Водные миры. Об Энцеладе, Европе и серендипности
Одна из неотменимых романтических целей космонавтики — поиск внеземной жизни. Человечество становится все прагматичнее, ресурсы и труд инженеров все дороже, а ошибки все болезненнее (хотя и реже) –, но мечта найти внеземную жизнь остается вечно свежей, гуманистической и ефремовской. Найти бы хотя бы бактерий.
Сегодня я хотел вновь затронуть эту тему, так как при переходе такой мечты в практическую плоскость возникает ответ на первый вопрос: где мы будем искать внеземную жизнь? Пока он кажется довольно очевидным: там, где нежарко, и где есть жидкая вода.
Действительно, мы активно ищем и находим воду на Марсе и на Луне, но нельзя сказать, что климат там тепличный. Марсианские озера, скорее всего, являются реликтом древней гидросферы, а вода на Луне может быть интересна скорее специалистам отечественной гелиодобывающей промышленности, чем экзобиологам.
Но в Солнечной Системе есть места, где воды действительно очень много. Речь о больших спутниках Юпитера и Сатурна. В свите Юпитера это: Европа, Ганимед и Каллисто, а у Сатурна наиболее интересен ледяной спутник Энцелад. Не так давно на Хабре появлялись свежие материалы о физико-химических (или даже можно сказать — экологических) условиях на Энцеладе. Поэтому полагаю, что и безотносительно потенциальной обитаемости больших спутников у планет-гигантов стоит поговорить о том, откуда на них вода, почему там настолько тепло, и какова может быть роль больших спутников в будущих беспилотных и, возможно, пилотируемых исследованиях Солнечной системы.
Итак, сформулируем, что нам известно о воде в Солнечной системе.
В жидком виде вода в большом количестве присутствует на Земле, которая находится в зоне обитаемости. В остальных частях Солнечной системы вода присутствует в основном в виде льда, и водяной лед там смешан с другими простыми соединениями, находящимися в твердом состоянии из-за низких температур. В частности, это сухой лед на Марсе, метановый снег на Плутоне, аммиачный лед на Церере. Достаточно парадоксально, что в 2012 году существование водяного льда подтверждено на Меркурии — он находится в глубоких кратерах, куда практически не попадает солнечных лучей. Вот как выглядит северная полярная область Меркурия — желтым отмечены залежи льда:
Кстати, на эту тему подробно высказывался уважаемый Зеленый Кот — именно тогда заскочил на его лекцию про новейшие открытия в планетологии, которая состоялась в Минске в каком-то лофтике в районе Института Культуры. Помню, мероприятие было как глоток воздуха или демо Гикпикника; впрочем, от Хабра я был еще очень далек и читал репортажи Кота преимущественно в ЖЖ.
На Марсе углекислотный (сухой) лед встречается в сочетании с водяным, а вот на Земле найден метановый лед — он вполне бойко откладывается и образует залежи на морском дне и в вечной мерзлоте.
Кроме того, из различных форм льда, в том числе, водяного, состоят кометы, а также бесчисленные тела из пояса Койпера.
Таким образом, лед, и водяной лед в том числе — штука в ближнем космосе тривиальная и обыденная. А жидкая вода — нет, она является ценным ресурсом, так как остается жидкой в пределах очень узкой зоны обитаемости… и на крупных спутниках.
Вода на спутниках
Самые крупные спутники Юпитера, открытые еще Галилеем — это Ганимед, Европа, Каллисто и Ио. Самые крупные спутники Сатурна — это Титан и Энцелад. При этом Титан является вторым по размеру спутником в Солнечной системе (после Ганимеда) и обладает мощной атмосферой, а Энцелад наиболее интересен в контексте этой статьи. Также отметим Тритон, самый крупный спутник Нептуна.
Изображение взято отсюда. По горизонтали указано расстояние спутника от планеты (в миллионах километров).
У всех газовых гигантов в Солнечной системе есть большое количество крупных спутников, и большинство из них богато простыми соединениями водорода, в частности, метаном и водой. Вот как соотносятся размеры некоторых из этих спутников с размерами Земли:
Почему так тепло?
