Meteoryty: nieziemskie kamienie?

Jednym z największych zagrożeń dla każdego poszukiwacza wiedzy jest przyjmowanie nieświadomych przesłanek czy ukrytych założeń, kiedy to dane interpretuje się, nie dopuszczając uprawnionych altenatyw po prostu dlatego, że interpretator bezkrytycznie akceptuje własne założenia.

Sprowadza się to do starego porzekadła: Prawda, o której nic nie wiesz, mniej zaboli niż ta, którą wykluczasz! Podejrzewam, że tak właśnie może wyglądać sytuacja z naszym zrozumieniem sprawy meteorytów.

Najpierw trochę nazewnictwa. Istnieją meteory, ale są też meteoryty. Podklasą meteorów są bolidy, które mogą pozostać meteorami lub przekształcić się w meteoryty. Mamy także asteroidy, które można podzielić na bardzo małe, małe i ratuj się kto może!

Meteor to smuga światła, która przelatuje po niebie i znika. Na ogół tworzy ją kruchy, wielkości groszku odłamek komety, zwany meteoroidem. Wchodzi on w górne warstwy atmosfery i szybko się rozżarza wskutek tarcia atmosferycznego. Kiedy już się wypali, spada na Ziemię w postaci drobin pyłu lub pary.

Niekiedy w atmosferę wchodzi większa bryła materii. Zwykle składa się głównie z „brudnego” lodu, tj. zamarzniętego metanu i amoniaku z dodatkiem cząstek pyłu i okruchów kamiennych. Ogrzana wskutek tarcia oraz naprężeń spowodowanych wejściem w głębsze warstwy atmosfery straci wewnętrzną spójność, a wtedy eksploduje w locie, czemu towarzyszy zwykle obłoczek dymu, rzadziej gwałtowny huk. Ciało tego typu nazywamy bolidem.

Najciekawszy jest typ trzeci. Przeważnie jest to zwykły kawałek kamienia, ale zdarzają się też bryłki żelazno-niklowe. W chwili wejścia w zewnętrzne warstwy atmosfery ich średnica wynosi przypuszczalnie około 20–25 cm, ale nierzadkie są również obiekty metrowe. Jest raczej mało prawdopodobne, aby ciała te stanowiły odłamki komety. Kiedy wchodzą w zewnętrzne warstwy atmosfery i zaczynają nurkować ku Ziemi, zostają szybko wyhamowane do prędkości poddźwiękowych, nie ulegając zniszczeniu. Docierają do powierzchni Ziemi bez większego uszczerbku i z prędkością na tyle niewielką, że nie pozostawiają potężnego krateru.

Kiedy meteoroidy wypalą się lub eksplodują jako bolidy po wejściu w atmosferę, ich fragmenty, które docierają na powierzchnię w postaci obiektów dostrzegalnych rozmiarów, nazywamy meteorytami.

Asteroidy różnią się od meteoroidów masą. Ale nie chodzi po prostu o to, że na przykład obiekt metrowy to meteoroid, a kilometrowy to już asteroida. Podstawowym kryterium podziału jest sposób, w jaki docierają na powierzchnię Ziemi. Jeśli obiekt jest na tyle mały, że zostaje wyhamowany do prędkości poddźwiękowych, staje się meteorytem. Ale ciało na tyle masywne, że atmosfera nie może znacząco zredukować jego prędkości poniżej 11,2 km/s, wbije się głęboko w ziemię i pozostawi spory krater uderzeniowy.

Uderzenia asteroid zdarzają się rzadko, ale meteory i meteoryty bezustannie wchodzą w atmosferę ziemską. Ocenia się, że dzięki tym obiektom masa naszej planety zwiększa się przeciętnie w ciągu doby o nieco ponad pięćdziesiąt ton. Są to najbardziej ostrożne szacunki, w rzeczywistości może to być pięćset ton i więcej.

