Где в Солнечной системе присутствует жидкая вода и какие данные подтверждают её наличие? Как эти океаны существуют в условиях космической стужи? Возможно ли обнаружение внеземного моря в течение нескольких минут, как утверждают недавние заявления американских исследователей? Naked Science представляет обзор одного из наиболее многообещающих подходов к поиску внеземной жизни.
Под ледяными покровами некоторых лун планет-гигантов располагаются обширные океаны. К ним, как минимум, относятся Энцелад, спутник Сатурна, и Европа, спутник Юпитера.
«По результатам проведенных исследований мы с высокой степенью уверенности можем утверждать, что под ледяной поверхностью двух спутников планет-гигантов существуют океаны, поскольку зафиксированы выбросы воды. Речь идет об Энцеладе, где такие выбросы неоднократно наблюдались, и об Европе, где их дважды зафиксировали с помощью телескопа «Хаббл». Существование океанов, скрытых под слоем льда у этих двух спутников, Энцелада и Европы, не вызывает сомнений», — отмечает Владимир Сурдин, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга и доцент МГУ имени М. В. Ломоносова.
На Европе и Энцеладе наличие жидкой воды в сочетании с органическими соединениями делает эти объекты наиболее вероятными кандидатами для внеземной жизни во всей Солнечной системе. Альтернативой могут служить другие ледяные луны, такие как Титан, богатый сложными органическими веществами. Однако, в отношении Титана и нескольких других спутников пока нет достаточных данных, чтобы подтвердить наличие подледных океанов.
Недавно специалисты из ряда американских научно-исследовательских учреждений разработали новый метод поиска внеземных океанов. Исследователи утверждают, что межпланетному зонду хватит для этого 12 минут. Авторы нацеливались на Тритон, далекий и загадочный спутник Нептуна. Но их детище подойдет и для изучения куда более доступных лун Юпитера и Сатурна.
На лицо холодные, жидкие внутри
Вода – одно из наиболее распространенных веществ во Вселенной, и наша Солнечная система не является исключением. Значительная часть спутников планет-гигантов образована льдом, то есть замерзшей водой. Например, температура на поверхности Ганимеда, спутника Юпитера, не превышает −110 градусов Цельсия. В системе Сатурна условия еще более суровые. Это связано с тем, что планеты-гиганты находятся на значительном удалении от Солнца.
Существует и другой источник тепла, способный, в прямом смысле, растопить ледяную массу. Речь идет о водной мантии. Причиной этого «нагрева» являются приливные силы.
Приливные силы возникают вследствие того, что на одно полушарие ледяной луны оказывается большее притяжение со стороны планеты (или соседнего спутника, чем на другое. Это объясняется тем, что полушарие, которое обращено к притягивающему объекту, находится немного ближе к нему, чем противоположное. Разница в силе притяжения приводит к деформации небесного тела, формированию приливного горба. Этот горб аналогичен водному выступу на поверхности Мирового океана, который вызван притяжением Луны – именно оно и является причиной приливов. А где происходит деформация, там возникает трение. И где есть трение, там выделяется тепло.
Несмотря на это, тепла хватает лишь для того, чтобы вода не превратилась в лед. Согласно расчетам специалистов по планетам, ее температура немного ниже нуля градусов, однако ситуацию спасают растворенные минеральные соли, а также, возможно, другие природные вещества, обладающие свойствами антифриза.
Жизнь бьет фонтаном?
Наибольшие сомнения вызывает возможность существования жидкой воды на спутнике Сатурна Энцеладе. В районе южного полюса этого небесного тела постоянно наблюдаются мощные гейзерные выбросы. Однако, в этой жидкости невозможно сварить пищу. Жидкая вода, поднимающаяся на поверхность, быстро превращается в пар не из-за высокой температуры, а из-за низкого давления. Под действием давления пара струя выбрасывается в космическое пространство, где мгновенно замерзает, образуя ледяные частицы. Подавляющая их часть возвращается на Энцелад, создавая необычный град. Но отдельные ледяные фрагменты остаются в космосе и служат компонентом одного из колец Сатурна (кольцо Е).
Аппарат «Кассини», изучавший систему Сатурна в период с 2004 по 2017 год, сделал впечатляющие снимки активности Энцелада. Помимо съемки гейзеров с удаленного расстояния, зонд проникал непосредственно в эти шлейфы, чтобы установить их состав.
«По словам Сурдина, анализ состава воды, выбрасываемой гейзерами Энцелада, выявил наличие минеральных веществ, которые, хотя и не являются типичными, указывают на возможное присутствие черных курильщиков на дне океана. Черные курильщики – это источники подземных вод, насыщенных растворенными минералами. Это явление похоже на оазисы в глубинах наших океанов, где и создаются благоприятные условия для развития жизни.
