях – при давлении и температуре, которые метеорит Хатырка испытал во время высокоскоростного удара.
Это означало, что в принципе икосаэдрит мог быть частью Хатырки с момента образования более 4,5 миллиарда лет назад, как предполагал Гленн, и впоследствии выдержал все столкновения, которые метеороид пережил в космосе. Но даже если так, этих результатов было недостаточно, чтобы доказать правильность теории Гленна. Альтернативное объяснение Линкольна все еще оставалось возможным. Вполне можно было предположить, что кристаллические сплавы металлов и икосаэдрит образовались в результате сильного столкновения в космосе. Икосаэдрит все еще мог оказаться прямым результатом такого удара.
Благородные газы
Мы знали, что некоторые части метеорита Хатырка образовались 4,5 миллиарда лет назад и что через какое-то время после этого в космосе произошло высокоскоростное столкновение между Хатыркой и другим объектом. Но когда именно?
Чтобы разобраться в этом вопросе, нам понадобилось провести еще один чрезвычайно сложный эксперимент с участием другой группы высококвалифицированных специалистов. Лука отправился в Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе и передал крошечные кусочки силиката из метеорита Хатырка Хеннеру Бизмэну, Маттиасу Мейеру и Райнеру Уилеру (на фото справа). Уилер специально создавал свою лабораторию для измерения содержания в метеоритах редких изотопов гелия и неона. Бо́льшую часть экспериментов провели его ученики Маттиас и Хеннер. Маттиас был особенно увлечен проектом и вызвался руководить измерениями.
Гелий и неон известны как благородные газы. Это два из шести элементов в крайнем правом столбце таблицы Менделеева. У них нет ни запаха, ни цвета и очень низкая химическая активность.
Путешествуя в космосе, метеороиды бомбардируются космическими лучами – энергичными субатомными частицами, движущимися почти со скоростью света. Соударяясь с атомными ядрами в породе, частицы космических лучей порождают изотопы гелия и неона, отличающиеся числом нейтронов от ядер гелия и неона, которые обычно встречаются на Земле. Измерив процент атипичных ядер, можно определить, как долго метеороид подвергался в межпланетном пространстве воздействию космических лучей.
При сильном столкновении в космосе накопленные в Хатырке гелий и неон должны были потеряться из-за повышения давления и температуры при ударе. Если затем метеороид продолжил свое путешествие, то бомбардировка космическими лучами снова стала наполнять его атипичными изотопами гелия и неона. Этот процесс шел до тех пор, пока метеороид оставался в космосе. Но с того момента, как он достиг своего конечного пункта назначения и упал на Землю, наша атмосфера начала защищать его от любых дальнейших бомбардировок.
Маттиасу предстояло начать с разрушения образца для извлечения изотопов. Сложность эксперимента заключалась в том, что ему нужно было поймать и изолировать каждый выделившийся при этом атом гелия или неона. Затем следовало измерить концентрацию этих изотопов.
Когда я посетил швейцарскую лабораторию, передо мной предстало сложное оборудование с лабиринтом переплетающихся шлангов и трубок, похожее на кошмарный сон сантехника. Когда образец испаряли, оборудование улавливало образовавшийся газ и направляло его извилистым путем, спроектированным как раз так, чтобы гарантировать – только гелий и неон доберутся до конца лабиринта. “Выжившие” частицы подсчитывались и классифицировались детектором на дальнем конце системы труб.
На настройку оборудования, выполнение процедуры и анализ результатов столь тонкого эксперимента ушло несколько лет. Это был тщательно просчитанный риск, поскольку для извлечения изотопов требовалось уничтожить образец. К счастью, риск полностью окупился. Цюрихский анализ дал важную информацию об истории метеорита Хатырка, которую мы никогда бы не смогли получить другим способом и которая помогла нам составить хронологию его космического путешествия.
Анализы, проведенные на калтеховском масс-спектрометре NanoSIMS, уже показали, что некоторые минералы в Хатырке датируются временем рождения Солнечной системы – около 4,5 миллиарда лет назад.
Затем, где-то в интервале между миллиардом и несколькими сотнями миллионов лет назад, Хатырка, согласно результатам цюрихского изотопного теста, был частью большого материнского астероида, который испытал сильнейшее столкновение. Удар был таким сильным, что привел к выбросу всех изотопов гелия и неона, наработанных к тому времени космическими лучами. Могли происходить и более ранние серьезные столкновения, но конкретно это было последним.
Впервые мы смогли хотя бы примерно датировать столкновение, которое, вероятно, привело к образованию стишовита и лестниц из аренсита и кремния, найденных нами в образцах.