KWESTIA POGLĄDÓW

Jesteśmy niemal pewni, że meteoryty są innego pochodzenia niż meteory kometarne. Niektóre uważa się za odłamki skalne wybite z Księżyca lub Marsa, przyjmuje się jednak, że większość to fragmenty strzaskanych asteroid, choć w tej sprawie trudno o jakiekolwiek dowody. Chcielibyśmy wierzyć, że przynajmniej kilka meteorytów pochodzi spoza Układu Słonecznego, ale i na to brak dowodów.

Fakt, że meteoryty to przybysze z przestrzeni kosmicznej, nie zawsze uznawano za oczywisty. Nawet Thomas Jefferson szydził z ludzi, którzy dopuszczali pozaziemskie pochodzenie meteorytów, i oświadczył, że skłonny jest uwierzyć niemal we wszystko, tylko nie w to, że kamienie spadają z nieba! Zasadniczo odzwierciedlało to postawę ówczesnych astronomów i „filozofów natury”, jak wtedy nazywano fizyków. Niebiosa uważano za miejsce doskonałe i było nie do pomyślenia, aby z nieba przypadkowo spadały jakieś kamienie.

Opinie o pozaziemskim pochodzeniu meteorytów pojawiły się dość późno. Jednak rosnące zrozumienie natury Wszechświata podkopywało dogmaty teologiczne i już około 1900 roku astronomowie i co bardziej światli laicy zaczęli akceptować tę teorię.

Tak na oko, łączna liczba odnalezionych i zidentyfikowanych meteorytów bliska jest pięćdziesięciu tysięcy, przy czym mniej więcej połowa z nich należy do zbieraczy minerałów i rolników. Z kilku uczyniono nawet obiekt kultu religijnego. Nie wiem, czy niewielki kawałek żelaza umieszczony na piersi mumii Tutenchamona był meteorytem, ale ponieważ faraon ten zakończył żywot na kilka wieków przed początkiem epoki żelaza, podejrzewam, że tak właśnie jest.

PROBLEM CZYSTOŚCI

Meteoryt lądujący w samym środku świńskiego bajora jest może interesujący, ale z całą pewnością tak zanieczyszczony materiałem z miejsca upadku, że tylko niewiele ustaleń przyczynowych na podstawie jego analizy można uznać za niebudzące wątpliwości. Astronom X może argumentować, że zdołał uzyskać niezanieczyszony materiał ze środka meteorytu, dowodzący „tego” czy „owego”, lecz jego koledzy po fachu, panowie Y i Z, zakrzykną wtedy: Ależ to nonsens! Mógł zostać zanieczyszczony na tuzin sposobów bez pana wiedzy! Ta sama trudność pojawi się w przypadku lądowania meteorytu na polu kukurydzy czy pośrodku pustyni. Co wcale nie znaczy, że nie ma nadziei. Jest na świecie kilka miejsc, które pozostają zasadniczo nieskalane.

Najlepsza pod tym względem jest Antarktyka. Poza rejonami przybrzeżnymi jest praktycznie abiotyczna, trudno więc o zanieczyszczenia. To właśnie jedno z owych antarktycznych znalezisk narobiło tyle szumu w 1998 roku, kiedy ogłoszono, że jest to fragment materii wyrzucony z Marsa, w którym występują wyraźne inkluzje niezwykle prymitywnych skamieniałych form mikroorganizmów.

Oświadczenie to szybko zakwestionowali fizycy, uważający, że Mars jest sterylny dzisiaj i musiał być taki od początku. Wysunięto alternatywne interpretacje, a ostatecznym rezultatem początkowego oświadczenia i późniejszych sprzeciwów jest zdecydowane: Być może! Może to świadczyć o występowaniu życia na Marsie – a może i nie.

PROMIENIOWANIE Z MARSA

Proponuję, abyśmy pozostawili ten temat i rozważyli kilka wątków ubocznych. Po pierwsze: skąd mamy pewność, że ów meteoryt pochodzi z Marsa? Po drugie: jak się tu dostał? Po trzecie zaś: jaki jest jego wiek?