«Аппарат «Кассини» зафиксировал в выбросах Энцелада не только минералы, но и сложные органические соединения. Наиболее интересными молекулы имели массу более 200 атомных единиц. Это больше, чем у глюкозы или кофеина.
Увы, инструменты «Кассини» не позволяли проводить детальный анализ органических соединений и не были разработаны для поиска признаков жизни. Запуск подобного оборудования для орбитального аппарата не предполагался. Возможно, выбросы Энцелада содержат внеземные бактерии, однако выяснить это удастся лишь с помощью нового зонда, предназначенного для исследования гейзеров.
Впрочем, исследователи, как правило, отличаются придирчивостью и всегда способны поставить под сомнение самые радужные прогнозы. Согласно некоторым моделям, резервуары с жидкой водой на Энцеладе не существуют постоянно, а возникают эпизодически и существуют относительно недолго в геологических масштабах времени. В таком случае, говорить о наличии жизни на этом спутнике не приходится. Однако другие исследователи считают подледный океан Энцелада вечным.
Жить в Европе
Похоже, на Европе, спутнике Юпитера, также наблюдаются гейзеры. «Хаббл» неоднократно зафиксировал их»: первая публикация вышла в 2014 году, вторая — в 2016 году, а год спустя были обнародованы итоги новых наблюдений. Несмотря на это, все представленные сведения были получены при максимальной нагрузке на телескоп. Поэтому возникли сомнения, и некоторые специалисты поставили под вопрос заключение о наличии гейзеров.
Существуют также иные доказательства. В 1997 году зонд «Галилео» приблизился к поверхности Европы на расстояние всего в 200 километров. В этот момент он пересек магнитную аномалию. Аналогичные явления, когда вещество ионизируется космическим излучением, приводят к образованию гейзеров над поверхностью Энцелада.
А в 2016 году телескоп Keck засек над поверхностью Европы огромный выброс водяного пара. Наблюдения велись в инфракрасных лучах, а пар оставляет в этом диапазоне четкий спектральный след.
Наличие океана под ледяной поверхностью Европы подтверждается и самой структурой этого ледяного покрова. В отличие от других ледяных лун, испещренных метеоритными кратерами, поверхность Европы ровная, подобно бильярдному шару. Не исключено, что силы НАТО проявляют такую тщательность в защите Европы, что перехватывают летящие к ней метеороиды (хотя, видимо, командование перепутало, о какой Европе идет речь, и с кем имеет дело?). Однако, если отбросить шутки, отсутствие кратеров может быть вызвано лишь одним: регулярным обновлением ледяного слоя некоторым моделям, подобно движению океанической коры на Земле, на Европе лед перемещается: в зонах, схожих с «зонами субдукции», он погружается в мантию и тает, а в структурах, аналогичных «срединно-океаническим хребтам», образуются новые массивы льда.
В разломах «европейской» ледяной оболочки обнаружена органика. Существует вероятность, что она проникла туда из подледного океана. Безусловно, расстояние между органикой и жизнью может быть огромным. Однако, надеяться на позитивный исход никто не помешает.
В 2030 году к Европе должен прибыть зонд NASA Europa Clipper (который пока еще не запущен). Через год его примеру последует и европейский аппарат JUICE, предназначенный для исследования Европы, Ганимеда и Каллисто. Оба зонда будут работать на орбите, не имея посадочных модулей. Однако даже наблюдение с орбиты позволит достаточно хорошо изучить таинственную ледяную луну.
Титанические надежды
Существует еще один кандидат на обладание водной мантией — спутник Сатурна Титан. Ранее аппарат «Кассини измерил его гравитационное поле. Выяснилось, что притяжение Сатурна создает на Титане неприлично высокий приливной горб: около десяти метров. Это вдесятеро больше, чем можно было бы ожидать от полностью твердой луны. А поскольку Титан более чем наполовину состоит из водяного льда, естественно предположить, что его внутренняя жидкость — тоже вода, а не что-либо иное.
Титан представляет собой уникальный объект, по сути, химический завод, производящий органические соединения. Его атмосфера, являющаяся единственной среди спутников с плотным газовым покровом, содержит около двух процентов метана. На поверхности Титана находятся моря и озёра, заполненные жидким метаном и этаном. В верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения формируются сложные органические молекулы, включая бензол и цианоацетилен, которые оседают на поверхность, образуя сугробы органического снега. Если на этом предприятии, достойном имени Бутлерова, существует подлёдный океан, возможно ли найти более подходящее место для возникновения жизни?
Притяжение влаги
Существует и другой метод выявления подледного океана. Соленая вода обладает свойством проводимости. Следовательно, прохождение спутника через магнитное поле планеты вызывает в водной мантии электрический ток. Этот ток генерирует собственное магнитное поле спутника, которое можно зафиксировать.
