Европа и Энцелад: водная жизнь?

европа и энцелад

Европа (слева) и Энцелад

Возможно, через 100 лет люди будут задаваться вопросом, почему астробиологи начали поиски жизни в Солнечной системе с пыльного, мертвого Марса, а не с соленых океанов жидкой воды, спрятанных под поверхностью закованных льдом спутников Юпитера и Сатурна. Подождите минутку, скажете вы. Получается, мы ковырялись в марсианском реголите, искали редкие капельки влаги, в то время как во внешней Солнечной системе существуют обширные океаны на спутниках? Ну да… И вы имеете полное право спросить, почему мы так долго туда добирались. Хотя надо заметить, что вы не одиноки в своем негодовании, поскольку есть множество ученых-планетологов, которые уже много лет отстаивают гипотезу об обитаемости спутников Юпитера.

Галилеевы спутники

Одно из самых увлекательных астрономических впечатлений для любого наблюдателя ночного неба — взрослого или юного — это смотреть, как гигантская планета Юпитер величественно движется по Солнечной системе. Если небо темное и время выбрано удачно, рядом с Юпитером можно даже в небольшой телескоп увидеть четыре слабые звездочки, растянувшиеся вереницей одна за другой. Эти объекты впервые заметил Галилей в январе 1610 г. Его телескоп был недостаточно мощным, и поэтому Галилей мог разглядеть только их расположение. Но за два месяца внимательных наблюдений он заметил, что они обращаются вокруг Юпитера. Выводы, которые Галилей опубликовал в своем сочинении «Звездный вестник» (Starry Messenger), вышедшем в 1610 г., были поразительны: у Юпитера существовало четыре спутника. Эти выводы бросали дерзкий вызов существовавшей в то время астрономической (и теологической) доктрине: спутники преспокойно обращались вокруг Юпитера, а не Земли. Хотя Галилей назвал вновь открытые миры Звездами Козимо в честь своего покровителя Козимо Медичи, это название со временем уступило место другим наименованиям, предложенным Кеплером: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. В будущем этим четырем спутникам была уготована важная роль как в науке, так и в человеческом воображении.
 
Когда же мы ближе познакомились со спутниками Галилея? Наши первые мимолетные встречи произошли в 1970-х гг., когда сначала «Пионер-10» и «Пионер-11», а потом «Вояджер-1» и «Вояджер-2» на огромной скорости пронеслись мимо Юпитера и его спутников. И вынужденный выбор траекторий, и сделанные мимоходом снимки Галилеевых спутников лишь еще больше раздразнили аппетиты ученых. Зонды «Пионер» пролетели на относительно большом расстоянии от спутников и передали только снимки низкого разрешения — загадочные изображения, которые почти не отличались от снимков, сделанных телескопами с Земли. Зондам «Вояджер» удалось пролететь на близком расстоянии от Ио и Европы. На снимках «Вояджера» Ио предстает молодым и беспокойным вулканическим миром, чья каменистая поверхность покрыта богатыми серой лавовыми полями. В первый раз мы увидали султан вулканического выброса газов, сфотографированный у самого лимба планеты на фоне темного неба, — свидетельство того, что вулканы существуют не только на Земле. По сравнению с Ио, кипящей, как огненный котел, Европа — ее полная противоположность. Поверхность этого спутника покрыта гладкой ровной коркой из водного льда, под которым расположена внутренняя часть, состоящая из твердых пород.
 
За орбитой Европы располагаются Ганимед и Каллисто — гиганты спутниковой системы Юпитера. Ганимед — крупнейший спутник во всей Солнечной системе, размерами немного превышающий планету Меркурий, хотя стоит отметить, что его масса составляет менее 50 % массы Меркурия, поскольку он почти наполовину состоит из водяного льда. Каллисто часто несправедливо именовали «скучной луной» среди Галилеевых спутников. Чуть меньше по размерам и менее массивная, чем Ганимед, имеющая больше кратеров и меньше следов преобразования поверхности, Каллисто полностью соответствует нашим представлениям о системе спутников Юпитера: чем дальше вы удаляетесь от Юпитера, тем более неизменными и застывшими выглядят его спутники.
 
На каждом из ледяных спутников — Европе, Ганимеде и Каллисто — можно видеть розовато-коричневатый слой пыли. Из какого вещества состоит эта пыль, до сих пор неясно. Возможно, это соли и минералы, которые попадают на поверхность со льдом, поднимающимся через трещины. Это могут быть небольшие крупинки органической материи, занесенные на поверхность Европы с вулканической пылью. Это может быть и то и другое одновременно либо что-то третье. Астрономы рассматривали ее очень внимательно, но материал не имеет четких спектральных признаков, что полностью соответствует обоим приведенным выше объяснениям. Так что пока мы не попадем туда и не соберем немного пыли для анализа, мы, скорее всего, не получим убедительного ответа на этот вопрос.

Ловкость рук

Возможно, вы обратили внимание на то, что я лишь бегло коснулся вопроса о загадочных наблюдениях. Почему поверхность Европы такая гладкая? Даже сегодня Солнечная система завалена крохотными обломками, которые мы называем кометами и астероидами — остатками тех давно минувших дней, когда зарождались планеты. Обломки эти постоянно падают на поверхность лишенных атмосферы миров, и с течением времени на каждой планете появляется все больше и больше кратеров в местах падений. Единственный способ стереть эти кратеры — создать новую поверхность (в случае Ио — путем активного вулканизма и распространения лавовых полей). Но почему в таком случае Европа обладает молодой, не испещренной кратерами поверхностью, возраст которой составляет каких-то 50 млн лет — просто мгновение для большинства обитателей Солнечной системы? Даже на снимках, сделанных во время непродолжительного пролета «Пионера» и «Вояджера», астрономы и планетологи могли видеть, что, хотя на поверхности нет заметных кратеров, она покрыта трещинами и неровностями, вызванными, по всей видимости, воздействием геологических сил.
 
