Читать книгу: «Космос. От Солнца до границ неизвестного», страница 4

История исследования небес

Астрономия – самая древняя наука. На протяжении многих тысяч лет она служила подспорьем в навигации и времяисчислении. При строительстве многих памятников, дошедших до нас с древних времен, применяли астрономические знания.

– 3500 до н. э.

Данные астрономических наблюдений впервые зафиксированы в письменных источниках шумеров, которые придумали 60-ричную систему счисления. Эта система счисления легла в основу измерения углов, которой мы до сих пор пользуемся при определении координат на небе.

– 3000 до н. э.

Китайские астрономы разрабатывают свои собственные методы наблюдений, составляют детальные звездные каталоги и наблюдают такие астрономические явления, как затмения, пятна на Солнце и новые звезды.

– 250 до н. э.

Эратосфен измеряет длину окружности Земли.

– 140 н. э.

Птолемей из Александрии уточняет геоцентрическую модель Солнечной системы, добавляя к движению планет эпициклы.

499

Индийский математик Ариабхата публикует большой труд по астрономии, в котором, помимо прочего, объясняет причину затмений и указывает точную продолжительность земного года.

– 800

Начинается золотой век астрономии исламского Средневековья.

1054

Китайские астрономы наблюдают Сверхновую, после взрыва которой возникла Крабовидная туманность.

1543

Николай Коперник публикует свою гелиоцентрическую модель Солнечной системы.

– 1570–1601

Тихо Браге проводит точные наблюдения планет и других небесных объектов. Он доказывает, что кометы и новые звезды являются удаленными объектами, а не атмосферными явлениями, тем самым бросая вызов господствующим представлениям о незыблемой небесной сфере, на которой ничего не меняется.

1609

Иоганн Кеплер публикует два первых закона движения планет, выводы которых базируются на наблюдениях Тихо Браге и его собственных. Первый закон об эллиптических орбитах переворачивает представления древних астрономов, считавших, что планеты двигаются по идеальным окружностям.

1610

Галилео Галилей наводит телескоп на Юпитер и наблюдает его четыре спутника. Таким образом, он увеличивает количество известных спутников сразу в пять раз и доказывает, что небесные тела вовсе не обязаны вращаться вокруг Земли, подтверждая гелиоцентрическую модель Коперника. Галилей провел много астрономических наблюдений, в числе прочего он открыл кольца у Сатурна.

1687

Исаак Ньютон закладывает теоретические основы движения небесных тел. Его уравнения, описывающие силу тяготения и результат ее действия, способны объяснить и точно предсказать движение планет, их спутников и других тел в пространстве – эта наука называется небесной механикой.

1705

Эдмунд Галлей на основании теории тяготения Ньютона доказывает, что наблюдения ярких комет в предыдущие столетия на самом деле относятся к одной и той же комете. Двигаясь вокруг Солнца по длинной и сильно вытянутой орбите, она возвращается и становится видна каждые 76 лет.

1781

Вильям Гершель открывает Уран, первую новую планету со времен Античности.

1814

Йозеф фон Фраунгфер наблюдает в изобретенный им спектроскоп темные линии в спектре солнечного света. И только через несколько десятков лет выясняется, что эти линии выдают присутствие разных атомов. Сейчас с помощью спектроскопии астрономы определяют химический состав звезд, планет и межзвездных облаков.

1821

Алексис Бувар высказывает предположение, что на положение Урана своим гравитационным полем влияет неизвестная планета.

1846

Иоганн Галле первым наблюдает планету, существование которой предсказал Бувар. Он находит ее с помощью расчетов Урбена Леверье. Планета получает название Нептун.

– 1910

Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел наносят характеристики звезд на диаграмму цвет – светимость. Звезды группируются на этой диаграмме в соответствии со своими спектральными классами и классами светимости, что намекает на их эволюцию.

1924

Артур Эддингтон создает теорию внутреннего строения звезд и на основе своей модели рассчитывает зависимость между массой и светимостью звезды. Из модели следует, что температура внутри звездных ядер достигает миллионов градусов.