Юпитер и остальные планеты-гиганты находятся далеко за пределами зоны обитаемости, а их спутники почти не получают солнечного тепла. Тем не менее, на этих спутниках, в особенности на Европе и на Энцеладе, покрытых ледяной коркой, по-видимому, есть целые океаны соленой воды. Недра этих спутников разогреваются за счет действия приливных сил. Двигаясь по орбите, спутник «пытается оторваться» от своей планеты, но планета удерживает его. За счет огромной разницы в «весовой категории» спутник на каждом витке при этом немного «сминается» и из-за этого разогревается. Наиболее интересным следствием таких приливных воздействий является даже не наличие воды на вышеупомянутых телах, а уникальный вулканизм, зафиксированный на Ио. Давайте сначала поговорим именно об этом спутнике.
Ио является одной из ближних лун Юпитера, ее поперечник — порядка 3660 километров. Была открыта еще Галилеем в числе первых четырех спутников Юпитера, наряду с Европой, Каллисто и Ганимедом. Ио отличается самым бурным вулканизмом в Солнечной системе. На ней порядка 400 действующих вулканов и примерно 10 областей с активным вулканизмом. В отличие от Луны и Марса, Ио практически не имеет ударных кратеров, поскольку ее поверхность очень молода, и любые возникающие кратеры заливают потоки серы. Температура поверхности Ио в некоторых районах достигает 320 градусов Цельсия, а вулкан Амирани является самым активным в Солнечной системе. Ио обладает тонкой атмосферой, состоящей из сернистых газов, а также, по-видимому, обладает собственным магнитным полем и глубокими слоями магмы, температура которых может достигать до 650 градусов Цельсия.
Вся эта бурная вулканическая и магнитная активность обусловлена не распадом радиоактивных изотопов в литосфере, как на Земле, а прежде всего воздействием приливных сил. Кроме вышеупомянутого воздействия Юпитера, Ио попадает в зону приливного воздействия Европы и Ганимеда в результате так называемого «орбитального резонанса». Итак, вот что происходит со спутником, когда он перегрет приливными силами. Но в случае большей удаленности от материнской планеты, более слабого и при этом более ровного приливного воздействия ситуация меняется. Спутник, сохраняя скальную основу, всего лишь немного подтаивает. Прежде, чем перейти к самому интересному — и объяснить, что изображено на КДПВ — вкратце очертим, откуда на таких небесных телах в больших количествах берется вода. Очевидно, что нанести ее туда кометами не могло; на Марсе, где лед имеет преимущественно кометное происхождение, очень сухо, а в данном случае речь идет об океане глубиной потенциально в десятки километров на сравнительно маленькой луне.
Откуда вода?
Каким же образом на больших спутниках планет-гигантов могла в таком количестве скопиться вода? Оказывается, здесь в дело вступает сложная динамика и термодинамика, разворачивавшаяся на этапе формирования газовых гигантов из протопланетного диска. Фактически, газовые гиганты собирали вокруг себя миниатюрные «солнечные системы». Сама планета-гигант состоит преимущественно из водорода, которого, однако, слишком мало для запуска термоядерного синтеза и превращения такой планеты в звезду. Но вокруг планеты-гиганта происходила бурная аккреция: гигант оказывался окружен целым роем мелких и мельчайших частиц. Пыль быстро смешивалась с водородными облаками планеты, а более крупные твердые тела (в статье, ссылка на которую поставлена в начале этого раздела, они называются «pebble», «галька») становились не только точками притяжения сравнительно тяжелых минералов из протопланетного диска (силикатов), но и телами, на которых конденсировались водородсодержащие соединения (вода, аммиак, метан), более тяжелые, чем сам водород. Скорее всего, планеты-гиганты успели подхватить в свою свиту и полноценные планетезимали, давшие начало крупнейшим из спутников.
При этом совсем недалеко от Юпитера, на расстоянии около 2,7 астрономических единиц от Солнца, пролегает так называемая «линия замерзания» или «снеговая линия». Дальше этой линии водородсодержащие соединения остаются в стабильно твердом или жидком виде, но не улетучиваются. Именно поэтому за снеговой линией имелось такое множество планетезималей, и у планет-гигантов сформировались огромные системы спутников, а у Сатурна и Урана сформировались кольца. Все эти объекты, считая темную сторону Ио, постоянно или эпизодически покрыты «снегом» — так, в 2018 году при помощи телескопа ALMA удалось определить, что на теневой стороне Ио температура может опускаться до -168 градусов Цельсия, а в среднем составляет около -150 градусов.