Но слово «геология» не совсем подходит для данных условий. Для описания ледяного аналога Земли, где вода играет такую же геологическую роль, как и горные породы, правильнее бы было применять термин «криогеология». При таком подходе Европа представляется криогеологическим миром, где водяной лед заменяет твердые горные породы, образующие поверхность планеты, а подо льдом находится «магма», состоящая либо из более теплого льда, либо из жидкой воды. Поверхность планеты преобразуется в результате действия тектонических сил и подъема воды по трещинам. Это была удивительная гипотеза, и в конечном итоге она оказалась правильной. Предположение о существовании на Европе воды в жидкой форме, нашедшее подтверждение в ходе последующих экспедиций к Галилеевым спутникам, сразу ставит вопрос о предпосылках возникновения жизни.

Новый Галилей

В 1989 г. был дан старт дерзкой экспедиции во внешнюю Солнечную систему. «Галилео» стал первым автоматическим зондом, вышедшим на орбиту Юпитера. Этому предшествовал долгий и извилистый путь через внутреннюю Солнечную систему, длившийся шесть лет. Накопив гравитационную энергию, зонд миновал пояс астероидов и устремился к своей цели. Траектория «Галилео» получила название VEEGA. Как и в случае с траекториями «Вояджеров», каждое сближение с планетами увеличивало скорость космического аппарата за счет бесконечно малого количества орбитальной энергии каждой планеты.
Космическому аппарату «Галилео» выпал, вероятно, самый интересный в научном плане начальный этап миссии за всю нашу короткую историю исследования планет Солнечной системы. По завету Карла Сагана, «Галилео» включил находящиеся у него на борту приборы во время гравитационного маневра рядом с Землей в 1990 г. и выполнил ряд наблюдений, которые можно назвать первым астробиологическим обследованием Земли с целью обнаружения жизни.
 
Далее путь экспедиции «Галилео» проходил через пояс астероидов, где космический зонд обнаружил астероид, обладающий собственным спутником, — было замечено, что крошечный каменный астероид Дактиль обращался вокруг другого каменного астероида, Иды, немного превосходящего его размерами. Это открытие, а также полученные аппаратом снимки общего плана столкновения кометы Шумейкера — Леви с Юпитером, сделанные в 1994 г., позволяют говорить, что миссия «Галилео» стала успешной еще до того, как аппарат прибыл к Юпитеру в декабре 1995 г.
 
Ближе, ближе, ближе к делу

«Галилео» нес на борту спускаемый зонд, который должен был отделиться от основного аппарата и совершить ультразвуковой прыжок в неизвестные глубины юпитерианской атмосферы. Зонд отделился от «Галилео» в июле 1995 г., а 7 декабря началась стадия снижения. Вход в атмосферу происходил на сумасшедшей скорости — 47 км/с (приблизительно 170 000 км/ч). Однако за первые две минуты вхождения аппарата в атмосферу планеты сопротивление ее верхних слоев уменьшило его скорость до нескольких сотен метров в секунду. При этом спускаемый аппарат испытывал почти запредельные, достигавшие 230 g перегрузки, а примерно половина теплозащитного экрана, весившего 150 кг, полностью сгорела и испарилась.
 
На этом этапе миссия едва не закончилось катастрофой. Предполагалось, что спускаемый аппарат выпустит парашют, который должен был затормозить зонд до скорости 160 км/ч, что позволило бы приступить к измерениям параметров атмосферы. Но парашют раскрылся на минуту позже, чем планировалось, заставив ученых изрядно понервничать. Вообще-то парашют мог и вовсе не сработать, поскольку акселерометр, который должен был активировать открытие парашюта, был установлен задом наперед, и что именно заставило парашют в конечном итоге открыться, остается загадкой. После открытия парашюта зонд спустился еще на 156 км в атмосферу Юпитера. В течение часа он передавал на Землю данные телеметрии, которые дают нам картину химически разнообразного, неспокойного, пребывающего в постоянном движении мира.
В конце концов зонд погрузился во внутренние области атмосферы и разрушился под воздействием высокой температуры и давления: сначала расплавился парашют, затем началось свободное падение в глубины планеты. Поскольку у Юпитера нет твердой поверхности, части аппарата одна за другой постепенно плавились и испарялись, пока наконец его отдельные атомы не смешались со слоем жидкого металлического водорода в ядре Юпитера.
 
Юпитер по курсу!

«Галилео» вышел на орбиту Юпитера 8 декабря, на следующий день после героического самопожертвования спускаемого аппарата. Хотя «Галилео» находился на орбите Юпитера, близость к Ио, Европе, Ганимеду и Каллисто позволила ему несколько раз проходить на рекордно малом расстоянии от спутников. За восемь лет «Галилео» 35 раз облетел вокруг Юпитера и 11 раз сближался с Европой (и это еще очень немного, если учесть, сколько всего нового мы узнали). Вероятно, самым важным инструментом из всех, имевшихся на борту «Галилео», был магнитометр — два набора детекторов, расположенных на 11-метровой выносной ферме, чтобы изолировать их от магнитного поля самого аппарата. Этот прибор был создан для исследования обширного магнитного поля Юпитера — второго по величине после солнечного, — которое генерируется циркуляцией металлического водорода в его внешнем ядре.
 
Однако никто не ожидал, что магнитное поле Юпитера будет в свою очередь создавать (правильнее было бы говорить «индуцировать») магнитное поле внутри самих Галилеевых спутников. Больше всех удивила Европа. Хотя она относительно велика для спутника (чуть меньше Луны), ее недра должны были давно застыть, превратившись в камень. Открытие «Галилео» было в равной степени неожиданно и эффектно: Европа обладает слабым магнитным полем. Если сопоставить следующие три факта — магнитное поле Европы меняет свое направление каждые 11 часов; Юпитер совершает оборот вокруг оси за 11 часов; и сама Европа совершает оборот вокруг своей оси за 3,55 земных суток, — то можно прийти к однозначному выводу, что магнитное поле не присуще самой Европе, а индуцировано Юпитером. Это означает, что на Европе есть слой с хорошей электропроводностью. В случае планет таким электропроводным слоем может быть жидкое металлическое ядро. Но что может служить проводником на Европе, на что оказывает воздействие магнитное поле Юпитера? Оказалось, что там есть жидкая вода.
 
