Саша Море
10 254

Среди озёр из жидкого этана

Можно ли жить на Титане и как устроена солнечная система за ближайшими к Земле пределами — отрывок из книги Джона Уиллиса «Все эти миры — ваши».

Поделиться

В избранное

В избранном

Биологическая экскурсия по солнечной системе

До возникновения астробиологии мы не задумывались, есть ли в Солнечной системе места обитания, пригодные для жизни. На сегодняшний день мы знаем только о существовании жизни на Земле, третьей планете от Солнца. Но мы выяснили, что условия, которые привели к возникновению жизни на Земле, не такие уж исключительные, как нам казалось.

На ранней Земле присутствовали три основных ингредиента: энергия, вода в жидкой форме и сложные органические соединения. Четвертая особенность, благоприятствовавшая жизни, — относительная стабильность окружающей среды. Все три ингредиента присутствовали более-менее постоянно на протяжении нескольких эонов земной истории, что сделало возможным не только зарождение жизни, но и ее дальнейшее распространение и развитие.

Во время нашей экскурсии по Солнечной системе мы увидим, что эти условия встречаются не только на Земле: энергия присутствует (хотя временами в очень малых количествах) даже на большом отдалении от Солнца. Признаки жидкой воды — и достаточно убедительные — наблюдались в нескольких местах, а настоящие жидкости (в данном случае — этан и метан) были найдены непосредственно на спутнике Сатурна — Титане.

Титан

И наконец, сложные органические соединения были обнаружены в разных краях Солнечной системы — на спутниках Юпитера и Сатурна, а также во время запусков зондов к кометам и астероидам.

Так можем ли мы предположить, что жизнь широко распространена в Солнечной системе и c нетерпением ожидает нашего прибытия? Это ведь «вопрос на миллион», не правда ли?

Нам по-прежнему мало что известно о том, как природа переходит от списка заманчивых ингредиентов к жизни как таковой — даже если речь идет о Земле. Наше сегодняшнее предчувствие, что жизнь ожидает нас где-то в Солнечной системе, основывается на доскональном изучении физических условий на планетах и спутниках.

Кроме того, после открытия бактерий-экстремофилов, которые существуют в условиях, ранее считавшихся непригодными для жизни, мы убедились (и находим все новые и новые подтверждения), что жизнь обладает гораздо большей выносливостью и приспособляемостью, чем нам казалось до сих пор.

В этой главе я хочу наметить план дальнейшего рассмотрения Солнечной системы. Из чего состоит Солнечная система в географическом плане, если можно так выразиться? Какие объекты могут представлять для нас особый интерес? А какие можно сразу исключить из нашего списка, поскольку жизнь там заведомо невозможна?

Мы вспомним почти 60-летнюю историю освоения космоса, в ходе которой смогли поближе познакомиться с планетами и спутниками Солнечной системы. Какие сведения нам дали космические проекты? Как они достигали своих целей? На каком принципе строилась их работа? Кто за все это платит?

Надеюсь, ответы на эти вопросы подготовят нас к дальнейшему продвижению в Солнечную систему. Мы определим цели для наших будущих полетов и оценим их шансы на успех.

Солнце — это раскаленный газовый шар

Во многих аспектах Солнце — это и есть наша Солнечная система. Чтобы в этом убедиться, нужно взять листок миллиметровой бумаги и нарисовать прямоугольник 10 клеточек на 100. Из 1000 клеток его площади 999 будут представлять массу Солнца. Одна оставшаяся клетка будет демонстрировать преимущественно массу Юпитера и Сатурна. Мы заслуживаем в лучшем случае маленькой точечки.

Сатурн

Такой рисунок наглядно демонстрирует, насколько масса Солнца преобладает над массой всей остальной Солнечной системы. Термоядерный синтез в ядре Солнца высвобождает энергию в форме фотонов и их более пронырливых родственников — нейтрино. Эти фотоны обладают чрезвычайно высокой энергией, и на данном этапе мы будем называть их рентгеновскими и гамма-лучами.

Вылетая из ядра, они попадают в зону лучистого переноса, где подвергаются поглощению и повторному излучению. К тому моменту, когда они достигают внешней атмосферы Солнца, фотоны теряют значительную часть своей энергии и покидают дымку фотосферы как солнечный свет, который мы с вами можем видеть.

Солнце служит источником энергии практически для всего живого на Земле, начиная с фотосинтезирующих организмов и далее для всех последующих звеньев пищевой цепочки.

Для нас как астробиологов наибольший интерес представляют исключения из этого правила, а именно: экстремофильные бактерии, обитающие рядом с жерлами подводных вулканов, и железобактерии, живущие в глубинах земной коры. Эти существа заслуживают отдельного рассмотрения, так что держите их в уме!

