В 1942 г. американский писатель-фантаст Джек Уильямсон опубликовал повесть «Орбита столкновения». Главный герой, молодой инженер, провел терраформирование астероида и сделал его пригодным для жизни. Можно ли воплотить идеи научной фантастики? Что нового узнали ученые о планетах? Рассказывает член-корреспондент РАН Олег Игоревич Кораблев, заведующий отделом физики планет Института космических исследований РАН.
— Олег Игоревич, давайте начнем с определения «планеты земной группы», куда помимо Земли входят Марс и Венера, которые на первый взгляд совершенно непригодны для жизни человека. Почему тогда используется такой термин?
— Тут все просто. Термин указывает не на возможность жизни на планете, а на строение планет. Планеты земной группы — это твердые тела, которые имеют преимущественно минеральный состав. Напротив, планеты-гиганты — другая группа, представленная в Солнечной системе, по составу они близки к Солнцу, и фактически твердой поверхности у таких планет нет. Поэтому и Марс, и Земля, и Венера, и даже Меркурий, на котором нет атмосферы, относятся к планетам земной группы.
— Есть ли предположение, почему ближе к Солнцу образовались планеты с твердой поверхностью, а дальше от звезды — газовые гиганты?
— Ученые все еще выясняют детали формирования планет, особенно гигантов. Но в самых общих чертах можно сказать, что планеты земной группы образовались внутри так называемой снеговой линии. Она разделяет теплые и холодные области протопланетного диска звезды. Ближе к звезде вода оставалась в газовой фазе, и планеты земной группы образовались в результате слипания преимущественно пылевых, минеральных частиц. Вода и другие летучие соединения, скорее всего, были занесены на Землю позднее, при столкновениях с телами, прилетевшими из дальних областей.
Когда мы движемся от звезды, по мере понижения температуры первую снеговую линию образует вода, поскольку она замерзает раньше других летучих веществ. За этой линией основную долю «эмбрионов» планет составлял уже лед. В результате они росли быстрее и могли достигнуть пяти-десяти масс Земли. Такие тяжелые «эмбрионы» притягивали частицы не только льда и пыли, но и окружающего газа протопланетной туманности — того же, из чего в основном состоит и звезда, — водорода и гелия. Образовались газовые гиганты: Юпитер, Сатурн. Их спутники содержат много водяного льда. Еще дальше от Солнца при все более низких температурах конденсируются аммиак, метан. Вместе с водяным льдом эти разновидности льда образуют так называемые ледяные гиганты — Уран, Нептун. В состав Плутона входит даже азотный лед.
— Все ли группы планет устроены таким образом или есть различия?
— Сегодня мы наблюдаем большое многообразие планетных систем. И на самом деле систем, похожих на Солнечную систему, мало. Это связано, в том числе и с тем, что системы наподобие Солнечной трудно наблюдать, поскольку планеты сильно удалены от звезды, а сама звезда — достаточно яркая. Поэтому при наблюдении мы видим только звезду.
Это характеризуется определением «наблюдательная селекция»: мы видим только то, что можем увидеть. В основном это большие планеты, вращающиеся около звезды. Но все же техника совершенствуется — и астрономы уже находят планеты, похожие на Землю, которые вращаются возле не очень ярких звезд.
— Вернемся к нашей Солнечной системе. В свое время была очень популярна идея терраформирования планет. Как вы считаете, насколько это осуществимо в обозримом будущем?
— Мне кажется, в определенных кругах эта идея популярна и сегодня. Конечно, это вдохновляющая мысль — приспособить планету для жизни человека. Когда мы окончательно испортим свою, придется переселиться на какую-то другую. Между тем проводятся серьезные исследования, которые включают оценку энергетических возможностей человечества. Согласно данным, в ближайшие 100 тыс. лет подобное мероприятие нам пока не под силу, хотя бы потому, что это обойдется недешево. Одно дело — колонизация, возможно, построение постоянно действующей базы, как в Антарктиде. Но другое дело — переделать планету и обеспечить условия, к которым мы привыкли на Земле. Это гораздо труднее.