Гладкая ледяная кора Европы стала первым намеком, заставившим ученых заподозрить наличие на спутнике невидимых резервуаров жидкой воды, которые могут играть важную роль в формировании поверхности планеты. Измерения, выполненные с помощью магнитометра «Галилео», предоставили ученым беспрецедентную возможность заглянуть под ледяную кору и обнаружить там глобальный океан глубиной до 100 км. Более того, ученым известно, что вода, не содержащая примесей, относительно плохо проводит электрический ток, и для генерации магнитного поля наблюдаемой величины необходимо, чтобы вода была соленой. В свою очередь, соленость океана зависит от типа растворенных в воде солей. У нас есть все основания полагать, что океан на Европе такой же соленый, как на Земле, или даже более того.
 
О каком количестве жидкой воды мы говорим, когда речь идет о Европе? Если ее океан действительно такой глубокий, как показывают измерения магнитометра «Галилео», общий объем воды на Европе приблизительно в два раза больше, чем на Земле. Удивительно сознавать, что один небольшой спутник, меньший, чем Луна, содержит больше воды, чем вся наша планета. Если какое-либо открытие и должно заставить нас задуматься, так это то, что это ледяное тело и его дальние родственники, обращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна, возможно, содержат главные запасы жидкой воды в Солнечной системе.
 
Но, прежде чем мы начнем рассуждать о перспективах существования жизни на этих спутниках, полагаю, нам стоило бы остановиться и проверить, не помутился ли наш разум. Мы знаем, что поверхность Европы состоит из воды — мы можем судить об этом на основании отчетливых линий поглощения, свойственных воде в спектре отраженного солнечного света. Однако средняя температура на поверхности Европы на экваторе составляет –160 °C, а на полюсах и вовсе –220 °C. Как может на Европе образовываться жидкая вода — не забудьте, что для этого нужна температура между 0 и 100 °C при «нормальном» давлении? Откуда берется энергия, чтобы произвести это тепло в ледяных глубинах внешней Солнечной системы?
 
Приливы, резонанс и энергия

В наше время, когда мы стремимся максимально использовать возобновляемые источники энергии, задумывались ли вы когда-нибудь, откуда берется энергия приливов? Приливы возникают потому, что гравитационное воздействие, которое оказывают на Землю Луна и Солнце, немного больше на обращенной к ним стороне планеты. Это, в свою очередь, вызывает еле заметную деформацию Земли, и она принимает форму эллипсоида. Поскольку вода пластичнее камня, водная оболочка вытягивается немного сильнее. Два прилива, которые мы наблюдаем каждый день, связаны с тем, что вращение Земли буквально заносит нас под ближайший к Луне и противоположный от нее горб океанской воды, которые следуют за движением Луны вокруг Земли.
 
Энергия, за счет которой образуются приливные горбы, — гравитационная, она возникает за счет движения Земли по орбите вокруг Солнца и движения Луны по орбите вокруг Земли. В результате радиусы орбит и Земли вокруг Солнца, и Луны вокруг Земли с течением времени увеличиваются на очень малую величину. Так что электрическая энергия, которой вы пользуетесь у себя дома и которая генерируется приливной электростанцией (если, скажем, вы живете рядом с устьем реки Ранс во Франции), в конечном итоге образуется за счет движения Земли и Луны.
 
Но какое отношение это имеет к Юпитеру и Галилеевым спутникам? В данном случае мы наблюдаем абсолютно тот же самый эффект: энергия приливов разогревает недра всех спутников. Ио, Европа и в меньшей степени Ганимед и Каллисто деформируются под воздействием гравитационного поля Юпитера. Существенное различие заключается в том, что орбиты Галилеевых спутников гораздо более вытянуты, чем орбита Луны. Это приводит к тому, что в каких-то точках своей орбиты они находятся ближе к Юпитеру, а в каких-то — дальше. Возникающие вследствие этого приливные деформации заставляют Ио сплющиваться и растягиваться, так что значение его экваториального диаметра изменяется почти на 100 м в течение тех 42 часов, за которые спутник совершает оборот вокруг Юпитера.
 
Чтобы проиллюстрировать этот процесс более наглядно, вообразите себе мяч для игры в сквош. Перед началом матча игроки специально сжимают мяч, чтобы увеличить его упругость. Энергия, затраченная на деформацию мяча, создает тепло, возникающее от трения между молекулами, входящими в состав резины. Точно так же периодическая деформация Галилеевых спутников Юпитера приводит к разогреву их твердых ядер. Но есть еще один момент, исключительно важный для поддержания приливного эффекта.
 
В системе, где у планеты есть один-единственный спутник, его орбита быстро становится круговой, поскольку гравитационные взаимодействия ее выравнивают. Но Галилеевы спутники находятся в орбитальном резонансе, и это означает, что под воздействием гравитационных сил их орбиты синхронизировались: за то время, что Ио совершает четыре оборота, Европа совершает два, а Ганимед — всего один. Время от времени эти небесные тела сближаются друг с другом, находясь в определенных точках своих орбит, и в этот момент система получает небольшой гравитационный толчок, благодаря которому сохраняется эллиптическая форма их орбит.
 
Откуда берется энергия? Как и Земля, Юпитер под действием приливных явлений замедляет вращение вокруг своей оси, а радиусы орбит Галилеевых спутников, как и орбита Луны, очень медленно увеличиваются. На что эта энергия расходуется? На работу приливных сил, которые разогревают недра Ио. В среднем на 1 м2 поверхности Ио выделяется такое же количество теплоты, что и во всем Йеллоустонском национальном парке. Фактически Ио — горячая вулканическая зона размером с целый спутник.
 