1924

Эдвин Хаббл доказывает, что далекие туманности (каковыми их считали многие астрономы) на самом деле являются другими галактиками за пределами Млечного Пути. Это открытие чрезвычайно расширяет представление о Вселенной. Несколько лет спустя Хаббл выводит закон расширения Вселенной.

1938

Ханс Бете показывает, что термоядерный синтез является основным источником энергии у большинства звезд, подтвердив предположение Эддингтона.

1967

Джоселин Белл и Энтони Хьюиш открывают пульсары – сверхплотные вращающиеся нейтронные звезды, рожденные во взрывах сверхновых.

1970-е и 1980-е

Два космических аппарата «Вояджер» впервые снимают крупным планом Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также некоторые их спутники.

1994

Комета Шумейкер – Леви 9 сталкивается с Юпитером.

1995

Мишель Майор и Дидье Келос обнаруживают планету, вращающуюся вокруг звезды главной последовательности 51 Пегаса. За этим следуетт шквал открытий экзопланет.

2005

Зонд «Гюйгенс» совершает посадку на Титане и делает первые снимки поверхности этого гигантского, окутанного смогом спутника Сатурна.

2016

Коллаборация LIGO сообщает о первом прямом наблюдении гравитационных волн, возникших в результате столкновения двух черных дыр.

3
Среди гигантов

Каждая из четырех планет-гигантов Солнечной системы по-своему примечательна – на них бушуют ужасающие ураганы, дуют сверхзвуковые ветры; в вышине проплывают диковинные облака, а поверхность первобытных вод скрывает неизмеримые глубины. Не менее удивительны и спутники этих планет, с их океанами, олицетворяющими первобытный ужас и мрак, вулканами, гейзерами и проливными метановыми дождями.

Царь-планета

Юпитер превосходит по массе все остальные планеты Солнечной системы, вместе взятые. Его гравитация формирует пояс астероидов. Его мощное магнитное поле содержит жесткие радиационные пояса. Попутно Юпитер выполняет роль «чистильщика» в Солнечной системе, избавляя нас от нашествия бродячих комет – его гравитационное поле служит для землян щитом безопасности.

В июле 2016 года зонд «Юнона» вышел на орбиту вокруг Юпитера. НАСА отправило космическую межпланетную станцию, чтобы изучить протекающие на планете процессы и ее структуру. Девять приборов «Юноны» старательно проникали своим механическим взором в глубины гигантских бурь, которые постоянно бушуют на Юпитере. Зонд рисовал картину распределения гравитационных и магнитных полей, искал признаки твердого ядра и наблюдал всполохи полярных сияний, лихорадящих атмосферу планеты.

У «Юноны» была необычная траектория. Путь космической станции пролегал не вдоль экватора газового гиганта, а над его полюсами. Это удерживало станцию на безопасном расстоянии от радиационных поясов Юпитера, которые представляют несомненную опасность для электроники и электрических систем космических аппаратов.

Космический аппарат облетел вокруг Юпитера 37 раз. В начале 2018 года отдали команду жесткой посадки на планету, и «Юнона» перестала существовать.

Первые данные, полученные в апреле 2017 года, бросили вызов всем нашим представлениям о планете, от ее атмосферы и до внутреннего строения. В атмосфере Юпитера, вдоль его экватора, нашли плотную зону аммиачного газа; в других областях аммиак был более разрежен. Несомненно, формирование погоды Юпитера сильно зависит от присутствия аммиака. Мы и раньше знали, что Юпитер окутан аммиачными облаками, но существование проникающего на такую глубину пояса аммиачного газа – а он тянется вглубь под облака на 300 км – оказалось сюрпризом. Погода на Юпитере затрагивает обширный диапазон высот – это также стало для ученых новостью.

Еще одна неожиданность: магнитное поле Юпитера оказалось очень мощным, а у магнитосферы неправильная форма. Искривление поля может быть вызвано необычным динамо-эффектом: он формируется в нескольких внутренних слоях Юпитера, которые расположены далеко от ядра – возможно, в слое металлического водорода.

