18.03.2022. - Как обнаружить океаны на ледяных лунах

Как обнаружить океаны на ледяных лунах

Некоторые луны планет-гигантов скрывают под ледяными панцирями настоящие океаны. Это как минимум спутник Сатурна Энцелад и спутник Юпитера Европа. «Мы уверены на сто процентов, что у двух спутников планет-гигантов есть подледный океан, поскольку мы видели выбросы воды. Это Энцелад — видели неоднократно — и Европа — дважды видели с помощью телескопа “Хаббл”. Никаких сомнений в существовании океанов подо льдом этих двух спутников, Энцелада и Европы, нет», — комментирует Владимир Сурдин, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга и доцент МГУ имени М. В. Ломоносова.

На Европе и Энцеладе жидкая вода соседствует с органическими веществами, так что во всей Солнечной системе трудно найти более подходящее место для внеземной биосферы. Разве что другие ледяные луны, например буквально наводненный сложной органикой Титан. Но Титан и еще несколько спутников пока лишь «на подозрении»: чтобы понять, спят ли там подо льдом моря, не хватает данных. Недавно сотрудники нескольких научных центров США 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 самых распространенных веществ во Вселенной, и Солнечная система не исключение. Многие спутники планет-гигантов в значительной мере состоят из воды. Вот только не из жидкой, а из замерзшей. Температура на поверхности, скажем, спутника Юпитера Ганимеда не поднимается выше -110 градусов Цельсия. В системе Сатурна еще холоднее. Что поделать, планеты-гиганты слишком уж далеки от Солнца. Но есть и другой источник тепла, от которого у неприступной ледяной глыбы может в буквальном смысле растаять сердце. Ну ладно, не сердце (ядро), а водная мантия. Этот «обогреватель» — приливные силы.

Приливные силы возникают из-за того, что одно полушарие ледяной луны притягивается к планете (или спутнику-соседу) сильнее, чем другое. Почему? Да просто потому, что полушарие, обращенное к притягивающему объекту, чуть-чуть ближе к нему, чем противоположное. Эта разница в притяжении деформирует небесное тело: образуется приливной горб. Он похож на водяной горб на поверхности Мирового океана, вызванный притяжением Луны (именно оно вызывает приливы). А где деформация, там трение. Где трение, там тепло. Правда, этого тепла едва-едва хватает, чтобы вода не замерзла. По расчетам планетологов, ее температура несколько ниже нуля, но тут выручают растворенные минеральные соли, а возможно, и другие природные антифризы.

Жизнь бьет фонтаном?

Труднее всего усомниться в существовании жидкой воды на спутнике Сатурна Энцеладе. Над южным полюсом этого небесного тела регулярно встают шлейфы огромных гейзеров. Правда, в этом кипятке не сваришь яйцо на завтрак. Пробивающаяся на поверхность жидкая вода вскипает не из-за высокой температуры, а из-за низкого давления. Давление пара выбрасывает струю в космос, где она, разумеется, тут же застывает крупицами льда. Почти все они выпадают обратно на Энцелад диковинным градом. Но некоторые льдинки остаются в космосе и пополняют собой одно из колец Сатурна (кольцо Е).

Впечатляющие фото активности Энцелада сделал аппарат «Кассини», исследовавший систему Сатурна с 2004 по 2017 год. Зонд не только снимал гейзеры на расстоянии, но и залетал в самые шлейфы, определяя их состав. «Оказалось, что в составе воды, вылетающей из гейзеров Энцелада, есть минеральные вещества, не то чтобы характерные, но намекающие, что на дне этого океана есть черные курильщики. То есть выходы подземных вод, богатых растворенными минеральными веществами. А это близко к оазисам на дне наших океанов, где предпочитает развиваться жизнь», — рассказывает Сурдин.