Приливная энергия разогревает этот огненный котел, равно как и недра Европы и Ганимеда. Убывание геологической активности на спутниках с увеличением радиуса их орбит можно объяснить с помощью расчетов их приливных взаимодействий: величина силы тяготения, вызывающей приливы, уменьшается по мере увеличения расстояния до Юпитера. Каждый следующий спутник в свою очередь испытывает все меньший нагрев от приливных воздействий, и на его поверхности остается меньше следов внутренней геологической активности. Мы уже видели, что на Ио внутреннее трение превратило весь спутник в одну горячую зону, так что в таком случае мы можем ожидать на Европе? По всей видимости, тепловой энергии, сгенерированной приливным трением, на Европе достаточно, чтобы согреть целый океан, занимающий всю поверхность спутника. И только его внешние слои, наиболее удаленные от горячего ядра, лютый холод межпланетного пространства сковал толстым ледяным панцирем. Но, если на Ио приливной вулканизм провоцирует непрекращающуюся вулканическую деятельность, должны ли мы ожидать, что подобное же явление в немного смягченной форме присутствует на Европе? Можно ли предсказать там наличие подводных вулканов, разогреваемых гравитационной хваткой Юпитера, и какое это имеет значение для возможности существования жизни на этом удаленном спутнике?
 
Пламя в пучине

Вечером 15 февраля 1977 г. исследовательское судно «Кнорр» находилось в Тихом океане, приблизительно на полпути от побережья Эквадора до Галапагосских островов. Ученые на его борту стояли на пороге одного из самых важных открытий, имеющих отношение к жизни на Земле. Под ними на глубине 2,5 км под водой автоматический глубоководный аппарат ANGUS осторожно перемещался у самого дна океана.
Геологи и океанографы надеялись отыскать глубоководный гидротермальный источник — место, где океанская вода проникает в океаническую кору, нагревается мантийным теплом, а затем выбрасывается на поверхность в виде струй перегретой воды. Хотя ранее предполагалось наличие таких образований в вулканически активных областях срединно-океанических хребтов, у ученых имелись только косвенные свидетельства их существования. Поздно вечером глубоководный аппарат передал данные об аномально высокой температуре в зоне абиссальных глубин. С первыми лучами солнца ANGUS спешно подняли на поверхность, и пленки с сериями по 300 кадров, сделанными во время 16-километрового ночного путешествия, были проявлены и изучены. Боб Баллард, участник многих океанографических экспедиций, в своей статье, опубликованной вскоре после этих событий, рассказывает, что было дальше: «На фотографии, сделанной всего за несколько секунд до температурной аномалии, видно лишь голую, свежую по виду лаву, но на следующих 13 кадрах (в течение которых продолжалась аномалия) потоки лавы усыпаны сотнями белых двустворчатых моллюсков. Это скопление — мне никогда раньше не случалось видеть такого количества моллюсков на большой глубине — быстро появилось из облака мутной синей воды и тут же исчезло из виду. На оставшихся 1500 фотографий дно опять было совершенно безжизненно».
 
В последующие два дня ученые предприняли несколько погружений на глубоководном обитаемом аппарате «Алвин», чтобы увидеть это место своими глазами. Сквозь трещины в морском дне к поверхности поднимались бурлящие струи черной воды. Вокруг этих поднимающихся вверх колонн воды рассыпано удивительное многообразие глубоководной жизни, прекрасно себя чувствующей там, где, в соответствии с догматами науки, должна быть безжизненная пустыня. Несомненно, в этот момент члены экспедиции пожалели, что среди них нет биологов. Через два года была организована биологическая экспедиция к глубоководному гидротермальному источнику. Именно там, столкнувшись с совершенно нам чуждой, хоть и, безусловно, земной окружающей средой, биологи начали понимать, насколько важны окажутся в будущем эти уникальные экосистемы. Хольгер Яннаш, участник экспедиции 1979 г., одним из первых сформулировал главные выводы из этого открытия: «Нас ошеломила мысль, что солнечная энергия, которая так важна для существования жизни на нашей планете, может быть заменена энергией земной — бактерии-хемолитотрофы выполняют функцию зеленых растений. Это совершенно новая концепция и, на мой взгляд, одно из главных биологических открытий XX в.».
 
Экстремофильные бактерии, обитающие в стенках гидротермальных источников, живут за счет химических реакций, извлекая энергию — в данном случае геохимическую, а не солнечную — из растворенных в горячей воде минералов. Бактериями питаются крохотные креветки, огромные двустворчатые моллюски и гигантские кроваво-красные кольчатые черви, а их, в свою очередь, поедают более крупные хищники, крабы и рыбы, обитающие на периферии, — и все это при полном отсутствии солнечного света. Тонкая нить, связывающая жизнь на Земле с энергией Солнца, была обрублена с открытием этой процветающей, абсолютно чуждой нам экосистемы — и после этого открытия астробиология никогда больше не будет прежней.
 
Потрясенные ученые сразу же обратили свои взоры на ледяные спутники Юпитера, где соленые океаны Европы приобрели новый смысл. Наличие в океанах Европы растворенных минеральных солей означает, что вода находится в постоянном контакте с горячими недрами спутника. Всесильный второй закон термодинамики требует, чтобы тепло, возникающее в результате приливного трения в ядре Европы, передавалось наружу, к ее холодной поверхности. Открытие гидротермальных источников показало, как может выглядеть геологическое взаимодействие между магматическими породами и океанами. Могут ли глубоководные биологические системы, подобные тем, что мы знаем на Земле, существовать вблизи гидротермальных источников Европы? Какие невообразимые обитатели глубин могут населять океаны этого далекого спутника?
 
Трудно переоценить, до какой степени открытие глубоководных гидротермальных источников на Земле изменило наши взгляды на возможность существования жизни во внешней Солнечной системе. Однако я бы хотел немного подробнее остановиться на этих фантастических мирах и обсудить с вами еще несколько открытий.
 
