на каком спутнике предполагают наличие жидких морей подо льдом
Подледная жизнь вне Земли: что мы знаем о Европе, спутнике Юпитера
Возможно, внеземная жизнь гораздо ближе к нам, чем кажется, поскольку жидкая вода, которая нужна для возникновения и и подднржания существования аналога земной жизни, не редкость в Солнечной системе. Так, уже доказано (или почти доказано) существование океанов жидкой воды у ряда спутников планет-гигантов.
Насколько известно, лед есть даже в кратерах самой близкой к Солнцу планете — Меркурии. Вероятно, там лед иногда тает, так что вода время от времени может образовываться и там, хотя, наверное, ненадолго. Но на Европе, спутнике Юпитера, жидкая вода совершенно точно существует под многокилометровой толщей льда. Может быть, там есть и жизнь, хотя это нужно доказать. Что нам известно об этом спутнике Юпитера?
Все началось с обнаружения гейзеров
О неоднородной поверхности Европы известно давно, как и о том, что ее поверхность — лед. Долгое время считалось, что спутник Юпитера покрыт многокилометровым слоем льда, так что спутник представляет собой нечто вроде снежка с каменным ядром внутри. Но, как оказалось, реальность гораздо интереснее — космический аппарат «Галилео» обнаружил признаки существования гейзеров над поверхностью Европы.
За время своей научной миссии он 11 раз облетел Европу с минимальным расстоянием от поверхности в несколько сотен километров. Изучив переданные аппаратом данные, ученые выяснили, что в нескольких случаях показания магнитометра очень сильно менялись. Так случилось, в частности, 16 декабря 1997 года, когда расстояние до поверхности спутника Юпитера составило всего 206 километров. Ученые предположили, что «Галилео» прошел через гейзер.
Орбитальный телескоп «Хаббл» помог доказать существование гейзеров. Ну а раз они есть, значит, подо льдом Европы — жидкая вода, и ее много. Она может быть (и скорее всего это так) соленой, причем соль может быть не поваренной, а «английской», т.е. это калийная соль. Но в любом случае есть далеко ненулевой шанс существования под поверхностью Европы жизни — хоть микроскопической, хоть многоклеточной.
Глубина океанов (вернее, океана) Европы может достигать 80-179 км, а значит, на спутнике Юпитера воды примерно в два раза больше, чем содержат все океаны Земли.
Какие ваши доказательства?
Конечно, у ученых нет прямых доказательств существования жизни на Европе, но зато есть косвенные, и это не один набор данных. В частности, в 2013 году исследователи Калифорнийского университета заметили следы присутствия перекиси водорода. Она необходима для процесса, который называется метаногенезом — образованием метана анаэробными археями.
Кроме ресурсов вроде перекиси для существования жизни нужна еще тепловая энергия. И она, скорее всего, тоже есть на Европе. Есть несколько предположений насчет возможности существования жидкой воды на Европе. Одна из них — гравитационное воздействие спутника с газовым гигантом. Европа вращается вокруг Юпитера, благодаря чему внутренние слои смещаются и деформируются под воздействием гравитации. Все это приводит к трению с генерацией тепла. Разогревается мантия луны Юпитера, которая нагревает придонные слои океана. Возможно, теплее всего на полюсах спутника — там должен генерироваться максимальный объем тепла.
Этот эффект называется «приливный разогрев» и не является уникальным в Солнечной системе. У ученых есть все основания считать, что приливный разогрев характерен и для других спутников планет-газовых гигантов. По мнению Йоахима Заура, планетолога из Кельнского университета, Европа — один из лучших кандидатов на обнаружение внеземной жизни, поскольку здесь жидкая вода взаимодействует с силикатной мантией. Это значит, что минеральные соединения вымываются, поставляя ресурсы для живых организмов (если они там есть, конечно).
Кроме трения, есть и еще одна возможность — вулканическая активность. Если подо льдом есть вулканы, то они создают необходимые для существования жизни условия. Примеры есть на Земле — это гидротермальные источники на дне океанов нашей планеты.