Тем не менее, если абстрагироваться от столь экстремального примера, как с Ио, становится понятно: при наличии каменного (силикатного) ядра и в условиях постоянного воздействия приливных сил крупный спутник может покрыться толстой ледяной коркой, под которой будет целый океан жидкой соленой воды, либо массив аморфного льда. Впрочем, давайте поговорим об этом по порядку.
Гейзеры и плюмы
Все началось в 2004 году, когда в район Сатурна прибыла миссия «Кассини-Гюйгенс». Зонд «Кассини» должен был работать на орбите Сатурна, изучая его кольца и спутники, а «Гюйгенс» — приземлиться на Титан, крупнейший спутник Сатурна, кстати, обладающий собственной атмосферой. Основной интерес специалистов, обрабатывавших данные «Кассини», был связан с изучением колец Сатурна, магнитного поля планеты и (при помощи «Гюйгенса») — изучением Титана. Но в июле 2005 года и ноябре 2006 года «Кассини», пролетая мимо южного полюса Энцелада, получил вот такие тепловые карты:
Оказалось, что из трещин во льду вырываются настоящие гейзеры, струи кристаллического льда, и эти струи гораздо теплее окружающей поверхности, их температура достигает -93 градусов Цельсия. Именно поэтому возникла гипотеза, что под ледяной коркой Энцелада может быть жидкая вода. В 2009 году на сайте Общества Макса Планка даже была выложена красочная статья об исследовании гейзеров Энцелада. Раздел о составе и физико-химических свойствах этих фонтанов очень хорош, и я приведу его здесь целиком. Авторы статьи предполагают, что на южном полюсе Энцелада расположено глубокое соленое озеро, и именно его заметил «Кассини».
«Исследователи гадают, продолжается ли до сих пор такая конвекция, и достаточно ли одного лишь приливного разогрева, чтобы объяснить подледные течения. В любом случае, как показывают наблюдения, в глубине спутника достаточно тепло, чтобы вода в озере не замерзала и подпитывала активность гейзеров. Новейшие измерения, выполненные аппаратом CDA (анализатор космической пыли, в составе миссии «Кассини-Гюйгенс») свидетельствуют, что на Энцеладе действительно должно быть подледное озеро. Много лет назад планетологи уже предполагали, что, если бы под ледяной коркой Энцелада действительно существовал резервуар воды, достигающий теплого ядра спутника, то из слагающих ядро минералов должны были бы извлекаться хлорид натрия и другие соли. Натрий уже обнаружен масс-спектрометром CDA. Франк Постберг из Института ядерной физики им. Макса Планка проанализировал данные по 1000 частиц, собранных из кольца E (второе с краю кольцо Сатурна). Все эти частицы имеют диаметр от 1 до 1/10 микрометра, примерно, как в сигаретном дыму. «Все они состоят в основном из водяного льда», — отмечает Постберг, — «но около 6% частиц имеют иной состав; они содержат до 6% солей, в основном, хлорида натрия. Хлорид натрия, он же поваренная соль, также растворен в высокой концентрации в океанах Земли». Спектральный анализ также показывает наличие карбоната кальция, бикарбоната кальция и незначительные концентрации солей калия. Ученый-планетолог из Гейдельберга, ранее изучавший физику и химию, предполагает, что эти соединения берутся из соленого озера, поскольку вода может поднимать соль вверх, только будучи в жидком состоянии. Вырываясь над ледяной коркой в виде аэрозоля, капли воды замерзают и выбрасываются еще выше потоками пара. Большинство из них после извержения, вероятно, вновь выпадают на поверхность, но некоторые достигают орбиты и подмешиваются в кольца Сатурна. Химические условия, сложившиеся в озере, скрытом под ледяным покровом Энцелада, сохраняются и в капельках. В абсолютном большинстве исследованных частиц из кольца E (около 90%) соли очень мало, примерно, как в дистиллированной воде. Постберг считает, что эти капли берутся из облака водяного пара над озером. Они возникают, когда выносящий их поток конденсируется в частицы чистого водяного льда.