В 1979 г. высокие конические трубы, состоящие из минеральных отложений, были обнаружены на 21° с. ш., рядом c Калифорнийским заливом. И снова ученые, находящиеся в глубоководном аппарате «Алвин», с изумлением наблюдали, как из этих труб вырываются клубы чернильно-черной воды, похожей на дым из фабричных труб на заре индустриального мира. При контакте с водой, близкой к температуре замерзания, растворенные в перегретой воде минералы осаждаются, окрашивая воду в черный цвет. Когда ученые в первый раз поднесли термометр к вырывающейся из трубы струе, он просто расплавился, и только после того, как прибор был оснащен дополнительной термозащитой, удалось измерить температуру воды, оказавшуюся равной 350 °C. Представьте изумление ученых, которые в 1997 г. обнаружили в другом гидротермальном источнике вид архей под названием Pyrolobus fumarii, которые прекрасно себя чувствовали при температуре 113 °C. Высота самых больших из известных нам труб составляет около 61 м, и каждая из них ставит под сомнение наши прежние представления о происхождении жизни на Земле и возможности ее существования за пределами нашей планеты.
 
Подо льдом

Одно дело — воображать себе разнообразие инопланетной жизни, обитающей в океанах Европы. Совсем другое (и это еще мягко сказано) — проникнуть под ледяной панцирь, толщина которого может достигать 30 км. Но на Земле есть места, где мы можем потренироваться, прежде чем браться за эту задачу.
 
Приходилось ли вам когда-нибудь летать над бескрайними снежными пустынями Антарктиды на оснащенном радаром самолете С-130 «Геркулес»? Мне тоже не приходилось. Подозреваю, что, как и во многих других научных экспедициях, моменты, когда от красоты захватывает дух, перемежаются длинными периодами невыносимой скуки. В середине 1970-х гг. мы стали свидетелями одного из примеров научной самоотверженности, когда для сбора научных данных было проведено несколько сот полетов над континентом. Во время каждого рейса установленная под крылом самолета радарная система излучала направленные вниз радиоволны на частоте 60 МГц. В результате была получена трехмерная карта Антарктиды: радиолучи проникали глубоко под ледяной панцирь, позволяя составить представление о строении континента.
Холодный лед относительно прозрачен для радиоволн, за исключением границ разделов в слоях льда, где часть радиоизлучения отражается обратно к поверхности. Тщательный выбор временных параметров сигнала позволяет определить глубину пролегания каждой границы. Древний пласт льда выглядит как волнистые слои, похожие на покоробленные годовые кольца деревьев. Каменистое основание континента образует нечеткий слой. Подледные озера — большие объемы пресной воды, заключенные под постоянным ледяным покровом — дают ровное, гладкое как зеркало эхо радиосигнала.
 
Существование таких озер предсказывалось давно: несколько километров льда создают невообразимое давление, понижающее температуру, при которой вода может существовать в жидком виде. Если форма скального основания образует котловину или выемку, то вода там может сохраниться и даже образовать довольно большое по размеру озеро. Насколько большое, показывает пример озера Восток, которое расположено на глубине 4 км под Антарктическим ледяным щитом.
 
Площадь озера Восток составляет 15 000 км2, а средняя глубина — более 400 м. Озеро Восток хоть и самое большое, но далеко не единственное подледное озеро, обнаруженное в глубинах Антарктического континента. При анализе слоев покрывающего его льда обнаружились слои, возраст которых составляет 4000 лет. Но поскольку ледяной щит Антарктиды постепенно стекает в океан и таким образом его слои обновляются, вполне может оказаться, что эти озера были изолированы от окружающего мира на протяжении значительно большего времени — до 25 млн лет. Полное отсутствие солнечного света, голые камни и лишь малая вероятность того, что в водах подледного озера могут присутствовать размытые минералы, — выжить в таких условиях действительно непростая задача.
 
Эта задача во многом похожа на ту, которую ставит перед живыми организмами Европа. И там и там подо льдом могут обнаружиться до сих пор неизвестные, но теоретически возможные уникальные экосистемы. Но даже на Земле не так просто пробурить 4 км льда и провести экологически безопасные исследования подледных вод, которые были изолированы от окружающего мира на протяжении целых геологических эпох. На каждом этапе необходимы предосторожности, но и за временем нужно следить. Неосмотрительно разбив лагерь на открытой всем ветрам ледовой равнине, вы со своей командой пытаетесь пробурить скважину горячей водой либо снабженным антифризом вращательным буром. Бесценное топливо быстро расходуется, и, когда вы дойдете до ледяных глубин, у вас останется топлива только на то, чтобы сохранить скважину в течение самое большее 48 часов.
 
Ученым удалось выполнить эту сложную и ответственную работу на двух таких озерах: американцам — на озере Уилланс, русским — на озере Восток. Что они обнаружили? Темные сумрачные миры потенциально богаты биологическим материалом, находящимся как в воде озера, так и в глубоком слое ила на дне. Первые пробы воды из этих озер были взяты в конце 2012 — начале 2013 г., и пока еще рано что-либо говорить о биохимической природе обнаруженных там живых организмов. Не исключено, что эти озера принесут не менее важные открытия, чем экосистемы гидротермальных источников. Но пока еще мы этого не знаем — определенно стоит следить за новостями.
 
Но, прежде чем вы перенесетесь мыслями из Антарктиды на Европу и задумаетесь о перспективах глубокого бурения льда на спутнике Юпитера, я вынужден буду спустить вас с небес на землю: мы даже не знаем, какова толщина ледяного покрова на Европе. На «Галилео» не было радара, способного проникать сквозь лед, подобного тому, что применялся в Антарктиде. Может быть, толщина ледяного панциря Европы составляет пару-тройку километров, а может — несколько десятков километров. Мы также не знаем о динамике этого льда. Обновляется ли он посредством механизма, подобного тектонике плит? Можно ли утверждать, что наблюдаемые нами трещины — это разрывы ледяной коры, в которых вода приближается к поверхности? Могут ли в самом ледяном панцире существовать заполненные водой полости, расположенные в относительной близости от поверхности?
 
Несмотря на теоретическую возможность обнаружить на Европе живые организмы, там есть еще очень много такого, о чем мы пока не знаем. Чтобы восполнить эти пробелы, следует отправить на Европу еще один зонд, снабженный соответствующим научным оборудованием.
 