Уже на первых этапах исследования планеты зонд получил важные сведения о ее атмосфере. Камера зафиксировала и отослала на Землю снимки десятков гигантских, шириной в сотни километров циклонов, бушующих над полюсами. Ранее об их существовании даже не подозревали. В поясах к югу от юпитерианского экватора замечены странные белые овалы. Возможно, это облака, состоящие из аммиака и гидразина. Последнее вещество используют на Земле в качестве ракетного топлива.

Растворяющееся ядро

Зонд бросил вызов и моделям внутренней структуры Юпитера. Раньше считалось, что внутри он довольно однороден: атмосфера, состоящая из молекулярного водорода, простирается вглубь примерно на 1000 метров. Предполагалось, что в более низких слоях из-за огромного давления водород превращается в металл: протоны блуждают в море электронов; капли гелия и других элементов могут в виде дождя падать из атмосферы. А еще ниже, на глубине 70 000 км, должно было находится небольшое твердое ядро. Такая картина строения Юпитера основывалась на данных о гравитационном поле планеты.

Но самые первые измерения гравитационного поля, выполненные «Юноной», внесли коррективы в эту модель. Оказалось, что внутренние слои планеты не столь однородны по своему составу. Ядро Юпитера не твердое, как у Земли, а скорее «размытое» – в него проникают вышележащие слои металлического водорода. Такая картина соответствует более ранним расчетам (2011) внутреннего строения Юпитера, согласно которым твердое ядро планеты может постепенно растворяться, подобно таблетке, брошенной в воду.

В настоящее время считается, что планеты-гиганты – такие как Юпитер и Сатурн – на начальных этапах своего развития являются твердыми телами, состоящими из камня и льда. Затем, когда они достигают десятикратной массы Земли, их поле тяготение начинает всасывать газ из родительской туманности. Вокруг них образуется плотная атмосфера, состоящая в основном из водорода. Забавно, но, согласно некоторым исследованиям, масса юпитерианского ядра меньше десяти масс Земли, в то время как в ядре меньшего собрата Юпитера, Сатурна, «упаковано» от 15 до 30 Земель.

Некоторые исследователи предположили, что большое давление и температура в сердцевине Юпитера могут привести к тому, что его ядро растворится в окружающей атмосфере, которая при таком высоком давлении ведет себя как жидкость. Хью Уилсон, ныне работающий в Государственном объединении научных и прикладных исследований (CSIRO) в Мельбурне (Австралия), и Беркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли (США) использовали уравнения квантовой механики, чтобы понять, как ведет себя минеральный оксид магния – считающийся составной частью ядра Юпитера – при давлении, подобном давлению Юпитера (примерно в 40 миллионов раз больше нормального атмосферного давления на Земле), и температуре 20 000 °C. Они обнаружили, что в этих условиях оксид магния действительно растворяется в жидкой среде. Растворенные камни могут со временем смешаться с остальной атмосферой.

На Сатурне, масса которого составляет около трети массы Юпитера, условия не столь экстремальны. Если ядро Сатурна и растворяется, то, согласно проведенным расчетам, растворение будет медленным. В то же время на планетах массивнее Юпитера этот процесс протекает значительно быстрее. Из-за этого многие крупные экзопланеты могут вообще не иметь ядер (см. главу 7).

Страна лавовых озер

Спутник Юпитера Ио, испещренный сернистыми ямами, омытый интенсивной радиацией и сотрясаемый постоянными извержениями вулканов, – это огненный ад в Солнечной системе. На Ио очень холодно, и значительная его часть покрыта инеем из сернистого ангидрида. Вместе с тем на этом спутнике, самом близком к Юпитеру, отмечается наиболее активная вулканическая деятельность в Солнечной системе. Вулканы Ио выплевывают в 100 раз больше лавы, чем все вулканы Земли, хотя поверхность Ио в 12 раз меньше земной.

Поверхность Ио усеяна пузырящимися озерами расплавленной породы, у самого большого из них – Патера Локи – диаметр более 200 км. В других местах магма внезапно пробивает себе путь из трещин в скальной коре, создавая вереницу лавовых фонтанов, которые могут растягиваться на 50 км и более. В 2007 году космический аппарат НАСА «Новые горизонты» зарегистрировал тепловое излучение от одной из этих огромных огненных завес, когда зонд пролетал мимо Юпитера по пути к Плутону.