Kiedy latem przelatujemy nad sosnowym lasem, rzuca nam się w oczy ciemna zieleń igliwia. Nad polem kukurydzy zieleń jest jaśniejsza, ma też odmienną teksturę. To samo dotyczy skał i minerałów, a nawet rozległych rejonów morskich. Występują tam widoczne różnice, dostrzegalne nawet dla niewprawnego oka. Konsekwencją tego było powstanie fotometrii trój- i dziewięciobarwnej. Jej wyniki nie są tak precyzyjne jak spektroskopii, jednak dość ścisłe. Na dobitkę, nie wymagają wymyślnej aparatury. Zupełnie wystarczy dostępny od ręki przyrząd do pomiaru natężenia światła i zestaw zwykłych filtrów wysokiej jakości.

To właśnie ta technika pozwala astronomom stwierdzić, że wspomniany meteoryt pochodzi z Marsa. Widmo promieniowania meteorytu „marsjańskiego” względnie dokładnie odpowiada widmom odbicia powierzchni pewnych rejonów Czerwonej Planety.

Nie mamy absolutnej pewności, że meteoryt ten pochodzi z Marsa. W astronomii niewiele jest rzeczy absolutnie pewnych. Można jednak bezpiecznie stwierdzić, że jest niezmiernie prawdopodobne, iż pochodzi on stamtąd. Nie popełnimy chyba większego błędu, mówiąc, że prawdopodobieństwo to jest nie mniejsze niż 95 procent. Pora na pytanie, jak się dostał na Ziemię. Tutaj odpowiedź jest całkiem jasna.

UCIEKAJĄCE KAMIENIE

Ażeby kawałek skały uciekł z Ziemi w sposób naturalny, musi zostać wyrzucony z prędkością początkową nieco wyższą niż 11,2 km/s. Jakie naturalne siły mogłyby nadać taki impet kawałkowi skały spoczywającemu na ziemi? Może wybuch wulkanu? Mało prawdopodobne, jednak realne, jeśli przyjrzymy się niektórym gigantycznym erupcjom wulkanicznym minionych wieków.

Można sobie wyobrazić, że początkowy impet eksplozji wyrzuca materiał skalny z prędkością bliską 2 km/h, czyli 0,55 km/s. Choć jest to znacznie mniej niż 11,2 km/s wymagane do ucieczki, można przyjąć, że niektóre kawałki mogły uzyskać konieczną prędkość dzięki wzrostowi energii kinetycznej wskutek uderzeń większych brył skalnych, wypchniętych podczas erupcji. Byłoby to zdarzenie szalenie mało prawdopodobne, ale od czasu do czasu może dojść do czegoś takiego.

Jeśli wziąć pod uwagę, że na Marsie grawitacja jest znacznie słabsza, a prędkość ucieczki wynosi 5,0 km/s, prawdopodobieństwo takiego zdarzenia rośnie, lecz nadal pozostaje minimalne, i bardzo wątpię, czy ktokolwiek mający pojęcie o podstawach fizyki odważyłyby się dowieść, że coś podobnego rzeczywiście tam zaszło.

Jedynym znanym nam lokalnym oddziaływaniem naturalnym, zdolnym spowodować wyrzucenie masy z powierzchni ciała planetarnego, jest impakt niewielkiej asteroidy. A wiemy, że w ciągu miliardów lat dochodziło do tego wiele razy. Według bardzo ostrożnych szacunków nastąpiło łącznie parę milionów uderzeń. Bliższa prawdy wydaje się liczba kilkudziesięciu milionów.

Sprawy zaczynają się komplikować, kiedy uwzględnimy ruch własny zarówno Ziemi, jak i zbliżającej się asteroidy. Nasza planeta obiega Słońce ze średnią prędkością około 30 km/s. Jeśli teraz założymy, że nadlatująca asteroida jest na orbicie wstecznej, czeka nas zderzenie czołowe!