Загородная экскурсия

Оставляя позади Солнце, мы оказываемся в царстве планет. В недалеком прошлом, когда мы не знали о существовании никаких других планетных систем, кроме нашей собственной, Солнечная система нам очень нравилась.

Она казалась нам упорядоченной и к тому же полностью соответствовала нашим теориям о том, какой ей надлежит быть. Позднее мы узнаем, как открытие новых планетных систем вокруг отдаленных звезд перевернуло наши представления о том, как они должны выглядеть. Но сейчас я бы хотел внимательно рассмотреть нашу собственную Солнечную систему.

Ближе всего к Солнцу в горячей внутренней области расположены планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Хотя они отличаются друг от друга размерами и условиями на поверхности, все они, в сущности, состоят из горных пород, содержащих железо и силикаты.

Венера

У планет земной группы очень мало спутников: кроме нашей Луны это Деймос и Фобос, вращающиеся вокруг Марса. За орбитой Марса расположен пояс астероидов — скопление сохранившихся со времен формирования Солнечной системы обломков, попавших в гравитационное поле Юпитера, которое препятствовало их слипанию в планету.

На пути к Юпитеру мы пересечем одну важную границу — снеговую линию. На таком отдалении от Солнца его излучение слабеет настолько, что простые летучие соединения (такие, как вода, аммиак, метан) конденсируются, образуя твердые ледяные частицы.

В результате за снеговой линией не только твердые породы, но и лед может участвовать в слипании, и в этом случае формируются газовые гиганты, которые преобладают во внешней области Солнечной системы. Юпитер идет первым, за ним следуют Сатурн, Уран и Нептун.

В отличие от планет земной группы, внешние планеты обладают множеством спутников: у Юпитера в данный момент известно 67, а у Сатурна больше 150. Самые большие из этих спутников превосходят по размеру Меркурий и нашу Луну.

Это целые миры, заслуживающие внимательного изучения. Диспропорция в количестве спутников между газовыми гигантами и планетами земной группы объясняется разницей в массе. Во вращающемся диске из газа и пыли, который представляла собой зарождающаяся Солнечная система, газовые гиганты становились все больше и массивней.

Со временем они обзаводились собственными миниатюрными дисками из газов и камней, из которых впоследствии сформировалась их многочисленная свита из спутников.

Когда мы удалимся за орбиту Нептуна, яркость Солнца будет в 1000 раз меньше, чем на Земле. Мы вступаем в темное царство Плутона — планеты, впервые обнаруженной Клайдом Томбо в 1930 году.

В конце 1990-х — начале 2000-х годов с помощью больших современных телескопов нового поколения удалось обнаружить еще несколько похожих на Плутон каменистых небесных тел: одни побольше, другие поменьше, но все вместе они составляли рассеянный диск, состоящий из материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, и получивший название пояса Койпера.

Плутон оказался одним из множества таких же, как он, небесных тел, и тогда встал вопрос: либо все эти объекты следовало признать планетами, либо не признавать ни один из них. В 2006 году Международный астрономический союз пришел к заключению, что Плутон нельзя считать обычной планетой, и причислил его наряду с еще несколькими крупными астероидами к новой категории карликовых планет. Там они и останутся, если, конечно, наши взгляды на Солнечную систему не изменятся.

Легче всего представить масштабы Солнечной системы, если посмотреть, какое время требуется фотону света, чтобы добраться от поверхности Солнца до каждой из планет. Фотон преодолевает расстояние до Земли за 8 минут. Солнце, которое вы видите в настоящий момент, — то, каким оно было 8 минут назад.

Настоящее Солнце скрыто от нас завесой времени, через которую фотон, обладающий конечной скоростью, проникнуть не может. Чтобы продолжить путь от Земли до Марса, фотону потребуется еще 4 минуты. Если задуматься, то радиосвязь — всего лишь поток фотонов низкой энергии, поэтому радиосообщение или телевизионный сигнал смогут преодолеть расстояние от Земли до Марса и обратно за 8 минут.

Этим объясняется, почему марсоходы управляются при помощи коротких последовательностей простых команд, а не при помощи джойстика. Из-за восьмиминутной задержки ваш аппарат застрянет или разобьется раньше, чем вы узнаете о том, что ему грозит опасность.

Путешествие от Солнца до Юпитера займет у фотона 42 минуты, а до Нептуна, последнего из газовых гигантов, — больше 4 часов. Если мы будем считать орбиту Плутона границей Солнечной системы, фотону потребуется 5 часов 20 минут, чтобы оставить позади пояс Койпера и устремиться к темным глубинам Вселенной.

Теперь вы лучше понимаете свое место в Солнечной системе и ее масштабы. Остается только просмотреть заставку фильма «Контакт» и отметить допущенные неточности.

Длинные руки Солнца

Мы уже знаем, что Солнце — это энергостанция всей Солнечной системы. От него зависит вся жизнь на Земле. Но как далеко простираются возможности Солнца? Когда его влияние ослабнет настолько, что не сможет поддерживать существование жизни?