Результаты также показали, что фрагменты Хатырки были частью куска метрового размера, отколовшегося от своего родительского астероида в какой-то момент между четырьмя и двумя миллионами лет назад. Некое событие, возможно, легкое столкновение с другим астероидом, обращающимся вокруг Солнца, заставило этот кусок отделиться и начать свой долгий извилистый путь к Земле. Основываясь на более ранней оценке Криса Андроникоса и углеродном датировании, мы знали, что этот фрагмент вошел в атмосферу Земли около семи тысяч лет назад.
Полученная информация была поистине ошеломляющей. Результаты доказывали, что столкновение метеорита с Землей не могло быть причиной образования стишовита и аренсита. Тот удар попросту не был достаточно сильным. В противном случае в нашем образце не было бы обнаружено никаких редких изотопов гелия или неона.
Эти результаты служили независимым подтверждением нашей гипотезы. Если столкновение с Землей было слишком слабым, чтобы избавиться от изотопов гелия и неона, и, следовательно, недостаточно сильным, чтобы создать стишовит и аренсит, обнаруженные в нашем образце, то его было недостаточно и для того, чтобы создать алюминиевые сплавы, которые мы нашли в зерне № 125. Единственное остававшееся логическое объяснение заключалось в том, что металлические сплавы уже были частью Хатырки до попадания в атмосферу Земли. Они образовались в космосе и в какой-то момент в ранний период путешествия Хатырки по Солнечной системе подверглись плавлению.
Это был один из тех случаев, которые в полной мере оправдывали принцип “заглядывать под каждый камень”. Когда мы с Лукой впервые задумались о проведении таких сложных экспериментов с изотопами благородных газов, нас тревожила необходимость пожертвовать кусочками наших редких образцов ради рискованного теста, который может ничего не дать. Но, придерживаясь нашей философии, мы пошли вперед, несмотря на скромные шансы на успех, и были вознаграждены более подробной информацией об истории Хатырки, чем мы могли себе представить.
Тезка
Я уже был глубоко впечатлен всем тем, что мы узнали о Хатырке, но затем последовала новая серия чудес от нашего L’Uomo dei Miracoli, Луки Бинди.
К тому времени мы отказались от борьбы с Air Express и смирились с безвозвратной потерей зерен № 124 и № 126. Но у Луки был от меня один секрет. Небольшие кусочки зерна № 126, каждый толщиной с ноготь, откололись, когда он упаковывал образцы для отправки. Основная часть этого зерна сгинула стараниями Air Express. Но Лука собрал маленькие крошки и хранил их в пробирке у себя в лаборатории.
Когда у него наконец появилась возможность заняться оставшимися крошками, Лука обнаружил кое-что необычное. В большинстве других зерен содержались металлические минералы алюминия и меди, но в зерне № 126 присутствовали также металлические минералы, содержащие алюминий и никель. Вскоре Лука обнаружил кристаллический минерал, содержащий примерно равные доли алюминия, никеля и железа. Такого раньше никогда в природе не встречали.
Как и в случае со всеми остальными нашими новооткрытыми минералами, Лука тщательно подготовил заявку в Международную минералогическую ассоциацию. Однако на сей раз он предпочел скрыть все от меня. Он сам решил назвать новый минерал “стейнхардтитом” – в мою честь. Он проконсультировался с другими участниками экспедиции, которые тайно это одобрили и согласились стать соавторами заявки. Даже мой сын Уилл, тоже присоединившийся к заговору, не рассказал мне о происходящем. Лука подал документы в Международную минералогическую ассоциацию, и вскоре стейнхардтит получил официальное признание.
Я был глубоко тронут, когда Лука рассказал мне об этом. Подобные события случаются редко, и это большая честь, особенно для физика-теоретика. Для меня было невероятно ценно то, что все это было организовано моими товарищами по команде. Благодаря им я навсегда минерализовался.
Количество доступного сегодня природного стейнхардтита микроскопическое. Голотип, которым стало закрепленное на нити крошечное зерно (на снимке выше), теперь находится на постоянном хранении у Луки во флорентийском Музее естественной истории. Похожий образец лежит в бесценной шкатулке на моем столе в Принстоне.
Второй квазикристалл
Однако L’Uomo dei Miracoli на этом не остановился. Пытаясь извлечь побольше стейнхардтита из микроскопических осколков зерна № 126, Лука обнаружил кое-что получше – вторую разновидность природных квазикристаллов. Тот, кто незнаком с предысторией, несомненно, сказал бы, что найти два разных типа природных квазикристаллов в одном образце невозможно. Но к тому времени мы уже привыкли, что практически все наши достижения были из разряда невозможных.
Второй природный квазикристалл отличался от первого – икосаэдрита – как геометрически, так и химически. В химическом плане он представлял собой смесь металлического алюминия, никеля и железа, похожую на стейнхардтит, но с другим процентным содержанием трех элементов.