— Чем специалистов-планетологов и энтузиастов терраформирования привлекает Венера? В свое время ее даже называли младшей сестрой Земли. При этом условия на ней совсем неподходящие.
— Здесь нам стоит рассмотреть такой известный термин, как «зона обитаемости». Он характеризует область расстояний между родительской звездой и планетой, где может существовать жидкая вода. Мы подразумеваем, что именно вода — основа жизни. Зона обитаемости зависит не только от расстояния до звезды, но и от того, насколько интенсивно светит сама звезда.
В нашей Солнечной системе Венера попала за границу зоны обитаемости. При этом Венера очень похожа на Землю. И нельзя сказать, что Солнце на ней сильно жарит. Поток приходящего солнечного излучения определяется не только расстоянием от Солнца. Так, Венера всего на 30% ближе к Солнцу, чем Земля. Есть другой важный фактор — цвет, который определяет, насколько планета отражает солнечное излучение. А Венера отражает его очень хорошо. По сути, она белая, светлая. Если Земля отражает 30% процентов солнечного излучения, то Венера — практически 90%. Поэтому она получает меньше энергии от Солнца, чем Земля.
Однако сегодня мы видим, как события прошлого отразились на настоящем Венеры. Считается, что на ней когда-то был океан, но его судьба была печальной: он перешел в газообразную форму — водяного пара, вызвав сильный парниковый эффект. На самом деле, водяной пар — главный участник цикла круговорота воды в природе. На Земле вода испаряется и конденсируется, переходя обратно в жидкую форму. Но на Венере этот процесс был нарушен, то есть водяной пар не конденсировался из-за близости к Солнцу. И вся вода, которая была на Венере, перешла в форму пара, создав жуткую паровую атмосферу. Парниковый эффект в такой атмосфере настолько разогрел газ, что произошла массовая потеря воды. Фактически Венера сейчас совсем сухая. А то, что осталось, — это углекислый газ.
По всей видимости, первичные атмосферы и на Земле, и на Венере, и на Марсе состояли в основном из углекислого газа. Кислород на Земле появился уже в результате деятельности живых организмов, первичных форм жизни. А углекислый газ, азот были всегда. Так вот, на Венере остался только углекислый газ со следами воды.
Другая интересная особенность Венеры, причина которой до конца не ясна, связана с тем, что на ней отсутствует тектоническое движение литосферных плит. Этот процесс на Земле обеспечивает захоронение углекислого газа. В океане из него образуются карбонаты, в конечном итоге — известняковые массивы, а движение плит опускает его в мантию. Поскольку на Венере такого процесса нет, то и углекислый газ остался почти в полном объеме. Венера — это урок для человечества: вот что бывает с планетой, когда парниковый эффект работает на полную катушку.
— А что случилось с Марсом? Там, как я понимаю, наоборот очень холодно?
— Марс существенно меньше, чем Земля или Венера. Скорее всего, это главный фактор. И, конечно, расстояние от Солнца до Марса больше по сравнению с другими планетами. Поэтому Марс находится на внешней границе зоны обитаемости.
Существует множество предположений, почему атмосфера Марса так слаба. Некоторые ученые предполагают, что углекислый газ был почти полностью удален из атмосферы. Это гипотетическое явление называют гидродинамическим выносом. Скорее всего, он происходил на всех планетах на раннем этапе, когда они имели еще расплавленную поверхность и подвергались интенсивной бомбардировке. Возможно, часть углекислоты на Марсе захоронена, как и на Земле, в карбонатах. Известно, что карбонаты на поверхности есть, но сколько — неясно. Пока они едва уловимы при наблюдениях, мешает пыльная поверхность Марса. Их удалось обнаружить на редких скалистых участках, и это стало большим открытием.
Дистанционное исследование минералогии Марса велось в целом трудно. Сначала не видели глин, потом их удалось обнаружить. Значит, все-таки на Марсе была когда-то вода. Карбонаты тоже искали долго, и только очень высокое разрешение позволило их заметить.
Воды на Марсе довольно много, но она находится в основном в форме вечной мерзлоты и немного в виде льда на полярных шапках.