На верхний слой земной атмосферы приходится примерно 1370 Вт / м2 солнечной энергии. Сумма этой энергии, получаемой изо дня в день, обеспечивает существование всей жизни на Земле и полностью управляет погодой.

Количество солнечного света, получаемое каждой планетой и спутником в Солнечной системе, можно рассматривать как базовые средства для жизни — по крайней мере для низших ее форм, таких как фотосинтезирующие бактерии, преобразующие солнечную энергию в питательные вещества.

Так сколько солнечного света получают планеты? Орбита Меркурия расположена ближе к Солнцу, и он получает в шесть раз больше солнечной энергии, чем Земля. Марс находится дальше от Солнца, и ему достается всего 40% энергии, получаемой Землей.

Марс и Земля

По мере продвижения во внешнюю область Солнечной системы влияние Солнца резко снижается: Юпитер получает лишь 3% от земной дозы солнечного света. На холодной орбите Плутона солнечного света еще меньше: всего 1%.

Думаю, нам было бы интересно узнать, сколько света нужно для существования жизни. И снова земной опыт говорит нам, что жизнь обладает удивительной стойкостью. Фотосинтезирующие бактерии были обнаружены на глубине 100 м в Черном море. Однако их метаболизм основан на аноксигенном (бескислородном) фотосинтезе, в результате которого вырабатываются соединения серы, а не молекулярный кислород.

Такие бактерии — живые реликты древних фотосинтезирующих организмов. На такие глубины с поверхности проникает только 0,05% света, т.е. уровень освещенности там почти такой же, как на поверхности Плутона. Но даже на таком низком уровне свет остается биологически продуктивным, поскольку каждая бактерия раз в несколько часов аккуратно ловит фотон и использует его энергию для поддержания метаболизма.

Поэтому, если взглянуть на Солнечную систему, то в ней нет границы, за которой мы могли бы с уверенностью сказать, что света Солнца недостаточно для поддержания фотосинтеза. Свет, пусть даже значительно ослабленный, достигает самых дальних уголков Солнечной системы и вполне может служить источником энергии для жизни, если таковая там найдется.

Живительная влага

Получается, что в Солнечной системе нет недостатка в свете и, как мы уже выяснили, простые органические соединения также имеются в избытке. А как насчет воды или — если смотреть шире — жидкости? В этой главе мы намерены сосредоточить свое внимание — и ограниченные ресурсы — на самых многообещающих местах обитания жизни в Солнечной системе. Пора решаться на дерзкий шаг!

Меркурий — атмосферы нет, нечему прикрыть вас от губительного солнечного ветра, дневная температура на поверхности достигает 427 °С — исключается. Венера — плотная атмосфера меня не пугает, но температура на поверхности еще выше, чем на Меркурии (464 °С).

Венера

Хотя жизнь может существовать в формах, отличных от земных, белки, которые лежат в основе нашей биохимии, разрушаются при температуре 126 °С. Вы находитесь в сухой, раскаленной духовке. Спутников нет, жидкой воды тоже нет. Неплохо бы заглянуть на несколько дней, но мы направляемся в другое место.

Планеты, подобные Юпитеру? Их не зря называют газовыми гигантами. В 1995 году космический аппарат «Галилео» сбросил в атмосферу Юпитера спускаемый зонд, которому удалось проникнуть на 156 км вглубь атмосферы прежде, чем растущая температура вывела его системы из строя. Атмосфера Юпитера и других внешних газовых гигантов допускает существование необычных жидких слоев.

Юпитер

Не имея данных, трудно рассуждать о том, какая на них может быть жизнь, а добраться туда очень тяжело (запущенный с «Галилео» зонд сгорел гораздо выше этого места). Как насчет Плутона и пояса Койпера? Далековато, и к тому же, когда мы туда доберемся, у нас не будет ни малейшего шанса найти там какую-нибудь жидкость.

Увы и ах! Мне жаль, если это вас расстроило, но надо смотреть на вещи объективно. Означает ли это, что я исключаю существование жизни на планетах и спутниках, с которыми я обошелся так сурово? Вовсе нет. Так может, они даже входят в число приоритетных направлений для будущих поисков жизни? Угадали. Но что же тогда остается? Содержание книги не оставляет места для неожиданностей: основное внимание мы уделим рассмотрению возможности открытия жизни на Марсе, спутнике Юпитера Европе и спутниках Сатурна Энцеладе и Титане.

Я решил сосредоточиться на этих возможных местах обитания жизни за счет других мест в Солнечной системе в основном из-за того, что мы выяснили в предыдущих главах относительно условий существования жизни на Земле.

