24.05.2018. - Сколько воды нужно для жизни в Солнечной системе

Сколько воды нужно для жизни в Солнечной системе

Самый большой и глубокий водоем из всех известных нам никогда не видел мореплавателей. У него нет островов и берегов, ветер не вздымает на нем волны, по воде не бегают солнечные блики. Этот темный океан не найдешь ни на одной карте Земли — он более чем в 500 миллионах километрах от нас, на Европе, одной из 69 известных спутников Юпитера. Данные космического аппарата Galileo, который облетел Европу 11 раз с 1995 по 2003 год, показали, что под ледяной поверхностью этой гладкой луны лежит необъятный соленый океан. Глубина его должна быть 100 километров — в восемь раз глубже Тихого океана на максимальной глубине. В нем в два-три раза больше воды, чем во всех морях и океанах Земли.

Мы знаем, что Вселенная полна водянистых лун и планет. Но как нам узнать, могут ли они поддерживать жизнь? Европа не единственная в своем роде. По крайней мере еще две луны Юпитера — Ганимед и Каллисто — скрывают океаны под поверхностью. Титан и Мимас, спутник Юпитера, вероятно, тоже. И нет сомнений в том, что другая луна Сатурна, Энцелад, прячет воду под своей мерзлой коркой. Удивительные и неопровержимые доказательства глубоких пучин Энцелада появились в 2005 году, когда зонд «Кассини» запечатлел гейзеры, извергающие лед и воду на сотни километров в космос. «Кассини» даже пролетел через гейзеры в октябре 2015 года, проплыв в 50 километрах от поверхности луны, чтобы взять образцы их содержимого.

Сказать, что изобилие жидкой воды во внешней Солнечной системе полностью перевернуло представления ученых, — ничего не сказать. До откровений «Кассини», Galileo и других зондов общее мнение было таким: спутники Юпитера и Сатурна будут похожи на спутники Марса — твердые, утыканные кратерами бесплодные камни, неспособные приютить жизнь.

«Никто не ожидал, что там будут подповерхностные океаны», говорит Сет Шостак, астроном SETI Institute из Маунтин-Вью, Калифорния. «Наше представление об обитаемых мирах расширилось, и теперь мы ожидаем, что можем найти жизнь там, где не думали искать ее прежде. Мы всегда предполагали, что жизнь должна быть на планете. Но теперь я знаю семь мест в нашей Солнечной системе, где есть все причины искать жизнь — или хотя бы условия для нее. И большинство из них — спутники».

С таким обилием воды у нас под боком, можно с уверенностью утверждать, что бесчисленное множество планет у других звезд также должны быть с океанами, не говоря уже об их спутниках. Астрономы уже предварительно определили несколько «водных миров» за пределами нашей Солнечной системы — планет вообще без суши.

«Это поразительно», говорит Кристофер Глейн, ученый миссии «Кассини» из Юго-Западного института в Сан-Антонио, штат Техас. «Это как изобрести новую область океанографии».

Впрочем, существование внеземных океанов не должно быть таким уж сюрпризом. Водород составляет до 74% обычной материи во Вселенной; кислород — третий по распространенности элемент. Соедините их — получите воду, H2O. Астрономы наблюдали следы водяных льдов в кратерах на Луне и даже на Меркурии — ближайшей к Солнцу планете. Ее много в межзвездных облаках и в пыльных дисках зарождающихся планетарных систем; даже в атмосферах некоторых гигантских экзопланет уже нашли воду.

«Исследование экзопланет оказалось взрывным», говорит Бонни Мейнке, ученый NASA, работающий с космическим телескопом Джеймса Уэбба, который отправится в космос в следующем году. «За последние 20 лет мы от нескольких экзопланет перешли к тысячам. И теперь мы знаем, что у каждой звезды в ночном небе есть как минимум одна планета. Думаю, можно допустить, что у большинства этих планет есть в каком-то смысле и вода».