Вопрос о том, существует ли на Энцеладе лишь южное полярное озеро, либо целый океан, до сих пор окончательно не решен, но измерения либрации (качания) этого спутника, выполненные в 2018 году, скорее свидетельствуют в пользу океана. В настоящее время предполагается, что структура Энцелада выглядит вот так:
В данном случае важно, что обнаружение гейзеров и плюмов на Энцеладе подстегнуло исследование Европы, которая в определенном отношении сочетает черты Энцелада и Ио, но значительно интереснее Энцелада с научной точки зрения, так как 1) сам этот спутник значительно ближе от Земли 2) Европа значительно превышает Энцелад по объему. Как и на Ио, на Европе практически отсутствуют ударные кратеры, что свидетельствует о молодости ее рельефа. Но, если на Ио наблюдается знакомый нам магматический вулканизм, то на Европе фиксируется криовулканизм, а также плюмы, как на Энцеладе; они значительно слабее и были обнаружены только в 2012 году космическим телескопом «Хаббл». В новейших исследованиях предполагается, что слабая выраженность этих плюмов может свидетельствовать, что на Европе нет цельного подледного океана, а есть только резервуары соленой воды, расположенные сравнительно неглубоко под ледяной поверхностью. В настоящее время NASA готовит миссию «Europa Clipper», зонд, который должен отправиться к Европе до конца 2022 года. Его основной задачи будет исследование воды на этом спутнике и поиски признаков жизни.
Ревнивая Юнона
В римской мифологии Юнона была супругой Юпитера и стойко сносила его многочисленные измены, оставаясь при этом мстительной и жестокой к тем соперницам, в честь которых сейчас названы многочисленные спутники Юпитера. Именно в честь Юноны был назван аппарат NASA, запущенный в августе 2011 года для изучения Юпитера. В первую очередь «Юнона» должна была собрать данные о магнитном поле Юпитера, содержании воды и аммиака в его атмосфере, а также сфотографировать полярные области. В целом эти работы были завершены к 2016 году, и «Юнона» превратилась в искусственный спутник Юпитера, но в 2021 запланирована новая серия исследований с ее помощью — еще 42 облета планеты, в ходе которых аппарат должен исследовать все крупные (Галилеевы) спутники, а также кольца Юпитера. Важнейший аспект новой программы связан с изучением запасов воды на этих спутниках. Так, в 2015 году была высказана гипотеза о существовании подземного океана на Ганимеде; именно тогда в атмосфере этого крупнейшего спутника наблюдались полярные сияния, рисунок которых позволил предположить, что на них воздействует сильный источник подземного магнетизма, и этот магнетизм вполне может провоцироваться соленым раствором.
В сентябре 2022 года «Юнона» пролетит мимо Европы. В этот период NASA попытается заснять плюмы Европы с близкого расстояния, просканировать ледяную корку, чтобы найти в ней наиболее тонкие места, а также поискать признаки жизни. Кроме того, накапливаются данные о своеобразной «тектонике плит» — ледяных участков на поверхности Европы. Также не исключено, что «Юноне» удастся наблюдать европатрясения.
Заключение
Приведенный выше обзор новейших и планируемых миссий, посвященных изучению спутников у планет-гигантов, конечно, не является исчерпывающим. Я полагаю, что отдельной публикации заслуживает рассказ о Титане, и планирую рано или поздно ее подготовить. В заключение этой статьи я хочу отметить, что поиск воды и жизни на спутниках планет-гигантов является ярким примером серендипности: до сих пор не найдя на больших спутниках и следа жизни, мы выяснили совершенно неожиданные детали об этих спутниках: начиная от исследования аморфной формы льда, формирующегося на таких телах, продолжая изучением криовулканов — кстати, объект, очень похожий на криовулкан, был недавно найден в России –, а также зафиксировав и попытавшись объяснить экзотические полярные сияния на Ганимеде. В любом случае, запасы чистой воды и настоящего водяного льда очень пригодятся нам в будущем при изучении Солнечной системы, независимо от того, найдется ли там жизнь. В духе времени исследовательница Джули Рэзбан (Dr. Julie Rathbun) из университета Итаки, штат Нью-Йорк, запустила хэштег #PlanetsAreOverrated («Планеты переоценены»), считая, что «спутники гораздо интереснее». Не могу с ней не согласиться.