Но что было в новом квазикристалле совершенно потрясающим, так это его симметрия. Мы знали, что, подобно обычным кристаллам, природные квазикристаллы также, по крайней мере в теории, могут иметь разную симметрию. Но никто из нас даже не надеялся обнаружить все в том же метеорите природный квазикристалл с другой симметрией. Хатырка оказался подлинным чудом.
У первого в истории природного квазикристалла, открытого несколькими годами ранее, икосаэдрита, имеется шесть различных направлений, вдоль которых можно наблюдать знаменитую запрещенную симметрию пятого порядка. А вот второй природный квазикристалл имел только одно такое направление. И тут была запрещенная симметрия десятого порядка.
Как показано ниже на верхнем снимке, структура заполнена маленькими десятиугольными кольцами атомов. Дифракционная картина, представленная на нижнем левом снимке, подтверждает симметрию десятого порядка вдоль одного направления. Но по другим направлениям наблюдается периодичность, как в обычном кристалле, о чем свидетельствуют расположенные на равных расстояниях ряды дифракционных пятен на нижнем правом снимке.
Обнаружение квазикристалла совершенно нового типа намного превосходило все, что мы с Лукой смели вообразить. Связавшись по “Скайпу”, мы радовались этой несказанной удаче.
И снова Лука представил доказательства в Международную минералогическую ассоциацию в заявке об открытии нового минерала. Там быстро проголосовали за и приняли предложенное нами название декагонит.
Декагонит был новым природным минералом, однако специалисты по квазикристаллам уже знали этот материал. Квазикристалл с такими же составом и симметрией синтезировал Ан-Пан Цай с коллегами в 1989 году, через два года после того, как был создан первый в мире безупречный образец синтетического квазикристалла.
Никто не ожидал найти этот десятиугольный квазикристалл в природе. Но это достижение Луки стало возможным благодаря крошечному обломку давно утраченного зерна № 126. Представьте только, что мог бы обнаружить мой блестящий коллега, если бы в Air Express не поступили так небрежно с остальной частью образца.
Удивительное зерно № 126а
Верится с трудом, но Луке удалось выжать третье открытие из остатков зерна № 126. Один из его срезов оказался настолько важным, что заслужил собственное обозначение. Мы назвали его зерном № 126А, и в нем содержалась масса новых данных о метеорите Хатырка.
С самого начала нашего исследования мы искали образец, в котором металлический алюминий находился бы в непосредственном контакте и химически реагировал бы с силикатами, обычно обнаруживаемыми в углистых хондритах. Лучшим примером, найденным к тому времени, было зерно № 125, которое изучали Чейни и Линкольн. К сожалению, контакты минеральных зерен в нем были нарушены в процессе эпоксидной фиксации.
Неожиданный сюрприз поджидал нас в зерне № 126A, которое изображено на снимке вверху.
На первый взгляд кажется, что это еще один пример “собачьего завтрака”, как Гленн когда-то насмешливо окрестил невнятные изображения, восстановленные со сломанного жесткого диска Луки.
Это изображение тоже выглядит беспорядочным. Но на микроскопическом уровне оно содержит невероятно информативные детали. Исследование этого маленького кусочка “собачьего завтрака” заняло у нашей команды – Чейни, Линкольна, Луки и меня – более двух лет. По ключевым вопросам мы обращались за советом к коллегам по нашей экспедиции – Крису Андроникосу и Гленну Макферсону. Под конец мы даже привлекли в команду еще более узкоспециализированных экспертов из Калтеха.
В образце сразу обнаруживается множество примеров металлических минералов, представленных белесым и светло-серым материалом. Силикатные и оксидные минералы выглядят темно-серыми. Но самое важное: на этом изображении видно, что эти два типа материала химически реагировали друг с другом.
Лучший пример этого продемонстрирован на увеличенном снимке небольшого фрагмента “собачьего завтрака”, который я называю “индейкой” (см. фото вверху). Голова и клюв птицы находятся в верхнем левом квадранте, а пухлое круглое тело индейки – посередине.
“Индейка” – это область, где металл и силикат расплавились и вступили в реакцию друг с другом из-за удара, вероятно, того самого сильного столкновения, которое, по данным цюрихского изотопного теста, произошло сотни миллионов лет назад. По всей границе между металлом и силикатом есть тонкий слой, полный загадочных круглых бусинок, которые оказались почти чистым железом. Здесь присутствует также изящная композиция неметаллических кристаллов шпинели – оксидов, содержащих алюминий и магний.
То был первый пример подобной конфигурации минералов, обнаруженный нами в образцах Хатырки. Шпинель и шарики железа были продуктами быстрой химической реакции с выделением тепла, которая происходила, когда алюминий в окружающем металле вступал в контакт с кислородом, магнием и железом, содержащимися в силикате. Атомы алюминия соединились с магнием и кислородом в силикате, образовав шпинель; железо, высвободившееся из силиката, сконденсировалось и образовало шарики.