Еще есть далеко ненулевая вероятность попадания кислорода в воду. Некоторые ученые предполагают, что этот элемент образуется на поверхности Европы под воздействием солнечного ветра, а затем попадает в океан уже в ходе чисто геологических процессов. Правда, концентрацию кислорода в воде пока что определить невозможно — нужна специализированная миссия.
Что касается самой жизни, то о возможной конфигурации экосистем рассказывает созданный около 20 лет назад документальный фильм BBC «Естественная история инопланетянина» (Natural History of an Alien). Его создатели считают, что в основе трофической цепочки будут находиться хемотрофные бактерии. Они будут формировать слои органических отложений на дне океана, а другие живые организмы, будут этими отложениями питаться. Эти организмы — аналог травоядных организмов на Земле. Соответственно, будут существовать и хищники, которые могут быть похожими на акул.
Миссии? А пожалуйста
NASA запускает этап сборки и тестирования новой станции. Аппарат планируют отправить в 2024 году. Он будет исследовать ледяную поверхность и подледный океан спутника Европы.
Главная цель проекта Europa Clipper — изучение спутника Юпитера. Особый интерес для исследователей представляет как раз уникальный океан Европы. Сейчас почти никто не сомневается в его существовании.
Старт миссии нацелен на 2024 год. Аппарат запустит в космос ракета-носитель SLS. Продолжительность полета к спутнику составит 7 лет. Основная научная программа продлится 109 дней.
Основные ее характеристики:
Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE)
Это многоцелевой проект, который предполагает изучение не только Европы, но еще и Ганимеда и Каллисто. Что касается Европы, то ученые планируют для JUICE 2 облета на высоте 400-500 км от поверхности спутника. К сожалению, полноценное изучение Европы потребует около 50-100 облетов, что пока не представляется возможным. Тем не менее, в течение 36 дней аппарат будет изучать Европу подробнейшим образом, находясь в непосредственной близости. И еще около года займут удаленные исследования. Цели изучения спутника Юпитера:
Если две миссии выше — утверждены, то другие, лишь предполагаемые, пока обсуждаются. Одна из наиболее интересных — проникновение через трещину под лед. Сделать это сложно, но возможно. Такая миссия будет включать два аппарата. Первый будет нести в себе второй, доставив его под лед.
Второй же может выглядеть как «плавучий вездеход», который успешно прошел испытания в 2019 году в озере близ Уткиагвика, Аляска.
Называется этот модуль Buoyant Rover for Under-Ice Exploration. Он сконструирован таким образом, чтобы не тонуть, а ползать по нижней части морского льда. У него положительная плавучесть, благодаря чему море прижимает его ко льду снизу, где он и ползает, собирая научные данные.
В ходе испытаний робот непрерывно находился подо льдом в течение 42 часов и 30 минут.
В целом, надежды ученых можно выразить словами специалиста из NASA, Мохита Мелвани Дасвани. Он занимается моделированием условий Европы, включая состав и физические свойства ядра, слоя силикатных пород и океана. Дасвани заявил следующее: «Европа — один из наших лучших шансов найти жизнь в нашей Солнечной системе. Миссия NASA Europa Clipper будет запущена в ближайшие несколько лет, и поэтому наша работа направлена на подготовку к миссии, которая будет изучать вопрос обитаемости Европы».
5 ледяных спутников Солнечной системы, на которых может существовать жизнь
Европа, Титан, Энцелад, Ганимед и Каллисто
Внеземная жизнь может скрываться прямо на заднем дворе нашей родной планеты. Известно, что некоторые из ледяных спутников Юпитера и Сатурна могут иметь подземные океаны, в которых не исключается наличие микроскопической жизни. Даже в самых глубоких, тёмных и холодных участках Земли существуют жизненные формы, выживающие за счёт тепла и питательных веществ гидротермальных жерл. Этот факт доказывает, что жизнь может существовать даже в самых экстремальных условиях, правда, не в такой форме, какой мы привыкли видеть.
