Откуда произошло всё золото?

В процессе формирования Земли расплавленное железо спускалось вниз к её центру, чтобы составить её ядро, увлекая с собой большинство драгоценных металлов планеты, таких как золото и платина. Вообще, драгметаллов в ядре хватит на то, чтобы покрыть их слоем четырёхметровой толщины всю поверхность Земли.

Перемещение золота в ядро должно было лишить внешнюю часть Земли этого сокровища. Однако распространённость благородных металлов в силикатной мантии Земли превышает расчётные величины в десятки и тысячи раз. Уже обсуждалась идея о том, что это свалившееся на голову сверхизобилие имеет своей причиной катастрофический метеоритный ливень, который настиг Землю после образования её ядра. Вся масса метеоритного золота, таким образом, вошла в мантию обособленно и не пропала глубоко внутри.

Для проверки этой теории доктор Маттиас Виллболд и профессор Тим Эллиот из Бристольской изотопной группы Школы наук о Земле подвергли анализу собранные в Гренландии профессором Оксфордского университета Стивеном Мурбатом породы, возраст которых насчитывает около 4 миллиардов лет. Эти древние камни дают уникальную картину состава нашей планеты вскоре после формирования ядра, но до предполагаемой метеоритной бомбардировки.

Исследователи установили присутствие в этих камнях изотопов вольфрама. Будучи весьма редким элементом (на килограмм породы приходится всего около 0,1 миллиграмма вольфрама), подобно золоту и другим драгоценным металлам он должен был войти в ядро в момент его формирования. Как и большинство других элементов, вольфрам подразделяется на несколько изотопов – атомов со сходными химическими свойствами, но слегка различающимися массами. По изотопам можно с уверенностью судить о происхождении вещества, а смешивание метеоритов с Землей должно было оставить характерные следы в составе её изотопов вольфрама.

Доктор Виллболд заметил в современной породе сокращение количества изотопа вольфрама-182 на 15 миллионных долей по сравнению с гренландской.

Это небольшое, но многозначительное изменение превосходно согласуется с тем, что и требовалось доказать – что избыток доступного золота на Земле является положительным побочным эффектом метеоритной бомбардировки.

Доктор Виллболд говорит: «Извлечение вольфрама из каменных образцов и анализ с необходимой точностью его изотопного состава были крайне сложной задачей, принимая во внимание небольшое количество имеющегося в камнях вольфрама. Фактически, мы стали первой в мире лабораторией, которая успешно выполнила измерения такого уровня».

Упавшие метеориты смешались с земной мантией в ходе гигантских конвекционных процессов. Задачей-максимум на будущее является выяснение продолжительности этого перемешивания. Впоследствии геологические процессы сформировали континенты и привели к концентрации драгоценных металлов (а также вольфрама) в залежах руды, которая добывается в наши дни.

Доктор Виллболд продолжает: «Результаты нашей работы показывают, что большая часть драгоценных металлов, на которых основывается наша экономика и многие ключевые производственные процессы, была занесена на нашу планету по счастливой случайности, когда Землю накрыло где-то 20 квинтиллионами тонн астероидного вещества».

http://www.bristol.ac.uk/news/2011/7885.html

Откуда все золото мира? Из космоса!

Золото – дитя столкновений звезд. Подтверждение этой гипотезы нашли ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже под руководством Эдо Бергера, когда проанализировали результаты зафиксированного гамма-всплеска на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Земли.

Гамма-всплеск был связан со столкновением двух нейтронных звезд и последовавшим взрывом. Именно этот супервзрыв породил золото массой в несколько наших Лун, а также другие тяжелые металлы.

Называть стоимость этого золота в наших денежных единицах бессмысленно – 10 октальонов долларов просто невозможно представить. Но становится понятно – где находится место, которое насыщает нашу Вселенную золотом.