Некоторые извержения Ио достаточно сильны и выбрасывают в пространство гигантские шлейфы газа и пыли на расстояние до 500 км. Это происходит, когда в лавовом потоке испаряется поверхностный слой замерзшего сернистого ангидрида или когда внутри поднимающейся магмы формируются пузыри газа, которые с большой скоростью выбрасывают наружу обломки пород.

Все это вулканическое неистовство – результат «любовного» притяжения и гравитационной борьбы между Юпитером и двумя сородичами Ио – Европой и Ганимедом. Орбитальные периоды этих спутников ровно в два и в четыре раза соответственно превосходят орбитальный период Ио. Это приводит к тому, что все эти три спутника довольно часто выстраиваются в одну линию. В результате гравитационного влияния от этих периодических противостояний орбита Ио постепенно приобретала все более и более вытянутую форму. По мере движения Ио по этой орбите притяжение Юпитера то нарастает, то ослабевает, деформируя поверхность спутника. Перегрузки и напряжения нагревают спутник изнутри – этот процесс называется приливным нагреванием. Эффект нагревания на Ио настолько силен, что плавятся камни и образуются вулканы.

В 2013 году исследователи изучили снимки трех горячих точек на Ио, сделанные зондом «Кассини» в конце 2000 года: вулканических областей Пиллана, патер Вейланд и Локи. Ученые Дэниэл Аллен и его коллеги из колледжа Лейкленд в Маттуне (штат Иллинойс, США) вычислили температуру в трех озерах и установили, что лава во всех этих озерах, скорее всего, является расплавленным базальтом.

Они также обнаружили, что у каждого вулкана есть свой собственный стиль извержения. Пилан – идейный вдохновитель всех трех. Предыдущие зонды наблюдали его извержения в 1997 году. Извергнутой лавы хватило для того, чтобы покрыть 5600 км² поверхности спутника. Измерения температуры со спутника «Кассини» показывают, что сейчас Пилан окружен высоким кольцом остывающей породы, вздымающейся вокруг лавового озера. Патера Вейланд (95 км в поперечнике), между тем, начинает выгорать. Аллен говорит, что это либо остывающий поток лавы, либо лавовое озеро в период низкой активности. Что касается патеры Локи – это имя в германо-скандинавской мифологии принадлежит богу хитрости и обмана – то это огромное образование простирается на 200 км и излучает примерно 13 % всего тепла спутника Ио. Если космопроходцу случится высадиться на Ио, он может очутиться либо на твердой коре, которая будет способна выдержать вес его теплоизолированного вездехода, либо в расплавленной трясине; он также может оказаться среди блистательных фонтанов из лавы.

Впрочем, такая чрезмерная вулканическая активность на просторах Вселенной может быть обычным явлением. Например, орбита экзопланеты COROT-7 b находится очень близко к звезде, и экзопланету сильно к ней притягивает. Даже незначительной эллиптичности орбиты достаточно, чтобы вся планета покрылась вулканами из-за приливного нагрева. Таким образом, Ио может дать нам представление об условиях на миллионах таких «адских» экзопланет.

Но Ио, судя по всему, охлаждается. Возможно, потому что орбита спутника становится все менее вытянутой. Через десятки или сотни миллионов лет орбитальный резонанс с Европой и Ганимедом, вероятно, расстроится, что позволит Ио осесть на почти круговой орбите, которая оставит спутник без приливного нагрева. Тогда огни Ио погаснут.

Глубокие темные моря

Тезис «ищите воду» давно уже стал мантрой при поисках жизни, потому что каждый известный нам организм нуждается в воде, чтобы выжить. Наиболее перспективным в отношении воды остается Марс, но его вода либо давно испарилась, либо находится в почве в связанном состоянии, в виде льда.

В то же время Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, могут похвастаться глубокими океанами, наполненными жидкой водой, которая плещется под их замерзшими верхними оболочками. Астробиологов волнует, способны ли эти воды даровать жизнь неведомым неземным организмам, хотя бы в таком экстремальном виде, в каком они существуют на дне самых глубоководных океанских впадин Земли, где жизнь теплится лишь благодаря взаимодействию раскаленной магмы и воды. Ученые горят желанием услышать гул таких подводных геохимических взаимодействий на Европе и Энцеладе, чтобы ответить на вопрос, одиноки ли мы в Солнечной системе.