Европа
Поверхность спутника Юпитера — Европы, покрыта льдом. Поверхностная температура этого спутника составляет около −160 °C на экваторе и −220 °C на полюсах, что придаёт ледяной коре высокую прочность — её толщина составляет примерно 10—30 километров. Сейчас большинство учёных сходятся во мнении, что под поверхностными льдами Европы находится жидкий океан, в котором не исключено наличие микроскопической жизни.
О наличии жидкого океана также свидетельствуют 2 открытия, сделанные НАСА в 2012 и 2016 годах. На Европе были зафиксированы признаки выбросов водяного пара, что, вероятно, является результатом действия гейзеров. Пар, бьющий из трещин ледяной коры Европы, вылетает из них со скоростью около 700 м/с на высоту до 200 километров, после чего падает обратно. Подобные гейзеры также известны на Энцеладе, но, в отличие от его гейзеров, гейзеры Европы более мощные и выбрасывают чистый водяной пар без примеси льда и пыли.
Слева — Европа, справа — трещины на ледяном панцире спутника. Изображения сняты космическим аппаратом «Галилео»
Энцелад
Энцелад, являющийся спутником Сатурна, состоит в основном из водяного льда и имеет почти белую поверхность с рекордной в Солнечной системе чистотой и отражательной способностью. В 2005 году на его поверхности был открыт богатый водой шлейф, фонтанирующий из южной полярной области. Проведённые анализы выбросов указали на то, что они выбиваются из подповерхностного жидкого водного океана. Учёные считают, что температура его верхних слоёв может составлять около −45°С и с ростом глубины достигать +1 °С, что сравнимо с температурой арктических вод на Земле.
Согласно сведениям, собранным зондом в 2015 году при пролёте мимо Энцелада с рекордного расстояния в 25 километров, стало известно, что в выбрасываемой жидкости помимо воды также содержится большое количество водорода. Это указывает на активные гидротермальные процессы в океане Энцелада. Также учёные не исключают, что на дне океана могут происходить процессы восстановления углекислого газа до метана — подобная реакция схожа с активностью древних океанов Земли, которая стала источником энергии для первых организмов.
Слева — Энцелад, справа — водяной пар в южном полушарии Энцелада. Изображения сняты космическим аппаратом «Кассини»
Титан
Крупнейший спутник Сатурна, Титан, является единственным, кроме Земли, телом в Солнечной системе, у которого доказано стабильное существование жидкости на поверхности. Жидкость на Титане представляет собой смесь жидких углеводородов, а также подповерхностный океан, который, предположительно, обладает экстремально высокой солёностью.
Несмотря на низкую температуру, которая составляет минус 170—180 °C, Титан сравнивают с Землёй на ранних стадиях её развития. В связи с этим учёные не исключают, что на спутнике возможно существование простейших форм жизни, в особенности, в подземных водоёмах.
Слева — мультиспектральный снимок Титана, справа — ландшафт Титана в месте посадки зонда «Гюйгенс»
Ганимед и Каллисто
Спутники Юпитера Ганимед и Каллисто также могут иметь подземные жидкие океаны. Но в этих случаях их океаны были бы погребены под толстой корой, состоящей из скальных пород и льда, толщиной не менее 100 километров.
Учёные считают, что на Ганимеде и Каллисто с меньшей вероятностью могла бы зародиться жизнь, поскольку условия для жизни как таковой здесь несколько хуже по сравнению с их «водными» братьями. Например, несмотря на наличие у Каллисто водяного льда, возникновению жизни здесь мешает низкий тепловой поток из недр спутника. Поэтому на основе этих и других исследований считается, что среди всех спутников Солнечной системы у Европы и Энцелада имеются самые высокие шансы на поддержание жизни, по крайней мере, микробной. Но несмотря на это Европейское космическое агентство объявило о старте космической миссии в 2022 году в систему Юпитера, где основной упор будет сделан на исследовании Ганимеда и поиска признаков жизни на нём.
