Горячий лед, торт «Наполеон» и гигантские гейзеры. Кто может выжить во внеземных океанах?

Основных биомаркеров пять — это вода, кислород, озон, метан и углекислый газ. По отдельности присутствие каждого из этих веществ вовсе не означает, что планета обитаема, но вот если биомаркеров обнаружено несколько, это должно вызвать серьезные подозрения. Пожалуй, главное из этих веществ — вода. Можно представить экосистему без кислорода и азота, хороший пример — это наша планета пару миллиардов лет назад. А на метан и углекислый газ может просто не хватить чувствительности даже у еще только строящихся суперсовременных телескопов. Но наличие в атмосфере водяных паров — конечно, если эта планета не расположена слишком близко или слишком далеко от своей звезды — может свидетельствовать об обширной гидросфере на поверхности. Например, там могут течь реки, плескаться моря и океаны, а по небу бежать дождевые облака. Опять же всё это вовсе не значит, что в глубинах мы встретим внеземную жизнь, но уже вселяет некоторую робкую надежду. Предлагаю отправиться в воображаемое путешествие по внеземным океанам и пофантазировать о том, кого мы можем встретить в их водах.

Океан песка и ветра

Но начнем мы с одного, на первый взгляд, совсем не подходящего для водоема места. С красной марсианской пустыни. Разглядывая снимки с поверхности планеты-соседки, сложно представить, что когда-то это место выглядело совсем иначе. Однако есть довольно серьезные доказательства водного марсианского прошлого.

Представьте Красную планету три миллиарда лет назад. В северном полушарии был расположен океан глубиной около километра, по объему лишь немногим уступающий земному Северному Ледовитому. Южнее располагались многочисленные реки и озера. Сейчас на поверхности планеты наблюдаются следы водной эрозии, а также свидетельства кратковременных потеплений и похолоданий. Интересные детали рельефа современного Марса — так называемые каналы оттока (outflow channels), которые возникают при масштабных, но недолгих наводнениях. Естественно, что в эти времена атмосфера была куда плотнее, а климат мягче. Здесь, правда, таится одна загадка, связанная с так называемым парадоксом слабого молодого Солнца.

Согласно моделям звездной эволюции, в ранней Солнечной системе наше светило должно было излучать примерно на 30 % слабее, чем сейчас. То есть климат всех каменных планет в прошлом должен был быть холоднее.

Однако данные геологии показывают: не считая нескольких очень значительных оледенений, на древней Земле было куда теплее, чем в наши дни. Как и на древнем Марсе. Окончательного понимания, почему же планеты в древности не превратились в ледышки, у ученых нет.

Существует несколько конкурирующих гипотез. Например, не исключено, что в прошлом в атмосферах Земли и Марса было гораздо больше парниковых газов, которые удерживали тепло и не давали планетам замерзнуть окончательно. На нашей планете это мог быть метан, выделяемый древними микробами археями, а Марс мог бы согреваться за счет выбросов парниковых газов при извержении вулканов. Также есть предположение, что своеобразный грелкой молодым планетам служили солнечные вспышки, якобы случавшиеся в древние времена гораздо чаще.

Но как бы то ни было, сейчас Марс — весьма негостеприимное место. Температура меняется от +25 днем на экваторе до −120 и ниже в районе полюсов. А атмосферное давление примерно такое же, как на высоте 35 км на Земле. Такое низкое давление делает невозможным существование жидкой воды на поверхности планеты. Хорошая аналогия — куски сухого льда в коробках с мороженым, которые, когда тают, просто испаряются.