А там, где есть вода, может быть и жизнь. «Ищи воду» — старая аксиома астробиологов. Что делает воду столько незаменимой? Химические реакции, которые питают двигатели жизни, требуют жидкость для растворения и переноса молекул по всей клетке. Вода является одним из лучших известных растворителей; она остается жидкой при большем диапазоне температур, чем любое другое вещество. Вполне возможно, что другая жидкость будет выполнять роль воды в инопланетной биохимии — метановые озера, например, которые мы нашли на Титане. Но пока никаких исключений из правила «жизни нужна вода» мы не находили.

Получается, планеты, полностью покрытые этим важнейшим веществом, должны быть идеальным пристанищем для жизни? Последние исследования накрывают такие ожидания медным тазом: воды на таких планетах может быть слишком много для жизни, чтобы она появилась или начала процветать, получив шанс. «Больше не значит лучше», говорит Стивен Деш, астрофизик Аризонского университета. Деш и его коллеги провели компьютерное моделирование экзотических геофизических и атмосферных сред,

Так разве планеты, полностью покрытые этим существенным веществом, не станут идеальным убежищем для жизни? Некоторые недавние исследования бросают гигантское влажное одеяло на такие ожидания: у многих миров действительно может быть слишком много воды для жизни, чтобы возникать — или процветать, если бы это началось. «Больше не обязательно лучше», — говорит Стивен Деш, астрофизик из Университета штата Аризона. Деш и его коллеги проводили компьютерное моделирование экзотических геофизических и атмосферных сред, которые могут быть обнаружены на других мирах. Их цель — создать нечто вроде полевого гида для будущих охотников за экзопланетами. Деш называет его «периодической таблицей планеты». В ней будут типы миров, которые вероятнее всего будут содержать продукты жизнеобеспечения в атмосфере — кислород или метан, к примеру. Что более важно, эти газы должны присутствовать в достаточно больших количествах, чтобы их могли засечь телескопы будущих десятилетий. «Мы должны ставить исследования таких планет в приоритет, потому что на них могут быть лучшие индикаторы жизни».

Водяные миры, как оказалось, могут быть лучшим местом для поиска жизни. Команда Деша создала компьютерную модель, напоминающую Землю практически во всем: размеры и не слишком холодное и не слишком горячее расстояние от стабильной звезды типа Солнца. Затем они наполнили этот мир водой, в пять-семь раз больше, чем на Земле, чтобы утопить все ее континенты. Утопив свой виртуальный мир, они устранили важнейший процесс, поддерживающий жизнь, который мы, земляне, вообще позабыли: выветривание обнаженных пород.

В отсутствие дождя или текущей воды, размывающих породу, моря в мире, созданном командой Деша, содержали очень мало фосфора, незаменимого элемента для жизни. Морская вода сама по себе недостаточно кислотна, чтобы растворять фосфор так эффективно, как пресная. «Фосфор крайне важен», считает Тесса Фишер, микробный эколог Аризонского университета. «В дополнение к РНК и ДНК, он также создает АТФ, переносящую энергию молекулу для всей известной нам биохимии. Земная биохимия, насколько нам известно, не может функционировать в отсутствие фосфора».

Деш и Фишер подчеркивают, что их модель не исключает возможности существования жизни в водяном мире. Моря на таких планетах наверняка будут содержать определенное количество фосфора, но недостаточно, чтобы поддерживать жизнь в больших масштабах и оставлять заметный отпечаток в атмосфере. «Там не будет атмосферы, на 30% состоящей из кислорода, как на Земле», говорит Фишер. «Возможно, планета, полностью покрытая океаном, будет обитаема. Просто жизнь там будет настолько разрозненная, что мы ее даже не сможем обнаружить с Земли».

Вероятно, существуют и миры с таким количеством воды, что жизнь будет просто невозможна. По оценкам ученых, планета размером с Землю с 10% ее массы в виде воды будет абсолютно безжизненной. Такая планета имела бы эквивалент 400 земных океанов; огромное давление на дне его моря создало бы экзотические плотные формы льда, известные как лед-шесть и лед-семь. «Вода с породой вообще не взаимодействовала бы, ничего бы у жизни не получилось», говорит Деш.