ЗДОРОВОЕ ДОЛГОЛЕТИЕ
Чем интересны ледяные спутники Юпитера
Интервью с научным сотрудником миссии JUICE Оливером Витассом
Этот материал является переводом интервью с научным сотрудником миссии ЕКА JUICE Оливером Витассом, которое было опубликовано в выпуске журнала All About Space №106 от 16 июля 2020 года.
Доктор Оливье Витасс – учёный-планетолог из ЕКА, работающий в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Нордвейке (Нидерланды). Он является научным сотрудником в проекте создания нового космического аппарата ЕКА под названием Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), который должен быть запущен в 2022 году с прибытием в систему Юпитера в 2029-м. Витасс работал над множеством космических миссий, включая Mars Express, Venus Express, Cassini-Huygens, ExoMars и Chandrayaan-1. Издание All About Space поинтересовалось у Оливера, чем же так интересны галилеевы спутники.
Каким образом спутникам, которые посетит космический аппарат JUICE – Европе, Ганимеду и Каллисто – удалось сохранить подповерхностные океаны будучи столь удалёнными от Солнца? Почему вода не замёрзла?
Эти спутники называют “ледяными лунами”. Это неспроста: в их составе в значительной мере присутствует водяной лёд. Эти тела имеют механизм, который не позволяет части этого льда замерзать, делая возможным существование жидкой воды. Вопрос состоит в том, чем обусловлен данный механизм.
Есть две возможные причины. Первая заключается в том, что луны Юпитера – тела достаточно крупные. В их ядрах (как и у Земли) могут находиться радиоактивные элементы – и благодаря их распаду может выделяться некоторое количество тепла. Вторая причина состоит в том, что все три спутника достаточно близки к своей планете. Между лунами и Юпитером существует тесное гравитационное взаимодействие. Это воздействие настолько сильно, что способно изменять форму спутников. На самом деле галилеевы луны по форме ближе к мячу для регби, чем к идеальной сфере. Их внутренности постоянно сдавливаются и разжимаются. В ходе этих процессов выделяется тепловая энергия, которой может быть достаточно для того, чтобы поддерживать воду в жидком агрегатном состоянии.
Как учёным удалось обнаружить у них подповерхностные океаны?
Сделанное двадцать лет назад аппаратом NASA Galileo открытие подповерхностных водоёмов у спутников Юпитера было одним из величайших достижений планетологии. Аппарат сделал облёт вокруг Юпитера, и ему нужно было совершить несколько пролётов около ледяных спутников и Ио. Благодаря наличию магнитометра Galileo удалось обнаружить жидкую воду внутри Европы, Ганимеда и, возможно, Каллисто.
Это было великим открытием по той причине, что проведённые измерения не давали нам визуального подтверждения. Мы не можем увидеть эту воду – она под поверхностью спутников. Но мы можем ощутить её присутствие, измеряя параметры магнитного поля. Дело в том, что внутри спутников Юпитера вода содержит примеси: она солёная и может проводить электрический ток. Поэтому вокруг объектов имеются очень слабые переменные магнитные поля, на которые оказывает влияние более сильное магнитное поле Юпитера. Мы можем измерить это влияние с помощью магнитометра.
Данные показали, что под поверхностями Европы и Ганимеда имеется жидкая вода. С Каллисто всё немного сложнее – результаты измерений интерпретировать нелегко.
Тестирование антенны RIME для миссии JUICE. Сигнал, принимаемый антенной во время испытаний, излучался зондом, установленным на квадратной сетке слева. Credit: ESA–M. Cowan
Почему JUICE стала первой крупной миссией ЕКА в рамках программы Cosmic Vision?
Конкурс проходил в 2012 году. Для любого космического агентства, будь то NASA или ЕКА, выбор миссии всегда даётся тяжело. Сначала ЕКА предлагает учёным оформить какую-то идею для новой миссии. Потом идёт этап исследования концепции. Затем ЕКА выбирает некоторые концепции на основе мнения специальных комитетов, которые дают рекомендации и проводят оценку. По этим вопросам ведётся множество дискуссий. Но в ЕКА есть комитет, который, в конечном итоге, утверждает те миссии, которые будут воплощены в жизнь.