Suma orbitalnych prędkości w chwili zderzenia wynosiłaby więc 60 km/s, ale musimy też uwzględnić dodatkowe 11,2 km/s spowodowane grawitacją ziemską, co daje prędkość wypadkową uderzenia 71,2 km/s! Możemy pominąć wzrost lub spadek prędkości o 0,46 km/s spowodowany rotacją Ziemi wokół własnej osi jako nieistotny. I tak wystarczy tego, żeby wyrządzić znaczące szkody.

Nie jest to jednak wcale najczarniejszy scenariusz. Jeśli asteroida leciała prosto na Słońce, lecz jej tor został odchylony przez grawitację ziemską, teoretycznie rzecz biorąc, mogłaby uderzyć z prędkością końcową 42,4 km/s. Dorzućmy do tego naszą prędkość orbitalną 30 km/s plus 11,2 km/s spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym Ziemi, a otrzymamy horrendalną wręcz wartość prędkości wypadkowej uderzenia 84,6 km/s. Jeśli uwzględnimy wzrost prędkości wskutek rotacji osi Ziemi, ostateczny wynik wyniesie nieco ponad 85 km/s!

Otrzymaliśmy w ten sposób minimalną i maksymalną wartość prędkości asteroid w chwili uderzenia o Ziemię: mieści się ona w granicach między 10,74 a 85 km/s.

Dotyczy to oczywiście tylko asteroid pochodzących z Układu Słonecznego. Przy założeniu, że jakieś przypadkowo zabłąkane ciało przybywa po orbicie wstecznej spoza naszego systemu, moglibyśmy w sumie uzyskać prędkość uderzenia rzędu 200 km/s. Nawet o tym nie myślmy. Obserwator krążący po orbicie Neptuna prawdopodobnie dostrzegłby gołym okiem błysk na powierzchni Ziemi towarzyszący temu impaktowi.

WPŁYW ATMOSFERY

Załóżmy, że kamienna asteroida o średnicy 1 kilometra i średniej gęstości 2,0 g/cm3 wchodzi w naszą atmosferę z prędkością końcową minimum 16 km/s. Jest to układ zmiennych o dość umiarkowanych wartościach. Dodajmy do tego zastrzeżenie, że asteroida leci prosto na nas, czyli wejdzie w atmosferę w odległości jakichś 110 km od powierzchni planety. Gdyby nie atmosfera, asteroida przebyłaby tę odległość w około 7 sekund!

A jaki jest wpływ atmosfery na nasz hipotetyczny obiekt? Wszelkie wystające nierówności zostaną zgniecione i zdarte przez opór powietrza. Zewnętrzne 2–3 cm powierzchni rozżarzy się i wyparuje. Jednak znaczna część masy asteroidy przetrwałaby lot bez większego uszczerbku. W gruncie rzeczy doszłoby nawet do wypadkowego wzrostu masy, ponieważ przed asteroidą tworzy się fala uderzeniowa potężnie sprężonych cząstek atmosfery. Przy takim pędzie powietrze po prostu nie zdążałoby umykać jej z drogi, zostałoby więc przyspieszone do prędkości hipersonicznej, przy której staje się równie śmiercionośne, jak sama nurkująca bryła skalna.

Jednak przy tej prędkości nawet tytan, uderzając w ciało stałe, zachowuje się praktycznie jak ciecz. Również każde ciało stałe uderzone z taką prędkością zachowuje się jak ciecz. Rozbryzguje się! Jest to proces analogiczny do tego, gdy kropla wody spada z wysokości około metra do talerza z wodą.

Nie ma potrzeby wdawać się tu w szczegółowe obliczenia. Uwzględniając podane wyżej średnie prędkości, uderzająca asteroida jest w stanie wyrzucić z powrotem w przestrzeń międzyplanetraną masę 1,4 raza większą niż jej własna, przy założeniu, że wydajność procesu wynosi 100 procent!