Мы еще увидим, что Марс, Европа, Энцелад и Титан позволяют если не со стопроцентной уверенностью говорить о присутствии жизни, то располагают достаточным количеством таких косвенных признаков, как наличие жидких сред, органики, энергии и стабильности, которые делают их наиболее интересными для нашего поиска объектами в Солнечной системе. Теперь мы определились с ближайшими целями.

Златовласка и три планеты

Из истории про Златовласку и трех медведей мы знаем, как маленькая девочка искала кашу, кресло и кровать, которые пришлись бы ей «как раз впору», когда она без приглашения заявилась в гости к медвежьему семейству, пострадавшему в результате визита. Как ни странно, метод, который использовала Златовласка для поиска условий, которые «как раз впору» для жизни, вполне применим и в астробиологии, где этот принцип получил название «зона обитаемости».

Под зоной обитаемости подразумевается диапазон орбитальных расстояний до звезды, на которых температура на поверхности планет «как раз впору» для существования жизни, т.е. между точками замерзания (0 °С) и кипения (100 °С) воды.

Думаю, мне не нужно повторять свои обычные предостережения касательно того, что нам не следует излишне ориентироваться на земную жизнь, поскольку вы и так прекрасно понимаете, что к концепции зоны обитаемости следует подходить осмотрительно.

Опасность ошибки преимущественно связана с неизвестными нам свойствами планетных атмосфер.

Во-первых, — и это самое главное — нужно, чтобы атмосфера в принципе была. Земля расположена в самой середине зоны обитаемости, и тем не менее, если убрать давление на поверхности, создаваемое атмосферой, вода бы закипела и испарилась в космос.

Во-вторых, хотя температура на поверхности планеты в значительной степени определяется температурой родительской звезды и орбитальным расстоянием до нее, любая атмосфера может существенно влиять на возможный диапазон температур на поверхности планеты.

Возьмем для сравнения три планеты земной группы Солнечной системы: Венеру, Землю и Марс. В течение многих лет сравнительная планетология на примере этих планет пыталась выяснить, как небольшие изменения в основных свойствах планеты (массе, скорости вращения, орбитальном радиусе) могут привести к столь разным условиям на ее поверхности.

Они также расположены близко к приблизительным границам зоны обитания Солнечной системы и служат нам предупреждением о том, что может случиться с простой идеей из-за незначительных различий в свойствах планет.

Венера очень похожа на Землю — ее масса составляет примерно 4/5 массы Земли, а орбита немного ближе к Солнцу (примерно 0,7 от земной орбиты). В отсутствие атмосферы теоретически температура на поверхности Венеры должна была бы составлять около –13 °C.

Но, поскольку Венера обладает сверхплотной, насыщенной углекислым газом атмосферой, которая создает сильный парниковый эффект, температура на ее поверхности поднимается до 464 °С.

Любая жидкая вода, которая могла когда-то существовать на Венере, давно испарилась в атмосферу (где внесла свой вклад в парниковый эффект), и даже вода в структуре минералов на поверхности планеты также превратилась в пар.

Марс меньше Земли — только 1/10 от ее массы — и обращается в 1,5 раза дальше от Солнца. Его разреженная атмосфера, состоящая из углекислого газа, создает на поверхности давление, составляющее лишь 1% земного.

Для абсолютно черного тела, помещенного на орбиту Марса, температура составляет –63 °С, а реально измеренная температура на поверхности лишь на несколько градусов выше — результат исключительно слабого парникового эффекта. Вследствие низких температур вся вода и углекислый газ на Марсе остаются в замороженном виде в полярных ледяных шапках и подпочвенном ледяном слое, присутствующем на большей части поверхности планеты.

Давайте попробуем сыграть в увлекательную игру: мысленно перетасуем планетную колоду и постараемся угадать, как изменение положения планеты повлияло бы на ее свойства. Что будет, если мы поменяем местами Марс и Венеру? С Марсом все просто, как мне кажется.

Если бы его атмосфера оставалась такой же, как сейчас, тогда температура на поверхности Марса была бы примерно 43 °C. Это вызвало бы таяние ледяных шапок (состоящих из углекислого газа и воды), породив обширную, хоть и короткоживущую, атмосферу (как мы помним, на Марсе нет магнитного поля и вулканизма).

Что было бы с Венерой, предсказать немного сложнее: наличие плотной атмосферы приводит к тому, что температура на поверхности планеты на 400 °С выше теоретического расчета. Поместите Венеру на орбиту Марса, и ее температура будет по-прежнему превышать 326 °С (если атмосфера не обрушится под собственной тяжестью).

Такие высокие температуры отчасти объясняются тем, что в начале своей истории планета пережила необратимый парниковый эффект. Она слишком рано и слишком сильно разогрелась. Все океаны испарились, и водяной пар смешался в атмосфере с углекислым газом. В свою очередь это усилило парниковый эффект, образовав катастрофический цикл обратной связи.