«Кассини» нашел в выбросах Энцелада не только минералы, но и сложную органику. Самые примечательные молекулы имели массу более 200 атомных единиц. Это больше, чем у глюкозы или кофеина. К сожалению, приборы «Кассини» были не слишком приспособлены к точному анализу органики и совершенно не предназначались для поиска жизни. Никто не ожидал, что такая аппаратура понадобится орбитальному зонду. Может быть, выбросы Энцелада кишат внеземными бактериями, но узнаем мы об этом не раньше, чем запустим в царство гейзеров новый зонд.

Впрочем, ученые — невероятные зануды и всегда найдут способ усомниться в головокружительных перспективах. Согласно некоторым моделям, резервуары жидкой воды на Энцеладе не присутствуют постоянно, а периодически возникают на краткое в геологических масштабах время. Если так, то ни о какой жизни там говорить не приходится. Однако другие исследователи считают подледный океан Энцелада вечным.

Жить в Европе

Похоже, над спутником Юпитера Европой тоже вздымаются гейзеры. Их неоднократно фиксировал «Хаббл»: первая публикация вышла в 2014 году, вторая — в 2016 году, а еще через год были опубликованы результаты новых наблюдений. Правда, все эти данные были получены на самом пределе возможностей телескопа. Так что нашлись и скептики, оспаривающие вывод о существовании гейзеров.

Но есть и другие свидетельства. В 1997 году зонд «Галилео» прошел всего в 200 километрах над поверхностью Европы. В этот момент он пересек магнитную аномалию. Похожие аномалии гейзеры создают над поверхностью Энцелада, когда космическая радиация ионизирует изверженное вещество. 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.

О том, что под ледяным панцирем Европы плещется океан, свидетельствует и сам панцирь. Другие ледяные луны изрыты метеоритными кратерами, а эта гладкая, как бильярдный шар. Возможно, силы НАТО подошли к обороне Европы столь ответственно, что сбивают летящие к ней метеороиды (ну перепутало командование, о какой Европе речь, с кем не бывает)? Но если без шуток, отсутствию кратеров может быть только одно объяснение: лед регулярно обновляется. По некоторым моделям, лед на Европе движется подобно океанической коре на Земле: в местных «зонах субдукции» лед погружается в мантию и тает, в то время как «срединно-океанические хребты» извергают на свет божий новые порции льда.

Между прочим, в разломах «европейской» ледяной коры найдена органика. Вполне возможно, что она попала туда из подледного океана. Конечно, от органики до жизни может быть даже не семь верст лесом, а семь парсек космосом. Но надеяться на лучшее никто не запретит. В 2030 году к Европе должен прибыть зонд NASA Europa Clipper (пока еще не запущенная). А через год компанию «Клиперу» составит и европейский аппарат JUICE, нацеленный на изучение Европы (как же Европе не изучать Европу?), Ганимеда и Каллисто. Оба зонда орбитальные, без посадочных модулей. Но и наблюдение с орбиты поможет хорошо изучить загадочную ледяную луну.

Титанические надежды

Еще один претендент на наличие водной мантии — спутник Сатурна Титан. Аппарат «Кассини» в свое время 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 интересен тем, что это прямо-таки химический комбинат по производству органики. Его атмосфера (а это единственный спутник, имеющий плотную атмосферу) примерно на два процента состоит из метана. На поверхности Титана плещутся моря и озера жидкого метана и этана. А в верхних слоях атмосферы ультрафиолетовые лучи создают сложную органику (вплоть до бензола и цианоацетилена), которая выпадает на поверхность и лежит там сугробами органического снега. Если на этой фабрике имени Бутлерова есть подледный океан, можно ли придумать лучшее место для зарождения жизни?

Притяжение влаги

Есть еще один способ обнаружить подледный океан. Соленая вода — это проводник. Поэтому движение спутника в магнитном поле планеты индуцирует в водной мантии электрический ток. Этот ток создает собственное магнитное поле спутника, которое можно обнаружить. Магнитные измерения подтверждают существование подледных океанов на Энцеладе и Европе. Более того, они заставляют предположить, что такие океаны есть еще у двух спутников Юпитера — Ганимеда и Каллисто.