Первые намеки на скрытое море Европы пришли от зондов «Вояджер», целая серия которых исследовала Юпитер в 1970-х годах. «Вояджер-2» заметил трещины в ледяной коре Европы, свидетельствующие об активных процессах под поверхностью. Космический аппарат «Галилео», облетая Юпитер в 1990-х годах, обнаружил еще одно явление, доказывающее существование подповерхностного жидкого океана: силовые линии магнитного поля Юпитера искривлялись около Европы, а значит, у нее есть магнитосфера. Очевидно, там есть слой с хорошей электропроводностью – скорее всего, океан соленой воды. Теперь мы считаем, что этот подледный океан простирается вглубь Европы на 100 км. Если это так, он содержит достаточно соленой воды, чтобы дважды заполнить океанские бассейны Земли.

Вопрос о море на Энцеладе возник совсем недавно. В 2005 году зонд «Кассини» показал, что Энцелад оставляет отчетливый «отпечаток» в магнитном поле Сатурна: что-то взаимодействует с его магнитным полем. Это что-то оказалось воплощением фантазий астробиолога: шлейф ледяных частиц и водяного пара, вылетающий в космос через трещины возле южного полюса Энцелада.

С тех пор «Кассини» несколько раз пролетал через этот шлейф. Сначала его приборы выявили наличие органических соединений. Частицы, собранные в нижней части шлейфа, были богаты солью, что указывало на раскинувшийся внизу океан. «Кассини» также обнаружил аммиак, который действует как антифриз, препятствующий замерзанию воды даже при низких температурах. Все указывало на то, что под поверхностью находится океан жидкой воды, в котором может существовать примитивная жизнь.

Новости сыпались как из рога изобилия. В марте 2015 года ученые из группы «Кассини» обнаружили в шлейфах силикатные зерна – эти частицы, скорее всего, образовались в реакциях на гидротермальных источниках. К сентябрю того же года измерения перемещений внешней коры Энцелада убедили ученых в том, что под поверхностью существует океан глубиной от 26 до 31 км. По сравнению с Европой это «лягушатник», но этот океан намного глубже, чем земные.

Когда же планируют очередное путешествие в эти края? НАСА собирается послать зонд к Европе в июне 2022 года. Он будет оснащен магнитометром для определения солености океана и радаром, посылающим сигнал, который проходит сквозь лед: это даст возможность выяснить, где на смену твердой коре приходит жидкая вода. Зонд может даже включать посадочный модуль для «ловли» аминокислот – строительных блоков из белков, используемых каждым живым существом на Земле.

НАСА также объявило конкурс предложений для путешествия к Энцеладу. Одно из них – посылка зонда Enceladus Life Finder («Поиск жизни на Энцеладе»). Этот зонд будет исследовать образцы шлейфа с помощью инструментов, способных обнаружить большие молекулы и тщательно изучить их химический состав. Некоторые проекты даже предлагают доставить эти образцы на Землю для анализа.

Если повезет, зонды прибудут в эти океанские миры в конце 2020-х годов. Тем временем мы можем многое сделать, чтобы прозондировать скрытые глубины Европы и Энцелада. Мы можем исследовать их поверхность с помощью наземных телескопов, глядя на трещины, через которые вода может пробиться из океанов и оставить характерные отложения. Можем создать геофизические модели, объясняющие присутствие воды в жидком состоянии на небесных телах так далеко от Солнца и возникновение условий для поддержания жизни. При этом в наших поисках внеземной жизни мы можем руководствоваться примерами земной флоры и фауны, которые приспособились к экстремальным условиям.

Земные глубоководные гидротермальные источники на границах между тектоническими плитами, где магма пробивает морское дно, давно признаны очагами жизни. В мрачных глубинах вокруг гейзеров обжигающе горячей и мутной воды – в гидрогеологии их называют «черными курильщиками» – живут бактерии, которые питаются химическими веществами; многие другие виды организмов, в свою очередь, питаются этими микробами. Европа или Энцелад могут получать достаточно энергии от приливных толчков и притяжений со стороны своих планет-хозяев; благодаря этой энергии внутренности спутников плавятся и подпитывают гидротермальные источники.