Tak wysoka wydajność to czyste mrzonki, ale już 10 procent to średni wynik możliwy do przyjęcia. W rezultacie moglibyśmy liczyć na to, że materia o masie 9–11 procent początkowej masy asteroidy zostanie wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. Co ciekawe, wśród wyrzuconej masy byłoby bardzo niewiele szczątków samej asteroidy. Praktycznie w całości byłaby to zwykła materia ziemska!

Znamy już zatem mechanizm nieodzowny do przeniesienia okruchów z powierzchni Marsa czy Księżyca na Ziemię. Jak na razie wszystko wydawało się dość oczywiste, teraz wkraczamy na bardziej niepewny teren.

ILE MASZ LAT!

Co mamy właściwie na myśli, kiedy próbujemy określić wiek meteorytu? Z punktu widzenia astronoma można wyróżnić cztery różne wieki. Rozważmy ten problem. Uderzenie asteroidy wyrywa z jakiejś planety niewielką bryłkę materii i ciska ją w przestrzeń kosmiczną. Później meteorytowi udaje się przejść przez atmosferę Ziemi i dotrzeć na jej powierzchnię w stanie względnie nienaruszonym.

Pierwsze pytanie: jak stary jest sam kawałek skały? Może być starszy niż Układ Słoneczny; mógł na przykład stanowić część jakiegoś wcześniejszego układu, który rozerwało na kawałki, kiedy jego gwiazda macierzysta eksplodowała jako supernowa!

Drugie pytanie: ile lat kawałek skały spędził w przestrzeni kosmicznej, nim dotarł na Ziemię? Zasadniczo technika oceny wieku polega na oszacowaniu stopnia ekspozycji na promienie kosmiczne podczas pobytu w przestrzeni międzyplanetarnej. Załóżmy, że niewielka asteroida uległa roztrzaskaniu przez inną, większą. W trakcie tego zdarzenia z jej wnętrza zostały wybite odłamki skalne, które później dotarły na Ziemię. Datowanie takiego znaleziska może dać wypaczone rezultaty, po prostu dlatego, że wnętrze było osłonięte przez długi czas.

Nie znaczy to, że metoda ta przestaje być użyteczna. Należy po prostu traktować tak uzyskane szacunki wieku z pewną dozą sceptycyzmu.

Trzecie pytanie: ile lat meteoryt spędził na Ziemi, zanim dostał się w ręce naukowców? Dla co ciekawszych okazów względnie łatwo na to odpowiedzieć. Te znalezione w rejonach antarktycznych, rutynowo patrolowanych przez łowców meteorytów, mają przypuszczalnie niespełna rok. Inne, odsłonięte pod pługiem jakiegoś rolnika, mogą sobie liczyć tysiące lat.

Czwarta data jest znacznie bardziej ezoteryczna i niewiele tu można zrobić. Wiąże się to z wietrzeniem i innymi procesami, którym podlegał meteoryt, zanim został oderwany od ciała macierzystego. Artykuły prasowe rutynowo podają wiek meteorytu, nie precyzując, o którym wieku właściwie mowa. Może to prowadzić do poważnych nieporozumień.

Dla naszych celów wezmę tu pod uwagę tylko okres spędzony w przestrzeni kosmicznej, pomijając pozostałe. Na ogół większość znalezionych meteorytów zdaje się mieć milion lat lub więcej, choć niektóre są znacznie młodsze, kilka liczy sobie parę tysięcy lat.

SZWENDANIE W KOSMOSIE

Prowadzi nas to do sedna problemu. Ilekroć ktoś znajdzie taki meteoryt, astronomowie rutynowo rozglądają się za ciałem niebieskim, z którego mógł zostać wyrzucony. Wykazują się jednak przy tym pewną krótkowzrocznością. Dany meteoryt najwyraźniej przybył z przestrzeni kosmicznej. Zdradza też oczywiste oznaki „szwendania się” po niej przez dziesiątki tysięcy czy nawet miliony lat.