И какими бы странными такие условия ни казались, эти миры могут быть более распространены, чем твердые планеты по типу Земли. Вода и камень, пожалуй, одинаково распространены в планетарных системах по всему космосу. В нашей собственной Солнечной системе кометы, некоторые луны и замерзшие жители пояса Койпера, как полагают, содержат одинаковое количества льда и камня. «Внешние планеты на 50% изо льда», говорит Деш. «Это нормально. Ненормально лишь то, насколько сухая Земля».

С нашей точки зрения Земля кажется квинтэссенцией планеты с океаном — «бледная голубая точка», покрытая морями. Но все эти океаны растекаются тонкой пленкой по поверхности планеты. По массе Земля лишь на 0,025% состоит из воды. При существующих технологиях астрономы не смогли бы сказать, будет ли у экзопланеты вроде Земли вообще какая-нибудь вода. Астрономы используют две основные техники для определения состава экзопланет. Во-первых, они оценивают размер планеты, наблюдая, сколько света она блокирует, проходя перед своей звездой. Затем они измеряют колебания звезды, которые вызывает планета на ее орбите, что дает нам массу планеты. Разделение массы планеты на ее объем дает плотность, а плотность позволяет астрономам примерно прикинь процентное содержание газа, твердого вещества и воды на планете.

«Подумайте о том, насколько тонкий наш океан. Он никак не изменяет радиуса Земли». Сейчас астрономы могут сказать, что у экзопланеты есть океаны, только если на воду будет приходиться порядка 10% ее массы. А это равно 400 земным океанам, огромное количество воды, сокрушающее все живое. Выходит, единственные водные миры, которые мы можем обнаружить, используя существующие технологии, будут непригодны для жизни. «Таково положение дел на текущий момент», говорит Деш. «Мы имеем возможность искать воду и даже видим, когда воды 10% от массы планеты, но это слишком много воды».

Семь таких миров вращаются на орбите Trappist-1, звезды в 49 световых годах от нас, названной в честь бельгийского пива. Все они размером с Землю, а три даже находятся в пределах потенциально обитаемой зоны звезды, на расстоянии, где возможно существование воды в жидком состоянии. Сейчас это самые что ни на есть волнующие нас «возможные земли», однако они могут быть слишком влажными или засыпанными льдом, чтобы на них гнездилась жизнь.

Попытка определить состав далекой планеты по нескольким пикселям света, попавшим в телескоп, как минимум не будет точной. Учитывая эти ограничения, Деш и его коллеги оценили, что внешние планеты Trappist-1 состоят на 50% изо льда; внутренние планеты состоят на 10% изо льда и жидкой воды. «Этого более чем достаточно, чтобы покрыть континенты», говорит Деш. «Вы получите сотни или даже километры сдавленного льда на дне океанов. Это мертвая планета».

Что же нужно для идентификации «живой» планеты, с земной смесью континентов и морей, не слишком влажной, не слишком сухой? Учитывая диапазон возможных миров, таких как наш должно быть много. Но как их искать? Космический телескоп Джеймса Уэбба станет королем астрономии, как только приступит к своей 10-летней миссии в 2020 году; он сможет анализировать атмосферы гигантских экзопланет типа Нептуна и, возможно, даже найдет несколько «суперземель» — планет в 2-10 раз больше Земли по массе. Однако он будет слишком близорук, чтобы увидеть атмосферы планет, не говоря уж об океанах.

«Очень сложно смотреть на что-то настолько маленькое — размером с Землю, проходящую перед звездой — и видеть слабый блеск атмосферы», говорит Мейнке. «Есть планы на будущие телескопы, которые будут в состоянии это делать, и я думаю, что еще увижу это на своем веку. Но Уэбб не сможет подтвердить наличие воды на планете земного типа».