Как рождаются элементы

Сейчас науке доподлинно известно, как проистекает большинство термоядерных реакций в недрах звезд. Самая простая реакция – это слияние ядер водорода в ядро гелия. Когда начнет «гореть» гелий, то может появиться углерод, а когда и он «загорится» в термоядерном пламени, то будут образовываться ядра магния, натрия, кислорода, алюминия, кремния. Когда «загорится» кремний, можно будет сказать, что топливо для термоядерного «костра» заканчивается, – так как превращение кремния в серу и аргон – последние реакции, которые выделяют тепло. Последующая цепочка перерождений элементов уже его поглощает – и связано это уже с появлением железа.

Спектральные линии основных элементов Солнца. Спектр, огрубленный в целях наглядности, – в реальности линий много больше, и одна из них относится к золоту.

В жизни многих звезд наступает момент (наступит он и у Солнца), когда водород в их центральной части заканчивается. Звезда начинает распухать и превращается в красного гиганта. И вот во внешних оболочках таких звезд легкие элементы начинают захватывать нейтроны, идущие из недр звезды, и образовывать ядра все более тяжелых элементов. Эти элементы выносятся со звездным ветром в окружающую среду.

Ну а потом, «выгорев», звезда превратится в белого карлика, извне окруженного остывающими оболочками, которые богаты тяжелыми элементами. И эти облака рассеянного газа вновь могут стать частью новых звезд. Именно поэтому звезды, сформировавшиеся ближе к центру Галактики, где царит настоящая звездная толчея, содержат тяжелых элементов больше, чем те, что возникли на галактической периферии.

Но, к сожалению, астрофизики не могли до сих пор объяснить, откуда все же берется золото во Вселенной в существующих количествах, хотя и понимали, какие условия нужны для его «производства». Мало того: более 70 лет назад физики уже попытались его сделать, по сути, моделируя звездный процесс в лабораторных условиях.

Алхимики XX века

Еще в 1940 году американские физики А. Шерр и К. Т. Бэйнбридж из Гарвардского университета начали облучать нейтронами соседние с золотом элементы – ртуть и платину. И вполне ожидаемо, облучив ртуть, получили изотопы золота с массовыми числами 198, 199 и 200. Их отличие от естественного природного Au-197 в том, что изотопы неустойчивы и, испуская бета-лучи, максимум за несколько дней опять превращаются в ртуть с массовыми числами 198,199 и200.

Но все равно это было здорово: впервые человек смог самостоятельно создавать нужные элементы. Вскоре стало понятно, как вообще можно получить настоящее, стабильное золото-197. Это можно сделать, используя только изотоп ртути-196. Этот изотоп достаточно редок – его содержание в обычной ртути с массовым числом 200 составляет около 0,15%. Его надо бомбардировать нейтронами, чтобы получить малоустойчивую ртуть-197, которая, захватив электрон, и превратится в стабильное золото.

Однако расчеты показали, что если взять 50 кг природной ртути, то в ней будет всего 74 грамма ртути-196. Для трансмутации в золото реактор может дать поток нейтронов 10 в 15-й степени нейтронов на кв. см в секунду. С учетом того, что в 74 г ртути-196 содержится около 2,7 на 10 в 23-й степени атомов, для полной трансмутации ртути в золото потребовалось бы четыре с половиной года. Это синтетические золото стоит бесконечно дороже золота из земли. Но это означало, что для образования золота в космосе тоже нужны гигантские потоки нейтронов. И взрыв двух нейтронных звезд как раз все объяснял.

Золото нейтронных звезд

Нейтронные звезды – уникальные объекты, которые образуются в финальной стадии существования массивных звезд. Описать их крайне трудно – это шары из нейтронов, окруженные корой ядер тяжелых элементов. Плотность нейтронного вещества невообразимая – что-то около 280 миллионов тонн в кубическом сантиметре! Вся масса Солнца умещается в шаре диаметром 15–20 километров. Урони наперсток такого вещества на землю – и он проколет ее до ядра.

