11.03.2025. - Как предсказать пригодность для жизни других планет

Как предсказать пригодность для жизни других планет

Когда на Земле обрушивается илистая равнина, или откалывается ледяной покров на одном из спутников Юпитера (Европе), или на Марсе образуется древнее озеро, следуют ли эти трещины скрытому геометрическому сценарию? Могут ли подобные узоры на другой планете указывать на то, что там когда—то существовала вода и, возможно, поддерживалась жизнь?

Для большинства эти вопросы показались бы праздным любопытством, но для геофизика Дугласа Джеролмака из Пенсильванского университета и математика Габора Домокоса из Будапештского университета технологии и экономики они являются ключом к расшифровке поверхности отдаленных планет Солнечной системы.

Их последнее исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагает, что разрушение планетарного тела не является случайностью, и их результаты могут помочь в обнаружении потенциально пригодной для жизни среды в других мирах.

"Что удивительно, так это то, что природа продолжает поддерживать одни и те же закономерности в совершенно разных условиях", - говорят Джеролмак, Эдмунд Дж. и Луиза В. Кан, профессора наук о Земле и окружающей среде. "Мы ожидали некоторой согласованности, но степень, с которой поверхности планет образуют предсказуемую геометрию трещин — будь то лед, камень или грязь — была удивительной. Это говорит о том, что эти закономерности являются фундаментальными, а не просто особенностями конкретных планет".

Их выводы основаны на предыдущей работе, в которой команда подтвердила предсказание древнегреческого философа Платона, который однажды заявил, что сама Земля состоит из кубических элементов. В этой статье они продемонстрировали, что "довольно удивительно, но если вы возьмете тысячи полученных фрагментов и измерите их количество, подсчитаете количество граней, углов и ребер, а затем усредните их, - говорит Джеролмак, - то в итоге получите шесть таких фрагментов. среднее значение для граней, восемь - как среднее число для вершин, и 12 - как число ребер."

Однако их более поздняя работа сосредоточена на двумерных сетях трещин на поверхности планет, исследующих структуру трещин на тонких оболочках планетарных тел, а не на формах отдельных фрагментов.

"Мы хотели объяснить закономерности на других планетах, которые находятся здесь прямо сейчас, потому что проблема в том, что мы не можем увидеть, как они эволюционировали", - говорит Домокос. "Нас там не было. И мы не можем вернуться назад во времени".

Сложность, объясняет он, заключается в том, что они работают с одним кадром движущейся картинки — застывшим снимком текущего состояния трещин на поверхности планет. Силы, которые создали эти сети, больше не поддаются непосредственному наблюдению, и трещины все еще могут эволюционировать в сторону какого-то неизвестного будущего состояния.

"Но что, если из этого единственного снимка вы могли бы экстраполировать весь сюжет фильма?" Спрашивает Домокос.

Как взломать код взлома

Чтобы ответить на этот вопрос, Софи Сильвер, кандидат наук из лаборатории Джеролмака, начала с изучения изображений планетных тел по всей Солнечной системе, чтобы понять, есть ли у природы предпочтения в отношении определенных геометрических узоров.

"Я просмотрел множество спутниковых снимков поверхности планет, сравнил их с лабораторными экспериментами и геологическими образованиями на Земле и попытался определить четкие "отпечатки пальцев" или геометрические сигнатуры в их сетях трещин", - говорит Сильвер.

В основе их подхода лежит простая система классификации, которая анализирует относительные пропорции трех типов трещинных соединений: Т-образных, X-образных и Y-образных.

"Т-образные соединения напоминают кирпичную стену. Они самые распространенные, самые скучные — мы видим их повсюду, на Земле и в космосе, — и они связаны с иерархическими сетями трещин, образующимися в результате повторяющихся поломок", - говорит Сильвер.

Однако сети, в которых преобладают Иксы, редки — и они появляются только во льду. "Пока, за исключением Земли, мы заметили Иксы только на Европе, самой маленькой из четырех крупнейших лун Юпитера", - отмечает она. Эти узоры указывают на заживление трещин и образование надпечаток — когда трещина заделывается (часто путем повторного замораживания воды), что позволяет новым трещинам распространяться по залеченной области, пересекая старые трещины и образуя форму буквы х.

С другой стороны, Y-образные соединения, которые образуют узор, похожий на пчелиные соты, начинаются как T—образные соединения, а затем, благодаря многократному расширению и сжатию - например, что наблюдается при циклах увлажнения и высыхания в грязи и смене температуры на горячую и холодную во льду - превращаются в Y—образные соединения.

Моделирование эволюции планетарных поверхностей

Математик Кристина Регеш, кандидат наук Будапештского университета технологии и экономики, усовершенствовала математическую основу вместе со своим консультантом Домокосом и математиком Петером Балинтом, рассматривая сети трещин как развивающуюся мозаику, узоры которой формируются в соответствии с их собственными специфическими физическими ограничениями.