Магнитные данные свидетельствуют о наличии подледных океанов на Энцеладе и Европе. Также они указывают на возможность существования подобных океанов у двух других спутников Юпитера: Ганимеда и Каллисто.
Проведение таких измерений сопряжено с определенными сложностями. Прежде всего, магнитное поле спутника значительно слабее фонового магнитного поля газового гиганта. Кроме того, вклад в магнитное поле луны вносит и ее атмосфера (точнее, ионосфера), даже несмотря на ее крайне низкую плотность. Это связано с тем, что ионосфера состоит из заряженных частиц, и их движение представляет собой электрический ток, который генерирует магнитное поле. Наряду с этим, необходимо учитывать приборный шум, кратковременность измерений, ограниченность траектории зонда в пространстве и другие возникающие трудности.
На острие трезубца
Американские ученые попытались найти решение этой сложной проблемы. Специалисты решили выполнить наиболее сложную задачу: обнаружить подледный океан на спутнике Нептуна, Тритоне, в рамках будущей миссии Trident («Трезубец»).
На данный момент лишь «Вояджер-2» посещал систему Нептуна. В 1989 году, во время сближения с Тритоном, он зафиксировал объекты, напоминающие действующие гейзеры. Однако короткого обзора, предоставленного зондом, оказалось недостаточно для однозначных выводов о наличии подледникового океана.
Проект «Трайдент» разрабатывался для исследования Тритона. Учитывая ограниченность наших знаний о системе Нептуна, было решено использовать пролетную траекторию: попытки вывести зонд на стабильную орбиту вокруг Нептуна представлялись нецелесообразными. В результате, у аппаратуры было бы всего 12 минут для изучения магнитного поля спутника.
По мнению авторов недавнего исследования, имеющихся данных вполне достаточно. Для этого они создали 13 тысяч моделей магнитного поля, которое потенциально могло возникнуть благодаря океану, ионосфере или их совместному воздействию. Сравнивая результаты наблюдений с этими моделями, можно определить наиболее вероятный сценарий. Безусловно, выбор оптимальной модели требует сложных вычислений, однако мы не будем вдаваться в математические подробности.
Проект «Трайдент» оказался неудачным, не был реализован. Миссия претендовала на финансирование в рамках программы NASA Discovery. В феврале 2020 года эта концепция дошла до финального этапа конкурса вместе с тремя другими. И, несмотря на то, что Боливар финансирования мог поддержать двоих, четверо были для него непосильной ношей. В июне 2021 года проекты Trident и миссия к спутнику Юпитера Ио не получили финансирование, а счастливые билеты вытянули зонды для исследования Венеры: DAVINCI+ и VERITAS.
Решение экспертов вполне объяснимо. Перелет к Венере занимает всего около полугода. К тому же, устройство сможет выйти на орбиту вокруг этой планеты и проводить ее изучение в течение многих лет. По сравнению с Марсом она изучена недостаточно хорошо, поэтому можно ожидать значительного количества новых данных. Это выглядит гораздо привлекательнее, чем 13 лет полета ради нескольких минут сближения со спутником Нептуна.
Таким образом, человечество лишилось возможности изучить «гейзерный» район Тритона, зафиксированный аппаратом «Вояджер-2». Освещенность этого спутника меняется в соответствии с годовым циклом Нептуна, который длится 165 земных лет. Если аппарат («Трайдент» или другой) не достигнет Тритона до 2040 года, район гейзерной активности уйдет в тень на следующие сто лет.
Окна для миссий к Нептуну возникают нерегулярно, поскольку для их появления необходимо определенное взаимное расположение Юпитера и других планет. Следующие возможности ожидаются в октябре 2025 и 2026 годов. Если человечество не воспользуется этими шансами (что, судя по всему, и происходит), следующий старт придется отложить до 2039 года. Полет к Нептуну займет еще 13 лет, поэтому достичь его к 2040 году не удастся никому.
Авторы заявляют, что их метод поиска океанов может быть применен к любой ледяной луне, которых достаточно и за пределами Нептуна. Ожидается, что в ближайшие десятилетия основное внимание будет сосредоточено на системе Юпитера благодаря проектам Europa Clipper и JUICE. Затем, возможно, наступит очередь Сатурна: запланирован запуск масштабной миссии Dragonfly в 2027 году. Этот аппарат, названный «Стрекоза», предназначен для полетов в атмосфере Титана. Рассматриваются и проекты, связанные с исследованием Урана. Стоит отметить, что особенности рельефа на всех пяти крупных лунах этой планеты – Миранде, Ариэле, Умбриэле, Титании и Обероне – также указывают на периодическое обновление ледяного покрова.