Именно столкновение таких монстров создавало идеальные условия для образования тяжелых металлов, в частности золота. Эту идею предложил еще в 1970-х годах Джеймс Латтимер, в то время, когда научное сообщество полагало, что тяжелые элементы образуются во время коллапса массивных звезд. Однако у Латтимера в то время не было технических возможностей подтвердить свою точку зрения. Да и сейчас он с осторожностью относится к интерпретациям Бергера, полагая, что нужны новые, дополнительные научные миссии и наблюдения, которые и должны подтвердить его теорию, хотя это скорее традиционная скептическая позиция настоящего ученого, опасающегося случайных совпадений и ищущего доказательств.

Так художники изображают столкновение нейтронных звезд

Если же гипотеза Латтимера верна, то становится понятным и появление золота на нашей планете. Аномально высокое содержание тяжелых металлов в Солнечной системе наводит на мысль, что сама она образовалась из газопылевой туманности, оставшейся после взрыва сверхновой звезды, одной или даже нескольких, или какого-либо подобного катаклизма. Вот эти тяжелые элементы и создали пояс каменных планет от Меркурия до Марса, астероиды и метеориты. Здесь мы уходим из сферы астрофизики и переходим в зону ответственности планетологии.

Золотой дождь

В классической теории образования планет из пылевой туманности есть очень скользкий момент, а именно – превращение сгустков пыли в раскаленные от бесконечных ударов планеты. Вроде все логично, но есть одна загвоздка: если планета станет расплавленным шаром, то все тяжелые металлы должны собраться в его центральной части. Мы знаем по данным сейсмических методов, что в центре Земли есть тяжелое металлическое ядро, которое и обеспечивает магнитное поле вокруг нашей планеты. В основе своей оно должно быть из железа, но там же сконцентрировано и все золото, изначально содержащееся в теле нашей планеты.

Но это не так: мы знаем, что на поверхности Земли бывает самородное, россыпное и коренное золото, а еще значительное его количество растворено в водах Мирового океана. Почему же оно все не переместилось в центр планеты в тот период, когда Земля была раскаленной каплей?

Ответ на этот вопрос нашли специалисты Бристольского университета под руководством Маттиаса Виллболда. Сначала они нашли самую древнюю земную кору на планете в Гренландии, где находится геологическая формация Исуа. Этой формации, по мнению ученых, около 3,8 миллиарда лет, это фрагмент древнейшей земной коры, образовавшейся на остывающей планете. Здесь были взяты образцы для определения содержания в них тяжелых элементов.

Затем ученые начали исследовать содержание вольфрама-182 и в метеоритах, которые называют хондритами, – это один из главных строительных материалов твердой части Солнечной системы. На Земле нестабильный гафний-182 распадается c образованием вольфрама-182. А вот в космосе из-за космических лучей этот процесс не происходит. В результате стало ясно, что образцы древних горных пород содержат на 13% больше вольфрама-182 по сравнению с более молодыми горными породами. Это дает геологам основание утверждать, что когда Земля уже имела твердую кору, на нее обрушилось около 1 миллиона триллионов (10 в 18-й степени) тонн астероидного и метеоритного вещества, которое имело более низкое содержаниевольфрама-182, но при этом гораздо большее, чем в земной коре, содержание тяжелых элементов, в частности золота.

Таким образом, мы обязаны своими золотыми запасами настоящему потоку ценных элементов, которые оказались на поверхности планеты благодаря массированной астероидной «бомбардировке». Потом в ходе развития Земли в течение последних миллиардов лет золото вступило в круговорот пород, появляясь на ее поверхности и вновь скрываясь в глубинах верхней мантии. Но теперь ему путь к ядру закрыт, и большое количество этого золота просто обречено оказаться в наших руках.

Но я хочу обратить ваше внимание на другой факт. Мы все состоим из углерода, кислорода, железа и других сложных элементов, которые образовались в недрах горящих и взрывающихся звезд. И золото – наш брат по звезде-матери. Может, поэтому мы его так любим?

http://slon.ru