Если вместо Марса взять идеальный шар и распределить по нему всю разведанную воду, как будто она жидкая, то глубина такого сферического слоя воды на Марсе будет примерно равна 30 м. Для сравнения: средняя глубина Мирового океана на Земле — 3736 м, или примерно 2,7 тыс. м сферического слоя. Что касается Марса, то это некоторая минимальная оценка. Несмотря на все усилия и исследования, ведущиеся на Марсе широким фронтом, мы не можем точно сказать, сколько воды содержится в вечной мерзлоте. Мы знаем, сколько воды на глубине до 1-2 м, но не знаем, сколько ее на глубине 500 или 1 тыс. м, где она, по всей вероятности, есть, пусть и в виде льда.
В ближайшее время нам предстоит узнать, что же произошло с Марсом, почему и как исчезли вода и атмосфера. Считается, что это случилось более 3,5 млрд лет назад. С тех пор Марс менялся относительно слабо. По сравнению с Марсом то, что мы видим вокруг себя на Земле, очень молодо. В масштабах миллионов лет ландшафты, которые нас окружают, постоянно меняются.
На Венере возраст поверхности более солидный, но она гораздо моложе Марса — около 700-800 млн лет. Поэтому Марс и его поверхность для нас — настоящий заповедник, хранящий историю Солнечной системы.
— А какие варианты событий предлагают ученые?
— Скорее всего, произошла перестройка внутреннего строения планеты. Пропало магнитное поле, был недолгий эпизод вулканической активности, которая затем утихла.
Согласно теориям, в атмосфере Марса когда-то было вполне приемлемое давление, а по его поверхности текла вода. Может быть, не в таких количествах, как на Земле, но и на Марсе был океан. Северное полушарие планеты представляет собой обширную впадину, которая раньше, вероятно, была заполнена водой.
— В одном из выступлений вы сказали, что на Марс человек уж точно сможет отправиться. Когда это станет возможно и как в таком случае решить проблему с радиацией, которая на Марсе достаточно высокая?
— Этот вопрос стоит задавать не ученым, а скорее политикам или энтузиастам. Речь идет о желании выделить средства, потому что, в общем-то, технологии полета на Марс уже существуют. Остается собраться с духом и, может быть, проявить определенную смелость.
Сегодня по сравнению с эпохой «Аполлона» принять такую степень риска для экипажа, которая была допустима тогда, общество вряд ли сможет. А полет на Марс — по-настоящему рискованная затея. Конечно, энтузиасты найдутся. Но вся ответственность ляжет на плечи тех, кто возьмется за организацию такого полета.
Что касается радиации, мне кажется, главный вопрос в перелете. Все-таки на поверхности Марса радиация меньше. И можно построить убежище, использовать местный грунт, рельеф. Во время перелета, скорее всего, потребуются какие- то защитные конструкции. Это уже технический вопрос. Очевидно, что полет на Марс отличается от времени, проведенного на МКС, потому что орбита станции находится под радиационными поясами Земли. Все, что за ними, в том числе орбита Луны, — это уже совсем космос. Поэтому сегодня, прежде всего обсуждаются полеты к Луне для отработки будущего полета на Марс.
— Не раз было сказано, что человеку незачем лететь к другим планетам. Намного проще отправлять автономные станции и аппараты, способные доставлять грунт. Можно ли утверждать, что дальние полеты человека в космос — скорее доказательство того, что человечество может это сделать?
Да, конечно. В 2021 г. мы наблюдали старт космического корабля с киноэкипажем. И сразу все вспомнили, как, оказывается, сложно отправлять человека в космос, — сколько необходимо учесть разных деталей. И до этого космонавты летали регулярно, но это, в общем-то, уже мало кого интересовало.
Поэтому, конечно, полет человека в космос всегда вдохновляет общество. Грустно, что мы до сих пор соревнуемся. В 1960-х гг. соревновались, кто быстрее довезет атомную бомбу, и сейчас все еще соревнуемся, кто на Марс лучше слетает.
— В этом году мы ожидаем запуска нового аппарата, который отправится на Луну. А нужно ли человечеству снова туда возвращаться, строить базы?