Skąd zatem przybył? Które ciało niebieskie posiada porównywalne albedo dla odpowiedniego zakresu barw? Jeśli znajdzie się coś w miarę pasującego, mówimy: Voila! – przybył z Marsa, z Księżyca czy skądś tam jeszcze. A jak nic się nie znajdzie, stwierdzamy, że jest nieznanego pochodzenia.

Pomijamy przy tym całkowicie ewentualność, że meteoryt powrócił po prostu do „rodzinnego gniazda”! Kiedy fragment materii zostaje wyrzucony w przestrzeń kosmiczną, dzieje się jedna z dwóch rzeczy. Jeśli zostanie wyrzucony z prędkością mniejszą niż prędkość ucieczki, tor jego lotu musi się przeciąć z powierzchnią Ziemi. Najpierw wznosi się, a po krótkim czasie (może po pięćdziesięciu latach, a może po tygodniu) spada z powrotem.

Jeśli zostanie wyrzucony z prędkością większą niż prędkość ucieczki, wtedy odlatuje – choć niekoniecznie na dobre. Aby doszło do oddalenia się poza granice Układu Słonecznego, musielibyśmy do prędkości ucieczki od Ziemi dodać jeszcze 50 km/s. Choć jest do pomyślenia, że okruchy skalne mogły czasem zostać wyrzucone z takimi prędkościami, wydaje się mało prawdopodobne, aby doznały takiego przyspieszenia duże ilości materii. Znaczy to, że wyrzucone odłamki skalne muszą wejść na orbitę okołosłoneczną. A jeśli nie zostaną wcześniej przechwycone przez jakąś inną masę z Układu Słonecznego, ich orbita musi się przeciąć z orbitą Ziemi.

Prędzej czy później – być może nawet po milionach lat – nastąpi moment, gdy dawno zaginione „dziecię” matki Ziemi powróci na jej łono. A gdy się tak stanie, astronomowie bez wątpienia zwrócą się w stronę Marsa i gdzie indziej, w nadziei na nowe odkrycia dotyczące Układu Słonecznego.

Z MARSA NICI

To czysty domysł, ale podejrzewam, że nawet jedna trzecia wszystkich odnalezionych na naszej planecie meteorytów może być właśnie pochodzenia ziemskiego. Moje największe podejrzenia budzą meteoryty o nieokreślonym pochodzeniu, których skład pierwiastkowy odpowiada jednak materiałowi ziemskiemu wystawionemu na działanie warunków przestrzeni kosmicznej przez kilka milionów lat.

Wyniki analizy kolorymetrycznej uprawdopodobniają hipotezę o marsjańskim pochodzeniu niektórych meteorytów, ale powierzchnia Ziemi jest zróżnicowana i można uznać ze skończonym prawdopodobieństwem, że badany materiał został wyrzucony przed milionami lat z jakiegoś miejsca na Ziemi, którego widmo światła odbitego przypomina z grubsza marsjańskie... podobnego do dzisiejszych odludnych rejonów Australii, Vredefort w Afryce czy nawet Mesabi w Minnesocie.

A skoro tak, to przedstawione dowody na istnienie życia pozaziemskiego mogą być czystą mrzonką, a my mamy po prostu przed oczyma wycinek obrazu życia na Ziemi w chwili, kiedy został wyrwany fragment jej skorupy. Dane uzyskane z meteorytów są ciekawe i pouczające, żadną miarą jednak nie sposób ich uznać za dowód prawdziwości jakiejkolwiek hipotezy. W najlepszym razie mogą stanowić temat uczonych spekulacji. Wróciliśmy zatem do punktu wyjścia. Nie będziemy nic wiedzieć o życiu na Marsie, póki się tam nie dostaniemy. A gdy już tam będziemy, prawie na pewno zaskoczą nas nowe znaleziska.

GEORGE W. HARPER

Przełożył Piotr Lewiński