Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
Отмечается, что озеро должно быть неблагоприятным для жизни из-за высокого содержания растворенного кислорода. Когда будут получены образцы, мы либо увидим первое стерильное озеро на Земле, либо, если жизнь там будет найдена, откроем новый тип экстремальной среды, где микробы смогли адаптироваться к высокому уровню кислорода. В любом случае результат будет интересным. Для получения незагрязненных образцов из этого озера в Лаборатории реактивного движения создают маленький зонд-робот, который сможет пробиться сквозь лед, а скважина за ним будет замерзать. Это может стать единственным средством для получения чистых образцов из озера Восток, а в будущем — из покрытого льдом океана Европы.
Температура там очень сильно меняется на расстоянии всего нескольких десятков метров: от 200–400 °C у самого жерла до +3 °C на окружающем морском дне. Высказывалось
Наконец, несколько слов о Ганимеде и Каллисто. Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе, он в полтора раза больше Луны. Каллисто немного меньше Ганимеда. Их поверхности, по сравнению с Европой, выглядят довольно темными, но модели этих тел показывают, что у них есть толстая ледяная кора, под которой море или, что вероятнее, слой воды, смешанной с ледяной шугой. Поскольку они дальше от Юпитера, приливный нагрев недр у них не так велик. Эти спутники не обладают большим потенциалом для жизни.
Сатурн — самая далекая планета, видимая невооруженным глазом. Когда Галилей навел на нее телескоп, он удивился, что Сатурн виден как «три звезды». Через два года маленькие «звездочки» по бокам исчезли, и еще через четыре года, в 1616 году, он зарисовал кольца как половинки эллипса. Возможно, он был несколько обескуражен, наблюдая столь сильные изменения во внешности «звезды». В 1655 году Христиан Гюйгенс предположил, что Сатурн окружен сплошным кольцом. Внешний вид, исчезновение и появление кольца объяснялись его наклоном относительно плоскости земной орбиты: повернувшись ребром к Земле, кольца исчезают. В том же году Гюйгенс открыл и крупнейший спутник Сатурна — Титан. После Гюйгенса кольца часто наблюдали и другие астрономы, причем многие из них полагали, что это твердые тела. Джованни Кассини и Жан Шаплен считали, что кольца состоят из множества маленьких твердых тел; потребовалось 200 лет, чтобы эта идея стала общепризнанной.
Известно, что у Сатурна самая низкая средняя плотность среди всех планет Солнечной системы — около 0,7 плотности воды. Эта газовая планета в основном состоит из водорода и гелия; этим она очень похожа на Юпитер. Ее масса примерно в 100 раз больше массы Земли. Ее великолепный ряд колец более заметен, чем кольца других трех планет-гигантов. Система из шести десятков ее спутников непохожа на систему спутников Юпитера. У Сатурна лишь один крупный спутник — Титан. Диаметры еще четырех лежат в интервале от 1000 до 1500 км, а остальные значительно мельче.
Четыре космических зонда побывали в системе Сатурна. По пути к нему все они посетили систему Юпитера. «Пионер-11» пролетел мимо Сатурна в 1979 году, «Вояджер-1» в 1980 году и «Вояджер-2» в 1981 году. Прошло двадцать лет, и в октябре 1997 года был запущен зонд «Кассини-Гюйгенс». Посадочный аппарат «Гюйгенс» отделился от него на Рождество 2004 года и опустился на поверхность Титана 14 января 2005 года. Ожидается, что орбитальный аппарат «Кассини» сможет работать до 2017 года.
В 1944 году Джерард Койпер спектроскопически открыл атмосферу Титана. Он заключил, что атмосфера состоит из метана. Так и считалось вплоть до полета «Вояджера-1», который в 1980 году показал, что основной компонент атмосферы Титана — азот, а давление у его поверхности превышает земное примерно в 1,5 раза. «Вояджер-2» в своем полете к Сатурну не приближался к Титану. Важную роль в исследованиях Титана сыграл космический телескоп «Хаббл» благодаря высокой четкости изображений.