Преодоление этого разрыва между физическими процессами и закономерностями, которые они формируют, привело к развитию того, что математики называют теорией динамических систем.

"Если мы поймем правила, регулирующие формирование и изменение трещин, мы сможем "перемотать пленку" и восстановить недостающие кадры фильма", - говорит Домокос. "Если бы у нас были реальные хронометражные кадры изменения поверхности планеты на протяжении тысячелетий, мы могли бы просто наблюдать и учиться. Но поскольку у нас их нет, нам пришлось создать математическую модель, которая позволяла бы нам извлекать время из пространства".

Модель Регеша отображает структуру трещин на символической плоскости — абстрактном математическом пространстве, где можно проследить эволюцию сети трещин с течением времени. Анализируя средние геометрические свойства мозаик изломов, в частности, пропорции T, X и Y-образных соединений, и наблюдая за тем, как они группируются в символической плоскости, исследователи могут сделать вывод о том, как развивались эти сети, даже в отсутствие прямых наблюдений.

"У нас нет видеозаписей того, как поверхности планет трескаются и смещаются на протяжении эпох, - говорит Домокос, - но эта модель позволяет нам создать нечто подобное. Используя динамическую модель, которая включает в себя правила разрушения и изменения, мы можем довольно близко подойти к описанию эволюции, предсказывая, как возникла сеть трещин и как она может закончиться".

Чтобы подтвердить свой подход, команда сравнила прогнозы своей модели с существующими геологическими наблюдениями структуры трещиноватости на Земле, Марсе, Венере и Европе. Предсказания модели совпадали с геологической информацией, связанной с образованием сетей трещин в каждом конкретном случае, что привело исследователей к тому, что они назвали свою модель "очень хорошей догадкой".

Заглядывая в будущее

"Этот проект начался с абсурдно простой геометрической классификации сетей взломов", - отмечает Джеролмак. "Затем теория динамических систем свела различные механизмы взлома к абсурдно простым геометрическим правилам. Мы создали игрушечную вселенную, состоящую из моделей разрушения и процессов; поразительно, но реальная вселенная, похоже, с радостью соответствует этой модели. Но нам нужно проверить это еще раз."

В настоящее время Silver проводит эксперименты, направленные на воссоздание процессов растрескивания планет в контролируемых условиях, в частности, имитируя трещины в грязи на Марсе и растрескавшийся лед на Европе. Эти эксперименты позволят исследователям по-настоящему увидеть, как развивается сеть трещин, и позволят команде провести тщательную проверку динамической модели трещин.

"Я надеюсь, что представление этих результатов экспериментов и то, насколько хорошо они подтверждают модель, поможет большему числу людей внедрить этот метод на поверхности планет, на поверхности Земли и даже в лабораторных условиях", - говорит Сильвер.

"В идеале я хочу, чтобы эта методология была широко распространена и использовалась множеством людей в самых разных областях... потенциально она позволяет определить хорошие места для отправки марсохода; например, было бы здорово, если бы кто—то подумал: "О, в этом месте много шестиугольников - возможно, это означает, что оно было увлажнено и высушил пучок" и решил запустить зонд".

И хотя в ближайшие 20-30 лет у них не будет реальных видеозаписей с места событий на других планетах, они планируют использовать статичные изображения, полученные в ходе космических полетов, чтобы продолжить разработку инструментов и структур для составления выводов о том, что могло произойти и что ожидает каждую планету в будущем.

"Это была прекрасная возможность поработать над этим межпланетным проектом, - говорит Регош, - потому что, даже если вы пока не можете снимать эти фильмы, я думаю, это повлияет на то, как мы подходим к космическим путешествиям".

Команда с нетерпением ожидает прибытия аппарата NASA Europa Clipper, который должен прибыть к Юпитеру в 2030 году, и аппарата Европейского космического агентства Jupiter Icy Moons Explorer (Juice), который уже находится на пути к спутникам Юпитера, поскольку они предоставят снимки покрытых льдом миров с высоким разрешением, которые будут предлагать новые возможности для тестирования их фреймворка.

"Мы построили эту теоретическую структуру, но настоящая проверка состоится, когда мы получим свежие изображения поверхностей этих планет с высоким разрешением", - говорит Джеролмак. - Благодаря более подробным данным, полученным в ходе предстоящих миссий, мы сможем усовершенствовать нашу модель, проверить ее прогностическую силу и даже определить места, где нам следует искать свидетельства прошлой активности воды".

Команда также надеется сотрудничать с планетарными геологами, изучающими древние озера на Марсе и ледяную кору Европы, используя их метод для получения более точных заключений об условиях окружающей среды в этих ландшафтах.

Источник