Ученые не теряют оптимизма: шансы найти внеземную жизнь не так уж малы. В 2000 году в Атлантическом океане нашли Затерянный город. Это целая экосистема, процветающая вокруг гидротермальных источников, без малейшего намека на тектоническую активность. Жизнь Затерянного города подпитывает специфическая химическая реакция – серпентинизация. Когда щелочные породы из мантии Земли взаимодействуют с более кислыми водами океана, они генерируют тепло и извергают водород, который в свою очередь вступает в реакцию с углеродными соединениями, растворенными в морской воде, создавая пищу для микробов. Майкл Рассел, бывший геолог, а ныне астробиолог в Лаборатории реактивного движения НАСА (г. Пасадина, штат Калифорния, США), считает, что именно в таких местах, как Затерянный город, и могла зародиться жизнь на Земле.

Чтобы проверить, происходит ли это на Энцеладе, группа ученых проекта «Кассини» ищет водород в его шлейфах. Во время первых сближений с Энцеладом космический аппарат действительно обнаружил там водород, но не было никакой возможности определить, поступает ли он из самого спутника Сатурна или изнутри детектора. Дело в том, что когда частицы из шлейфа проникали в масс-спектрометр космического аппарата, они взаимодействовали с его титановыми стенками, производя водород. Поэтому специалисты должны были перевести детектор в новый режим, который регистрировал бы молекулы, не позволяя им касаться стен. Наконец, обработав данные последнего прохода «Кассини» через шлейф, они нашли молекулярный водород, который искали, – и его было много. В крошечной ледяной оболочке Энцелада или в его океане содержится слишком много водорода; следовательно, он должен постоянно вырабатываться там и, вероятно, гидротермальными реакциями.

Европа гораздо больше Энцелада. Скорее всего, на ней также протекают процессы серпентинизации, и благодаря своим размерам она может похвастаться гораздо большим количеством каменных пород, находящихся в контакте с морской водой. В 2016 году Кевин Хэнд и его коллеги из Лаборатории реактивного движения опубликовали статью о свойствах океана Европы, в которой предположили, что его химический баланс подобен земному. Расчеты основывались на допуске, что трещины под скалистым морским дном Европы могут простираться вглубь на 25 км. В этом случае увеличивается поверхность участков каменных пород, которые могут соприкасаться с водой и выделять большое количество водорода.

Насколько мы знаем, для обеспечения процессов жизнедеятельности живым организмам нужна энергия, которую они получают благодаря освобождающимся электронам. Для этого должна происходить реакция между оксидантами (окислителями) типа кислорода, которые присоединяют электроны, и агентами-восстановителями вроде водорода, отдающими электроны. У Европы, в отличие от Земли, нет атмосферы с кислородом, но мы знаем, что излучение Юпитера способно производить окислители на поверхности спутника. Хэнд с коллегами предположили, что эти окислители циркулируют между поверхностью и морскими водами. Это предположение можно проверить сейсмометром, зондирующим кору на борту будущего посадочного модуля.

Вполне возможно, конечно, что жизнь на других планетах подчиняется другим правилам и основывается на другом наборе строительных кирпичиков. Тогда что именно мы должны искать, если не органические молекулы и аминокислоты? Астробиологи размышляют над этим вопросом, но на него, вероятно, можно ответить, только найдя инопланетные формы жизни.

Если на далеких лунах мы сможем найти что-то похожее на глубоководные щелочные каналы, шансы обнаружить инопланетян возрастут. Возможно, нам также придется задуматься о том, что столь же благоприятные для жизни условия скрываются под оболочками других ледяных миров, таких как гигантские спутники Юпитера Каллисто и Ганимед или карликовая планета Церера. Теперь мы знаем, что в Солнечной системе распространены океаны, скрытые под замерзшими поверхностями. Возможно, таких планет во Вселенной большинство, в то время как наша голубая планета с ее своеобразными открытыми океанами является исключением.