Произошло бы нечто подобное, если бы Венера находилась на орбите Марса? Короткий ответ — мы этого не знаем, хотя подобная постановка вопроса вызывает у тех, кто занимается компьютерным моделированием планетных атмосфер, приступы воодушевления и отчаяния одновременно.

Поэтому не стоит делать поспешных выводов на основании пресс-релизов или новых статей, в которых говорится, что только что открытая планета находится в зоне обитания своей родительской звезды.

При отсутствии точных данных о составе атмосферы любой расчет температуры на поверхности планеты всего лишь умозрительные рассуждения (а если исключить из рассмотрения атмосферу, то как можно строить предположения о присутствии на планете жидкой воды?).

Совсем как у Златовласки: без дополнительной информации нельзя заранее сказать, будет ли кроватка (или в нашем случае планета) как раз впору для жизни.

Панспермия: теория, которая себя назвать не смеет

В начале этой главы я предложил задуматься над тем, есть ли в Солнечной системе места обитания, пригодные для жизни. Но не был ли этот вопрос в некоторой степени неискренним? До сих пор мы касались только мест обитания, расположенных на Земле. И лес, и пруд, и река, и равнина связаны в единое, всеобъемлющее место обитания — планету Земля.

Виды могут перемещаться между местами обитания иногда свободно, иногда преодолевая препятствия, но тем не менее миграция всегда возможна. Теперь давайте расширим идею места обитания до всей Солнечной системы: можно ли утверждать, что каждая планета представляет собой изолированный остров или возможны межпланетные миграции?

Можно задать вопрос по-другому: может ли примитивная жизнь возникнуть на одной планете или спутнике, а потом естественным путем переместиться на другое тело?

Гипотеза, согласно которой жизнь может вести себя подобным образом, получила название панспермии. По самому простому сценарию, примитивный организм, мирно живущий на своей планете, вдруг грубо выбрасывается в космос в результате метеоритного удара и сам превращается в небесное тело.

Наш отважный микроб-астронавт может несколько миллионов лет носиться в открытом космосе на своем обломке до того, как упадет на какую-то другую планету или спутник в качестве метеорита.

Нам известно, что подобные вещи случаются в Солнечной системе: незначительная часть метеоритов, обнаруженных на Земле, были когда-то выброшены с поверхности Марса и Луны, а потом упали на Землю. Единственный недостающий компонент — наличие на таких метеоритах примитивных форм жизни.

Если честно, то сама идея выглядит немного безумной, но это вовсе не означает, что такое в принципе невозможно. Разумеется, на этом пути нас ждет немало трудностей: допустим, наш микроб-астронавт пережил первоначальный взрыв, выбросивший его в космос.

Теперь ему предстоял долгий-долгий полет в межпланетном вакууме, во время которого на него бы обрушивались потоки безжалостного ионизирующего излучения.

Под словом «долгий» надо понимать миллионы и миллионы лет — именно столько должен продлиться период анабиоза. И в конце наступает черед огненного метеорного спуска на поверхность планеты и сокрушительный удар по прибытии.

Наука учит нас, что подтвердить или опровергнуть какую-либо гипотезу можно, лишь проверив ее на практике. К чести ученых, они попытались воспроизвести условия, в которых оказались бы примитивные организмы, если бы отправились в путешествие по Солнечной системе.

Различные виды бактерий, архей, грибов и лишайников путешествовали в космос на ракетах и на космических челноках и даже жили в течение 18 месяцев с 2008 по 2009 годы на Международной космической станции (МКС), а точнее, в открытом контейнере, закрепленном в передней части научного модуля «Коламбус».

Этот модуль служил испытательным стендом: биологические образцы — как живые, так и неживые — выставлялись в открытый космос, чтобы посмотреть, как это на них подействует.

Стало ли воздействие вакуума, экстремальных температур и космических лучей смертельным для примитивных микроорганизмов? Ответ определенно отрицательный. Сразу несколько видов земной жизни продемонстрировали прекрасные способности к выживанию в подобных условиях.

Рост и обмен веществ полностью останавливаются. Многие клетки умирают, многие получают повреждения, но неизменно остаются выжившие, которым удается продержаться в суровых условиях космоса.

Так какое значение это имеет для идеи панспермии? Тут мы снова наталкиваемся на непреодолимое препятствие в виде продолжительности путешествия: полет лишайников на борту космической станции длился всего 18 месяцев. Это очень интересный эксперимент, но он ничего не говорит нам о том, способны ли живые организмы выживать в космосе на протяжении миллионов лет.

Гипотеза, что организм способен так долго существовать в состоянии, близком к смерти, представляется невероятной. Если мы когда-нибудь найдем организм, способный расти и поддерживать обмен веществ в открытом космосе — или по крайней мере глубоко внутри небесного тела, — то, возможно, это заставит скептически настроенных ученых снова вернуться к такой мысли.