В конкурсе 2012 года участвовали три миссии, одной из которых была JUICE. Две другие миссии – это детектор гравитационных волн LISA и рентгеновский телескоп ATHENA.
После долгих обсуждений достоинств каждого из проектов, в ЕКА решили что JUICE – лучший из них. И судя по тому, что происходит сейчас, выбор оказался верным. Миссия LISA сложна с технической точки зрения и требует выведения на орбиту трёх аппаратов. ATHENA сталкивается с множеством проблем. Ни одна из этих инициатив не будет готова к запуску в 2022 году.
Вы принимали участие в работе над многими космическими проектами, в числе которых Cassini-Huygens, Venus Express, Mars Express и другие. Исходя из вашего опыта, можете сказать, насколько уникальна миссия JUICE?
Все космические миссии уникальны и интересны. Каждая из них выбирается на основе тех научных вопросов, которые стоят перед учёными на ранних этапах разработки этих проектов. Все предыдущие миссии, над которыми я работал, довольно занятные и дают много потрясающих результатов.
JUICE – это первая независимая европейская космическая миссия к Юпитеру. Она очень сложная. Миссии к Юпитеру свершаются раз в три десятилетия или около того. По этой причине мы стараемся разработать космический аппарат таким образом, чтобы получить как можно больше ответов на как можно большее количество вопросов. С точки зрения научных результатов эта миссия должна стать очень важной, поскольку изучению подвергнутся различные аспекты системы Юпитера. Мы собираемся больше узнать о строении спутников, их поверхности, атмосфере и связи с родной планетой. Мы изучим и сам Юпитер, а также пыль вокруг него. И конечно же, постараемся внести свой вклад в вопрос обитаемости ледяных лун.
Самый интересный вопрос, на который попытается ответить JUICE заключается в том, каким образом спутникам Юпитера удаётся поддерживать свои подповерхностные океаны в течение длительного периода времени. Мы хотели бы понимать эти механизмы лучше, поскольку это очень важно как с точки зрения планетологии, так и с точки зрения астробиологии. Я имею в виду, что нам хотелось бы найти пригодные для развития и существования жизни места за пределами Земли. Это большая загадка.
Аппарат JUICE будет нести одиннадцать научных приборов. Можете отметить два или три, от которых вы ожидаете впечатляющих результатов?
Как я уже отмечал, миссии к Юпитеру – события довольно редкие. Поэтому мы постарались взять на борт нашего космического корабля только самые лучшие научные инструменты. Приборы были выбраны таким образом, что они могли дополнять друг друга.
Если бы я выбирал, то конечно же отметил бы камеру JANUS. Она будет снимать изображения фантастической чёткости. С её помощью мы увидим и Юпитер и его спутники совершенно иначе. Её разрешение составляет менее десяти метров на пиксель, что позволит исследователям понять кое-что о процессах, происходящих на поверхности лун. Наличие такого инструмента всегда плюс, как геологов и других учёных, так и для широкой публики.
В решении вопроса существования подповерхностного океана нам поможет магнитометр J-MAG. С его помощью нам удастся обнаружить крошечные изменения в магнитном поле, которые вызывает наличие солей в воде. А в случае с Ганимедом, мы также определим глубину океана. Мы и вправду не знаем, насколько он глубок. Может 10, может 40, а может 50 километров. Нам хотелось бы иметь представление о количестве воды, которое залегает под поверхностью этого спутника. Магнитометр предоставит нам такую информацию.
Другой интересный инструмент — лазерный высотомер GALA. С его помощью мы сможем изучить рельеф Ганимеда: обнаружить горы, каньоны и т.д. Заодно мы сможем проследить изменение формы спутника в результате приливного взаимодействия с Юпитером.
10,5-метровая стрела магнитометра J-MAG – одного из одиннадцати научных приборов аппарата JUICE. Credit: ESA-G
Насколько много воды содержится в этих ледяных лунах по сравнению с тем, что мы имеем на Земле?