По крайней мере одна космическая экспедиция уже «пакует снаряжение» и прибудет на Европу где-то в районе 2030 г. Проект JUICE был выбран (и что еще более важно, профинансирован) ЕКА для следующей крупной миссии по изучению Солнечной системы. Его цена составляет €900 млн, и он находится на заключительной стадии планирования. Удастся ли этой миссии раскрыть секреты, скрытые под ледяным панцирем Европы, и обнаружить новую жизнь в пределах Солнечной системы? Скорее всего, нет. Справедливости ради надо отметить, что ученые довольно сдержанны в своих ожиданиях, JUICE должен будет сделать четкие снимки поверхности спутников Юпитера и с помощью радара проникнуть под их ледяной панцирь. Основная цель миссии JUICE — это Ганимед, а не Европа, с которой аппарат сблизится всего два раза на пути к Ганимеду. Такой маршрут выбран из чисто практических соображений: чтобы вывести спутник на орбиту Ганимеда, требуется меньше горючего, чем для его вывода на орбиту Европы. Поскольку дополнительное горючее означает дополнительный взлетный вес, а вес — это деньги, приходится с этим считаться.
 
Но как же насчет Европы — ледяного спутника, где, как мы знаем, может находиться теплый океан жидкой воды? НАСА рассматривает проект «Европа клипер» — миссию к системе Юпитер — Европа, за которую зонд 32 раза пролетит рядом с Европой. Как и на JUICE, на аппарате будут установлены камера высокого разрешения и радар, способный проникать под слой льда, что позволит составить карту поверхности и глубин ледяного панциря Европы. Почему выбор пал не на орбитальную станцию с простым посадочным модулем, который определил бы состав поверхностного льда и выяснил, из чего состоит эта розовато-коричневая пыль? Ответ прост: как всегда, все упирается в презренный металл — деньги. Найти средства на новые экспедиции очень трудно, поскольку у НАСА стоит в планах создание еще одного (очередного) марсохода. Даже в урезанном варианте проект «Европа клипер» все равно обойдется в $2 млрд. А если вы захотите оснастить орбитальную станцию хотя бы простейшим спускаемым зондом, бюджет придется увеличить вдвое. Так что именно национальным космическим агентствам и научным сообществам, которые их поддерживают, приходится решать, заслуживает ли объект (в данном случае Европа) такого внимания, чтобы ради нее отказаться от других исследовательских проектов.
 
Огненная смерть «Галилео»

Хотя сам Галилео Галилей избежал смерти на костре за свои астрономические «ереси», космическому зонду, носящему его имя, повезло в значительно меньшей степени. В 2003 г., успешно выполнив программу наблюдений, которая и по сей день остается наиболее полной, космический аппарат «Галилео» был намеренно направлен в атмосферу Юпитера на умопомрачительной скорости 174 000 км/ч. Невидимый с Земли, он совершил свой последний огненный спуск, разделив судьбу спускаемого зонда, сгинувшего в глубинах юпитерианской атмосферы десятью годами ранее.
 
Почему «Галилео» приговорили к намеренному разрушению? Ответ непосредственно связан с загрязнением спутников и планет Солнечной системы в результате человеческой деятельности и нашим желанием сохранить возможные места обитания жизни в их первозданном виде. Дело в том, что перед отправкой с Земли аппарат «Галилео» не был простерилизован, а значит, мог занести на спутники Юпитера земные бактерии. Поскольку мы уже знаем, что на Европе есть обширный подледный океан, было бы большой ошибкой позволить израсходовавшему горючее «Галилео» разбиться о поверхность спутника и выпустить потрясенных и взбудораженных, но все еще живых бактериальных космических путешественников в новый мир Европы.
 
Многие бактерии могут погибнуть сразу по прибытии, поскольку они не приспособлены для жизни в таких суровых условиях (хотя и немногим лучше тех, что были в дороге). Но выжившие получат доступ в океан Европы и смогут затем свободно перемещаться в хрупкой, первозданной экосистеме, что навсегда изменит биологическую картину еще до того, как мы начнем целенаправленный поиск живых организмов. В конечном итоге риск, предположительно, был невелик, но последствия могли оказаться очень серьезными, поэтому стареющий «Галилео» отправили в последний путь. Любознательность не изменила «Галилео» до самого конца: он выполнил орбитальный маневр, приблизившись к одному из малоизученных внутренних спутников Юпитера — Амальтее, что позволило произвести точные измерения его массы, а уже потом завершил свой путь, спустившись по прощальной дуге к Юпитеру.
 
Такие бактериальные «безбилетники» — пример так называемой техногенной панспермии, и случай с «Галилео» показывает, почему ее следует избегать: будет обидно, если первым живым организмом, обнаруженным за пределами нашей планеты, окажется нелегальный иммигрант с Земли.
 
Может показаться, что опасность техногенной панспермии в значительно большей степени угрожает Марсу, чем Европе, особенно с учетом значительного количества автоматических станций, доставленных на его поверхность. Перед полетом на Марс современные космические аппараты подвергаются тщательной очистке, после которой они (уже чистенькие и продезинфицированные) считаются готовыми к отправке на Красную планету. Так ли это необходимо с учетом того, какое количество нестерилизованных космических аппаратов мы отправили туда в прошлом, а также того, что за миллиарды лет большое количество населенных бактериями земных пород были выброшены в космос в результате метеоритных ударов и в конце концов оказались на Марсе? Наверно, когда речь идет об изучении Марса, замечания агрессивного меньшинства вполне резонны. Но если вспомнить множество случаев, когда человечество оставляло грязные следы на вновь открытых землях, наверно, можно хотя бы раз позволить себе излишнюю предосторожность.
 
Теперь, когда мы осведомлены о возможности техногенной панспермии, уже не требуется особая проницательность, чтобы догадаться об опасности обратного загрязнения, т. е. занесения на Землю чужеродных жизненных форм, ставшей причиной многих бессонных ночей офицеров планетарной защиты НАСА. За все это время мы четырежды доставляли на Землю образцы материи из Солнечной системы: пробы лунного грунта, доставленные американскими астронавтами и советскими автоматическими станциями, образцы вещества кометы Вильда 2, доставленные аппаратом «Стардаст», и образцы с астероида 25143 Итокава, доставленные миссией зонда «Хаябуса».
 