А пока я надеюсь, что кто-нибудь уговорит космическое агентство сбросить с орбиты на Землю заселенный микроорганизмами камень и посмотреть, что из этого получится.

Смело ступать

Мы обрисовали «географию» Солнечной системы и наметили основные места наших поисков, так что теперь пришла пора навестить их. Поиски жизни в Солнечной системе необычайно увлекательны, поскольку мы можем физически побывать в интересующих нас местах обитания, взять пробы, проанализировать их на месте и доставить на Землю для более подробного изучения.

Сегодня десятки космических зондов бороздят Солнечную систему вдоль и поперек. Самое сложное — оторваться от Земли: вывести космический аппарат, оснащенный запасом топлива, на околоземную орбиту. Но когда вы туда доберетесь, перед вами откроется весь космос.

Путешествия по Солнечной системе требуют относительно мало топлива, особенно если вы проявите благоразумие и воспользуетесь гравитацией, пролетая мимо планет. Несмотря на разнообразие научных программ, все экспедиции делятся на четыре основных типа: пролет, выход на орбиту, посадка и доставка проб на Землю.

Пролет: беглое знакомство с планетой

Если в космической экспедиции запланирован только пролет, это означает, что космический аппарат сближается с планетой — обычно на большой скорости, — поворачивает к ней свои камеры и измерительные приборы и записывает все, что удается зафиксировать во время прохождения рядом с планетой.

Межпланетная космическая станция «Пионер-10» — классический пример экспедиции, предназначенной для пролета. Запущенная в 1979 года, станция стала первым космическим аппаратом, пересекшим пояс астероидов. Через 20 месяцев космический аппарат «Пионер-10» достиг системы Юпитера. Он стремительно приближался к цели, двигаясь со скоростью 130000км/ч. Можете мне поверить — это очень быстро.

Главная часть программы началась 3 декабря 1973 года, в 12:26, когда «Пионер-10» пролетел мимо спутника Каллисто и вошел во внутреннюю систему Юпитера. Все камеры и приборы дистанционного зондирования, установленные на «Пионере», заработали одновременно, пытаясь зафиксировать все возможные виды Юпитера и его спутников, мимо которых проносился космический аппарат.

Это краткое, но близкое свидание длилось 16 часов, а потом «Пионер» вышел из «тени Юпитера» и направился дальше, во тьму внешней Солнечной системы.

После такого бурного дня программа экспедиции была в основном завершена. Какие новые сведения мы получили за эти несколько часов пролета? Несомненно, самое важное открытие — огромное магнитное поле Юпитера, которое оказалось в 10 раз больше земного.

Кроме того, мы увидели — с помощью самых передовых камер и датчиков — слои движущихся облаков и чудовищное по своим масштабам Большое красное пятно. А еще мы смогли бросить беглый взгляд на большие спутники Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто.

Можно сказать, что после наблюдений Галилея в 1609 году мы убедились в том, что Луна — новый, неизвестный нам мир, и точно так же Юпитер и его спутники стали новыми мирами 3 декабря 1973 года «Пионер-10» продолжал передавать сигналы на Землю до 3 декабря 2003 года, когда радиоизотопный термоэлектрический генератор — атомная батарейка, если хотите, — уже не мог дать достаточно энергии для отправки сигнала на Землю.

«Пионер-10» позволил нам в первый раз взглянуть на Юпитер с такого близкого расстояния. «Пионер-11» пошел дальше и во время своей краткой экскурсии к планетам-гигантам Солнечной системы смог навестить не только Юпитер, но и Сатурн. Обе эти экспедиции стали предшественниками дальнейших крупных проектов НАСА — «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которым я планирую уделить внимание отдельно.

Орбитальная миссия: ухватиться за пролетающую планету

Задачи, стоящие перед орбитальными станциями, во многом похожи на те, что выполняют пролетающие космические аппараты, за одним исключением: им требуется затормозить. Поэтому им нужно иметь на борту достаточно топлива, чтобы сбросить скорость и направить космический аппарат на стационарную орбиту вокруг интересующей нас планеты или спутника.

Как только космический аппарат достигнет цели, работа двигателя будет нужна только для периодической корректировки или смены орбиты. По сравнению с пролетом такой вариант дает гораздо больше времени для изучения объекта.

Как искусственные спутники, находящиеся на околоземной орбите, могут в свое удовольствие заниматься картированием и изучением земной поверхности, так же и орбитальные космические аппараты имеют те же возможности у других планет: ничто не мешает им достаточно продолжительное время заниматься съемкой поверхности далеких планет и даже пролетать над одним и тем же местом по нескольку раз, чтобы проследить за происходящими изменениями.

Когда в 1971 году «Маринер-9» достиг Марса, он стал первым искусственным спутником другой планеты. Чуть позже один из его дальних родственников, «Марс Реконессанс Орбитер» (MRO), сделал потрясающие фотоснимки с высоты 3км над марсианской поверхностью.