Таким Марс стал примерно 2,5 млрд лет назад. По-видимому, именно тогда он растерял большую часть атмосферы, древние водоемы либо замерзли, либо испарились, и, казалось бы, ничто в облике планеты не напоминает о былом величии. Но это не так. Долгое время ученые полагали, что марсианские полярные шапки состоят из замороженного углекислого газа, но оказалось, что под тонким слоем CO₂ находятся большие запасы льда. В основном марсианская вода сосредоточена в так называемой криосфере — слое вечной мерзлоты под поверхностью планеты, его толщина составляет десятки и сотни метров. Интересный эксперимент поставили в ходе работы аппарата Phoenix, который обнаружил твердое белое вещество на дне выкопанной им небольшой траншеи. Это мог быть водяной лед либо слой соли или замороженного углекислого газа. Ученым пришлось немного подождать, пристально следя за вырытой ямкой. Под солнечными лучами CO₂ должен был очень быстро испариться, водяной лед тоже испарился бы, но за гораздо большее время, а соль осталась бы лежать без изменений. Наблюдения показали, что вещество испарялось так, как должен был это делать водяной лед.

Расчеты показывают, что если представить Красную планету в виде идеально круглой сферы и растопить все запасы льда, то этого хватит, чтобы покрыть поверхность 11-метровым слоем воды.

Совсем недавно в журнале Science вышла статья итальянских ученых, в которой они представили доказательства существования жидкой воды подо льдом южной полярной шапки Марса в области так называемого Южного плато (Planum Australe). Радар MARSIS космического аппарата Mars Express обнаружил под 1,5-километровой толщей льда признаки озера диаметром порядка 20 км и глубиной как минимум несколько десятков сантиметров. В чем-то этот водоем должен быть похож на земные подледные озера Антарктиды и Гренландии. Ученые предполагают, что на Красной планете могут быть еще подобные озера, ведь радар обследовал всего несколько процентов территории Южного плато. Так что если бы мы сейчас решили лететь на Марс, проблем с водой у нас точно не возникло бы.

Кстати, согласно результатам моделирования климата древней Венеры, опубликованного международной группой планетологов в 2016 году, сестра Земли тоже могла иметь в прошлом обширную гидросферу. На это указывает соотношение дейтерия к водороду в атмосфере планеты. На Венере это отношение в 150 раз больше, чем у нас. А это, скорее всего, говорит о том, что планета отдала в космос весь легкий водород, сохранив тяжелый дейтерий. Конечно, надежно оценить объем океана довольно сложно, но, по современным прикидкам, он был почти в 10 раз меньше, чем на Земле. Правда, из-за особенностей рельефа мог покрывать до 60 % поверхности планеты. В северных областях мог даже лежать снег, во что сложно поверить, вспоминая, что сейчас там температура порядка 460 градусов!

Под ледяной скорлупой

Пожалуй, самые известные внеземные океаны находятся на спутниках газовых гигантов. У Юпитера — это ледяной спутник Европа, а у Сатурна — Энцелад. Европа по размеру чуть поменьше Луны, однако если поместить этот спутник Юпитера на лунную орбиту, полнолуния стали бы гораздо ярче. Дело в том, что в отличие от темного лунного реголита, поверхность Европы покрыта снегом и льдом, которые гораздо лучше отражают свет.

После пролета космических аппаратов вблизи Юпитера стало понятно, что под слоем ледяной коры толщиной до нескольких десятков километров располагается жидкий океан. И это несмотря на чрезвычайно низкую температуру поверхности, зачастую ниже −200 °С. По некоторым оценкам, океан может иметь глубину десятки километров и превосходит по объему весь Мировой океан Земли почти в два раза. Но почему же вода в нем не замерзает? Причин может быть несколько. Например, источником нагрева недр могут служить приливные взаимодействия с Юпитером. Тут играет роль и вытянутость орбиты спутника, и наклон его оси. Выделяющейся в результате приливных деформаций энергии будет вполне достаточно, чтобы разогреть глубины подледного океана. Правда, это вовсе не означает, что вода там теплая в нашем понимании. Существуют модели, в которых вода подо льдами Европы имеет минусовую температуру, но не замерзает из-за высокого давления. Может ли там кто-то жить? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно разобраться с химическим составом океана. А это сделать довольно сложно, не проникая под ледяной панцирь.

Дистанционные исследования с космических аппаратов и наземных телескопов дают противоречивую картину. Анализ химического состава темных пятен на поверхности показал наличие различных солей, в частности сульфата магния — вещества, использующегося в медицине в качестве слабительного. Также есть намеки на присутствие на поверхности соединений железа, серы, а также перекиси водорода и серной кислоты. На основе этих находок ученые выдвинули гипотезу, согласно которой водная среда подо льдом слишком кислая и не пригодна для жизни. Иногда уровень кислотности океана сравнивают с сухим вином.