— Движение человечества в космос, к другим планетам, а в будущем и к другим звездам не остановить. Очевидно, что с развитием цивилизации мы продолжим продвигаться все глубже и глубже в космос. Луна, как мне кажется, — очень разумный этап такого продвижения. Она относительно близка. К тому же нельзя сказать, что мы возвращаемся. То, что было в 1960-х гг., уже в прошлом. Сегодня все устроено иначе. Другие системы, другие допустимые степени риска. По сути, все нужно делать заново. Поэтому то, что сейчас во многих странах, в том числе в России, вновь возникла идея полета на Луну, совершенно понятно и резонно.
— С точки зрения космических исследований удобна ли Луна, например, для установки космических телескопов?
— После первых полетов считалось, что Луна для таких установок не подходит, поскольку там очень пыльно. Астронавты вернулись грязные, черные, в этой самой лунной пыли. При этом она липкая и имеет какой-то странный запах.
Между тем известен опыт китайских коллег, которые на первом посадочном аппарате установили небольшой телескоп в ультрафиолетовом диапазоне. У него не было амбициозных задач, но, насколько мне известно, он работает до сих пор. Может быть, его не очень интенсивно используют, поскольку у него нет системы наведения, он смотрит просто в зенит.
Оптические телескопы на Луне имеют право на существование. Возможно, у специалистов по внеатмосферной астрономии в будущем появится такая база. Вряд ли подобные лунные телескопы станут серьезными конкурентами специализированным спутникам-обсерваториям. Хотя при строительстве лунной базы это может стать одной из побочных, но очень полезных сфер деятельности.
На Луне можно использовать диапазон достаточно длинных волн, которые недоступны на Земле из-за ионосферы. На обратной стороне Луны почти нет радиопомех. К тому же можно ставить большие и относительно легкие антенны. Ветра нет, осадков нет, ничего с ними не будет. То есть в принципе это могут быть долгоживущие полуроботизированные установки с редким обслуживанием человеком. Хорошие перспективы для науки.
— Поговорим о космических исследованиях. Расскажите немного об истории проекта «ЭкзоМарс». На каком этапе он сейчас находится? Какие значимые научные результаты были получены благодаря миссии?
— Действительно, «ЭкзоМарс» — это проект с историей. Идея создания подобной миссии принадлежала Европейскому космическому агентству (ЕКА, ESA). Первый запрос на эксперименты для марсохода был в 2000 г. Основная идея проекта — пробурить поверхность Красной планеты. За годы подготовки проекта подобное никем больше не планировалось. Это сложная технологическая операция, но она того стоит.
Марс постоянно испытывает воздействие радиации, космических лучей. А значит, поверхность все время подвергается эрозии. И если мы хотим найти на Марсе следы жизни, нужно искать на глубине, там, где грунт не затронут радиацией. Для этого создано буровое устройство для марсохода «Розалинд Франклин», которое, мы надеемся, сможет достичь глубины двух метров.
Система очень сложная. Бур состоит из секций, они наращиваются. Затем нужно вынуть керн, который загружается в специальный отсек. В нем керн измельчается, полученное вещество исследуется с помощью продвинутых современных приборов так называемой аналитической лаборатории ровера.
За 20 лет работы миссия так или иначе видоизменялась. В какой-то момент в ЕКА и NASA созрело решение сделать совместный проект, дополнив его спутником для измерения малых атмосферных составляющих. Кстати, раньше атмосферы планет были единственными объектами, которые можно было изучать методами наземной астрономии. А когда стали запускать первые спутники и марсоходы, на первый план вышла геология. Именно она десятилетиями доминировала. Но сейчас произошел некий поворот и все вновь стали интересоваться атмосферой.
— С чем это связано?
— Во-первых, возникла идея, что малые газы в атмосфере могут о многом рассказать: о вулканической или тектонической активности на планете. Во-вторых, появилось и активно развивается направление по исследованию экзопланет. Есть надежда, что скоро мы получим такие телескопы, которые позволят оценить состав атмосферы и на внесолнечных планетах.