Но что вызвало эту химическую реакцию? И как достичь в этом вопросе уверенности?
“Индейки” и пушки
Я решил, что надо попробовать найти ответы экспериментальным путем. Железные бусинки встречались в образцах с Луны, которые подвергались ударам на ее поверхности. Поэтому я подумал: не могут ли столкновения в открытом космосе быть причиной появления железных бусинок в Хатырке, несмотря на кардинальное отличие от лунного грунта по химическому составу?
В надежде найти способ проверить свою идею, я в течение нескольких следующих месяцев беседовал с различными экспертами, писавшими о железных бусинках, обнаруженных в лунных образцах. Они, в свою очередь, подсказывали мне других экспертов, которые отправляли меня к третьим, – обычный случай трудоемкого и времязатратного поиска информации, характерного для всего нашего исследования.
Как-то в разговоре с профессором инженерии из Калтеха прозвучало знакомое мне имя. Он сказал, что его коллега, геофизик по имени Пол Азимов, когда-то изучал образование железных бусинок в результате высокоскоростных ударов. В яблочко!
Мой младший сын Уилл изучал геофизику в Калтехе. Во время учебы он познакомил меня с Полом, профессором, которым он всегда восхищался. Пол был худощав, жилист и полон энергии. А еще он был блестящим ученым, творческим и очень любопытным. Как только у него появилась идея для эксперимента, он молниеносно начал действовать.
Пол (на фото ниже) имел доступ к исследовательской лаборатории Калтеха с редкой установкой – специализированной лабораторной пушкой. В длину она около пяти метров и работает почти как обычная пушка 20-миллиметрового калибра. С задней стороны, которую называют казенной частью, она заряжается порохом и снарядом двухмиллиметровой толщины из редкого твердого металла тантала. На другом конце пушки располагается особым образом сконструированная мишень, которая состоит из стопки синтетических или натуральных материалов, помещенных в контейнер из нержавеющей стали диаметром около трех дюймов со стенками такой же толщины. Конкретные материалы, используемые в стопке, напрямую зависят от проводимого эксперимента. Контейнер со стопкой материалов крепится нейлоновыми винтами к дальнему концу пушки, а вся конструкция мишени заключена в большую прямоугольную коробку-ловушку.
Когда пушка стреляет, снаряд летит примерно втрое быстрее звука и порождает ударную волну, которая проходит через стопку в мишени и длится меньше миллионной доли секунды. На ее пике ударное давление достигает величины, которое вещество Хатырки испытывало в космосе. Сила удара разрывает нейлоновые винты, и стальная камера летит в прямоугольную коробку-ловушку в задней части установки, откуда ее потом извлекают и разбирают для изучения.
К моему первому электронному письму Полу было приложено изображение, демонстрирующее лишь небольшую часть наших железных бусинок в “индейке”, и я спрашивал, видел ли он когда-нибудь что-то подобное. Он тут же заинтересованно ответил, поскольку раньше использовал пушку для изучения образования железных шариков в стопках из различных синтетических металлов[23]. А тут был природный пример того явления, которое он изучал. Его это сразу заворожило.
Вскоре мы стали обсуждать, как провести эксперимент, собрав стопку из материалов, которые, возможно, были частью Хатырки до того, как произошел высокоскоростной удар, подтвержденный цюрихским изотопным тестом. Мы надеялись, что сможем воспроизвести процесс формирования железных бусинок, ударив по стопке танталовым снарядом из пушки.
О том, чтобы попробовать провести эксперимент с пушкой, я задумывался еще несколькими годами ранее. Но в то время было непонятно, какие материалы следует поместить в стопку. К моменту обнаружения железных бусинок в зерне № 126A мы уже гораздо больше знали о составе Хатырки. На основе этой информации Пол разработал эксперимент, в котором в мишень помещался набор слоев, изображенный вверху. Первым слоем шел оливин, типичный метеоритный силикат, за ним следовал синтетический медно-алюминиевый сплав, а затем природный железоникелевый сплав из метеорита Каньон Дьявола, покрытый синтетической алюминиевой бронзой[24]. Все это следовало в плотно сжатом виде поместить в контейнер из нержавеющей стали.
Выстрел был произведен, и на этом столкновительная часть эксперимента сразу закончилась. Но после извлечения материала из коробки-ловушки мы потратили еще много месяцев на его тщательный анализ, разбираясь, что в нем произошло. Мы надеялись доказать, что при ударе могут образоваться железные бусинки, найденные нами в зерне № 126A. Но это оказалось наименее значительным из наших открытий.