Прорыв в исследованиях Титана совершили орбитальный аппарат «Кассини» и его посадочный зонд «Гюйгенс». Вначале сведений о поверхностной температуре или климате было очень мало. Атмосфера оказалась азотной с 1 % метана в стратосфере и 5 % у поверхности. Остальные газы обнаружены в мизерных количествах. Температура на поверхности около -180 °C. Это на 10 градусов меньше, чем ожидалось по теоретическим расчетам; виноват туман в атмосфере Титана, эффективно поглощающий свет, но прозрачный в инфракрасном диапазоне. Во время своего 2,5-часового спуска в атмосфере «Гюйгенс» наблюдал довольно однородный туман от высоты 150 км вплоть до поверхности, но не заметил
После посадки «Гюйгенс» передавал данные более часа. Он сел на мягкую поверхность, напоминающую мокрую глину, слегка утоптанный снег или же влажный или сухой песок. Быстрое изменение газового состава в месте посадки показывает, что почва под аппаратом была увлажнена метаном. Бортовые камеры передали изображение камней вокруг аппарата, которые могут быть силикатными, но больше похожи на водяной лед, покрытый углеводородами. Снимки, сделанные «Гюйгенсом» при спуске, показывают, что внешне поверхность Титана похожа на земную. Ветвящиеся структуры очень напоминают русла рек с притоками. По форме и структуре это типичная дренажная система дождевых стоков. Они более темные по сравнению с окружающим ледяным ландшафтом.
В 2006 году «Кассини» получил радарные изображения 75 озер. Они находятся в полярных областях, где метан и этан стабильно пребывают в жидкой форме. На радарных изображениях эти озера выглядят темными (как мокрая дорога в свете фар), поскольку их гладкая поверхность отражает радиоволны зеркально, так что при их падении под углом к поверхности они не возвращаются к радару. Озера располагаются в топографических депрессиях, и в них впадают русла, похожие на те, которые видел «Гюйгенс». В 2007 году при пролете вблизи Титана «Кассини» заметил такое большое озеро, что его следовало бы назвать «морем». Его площадь 100 000 км 2, то есть 0,12 % поверхности Титана (к примеру, Черное море занимает 0,085 % земной поверхности). Поданным «Кассини» можно предположить, что есть и второе озеро в несколько раз большего размера. Их было бы достаточно для поддержания круговорота метана в атмосфере (рис. 31.7). В 2008 году спектральные наблюдения показали, что жидкость в озерах — это метан с некоторым количеством этана и, возможно, азота. До сих пор не совсем ясно, как образуются облака в атмосфере Титана, почему они быстро исчезают и идут проливные метановые дожди (~ 100 кг/м 2). Но очевидно, что на Титане есть круговорот жидкости, в каком-то смысле похожий на круговорот воды на Земле, с той лишь разницей, что вместо воды — метан.
А что можно сказать о жизни в таком мире? Поверхность Титана холодная, поэтому химические процессы протекают там очень медленно. Более того, у Титана никогда не было теплого прошлого (но его ожидает теплое будущее, когда Солнце превратится в красный гигант). Сейчас на поверхности Титана нет жидкой воды, а в атмосфере нет водяных паров. Но средняя плотность Титана говорит о том, что он наполовину состоит из каменистых пород, а наполовину — из водяного льда. Расчеты показывают, что под толстой ледяной корой может быть океан из смеси воды и аммиака. При высоком давлении могут существовать углеводородные клатраты, под слоем которых, вплоть до каменистого ядра, должны располагаться льды высокого давления. В некотором смысле это напоминает Землю, с той лишь разницей, что роль земных силикатов на Титане играет вода. Вероятно, на Титане действуют вулканы, извергающие воду, метан и аммиак. Озера «водяной лавы» могут сохраняться в жидкой форме сотни лет, становясь потенциальными оазисами для развития жизни.
Рис. 31.7 Озера и их берега на Титане. Радарное изображение подучено орбитальным аппаратом «Кассини». С разрешения NASA/JPL.
Холодные области за пределом вулканов и тектонических областей Титана непригодны для знакомых нам форм жизни. Если там и есть жизнь, то она совершенно иная. В любом случае, Титан может оказаться наилучшим полигоном предбиологической химии. В атмосфере, на высоте 200–300 км от поверхности, есть зона фото-активного тумана. В этой зоне, простирающейся до высоты 1000 км, метан и азот ионизуются под действием солнечного ультрафиолета и энергичных частиц. Ионы весьма активны: они стимулируют формирование сложных молекул различного состава и длины. Они объединяются в дегтеобразные вещества под названием толины; возможно также, что там могут формироваться различные аминокислоты и длинные углеводородные цепи. Когда толины становятся достаточно тяжелыми, они начинают осаждаться на поверхность Титана. Все это напоминает процессы, происходившие в атмосфере Земли, когда на ней зарождалась жизнь.