По сути своей MRO — спутник-шпион: он выполняет те же задачи, что и множество спутников — как гражданских, так и военных — выполняют на земной орбите. Камера HiRISE — сердце космического аппарата.

Это цифровая камера, оснащенная телескопом-рефлектором с апертурой 50см. На ее создание потрачено $40 млн. Каждый снимок «весит» от 3 до 5 Гбайт и позволяет различить на поверхности Марса объекты размером до 1 м в поперечнике.

Основное предназначение MRO — изучение поверхности планеты и помощь в планировании будущих экспедиций, чем он и занимался с 2006 года практически без перерывов. Полученные с его помощью снимки высокого разрешения имели определяющие значение при планировании зоны посадки марсохода «Кьюриосити».

Кроме того, MRO выполнил собственный план научных мероприятий: заснял последствия падения на Марс метеорита, который обнажил скрытые под слоем грунта залежи льда; сход каменных лавин; фонтанчики пыли и катящиеся по склону камни; и, вероятно, самое важное и загадочное явление — таяние подпочвенных льдов во время марсианской весны.

Еще один важный аспект миссии MRO заключается в том, что все полученные им изображения — наряду со снимками, сделанными другими аппаратами, — находятся в открытом доступе и ждут вашего внимательного взгляда.

В духе похвальной традиции «народной науки» НАСА создало сайт «Be a Martian!» («Стань марсианином!»), где все желающие могут принять участие в обработке огромного количества данных спутниковых наблюдений поверхности Марса. Цель этого проекта — создать единую всеобъемлющую карту поверхности. Так что дерзайте, и пусть вам повезет напасть на свежий след!

Посадка: один небольшой шаг

Допустим, вы оказались на орбите удаленной планеты или спутника. Чтобы добраться туда, вам пришлось преодолеть огромные расстояния, и теперь поверхность кажется вам соблазнительно близкой. Но постойте — подумайте о том, сколько энергии вы израсходовали на то, чтобы добраться до земной орбиты.

Примерно такое же количество энергии вернется к вам при спуске на другую планету или спутник, поэтому все должно быть под контролем. А поскольку сигнал до Земли и обратно идет слишком долго, спускаемый аппарат должен работать без вмешательства человека: нам придется предусмотреть все заранее и составить компьютерную программу так, чтобы она сама принимала все важные решения.

Спускаемый модуль обычно доставляется к планете одновременно с орбитальным аппаратом. Так, например, автоматический космический аппарат «Кассини», созданный НАСА для полета к Сатурну, захватил с собой автоматическую станцию «Гюйгенс» Европейского космического агентства (ЕКА).

В конечном итоге в 2005 года «Гюйгенс» произвел мягкую посадку на поверхность Титана. После благополучного спуска посадочный модуль начал передавать данные об условиях на поверхности и о том, как они меняются с течением времени. На его борту имелись приборы для анализа состава грунта и атмосферы, а также для фотографической съемки.

Физические измерения на поверхности других планет могут подарить много неожиданных открытий. В 1976 году автоматические марсианские станции «Викинг-1» и «Викинг-2 совершили посадку на Марсе, взяли первые пробы «воздуха» и определили его изотопный состав.

Вскоре газы с таким же содержанием изотопов были обнаружены в редкой разновидности метеоритов, найденных на Земле. Когда в середине 1980-х годов факты сопоставили, стало понятно, что эти метеориты имеют марсианское происхождение: они были выброшены с поверхности Марса, а потом упали на Землю (фактически — бесплатная доставка образцов, но об этом позднее).

Планетоход: странствующий ученый

Планетоход — это спускаемый аппарат, который может перемещаться по поверхности планеты, что дает ему возможность исследовать различные типы рельефа. Широко известны марсоходы, которые успешно исследуют красную планету начиная с 1997 года, когда «Соджорнер» приземлился на Марсе.

Но я бы хотел особо упомянуть две поистине первопроходческие экспедиции начала 1970-х годов — «Луноход-1» и «Луноход-2», — которые исследовали поверхность Луны в 1971 и 1973 годах. Потерявшиеся в тени американской пилотируемой программы луноходы скромно делали свое дело: исследовали лунную поверхность, брали пробы грунта, измеряли магнитное поле и вели наблюдения «космической погоды» — измеряли интенсивность солнечного ветра.

Приводимые в движение комбинацией энергии солнечных батарей и радиоизотопного термоэлектрического генератора, эти луноходы предвосхитили многие конструкторские решения, знакомые нам по более поздним планетоходам: многоколесное шасси, установленное в передней части исследовательское оборудование и приподнятые навигационные камеры.