Для защиты Земли от возможного загрязнения применялись различные методы: образцы горных пород, собранные миссией «Аполлона», хранились в контейнере с тремя слоями герметичной упаковки. Капсула зонда «Стардаст» была спущена на парашюте и приземлилась рядом с американской военной базой, откуда ее доставили в космический центр имени Линдона Джонсона в ходе секретной операции, напоминающей леденящие душу сцены из фильма «Штамм Андромеда». Возвращаемая капсула зонда «Хаябуса» была помещена в два пластиковых мешка, заполненных азотом. В каком-то смысле все эти предосторожности были напрасны, поскольку образцы были взяты из таких мест, где никак не ожидалось встретить какую-либо форму жизнедеятельности.
 
Но как быть со следующим поколением экспедиций по доставке образцов (с Марса и спутников Юпитера и Сатурна), которые мы хотим получить именно потому, что, по нашим оценкам, в этих местах возможно существование внеземной жизни? Первая же экспедиция по доставке потенциального биологического материала из других миров на Землю столкнется с заградительной ценой на строительство специального центра для обработки и хранения образцов, отвечающего самым высоким стандартам биобезопасности.
 
На самом деле, если вспомнить, сколько раз земные бактерии преподносили нам сюрпризы (например, пробирались в считавшиеся стерильными чистые помещения), мы даже не представляем, какие меры предосторожности нам следует принимать. Достаточно ли безопасно перевозить образцы с места посадки космического аппарата в герметичном контейнере или карантинные меры должны быть еще строже? Постройка такого центра с нуля поглотит значительную часть выделенных на экспедицию средств. Этот вопрос слишком важен, чтобы им можно было пренебречь, но при этом требует слишком много средств, чтобы их можно было безболезненно найти (по крайней мере, если речь идет о финансировании какой-то одной миссии, пусть даже и очень большой).
 
Решение напрашивается само собой. Сколько центров обработки образцов нам потребуется в ближайшем будущем с учетом наших планов исследования Солнечной системы? Вероятно, один. Есть ли различия в условиях хранения образцов, собранных на Марсе или, скажем, Европе, и надо ли учитывать их при проектировании центра? По-видимому, нет. Должны ли национальные аэрокосмические агентства совместно договориться о строительстве такого центра? Думаю, вы уже догадываетесь, каким будет мой ответ.
 
Вероятно, вы уже осознали, что, даже если у вас есть отвечающий стандартам безопасности центр хранения, вам по-прежнему необходим надежный метод доставки ваших образцов до его дверей (имеется в виду с околоземной орбиты посредством входа в атмосферу и управляемое приземление). С учетом тех мер предосторожности, которые предпринимаются (и на этот счет есть строгие правила) при доставке людей на околоземную орбиту и спуске с нее обратно на Землю, следует ли нам подходить к тщательно запакованным контейнерам с образцами с теми же требованиями, которые мы применяем к астронавтам? Какой уровень риска тут допустим? Еще раз повторю, что для решения этого вопроса необходимо, чтобы национальные космические агентства объединили свои интеллектуальные (и финансовые) усилия, что позволило бы обеспечить грядущие экспедиции по доставке внеземных образцов необходимой инфраструктурой здесь, на Земле.
 
Чудо Энцелада

Европа вполне может служить местом обитания внеземной жизни. Там много воды, поступает тепло от приливной энергии, и, как в любом другом месте Солнечной системы, присутствует множество органических соединений. Но я почти сразу разбил ваши надежды, описав, как трудно будет туда добраться, проникнуть под лед и обнаружить внеземную экосистему, не говоря уже о том, каких денег это будет стоить. Но сейчас я хочу вас подбодрить, и поэтому речь пойдет об Энцеладе.
 
Энцелад — это крошечный спутник Сатурна, его масса составляет менее четверти процента от массы Европы, а по размерам он меньше в шесть раз. Как и у его более крупной юпитерианской сестры, поверхность Энцелада состоит из чистого водяного льда. Орбита Энцелада проходит относительно близко к Сатурну, рядом с внешним краем главных колец, знакомых всем, кто любит наблюдать звездное небо. Чудо, упомянутое в подзаголовке, — можно сказать, «удивительное явление», если вам так больше нравится, — заключается в том, что на таком маленьком спутнике присутствует ярко выраженная геологическая активность.
 
В 2005 г. астрономы, просматривавшие свежие снимки, сделанные зондом «Кассини», обнаружили фонтаны гейзеров, извергающихся из южной полярной области Энцелада. «Кассини» даже пролетел сквозь струи этих фонтанов во время своего сближения со спутником и сделал анализ извергающегося вещества при помощи находившегося на борту масс-спектрометра. Струя оказалась смесью соленой воды — раствора старого доброго хлорида натрия — и водяного пара, а также множества различных органических веществ. Выходит, что эта крохотная «луна» — водный мир с подповерхностным океаном, как на Европе? Очень на это похоже. На ледяной поверхности Энцелада можно заметить как старые испещренные кратерами участки, так и молодые девственно чистые области. Приливное трение, которое этот спутник испытывает на орбите Сатурна, по силе равно тому, что имеет место на Европе, а небольшие изменения траектории «Кассини» во время его обращения вокруг Энцелада связаны с тем, что под его Южным полюсом находится региональный океан глубиной 10 км.
 
Продолжающаяся успешная работа зонда «Кассини» — первоначально планировалось, что миссия продлится до 2008 г., — позволила нам провести детальное обследование тех районов, где расположены гейзеры. В 2014 г. результаты этих целенаправленных наблюдений подтвердили существование 101 отдельного гейзера, расположенного в трещинах поверхности — так называемых «тигровых полосках» рядом с Южным полюсом. По всей видимости, трещины в ледяном панцире возникают в результате деформации Энцелада под воздействием приливных сил во время его обращения по орбите Сатурна, которое длится 31 час. Источник тепла в «тигровых полосках» сам по себе дает нам убедительный ключ к разгадке: фонтаны приводятся в действие не приливными взаимодействиями, энергия освобождается по мере того, как жидкая вода, поднимающаяся по трещинам из глубинного океана, замерзает на стенах разломов рядом с поверхностью. Остальное — примерно 200 кг материи в секунду — извергается в форме ледяного пара и водяных кристаллов и служит источником вещества для разреженного, хотя и гигантского кольца Е Сатурна.
 