Правда, позже, опираясь на данные наблюдений спектрометра OSIRIS гавайской обсерватории им. Кека, другие исследователи оспорили эти выводы. Сера могла попасть на внешний слой льда во время извержений вулканов на другом спутнике Юпитера — Ио. Это самое вулканически активное тело в Солнечной системе, на поверхности которого обнаружили порядка 150 активных вулканов, а, скорее всего, их даже больше. Выбросы попадают в космическое пространство и в итоге могут оказаться и на соседних спутниках. Но если внешний слой льда может быть загрязнен извне, а пробурить десятки километров льда для современных космических аппаратов не представляется возможным, то выходит, что изучение подледного мира — это удел далекого будущего? Не всё так печально.

Надежду в ученых вселил ледяной спутник Сатурна Энцелад. Это относительно небольшое космическое тело диаметром 500 км, куда меньше Луны или Европы. Однако зонд «Кассини» в результате близких пролетов возле спутника в 2010–2012 годах обнаружил признаки глобального океана под слоем льда.

О том, что локальный водоем может существовать на южном полюсе спутника, подозревали с 2005 года, когда «Кассини» передал на Землю снимки гейзеров. Они извергаются в районе южного полюса и выбрасывают вещество на высоту в 250 км.

И вот теперь астрономам представился шанс изучить внутренние воды, не проникая под ледяную корку. Но, к сожалению, «Кассини» не имел на борту приборов для анализа гейзеров. Никто при проектировании аппарата не предполагал, что система Сатурна предоставит такой подарок ученым. В выбросах, кроме самой воды, были обнаружены следы азота, CO₂, метана и некоторых простых органических соединений. Для более детального анализа нужны были другие приборы.

Довольно скоро стало известно, что подобные гейзеры есть и на Европе. Телескоп им. Хаббла обнаружил выбросы воды, когда спутник проходил на луче зрения между Землей и Юпитером. По всей видимости, на Европе это более редкое явление. В течение 15 месяцев прохождение спутника по диску планеты наблюдалось 10 раз, но из них только в трех случаях удалось зафиксировать выбросы. Тем не менее будущие миссии по изучению внеземных океанов упрощаются.

Кстати, про миссии. Изначально рассматривались довольно безумные проекты, вроде аппарата, который с помощью ядерной энергии проплавит ледяной панцирь Европы. Также был проект, предполагающий столкновение с поверхностью спутника, по аналогии с миссией Deep Impact. Этот космический аппарат разделялся на две части, одна из которых на большой скорости сталкивалась с кометой Темпеля, а другая с безопасного расстояния снимала происходящее и анализировала состав выброшенного вещества. Однако эти проекты был признаны довольно сложными и нерациональными.

Сейчас в разработке находятся сразу две миссии по исследованию ледяных лун Юпитера. Со стороны НАСА готовится проект Europa Clipper, его запустят в 2022–2025 годах. Из-за мощной радиации в магнитосфере газового гиганта аппарат не сможет долго находиться в районе орбиты Европы. Поэтому Europa Clipper будет вращаться вокруг самого Юпитера по вытянутой орбите и исследовать спутник во время близких пролетов возле него. Всего пока запланировано 45 таких сближений. Также в рамках миссии планируется изучить и другие ледяные спутники — Ганимед и Каллисто. Аппарат снабдят целым комплексом научных приборов, позволяющих изучать химический состав поверхности, магнитное поле, структуры и полости под верхним слоем льда и даже прибор, улавливающий частицы, выброшенные в извержениях гейзеров.