Телескопы, способные визуализировать океаны и наземные массы другого мира, вероятно, отстоят от нас на пару десятилетий. И даже тогда разрешение, вероятно, будет ограничено пикселем или двумя для всей планеты. Вот как может выглядеть одно из самых знаменательных открытий в истории науки — наш первый прямой взгляд на мир, подобный нашему собственному: цвет одного пикселя будет периодически сменяться с синего на коричневый, словно в пируэтах, поочередно являя земли и моря нашим глазам.

Пока этот день не настал, мы можем найти признаки существования жизни в некоторых экзоокеанах гораздо ближе к дому. И ближе всех к нам такой океан на Энцеладе, плюс у него есть все условия, необходимые для жизни. Когда зонд «Кассини», двигаясь на скорости почти 30 тысяч километров в час, нырнул сквозь гейзер «Энцелада» в октябре 2015 года, его инструменты зарегистрировали водород, углекислый газ и метан, а значит, на этом спутнике присутствует глубоководная гидротермальная активность, как на Земле. «Мы буквально попробовали на вкус океан Энцелада, пролетев через шлейф гейзера», говорит Глейн.

Наличие водорода, в частности, было признаком того, что химические реакции между горячими породами и соленой водой на дне моря Энцелада разбивают воду на водород и кислород. Тело размером с Энцелад обычно не должно обладать ощутимым содержанием водорода вообще, поскольку этот элемент очень легкий и с небольшого тела должен был улететь в космос давным-давно. Поэтому водород Энцелада должен каким-то образом постоянно пополняться, вероятнее всего в процессе реакций воды и горячих пород. Как только мы найдем водород, мы сможем заключить, что химическая энергия присутствует и ее много, и это та же энергия, которую организмы в глубинах Земли используют для проживания и пропитания.

Метаногены — тип древних бактерий, который находят повсюду у гидротермальных жерл на Земле — объединяют водород с диоксидом углерода, и в процессе этой реакции высвобождается энергия и метан как побочный продукт. Простые организмы вроде таких населяли первые океаны Земли. Даже сейчас, спустя миллиарды лет после своего появления, метаногены живут независимо от солнечного света и занимают свое место в странной пищевой цепочке, которая поддерживает экосистему трубчатых червей и гигантских моллюсков.

Может ли какая-нибудь форма жизни, более сложная, чем бактерии, возникнуть на Энцеладе, Европе или в беззаботных глубинах какого-нибудь другого лунного моря? «В этих подповерхностных океанах может быть жизнь, но источники энергии для поддержания жизни гораздо более сложных организмов, которым нужно больше пищи, могут оказаться недоступны», говорит Шостак. «Нельзя сказать, что этого не могло произойти — спутники были там 4,5 миллиарда лет, поэтому многоклеточные штуки там могут быть, но какие-нибудь тунцы — вряд ли».

Единственный способ ответить на этот вопрос — посетить эти миры. NASA уже одобрила миссию Europa Clipper, которая начнется в 2024 году и достигнет Юпитера к 2030 году. Космический аппарат обогнет Европу 45 раз, подойдет к ее ледяной поверхности на 30 километров. Будущие миссии, которые на самом деле сядут на Европу, Энцелад или Титан, уже будут искать сложные аминокислоты и другие биомолекулы, производимые только живыми существами.

Имея только один пример — наш собственный мир — невозможно сказать, является ли жизнь совершенно обыденным или же невероятно космически редким явлением. «Обычно полагают, что поскольку ископаемые или химические доказательства жизни уходят так далеко в прошлое, жизнь появилась довольно быстро», говорит Глейн. «А люди считают, что если быстро, значит легко».

Легко, трудно или где-то посередине — неважно. Теперь мы точно знаем одно: если жизнь нуждается в воде, воды во Вселенной навалом. Эта часть уравнения для поиска жизни уже решена окончательно и бесповоротно.

Источник