Это именно то, что мы искали, — ледяной спутник с подповерхностным жидким океаном, богатым солью и органическими соединениями. Энцелад с неожиданным энтузиазмом распыляет свое вещество в космос, что дает пролетающим мимо астробиологам возможность собрать образцы шлейфа и доставить их на Землю, где тайный внутренний мир этой ледяной «луны» может быть изучен до мельчайших подробностей в комфортных лабораторных условиях. И это не фантазии или гипотезы. Возможность опосредованно поплавать в подповерхностном океане Энцелада, которую мы получили благодаря этим небесным гейзерам, совершенно реальна и слишком соблазнительна, чтобы ею пренебречь.
 
Следуй за фонтаном

Как мы это сделаем — отправимся к Сатурну, приблизимся к Энцеладу, захватим частицы вещества из создаваемой фонтанами ледяной дымки и благополучно вернем их на Землю? Насколько осуществима такая грандиозная затея? При всей очевидной дерзости этого плана не надо забывать, что нам уже удалось успешно осуществить все элементы возможной экспедиции к Энцеладу: многократное осуществление гравитационного маневра в пределах внутренней Солнечной системы разогнало «Галилео» и «Кассини» до таких скоростей, которые позволили им в самое короткое время достичь, соответственно, Юпитера и Сатурна.
Когда космический аппарат приблизится к Энцеладу, аэрогель — материал, обладающий очень низкой плотностью, специально разработанный для космических зондов «Стардаст» и «Хаябуса», — может задержать ледяные частицы и газы, вырывающиеся из гейзеров. Хотя гейзеры выглядят впечатляюще, на самом деле потоки частиц очень разрежены — как правило, на 1 м3 на высоте 80 км над поверхностью Энцелада приходится лишь одна микроскопическая частичка вещества. Чтобы получить достаточно материала для исследований, желательно совершить несколько пролетов на близком расстоянии от спутника со стороны Южного полюса.
 
Хотя и «Стардаст», и «Хаябуса» успешно доставили образцы на Землю, ни один из космических аппаратов не делал это на таких высоких скоростях, на каких будет происходить возвращение от Сатурна и вдобавок с потенциально опасным биологически активным грузом на борту. «Стардаст» вернулся на Землю на скорости, превышающей 6 км/с, «Хаябуса» — 12 км/с. Возвращение от Энцелада будет происходить на скорости от 16 до 18 км/с. Поскольку кинетическая энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, то космический корабль, возвращающийся с Энцелада, должен будет сжечь в атмосфере в 2–9 раз больше энергии, чем «Стардаст» или «Хаябуса».
 
Полный пакет представлен как «Низкобюджетная миссия по доставке образцов с Энцелада». Запуск должен состояться в 2021 г., а прибытие к Сатурну — восемью годами позже, после нескольких гравитационных маневров, аналогичных тем, что выполнил зонд «Галилео» 30 лет назад. Зонд проведет два года в окрестностях Сатурна, аккуратно маневрируя, чтобы его орбита проходила через выбросы гейзеров. Обратный путь — спуск по гравитационной горке в сторону Солнца — космический аппарат преодолеет за 4,5 года, и, наконец, в 2037 г. уникальные образцы будут доставлены на Землю.
 
Можем мы это сделать? Да, конечно! Но подождите — во сколько мне обойдется это дерзновенное начинание? В настоящее время в НАСА «Низкобюджетная миссия по доставке образцов с Энцелада» считается миссией исследовательского класса, а это означает, что ее стоимость составит где-то около $500 млн. Но такой бюджет не покрывает всех необходимых затрат: НАСА придется искать средства на выведение зонда на орбиту и плюс еще на источник энергии, способный проработать 17 лет в условиях глубокого космоса, — трудная, долгосрочная задача.
 
И наконец, остаются нерешенными проблемы, связанные с доставкой образцов: это и спуск с околоземной орбиты, и перевозка по Земле. Ученые, работающие над созданием миссии к Энцеладу, выяснили, могут ли живые организмы выжить после столкновения извергнутых гейзерами частиц с аэрогелем или энергия столкновения настолько велика, что разорвет биологическую оболочку, оставив для изучения на Земле лишь химические составляющие. В таком случае, конечно, не пришлось бы следовать строгим протоколам планетарной защиты. Но такая миссия во многом будет бессмысленна: если космические агентства на самом деле заинтересованы в поисках внеземной жизни в Солнечной системе (а так оно и есть), тогда им действительно стоит скинуться и построить специализированный центр для хранения доставленных на Землю образцов. Остается только надеяться, что миссия по доставке образцов с Энцелада может подтолкнуть их к принятию этого важного и необходимого решения.
 
Следует признать: все это выглядит довольно убедительно и в высшей степени реально. Сделал бы я экспедицию по доставке образцов с Энцелада своим главным приоритетом? Скажем так: это одна из важнейших задач (хотя я не рассказал еще о нескольких важных моментах, о которых речь пойдет позже). Но в любом случае, я надеюсь, что в следующий раз, когда вы будете наблюдать Юпитер или Сатурн — невооруженным глазом или в телескоп, — вас порадует мысль, что среди их небесной свиты есть спутники, обладающие океанами теплой соленой воды. И эти океаны по большому счету мало отличаются от той теплой соленой воды, что составляет вещество наших клеток и которую мы храним как химическую память о нашем происхождении. Нам еще предстоит ответить на вопрос, есть ли у ледяных спутников Юпитера собственная биологическая история. Но одним лишь фактом своего существования эти спутники и их океаны говорят нам, что в Солнечной системе за пределами Земли гораздо больше возможных мест обитания жизни, чем мы осмеливались предположить.

Отрывок из книги Джона Уиллиса "Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни"

«Не пытайтесь жить вечно: у вас ничего не выйдет»

Шоу Бернард