Вторая миссия разрабатывается Европейским космическим агентством и называется JUICE (JUpiter ICy moons Explorer). Аппарат планируют запустить в тот же временной период, что и Europa Clipper, однако в отличие от американцев JUICE, долетев до системы Юпитера, не будет вращаться вокруг самого газового гиганта, а перейдет на орбиту к крупнейшему спутнику — Ганимеду. Задачи у обоих зондов схожи: это изучение льда, океана и поиск органических молекул. Ранее также разрабатывалась миссия отправки к Европе посадочного аппарата, но в связи с ростом затрат на космический телескоп «Джеймс Уэбб» ее перспективы пока выглядят туманно.

Нужно больше океанов!

Ганимед — это крупнейший спутник Юпитера и крупнейший спутник в Солнечной системе. Его диаметр равен 5268 км, что делает его даже крупнее Меркурия (4879,4) — самой близкой к Солнцу планеты. О том, что под его ледяной поверхностью тоже может скрываться океан, подозревали еще в 70-е годы, после пролетов мимо системы Юпитера аппаратов серии «Пионер». Но данные, полученные автоматической станцией «Галилео», работавшей на орбите газового гиганта с 1995 по 2003 год, позволили промоделировать океан более тщательно.

Оказалось, что подо льдом Ганимеда не единое водное пространство, а скорее сэндвич или торт «Наполеон»!

Под наблюдаемой ледяной корой находится слой воды. Но под ней снова лед, правда, не обычный, а с тетрагональной кристаллической структурой. Такой лед может существовать при больших давлениях порядка 3 тыс. атмосфер и температурах не выше −22 °С. Под ним — снова прослойка океана с более высокой соленостью, которая снизу опять ограничивается слоем льда, на этот раз совсем другого типа (лед V). Он существует при еще больших давлениях и тает уже при +50 °С. Но это еще не всё.

Возможно, после очередной более соленой водной прослойки располагается слой льда VI, который плавится уже при температуре +81 °С. Этот слой может быть отделен от силикатного дна океана еще одной прослойкой воды. Структура получается довольно сложная и совершенно не ясно, будут ли эти слои устойчивы на протяжении большого промежутка времени. Более того, в первом от поверхности слое воды может возникать необычное явление — «снег, идущий вверх» (snow upwards). Замерзающая вода оказывается легче окружающего ее рассола и всплывает наверх, оседая снежинками под первой ледяной скорлупой.

Кроме Ганимеда, признаки океанов обнаружены на спутнике Юпитера Каллисто. Правда, в отличие от соседей океан там относительно небольшой — глубиной всего 10 км, при толстенном 200-километровом ледяной панцире. У Сатурна, помимо Энцелада, океан может иметься у спутников Титан, Рея, Диона и Мимас. Титан — второй по величине спутник в Солнечной системе — интересен еще и своей поверхностью. Его атмосфера в 1,5 раза плотнее земной, на поверхности имеются реки, озера и даже моря. Вот только температура там порядка −190 °С, поэтому вместо воды в них плещется то, что у нас горит в газовых плитах — жидкие углеводороды метан и этан. Причем из-за растворенного в них азота эти «водоемы» иногда напоминают газировку, порождая целые острова шипучих пузырьков. Океан может иметься и под поверхностью Тритона, спутника самой далекой планеты — Нептуна. Орбита у Тритона очень странная: он вращается в сторону, противоположную вращению самого Нептуна. Скорее всего, это говорит о том, что Тритон в прошлом был захвачен ледяным гигантом. Этот процесс разогрел недра как спутника, так и самой планеты, поэтому Нептун выделяет гораздо больше внутреннего тепла, чем Уран. На самом же Тритоне имеются следы криовулканизма, поверхность покрыта метановыми и азотными льдами. И, по предположению астрофизиков, под поверхностью может существовать жидкий, но холодный (-97 °С) океан из смеси воды и аммиака.

Несмотря на пристальное внимание к ледяным мирам со стороны мировых космических агентств, совершенно непонятно, найдем ли мы когда-нибудь их обитателей, или это просто стерильные темные и холодные водные пространства. Возможно, окажись подо льдом Европы или Энцелада современные земные организмы-экстремофилы, некоторые из них, быть может, и смогли бы там прижиться.

Археи со сложным названием Methanothermococcus okinawensis в земных лабораториях показывали неплохую стойкость к смоделированным условиям Энцелада. Но вот может ли жизнь самозародиться там, пока не ясно.