Поразительно, неожиданно и очаровательно то, что мы полагаем, что эти каждый из ледяных спутников содержит в себе больше жидкой воды, чем есть на Земле. Глубина нашего океана составляет около десяти километров. Но океаны тех лун намного глубже. Возможно, их глубина может достигать 200 километров. Для сравнения: Европа потенциально может иметь в два раза больше жидкой воды, чем Земля, а Ганимед – в пять раз.
Как по-вашему, что миссия JUICE расскажет нам о формировании Солнечной системы? И изменит ли она наше представление о том, что такое обитаемая зона?
Для начала мы соберём все изображения и данные, что сможем. Они помогут нам понять систему в её нынешнем состоянии. Основываясь на этих знаниях, мы сможем составить полную картину. Соберём всю информацию, экстраполируем во времени, проведём моделирование, будем думать над теориями. Может быть, в таком случае нам удастся узнать что-то новое о происхождении спутников Юпитера.
Очень сложно понять, какие данные удастся собрать JUICE. Но я практически уверен, что когда мы получим данные из всех спутниковых систем (имеются в виду системы спутников других планет-гигантов Солнечной системы – прим. переводчика), то получим интересные выводы по вопросам формирования и происхождения этих спутников.
А вот решение вопроса обитаемости будет в первую очередь зависеть от решения вопроса с наличием жидкой воды. После того, как мы окончательно подтвердим её присутствие, нам предстоит как-то охарактеризовать подповерхностные океаны.
Насколько они глубоки? Каков их состав? Где именно под поверхностью они залегают? Они ближе к самой поверхности или к центру спутника? Вся эта информация будет использована при изучении обитаемости, потому что обитаемость океана будет зависеть от каждого из этих факторов.
Аппарату “Кассини” удалось пройти сквозь водяные выбросы спутника Сатурна Энцелада и изучить их. Вы планируете провернуть что-нибудь подобное с JUICE?
На данный момент у нас есть намёк на то, что подобные выбросы происходят на Европе. Но стопроцентной уверенности нет. По нескольким причинам.
Обнаружить эти выбросы довольно проблематично. Хотя в случае с Энцеладом они получились очень чёткими. Их буквально было видно. В случае с Европой ничего не ясно. А по другим спутниками ничего обнаружено не было.
Но мы собираемся отправить JUICE к Европе на два близких пролёта. Аппарат пролетит на расстоянии примерно в 400 километров от поверхности спутника. Возможно, нам удастся пройти сквозь один из выбросов. Зонду от этого вреда не будет никакого: Проблема состоит в том, что нам нужно будет адаптировать траекторию полёта таким образом, чтобы пройти через выброс. Это сложная задача, поскольку траектория движения аппарата ограничена множеством условий. Если будет возможность – мы сделаем это.
Аппарат VERNE (Vertical Entry Robot For Navigating Europa) в представлении художника
В этом году исполняется 410 лет со дня открытия Галилео Галилеем четырёх “галилеевых спутников” Юпитера. За это время мы перешли от наблюдения за ними в телескоп к фактическому планированию отправки туда космического аппарата. Как вы думаете, каким будет будущее исследования этих лун?
Никогда не знаешь, что ждёт тебя за углом. Но я думаю, что следующим логичным шагом после JUICE (в зависимости от результатов, конечно) будет миссия по отправке на одну из ледяных лун Юпитера посадочного аппарата.
Если у нас будет достоверная информация о наличии жидкой воды под поверхностью одной из этих лун, то я думаю, что было бы неплохо отправить туда какой-то аппарат, способный пройти сквозь всю толщу льда и начать изучение внеземного океана с помощью субмарины. Или что-то вроде того. Думаю, что подобная миссия может состояться в ближайшие 50 лет.
Технологии развиваются довольно быстро. В течение ближайших нескольких лет мы наверняка увидим тринадцатого человека на Луне. Это просто научная фантастика какая-то! Ну а следующим логичным шагом после Луны и Марса станет поверхность ледяных лун Юпитера. Может быть через 100, 200 или 300 лет такое станет возможным.