Но проводить такие измерения непросто. Во-первых, магнитное поле спутника гораздо слабее фонового магнитного поля планеты-гиганта. Во-вторых, свой вклад в магнетизм луны вносит и ее атмосфера (точнее, ионосфера), даже если она очень разрежена. Ведь ионосфера состоит из заряженных частиц, а их движение — это ток, порождающий магнитное поле. На все это накладывается неизбежный приборный шум, кратковременность измерений, ограниченность траектории зонда в пространстве и другие трудности.

На острие трезубца

Команда ученых из США бросила вызов всем этим неприятностям. Исследователи взялись за самую трудную из возможных задач: поиск подледного океана на спутнике Нептуна Тритоне во время миссии Trident («Трезубец»). До сих пор единственным аппаратом, заходившим в систему Нептуна, остается «Вояджер-2». Во время рандеву с Тритоном в 1989 году он сфотографировал нечто похожее на действующие гейзеры. Но краткий визит пролетавшего мимо зонда дал слишком мало данных, чтобы о подледном океане можно было говорить с уверенностью.

Миссия «Трайдент» была задумана для изучения Тритона. Она тоже мыслилась как пролетная: мы слишком мало знаем о системе Нептуна, чтобы пытаться выводить там зонды на устойчивую орбиту. Так что у аппарата было бы всего 12 минут на измерение магнитного поля спутника. Авторы нового исследования утверждают, что этого достаточно. Они смоделировали 13 тысяч вариантов магнитного поля, которое могло быть создано океаном, ионосферой или ими обоими. Сопоставив данные наблюдений с этими моделями, можно выбрать наиболее подходящую. Конечно, процедура выбора подразумевает непростые расчеты, но не будем утомлять читателя математическими деталями.

Правда, проект «Трайдент» в самом буквальном смысле не взлетел. Миссия была лишь одним из претендентов на финансирование в рамках программы NASA под названием Discovery. В феврале 2020 года эта концепция вышла в финал конкурса вместе с тремя другими. И, хотя Боливар финансирования мог вынести двоих, четверо ему были точно не под силу. В июне 2021 года Trident и миссия к спутнику Юпитера Ио остались за бортом, а счастливые билеты вытянули зонды для исследования Венеры: DAVINCI+ и VERITAS.

Выбор экспертов можно понять. Полет к Венере занимает лишь около полугода. Кроме того, аппарат может выйти на орбиту вокруг этой планеты и изучать ее много лет. По сравнению с Марсом она изучена довольно слабо, так что гарантирована масса новых результатов. Это куда более соблазнительно, чем 13 лет полета ради нескольких минут сближения со спутником Нептуна.

Но тем самым человечество упустило шанс исследовать «гейзерный» район Тритона, обнаруженный «Вояджером-2». Освещенность этого спутника Солнцем меняется сообразно годовому циклу Нептуна, а он занимает 165 земных лет. Если зонд («Трайдент» или какой угодно) не появится над Тритоном до 2040 года, район гейзерной активности уйдет в тень на следующие сто лет.

При этом окно запусков к Нептуну открывается нечасто: оно требует правильного расположения Юпитера. Ближайшая такая возможность представится в октябре 2025 года и в октябре 2026 года. Если человечество ее упустит (а оно, похоже, намерено ее упустить), следующего стартового окна придется ждать до 2039 года. Еще 13 лет займет полет к Нептуну, так что добраться туда к 2040 году точно никто не успеет.

Впрочем, авторы утверждают, что разработанный ими метод поиска океанов подойдет для любой ледяной луны. А их хватает и поближе Нептуна. Судя по проектам Europa Clipper и JUICE, в ближайшие десятилетия всеобщее внимание будет приковано к системе Юпитера. Потом может снова наступить черед Сатурна: на 2027 год намечен запуск амбициозной миссии Dragonfly. Эта «Стрекоза» должна ни много ни мало летать в атмосфере Титана. Обсуждаются и проекты полетов к Урану. Кстати, формы рельефа на всех пяти крупных лунах этой планеты (Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон) тоже позволяют заподозрить периодическое обновление льда.

Источник