Пока вызванная столкновением ударная волна распространялась по заключенной в контейнер стопке, в той произошла серия реакций. Невероятно, но там обнаружилась крошечная область силиката, окруженная металлом с железными бусинками по границе, очень похожая на “индейку” в зерне № 126A. Это было доказательством того, что найденные в Хатырке железные бусинки могли образоваться в результате удара. Миссия выполнена.
Однако эксперимент выявил и нечто куда более невероятное. В результате удара возникли зерна икосаэдрического квазикристалла с подобным, но не идентичным икосаэдриту составом. Такого никто не ожидал.
За тридцать с лишним лет, прошедших с открытия квазикристаллов, в лабораториях по всему миру их были созданы сотни тысяч, а возможно, даже миллионы. Квазикристаллы известны своей твердостью и устойчивостью, но всегда считалось, что их нужно создавать с большой аккуратностью и в очень строго контролируемых условиях. Энергичное столкновение набора минералов при пушечном выстреле было совсем не похоже на химически чистые условия с низким давлением, в которых обычно производятся синтетические квазикристаллы.
Это был еще один поразительный прорыв в нашем исследовании. Неожиданный успех вдохновил нас на серию экспериментов по ударному синтезу с использованием пушки Пола. Один из экспериментов был поставлен, чтобы понять, сможем ли мы получить декагонит – второй природный квазикристалл, обнаруженный в наших образцах. Для этого мы изменили минеральный состав в стопке, включив в него никель – ингредиент декагонита.
Этот опыт также оказался удачным. В результате удара возникла серия похожих на цветы композиций, вроде показанной вверху. Сероватые лепестки – это декагональные квазикристаллы. Самым поразительным было яркое белое вещество, образовавшееся в сердцевине цветков. Как ни странно, оно имеет тот же состав, что и стейнхардтит.
Ударные эксперименты стали теперь настолько успешными, что начали жить собственной жизнью. Иногда в них возникали квазикристаллы и другие кристаллы с таким составом, какой никогда ранее не встречался ни в природе, ни в лаборатории.
Этот результат вдохновил нас с Полом Азимовым на то, чтобы рассмотреть возможность использования пушки для столкновения множества других комбинаций элементов, что обещает стать оригинальным и захватывающим способом поиска новых материалов. Возможно, мы сумеем найти примеры квазикристаллов с особенно полезными сочетаниями физических свойств, таких как прочность и электропроводность. Или нам удастся обнаружить материалы с другим типом упорядоченного расположения атомов, о котором мы раньше даже не подозревали.
Самый удивительный квазикристалл из всех
Железные бусинки были лишь одним из нескольких сюрпризов, обнаруженных нами в зерне № 126A. Тщательно определив тип каждого минерала и учтя, какие материалы к ним прилегают, мы могли заняться детальной реконструкцией ужасного столкновения, которое Хатырка испытал сотни миллионов лет назад.
В частности, мы сосредоточились на вопросе о том, образовались ли икосаэдрит и другие алюмомедные минералы во время удара или же существовали и раньше. Несмотря на все наши проверки, ни одна из этих возможностей еще не была исключена.
Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно было определить, есть ли хоть немного икосаэдрита в зерне № 126A. Чейни потратил недели на отсмотр содержащихся в образце металлических островков сложной формы. Почти все металлические минералы, которые он обнаружил, были либо кристаллическим хатыркитом, либо другими богатыми алюминием фазами. Он так и не смог найти икосаэдрит. Но мы не собирались сдаваться.
В качестве последней меры мы отправили Чейни в Пасадену для работы с минералогом Чи Ма, имевшим доступ к электронному микроскопу с еще более высоким разрешением, чем у того, с которым работал Чейни. Вскоре Чи нашел крошечное металлическое пятнышко – слишком маленькое, чтобы Чейни мог его разглядеть. И, что невероятно, в этом пятнышке обнаружилась весьма примечательная комбинация металлических сплавов, находящихся в контакте с икосаэдритом.
Теперь мы наконец-то могли сообщить, что в одном и том же зерне материала обнаружены как образцы икосаэдрита, так и свидетельства химических реакций между металлом и силикатом. Я был взволнован, поскольку знал, что этот факт надежно закрепил наше научное открытие. Больше не могло быть сомнений в том, что силикат и металл сосуществовали в космосе и испытывали воздействие одних и тех же физических условий. Тем самым у нас появилось еще одно, на этот раз прямое, доказательство того, что наши квазикристаллы были рождены в космосе.