Океан из сала

И последнее тело в Солнечной системе, о котором хотелось бы поговорить, — это Плутон. С 2006 года планетой не считается, но объект от этого не менее интересный. В 2015 году зонд «Новые горизонты» на огромной скорости пролетел мимо и передал на Землю множество снимков поверхности и данных, собранных бортовыми научными приборами. И тут выяснилось, что океан может существовать даже подо льдом Плутона, несмотря на чрезвычайно низкую температуру поверхности −229 °C. Внимание исследователей привлекла равнинная область, названная регионом Томбо в честь первооткрывателя Плутона астронома Клайда Томбо. На снимках она выглядит как символ сердечка диаметром 1600 км. Западная часть этого ледяного сердца не имеет кратеров и, видимо, заполнена молодым веществом. Есть предположение, что когда-то в этом месте упал метеорит, подняв массы плотного вещества из глубин планеты ближе к поверхности. Исследователи считают, что рельеф в этой области, возможно, свидетельствует о существовании жидкости подо льдом. Вот только на этот раз толщина ледяного панциря может достигать 200 км, а под ним находится не водяной океан, а эдакий антифриз из аммиака, воды и маленьких льдинок, делающих этот раствор похожим на густую кашу. У такой смеси есть свое название — ледяное сало. Примеры можно встретить и на нашей планете, например, зимой 2017 года это ледяное сало заметили в каналах жители Санкт Петербурга.

Вся планета — океан

Представьте себе планету, где вся поверхность покрыта водой. Ни континентов, ни островов, лишь волны, облака и циклоны.

Этот океан совсем не похож на наш. Он может простираться на глубину в 100 км и заканчиваться дном из горячего льда.

Это лед VII. Он образуется при давлениях свыше 20 тыс. атмосфер и может быть обжигающе горячим. У некоторых планет глубина ледяного слоя достигает тысяч километров. Их называют океанидами, или планетами-океанами.

Считается, что они могут образовываться в холодных областях своих звездных систем, а затем мигрировать ближе к центру. Но даже в случае, если внешний слой такой планеты покрыт льдом, океан вполне может существовать и под поверхностью, как и в случае спутников Юпитера и Сатурна. В нашей Солнечной системе их нет, но вот у других звезд были открыты ясные кандидаты на роль планеты-океана, например довольно горячая GJ 1214b, более прохладная Kepler-22b и относительно комфортная по температуре Kepler-62f. Открывают океаниды так называемым транзитным методом, когда телескоп наблюдает одновременно за большим числом звезд, ожидая, когда между ним и звездой пройдет планета. Тогда яркость звезды упадет, и, пронаблюдав за несколькими такими событиями, можно составить представление о размерах планеты, ее массе, а значит, и средней плотности и условиях на поверхности (конечно, если эта поверхность имеется, а не как у газовых гигантов). Но любителям внеземной жизни не стоит обнадеживать себя раньше времени, представляя огромных осьминогов или китов, бороздящих бездонный внеземной океан. Ведь кроме воды для появления живых существ нужно еще много химических элементов, которые на нашей планете во многом поступают из ее недр. Но у океанид между этими веществами и океаном располагается непреодолимая стена льда, толщиной в тысячи километров. Что бы могло пробиться сквозь нее и обогатить океан так необходимыми для жизни химическими элементами, представить пока невозможно.

Фантазия и реальность

Просто удивительно, насколько космос оказался не похож на наши фантазии о нем. Сочиняя другие планеты, писатели-фантасты часто ленились выдумывать что-то действительно оригинальное. И бравые космические пилоты встречали планету-пустыню, планету-джунгли. А инопланетные океаны оказывались похожи на наш, ну только чуть глубже и по какой-то причине без островов. Реальность оказалась куда чуднее. Здесь снег может идти под водой и, главное, не вниз, а вверх. Здесь океан может быть многослойным или вместо привычного каменного дна иметь дно из горячего льда. Пожалуй, это еще одно из благ, которое получает человечество при изучении космоса: узнать о чудесах, которые мы не могли и вообразить.