Помимо этого, исследования атмосферы связаны с поиском следов жизни на Марсе. Например, наличие метана на Красной планете позволяет предположить, что его производят какие-то микроорганизмы. Существует гипотеза, что на Марсе есть так называемые клатраты — газогидраты с соединением метана. Этот газ — самый интересный кандидат для исследователя.
Исследования атмосферы позволяют также вести общий мониторинг атмосферы и климата Марса. Климат здесь влияет и на формирование поверхности планеты, его изучение значимо для планирования будущих экспедиций. Вспомните фильм «Марсианин». Там буря принесла немало бед главным героям. Конечно, в фильме есть некоторые преувеличения. Тем не менее, условия на поверхности планеты существенно меняются в зависимости от погоды.
Во второй половине 2000-х гг. разрабатывалась концепция спутника для исследования малых атмосферных составляющих и ровера. NASA предложило свой уникальный опыт посадки на поверхность, в том числе достаточно тяжелых аппаратов. Но в 2011 г. NASA отказалось от участия в проекте. Однако поскольку у «Роскосмоса» (в те годы Федерального космического агентства) и Европейского космического агентства были давние тесные связи, работа продолжилась. Было достигнуто соглашение, в рамках которого запуск спутника должен был осуществляться с помощью российской ракеты. А еще через несколько месяцев было решено, что и вторая часть экспедиции с марсоходом будет запущена российской ракетой.
Возник вопрос, как она сядет. Ведь ранее за эту часть должны были отвечать специалисты из NASA. Тогда европейские коллеги решили создать демонстратор посадки (Entry Decent Module). Его назвали «Скиапарелли». К сожалению, его посадка прошла неудачно из-за досадной ошибки в компьютерной программе, которая отвечала за обработку данных при посадке. Но все же был приобретен ценный опыт.
— Как вы оцениваете вклад российских коллег?
— Вклад очень большой. Разработка системы посадки марсохода, который будет запущен в 2022 г., совместная. Аэродинамический экран, да и сам посадочный аппарат разработаны в России. Парашютная система и система управления посадкой европейские. Наш ровер унаследовал самое лучшее от «Скиапарелли», при этом проведена соответствующая работа над ошибками.
Напомню, что на борту марсохода установлены два российских эксперимента. Плюс ко всему мы серьезно поработали над посадочной платформой, которая тоже оснащена приборами и предназначена для исследований, которые удобно и целесообразно проводить на неподвижной автоматической станции. Основная часть приборов на ней российская, с небольшим участием европейских коллег. То есть техническая симметрия соблюдена, как и на космическом аппарате TGO, который продолжает успешно работать.
На борту орбитального аппарата установлены четыре прибора: два европейских, два российских. Один из них измеряет малые атмосферные составляющие и анализирует особенности атмосферы, второй занимается исследованием воды на поверхности.
— Недавно была опубликована новость, что российский спектрометр обнаружил следы хлороводорода на Марсе. Что это может значить для научного сообщества и для нашего понимания того, как устроен Марс?
— В принципе, мы и раньше знали, что на поверхности Марса есть хлор. Скорее всего, его происхождение связано с существованием океана. Но было странно, что его нет в атмосфере, ведь соединения хлора очень активные. Благодаря нашему прибору его наконец обнаружили. И теперь фотохимия марсианской атмосферы нуждается в существенной доработке. Но пока ни одной модели опубликовано не было.
Такая вот маленькая атмосфера, почти в сто раз слабее земной, но каждый раз преподносит что-то новое. Поэтому прежде чем кого-то туда посылать, надо еще немного поработать.
— Чего мы ждем от запуска в 2022 году?
— Мы ждем успешного запуска, перелета и посадки на Марс. Это самое главное для миссии. А дальше мы начнем реализацию научной программы. Сверхзадача — пробурить поверхность, возможно, найти следы или свидетельства биологических процессов в прошлом планеты, а может и в настоящем. И, конечно, необходимо выполнить большую программу экспериментов и на марсоходе, и на посадочной платформе. Наконец-то мы и европейские коллеги вступим в дружную семью людей, которые «прикоснулись» к поверхности Марса.