Новый раунд открытий включал также три новых кристаллических минерала, состоящих из различных комбинаций алюминия, меди и железа, которые ранее никогда не наблюдались в природе. Все три теперь официально признаны Международной минералогической ассоциацией. Три новых минерала назвали “холлистеритом” – в честь моего коллеги из Принстона Линкольна Холлистера, “крячкоитом” – в честь нашего российского коллеги Валерия Крячко и “столперитом” – в честь бывшего ректора Калтеха Эда Столпера, который давал мне ценные идеи и поддержал в начальный период нашего исследования. Эд также открыл мне дорогу к работе с несколькими выдающимися учеными из отдела геофизики Калтеха.
Самый замечательный из всех новых минералов, обнаруженных на сегодняшний день в зерне № 126A, имеет рабочее обозначение i-phase II (предлагаемое нами официальное название – “квинтессеит”). Он указан стрелками на снимке справа. Из него состоят маленькие эллипсоидальные образования, которые расположены как лепестки на цветке и окружены сложной конфигурацией других минералов. Один из фрагментов зерна № 126А показался мне похожим на индейку. Этот же был похож на лающую собаку. Ее голова с открытой пастью находится вверху посередине и обращена вправо.
Минерал i-phase II оказался совершенно неожиданным третьим типом природного квазикристалла, обнаруженным в образцах метеорита Хатырка.
Рабочее название i-phase II означает, что это вторая икосаэдрическая квазикристаллическая фаза вещества. Как и икосаэдрит, третий природный квазикристалл имеет икосаэдрическую симметрию и состоит из тех же элементов – алюминия, меди и железа. Но соотношение этих трех элементов в нем совсем другое, что делает его химически и структурно отличным.
Анализируя формы икосаэдрита и i-phase II с учетом окружающих минералов, Линкольн и Чейни смогли заполнить некоторые из оставшихся пробелов в череде событий, случившихся с Хатыркой сотни миллионов лет назад. Они определили, что крошечный фрагмент металла, содержащий i-phase II, расплавился в результате удара, а затем затвердел, образовав комплекс металлических сплавов в форме лающей собаки. Это означало, что участки с i-phase II определенно сформировались после столкновения. С другой стороны, взаимное расположение икосаэдрита и окружающего его металла показывало, что они определенно не были расплавлены ударом. А значит, икосаэдрит совершенно точно существовал до удара.
После и до удара? Как могли быть верны одновременно обе версии?
Похоже, ответ заключается в том, что сильный удар, который воздействовал на Хатырку, вызвал невероятные колебания давления и температуры. В пределах нескольких микрон (миллионных долей метра), что примерно соответствует размеру красных кровяных телец, эритроцитов, одни области подверглись расплавлению, а другие – нет. В результате Хатырка включает два разных квазикристалла с икосаэдрической симметрией, которые содержат разные пропорции одних и тех же элементов и образовались в разное время. Это было поистине поразительное открытие.
Важным следствием стало то, что теперь мы точно знали: икосаэдрит из Хатырки, первый когда-либо обнаруженный природный квазикристалл, образовался до столкновения. Это согласовывалось с теорией Гленна о том, что он может датироваться эпохой возникновения Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, и опровергало идею Линкольна о том, что он образовался после столкновения.
С моей точки зрения, обнаружение i-phase II было самым значительным открытием на тот момент по другой причине. Я надеялся на нечто подобное еще с 1984 года, когда мы с моим учеником Довом Левином впервые опубликовали наше теоретическое доказательство. Именно тогда я впервые стал носиться с идеей поиска природного квазикристалла, изучая витрины в известных минералогических музеях.
У меня всегда была двойная цель. Во-первых, я хотел доказать, что квазикристаллы достаточно устойчивы, чтобы, как я давно подозревал, образовываться в природе. Во-вторых, я пытался понять, может ли обнаружение природного квазикристалла открыть дорогу к поиску ранее неизвестных типов квазикристаллов.
С открытием i-phase II моя мечта сбылась. Для меня он важнее любых других найденных нами природных квазикристаллов, поскольку он стал первым обнаруженным в природе до того, как был синтезирован в лаборатории.
В том, что касается исследования уникальных свойств и потенциальных применений квазикристаллов, ученые едва прикоснулись к вершине айсберга. За последние три десятилетия в лабораториях синтезировано более сотни квазикристаллов различного состава. Однако большинство из них химически близки к исходным квазикристаллам, открытым Дэном Шехтманом и Ан-Пан Цаем.
Недостаток разнообразия связан с тем, что не существует теоретических подсказок, позволяющих определить, какие именно комбинации атомов и молекул способны образовать эту уникальную и удивительную форму вещества. Поиск новых примеров обычно осуществляется методом проб и ошибок. Самый простой подход, используемый многими учеными, – внести небольшое изменение в химический состав синтетического квазикристалла, о существовании которого уже известно.
Но это накладывает свои ограничения. Для тех, кто хочет найти квазикристаллы с более интересными свойствами – как с практической, так и с научной точки зрения, – повысить шансы на успех может исследование того, что природа создала сама, без вмешательства человека. С этой целью мы с Полом Азимовым планируем сейчас новые эксперименты с пушкой. Эксперименты с новыми методами изготовления открывают еще один путь для продвижения науки вперед.
Несмотря на все наши успехи, в отношении Хатырки остается один очень серьезный вопрос, на который все еще нет ответа и который продолжает меня интриговать.
За счет какого-то загадочного процесса природе удалось сформировать квазикристаллы с металлическим алюминием, находящиеся в прямом контакте с неметаллическими минералами, богатыми кислородом, несмотря на то что алюминий имеет ненасытное сродство к кислороду. По причинам, которые мы пока не способны объяснить, алюминий в наших природных квазикристаллах не реагировал с кислородом в силикате. Обычно химических сил достаточно, чтобы вызвать реакцию между кислородом и алюминием с образованием корунда, чрезвычайно твердой версии оксида алюминия. Если бы мы сумели разобраться в этом природном процессе, то могли бы научиться новому, более эффективному способу создания как обычных кристаллов, так и металлических квазикристаллов, содержащих алюминий.
Фотонные кристаллы
Но есть ли основания полагать, что хоть какой-то квазикристалл может обладать новыми и полезными свойствами для науки и промышленности?
Да. Мы можем моделировать квазикристаллы на компьютере или создавать на 3D-принтере модели, вроде изображенной справа. Этот пример был построен в 2005 году в Принстоне Вейнингом Маном и Полом Чайкином, с которыми мы сотрудничали в исследовании фотонных свойств квазикристаллов.
Исследования в области фотоники можно напрямую сопоставить с электроникой. Электроника касается прохождения электронов через материалы. Фотоника рассматривает прохождение через материалы световых волн. Если бы мы могли заменить электронные схемы на фотонные, скорость передачи увеличилась бы, а потери тепла из-за сопротивления уменьшились бы. Одна из основных задач – найти способ использовать фотонику для воспроизведения полупроводниковых эффектов, подобных тем, что наблюдаются в кремнии, германии и арсениде галлия. Из этих материалов делают транзисторы и другие электронные компоненты, используемые для усиления и передачи сигналов в компьютерах, сотовых телефонах, радиоприемниках и телевизорах.
Главным свойством полупроводника является то, что электроны не могут двигаться сквозь него, если их энергия попадает в определенный диапазон. Инженеры используют возможности, предоставляемые этой “запрещенной зоной”, для управления потоком электронов и переносимой ими информации.
Нечто подобное существует и в фотонике. Можно создать материал с “фотонной запрещенной зоной”, которая блокирует световые волны в определенном диапазоне энергий. Первыми примерами стали фотонные кристаллы, придуманные и синтезированные четверть века назад.
Просвечивая микроволнами нашу напечатанную 3D-структуру, мы с Вейнингом Маном и Полом Чайкином показали, что некоторые свойства фотонных кристаллов есть и у квазикристаллов. В частности – фотонная запрещенная зона. И, что самое важное, по характеристикам своей запрещенной зоны квазикристаллы превосходят фотонные кристаллы, поскольку обладают более высокой вращательной симметрией. Это делает их фотонные запрещенные зоны более сферическими, что полезно для практических целей.
Этот пример с фотоникой показывает, что в некоторых приложениях квазикристаллы могут иметь преимущества перед обычными кристаллами из-за своей особой симметрии, при условии что удастся найти варианты с правильным сочетанием химии и симметрии. Такие хорошие варианты можно искать методом проб и ошибок в лаборатории, но теперь представляется возможным и открытие их в природе.
Невозможно?
Ключом к пониманию того, как натуральные квазикристаллы возникают в природе, является понимание того, когда и где они сформировались. До сих пор наши интенсивные исследования зерен № 126 и № 126A давали возможность лишь частично ответить на эти вопросы для метеорита Хатырка.
Благодаря эксперименту с пушкой и исследованиям зерна № 126A мы знаем, что образование i-phase II было вызвано столкновением, случившимся сотни миллионов лет назад. Это столкновение породило ударную волну, нагрев и плавление определенного сочетания металлов, которые при остывании и затвердевании образовали i-phase II и характерную конфигурацию окружающих металлов.
С другой стороны, мы также убедились, что квазикристаллический икосаэдрит не расплавился при ударе. Так что он определенно существовал раньше, возможно, задолго до того знаменательного столкновения в космосе. Это оставляет много вопросов, на которые пока нет ответа. Как и когда он образовался? Был ли это первый квазикристалл, возникший в Солнечной системе? Часто он встречается или редко? Верна ли доминирующая на сегодня гипотеза – действительно ли он образовался в протосолнечной туманности? Были ли молнии в этой пылевой туманности, которые, как предполагают некоторые из нас, способствовали образованию алюмомедных сплавов? Или, возможно, квазикристалл был частью “досолнечного зерна”, сформировавшегося в период упадка более ранней звездной системы, и путешествовал в космосе, пока не попал в нашу Солнечную систему? При любом из этих вариантов какие еще новые минералы образовались таким образом? И как все это повлияло на эволюцию нашей Солнечной системы?
Хотя мы продолжаем использовать множество различных экспериментальных подходов, на момент завершения этой книги природа все еще держит ответы на эти вопросы под замком. Вероятно, что-то еще удастся выяснить в дальнейших исследованиях метеорита Хатырка. Или, может быть, кто-то найдет примеры алюмомедных сплавов в других метеоритах и получит дополнительные подсказки.
Но если бы мне приснился самый безумный сон о том, где искать нужный ключ к следующей двери в этой области науки, я бы отправился на родительский астероид Хатырки.
Хатырка, как и большинство метеороидов, был в прошлом частью гораздо более крупного родительского астероида, который все еще обращается вокруг Солнца. Где-то от четырех до двух миллионов лет назад, много после того знаменательного столкновения, метеороид Хатырка оторвался от своего родителя и помчался прочь, как заблудший малыш. В конце концов он попал в земную атмосферу и либо взорвался в воздухе, либо упал целым и невредимым на поверхность Земли.
Если бы мы сумели найти его родительский астероид, совершить высадку на его поверхность, собрать образцы и изучить химический и изотопный состав всех составляющих его минералов, то происхождение Хатырки было бы раскрыто.
Однако сильно отрезвляет мысль о том, что в окружающем Солнце поясе астероидов вращается около ста пятидесяти миллионов потенциальных родительских тел, каждое размером больше футбольного поля. А если включить в подсчеты астероиды меньшего размера, список станет намного длиннее. Так что найти родителя Хатырки в такой огромной толпе просто невозможно.
Однако вы могли бы задаться вопросом: какого рода эта невозможность? Невозможность первого рода? Как 1 + 1 = 3?
Или, может быть, это невозможность второго рода – нечто очень маловероятное, но чрезвычайно интересное, при условии что найдется правдоподобный способ это реализовать?
Думаю, почти все согласятся с тем, что моя мечта найти родительский астероид Хатырки – слишком дикая идея, чтобы воспринимать ее всерьез. Но если мои тридцатилетние поиски природного квазикристалла чему-то меня и научили, так это замечать, когда кто-то объявляет нечто невозможным, и находить время, чтобы вынести собственное независимое суждение.
Современные направления развития космических исследований очень вдохновляют. NASA сейчас разрабатывает Asteroid Redirect Mission – миссию, включающую посещение крупного сближающегося с Землей астероида. Где-то в 2020-х годах сотрудники NASA надеются вывести астероид на стабильную орбиту вокруг Луны и собрать тонны вещества с его поверхности для дальнейшего изучения.
Скорее всего, родитель Хатырки находится в поясе астероидов и все еще обращается вокруг Солнца. Маттиас Мейер, наш коллега, который провел решающий изотопный эксперимент в Цюрихе, объяснил мне, что углистые хондриты, в состав которых входят металлические алюмомедные и алюмоникелевые сплавы, могут отражать солнечный свет несколько иначе, чем типичные метеоритные минералы, по крайней мере на некоторых длинах волн. Это обстоятельство могло бы позволить нам сузить список потенциальных членов семьи Хатырки.
И внезапно совершенно нереальная идея кажется уже немного менее невозможной. Проверка установила, что метеорит Хатырка откололся от своего родительского астероида от четырех до двух миллионов лет назад. Зная типичную скорость астероидов в космосе, можно приблизительно сказать, где в поясе астероидов может находиться родитель. Изучая отражение солнечного света от астероидов в этом регионе, можно было бы идентифицировать астероид с таким же химическим составом, что и наш маленький прилетевший на Землю сирота Хатырка. Есть множество неопределенностей, которые могут лишить смысла подобные расчеты. Честно говоря, неясно даже, жизнеспособен ли этот подход вообще.
Однако Маттиас и другие члены нашей команды уже сделали первую попытку и нашли возможного кандидата в родители. Это астероид (89) Юлия, который находится в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером и совершает оборот вокруг Солнца примерно за четыре года. Юлия имеет размер около ста пятидесяти километров в диаметре и принадлежит к семейству астероидов, образовавшихся во время столкновения несколько сотен миллионов лет назад, то есть примерно в то же время, когда Хатырка предположительно испытал сильный удар. Астероид отражает свет со спектром, который можно было бы ожидать от углистого хондрита CV3.
А теперь спросите себя: можете ли вы представить, что когда-нибудь на Юлии высадится экспедиция и раскроет секрет Хатырки?
Или это невозможно?