Поскольку сигнал от Луны до Земли идет меньше трех секунд, «Луноходы», в отличие от своих марсианских родственников, управлялись непосредственно с Земли. Советским планетоходам есть чем гордиться, они могут высоко нести свои навигационные камеры: лишь к середине 2014 года созданному НАСА марсоходу «Оппортьюнити» удалось наконец превзойти «Луноход-2» по длине пройденного пути, составившего более 40км по одометру (по сравнению с 39км «Лунохода-2»).

Доставка образцов: берем камни и улетаем

Для доставки образцов нужно выполнить все вышеперечисленное, а затем забросить материалы с поверхности (породы, почву, тараканов) в возвращаемый аппарат, который взлетит с планеты, состыкуется со спутником на орбите и полетит домой на остатках топлива, которых должно хватить на долгий обратный путь.

К чему эти дополнительные усилия? Спускаемый аппарат — будь то планетоход или просто автоматический посадочный модуль — несет на своем борту все необходимые приборы для анализа условий на поверхности планеты. Однако набор экспериментов, которые можно осуществить на месте, очень ограничен по сравнению с возможностями земной лаборатории (больше приборов, выше их точность и т.д.).

Наверно, самое важное свойство, которого не хватает автоматической станции, — это возможность поменять набор и последовательность экспериментов: после того как программа утверждена, в нее уже нельзя внести никаких изменений. Вы не можете провести никаких новых опытов в зависимости от вновь полученной информации — вы не можете просверлить в образце дырку поглубже и выяснить то, что вас заинтересовало.

Наиболее честолюбивые планы по доставке образцов были у российской программы «Фобос-Грунт», которая стартовала в ноябре 2011 года. Это была дерзкая попытка получить физические образцы Марса, приземлившись не на саму планету, а на ее маленький спутник — Фобос. Суть идеи сводилась к тому, что со спутника легче стартовать, чем с большой планеты (и топлива для этого надо меньше).

Планировалось, что эти 200 г грунта, собранные на Фобосе, станут первым достаточно крупным внеземным образцом, доставленным на Землю после лунных миссий 1970-х годов.

К несчастью, «Фобос-Грунт» вернулась немного раньше, чем планировалось: на низкой околоземной орбите произошел сбой бортовых систем, и станция еще несколько недель беспомощно вращалась с выключенными двигателями, пока наконец не приблизилась к Земле и не сгорела в плотных слоях атмосферы.

Следы на реголите

А где же специальный раздел, превозносящий пилотируемые космические полеты? Вынужден вас разочаровать, но пилотируемые полеты я объединил с доставкой образцов, потому что эти экспедиции, в сущности, выполняют одни и те же задачи: приземлиться, проделать опыты, установить флаг, загрузить образцы и вернуться домой.

С одной только разницей, что в случае автоматической миссии не стоит вопрос заботы о пассажирах. Не поймите меня превратно, я считаю, что пилотируемые экспедиции в пределах Солнечной системы исключительно важны. Они призваны проложить путь к дальнейшему развитию человечества, а также поддерживать интерес к космонавтике у молодых ученых и инженеров на нашей планете.

Но в том, что касается поисков живых организмов в Солнечной системе, я не горю желанием добраться до них лично и первым пожать им руку. По сравнению с теми рисками и затратами, которые необходимы для отправки пилотируемой миссии, доставка образцов при помощи автоматических зондов обойдется в несколько раз дешевле и позволит получить значительно больше информации.

Внесем ясность

Я уже говорил, что имеет смысл сосредоточить наши ограниченные ресурсы на наиболее вероятных местах обитания жизни в Солнечной системе. Так насколько же ограничены наши ресурсы (под ресурсами я понимаю деньги: мои деньги, ваши деньги, деньги налогоплательщиков)?

Сколько стоит межпланетный перелет? Программа «Викинг», включавшая запуск к Марсу двух одинаковых аппаратов, в 1976 году стоила около $1 млрд (приблизительно $4 млрд в современных ценах). В эту стоимость входили две орбитальные станции, состоявшие из искусственного спутника и оснащенного по последнему слову техники спускаемого аппарата с набором научных инструментов.

Общий бюджет Марсианской научной лаборатории, действующей сейчас на Красной планете, также известной как марсоход «Кьюриосити», составил $2,5 млрд. За эти деньги можно себе позволить полуавтономный планетоход размером с автомобиль, приводимый в движение радиоизотопным источником энергии.

С прицелом на будущее ЕКА разрабатывает JUICE (аппарат для изучения ледяных спутников Юпитера), который отправят на экскурсию вокруг самых больших из них — Европы, Ганимеда и Каллисто, — заплатив за билет €900 млн.

Итак, допустим, я дам вам $4 млрд на поиски жизни в Солнечной системе. Как вы распорядитесь этими деньгами? Вложите ли вы все, что у вас есть, в одну сверхмиссию, чтобы тщательно исследовать какое-то конкретное место?

Предпочтете подстраховаться и пошлете две большие экспедиции (стоимостью примерно по одному миллиарду каждая) к двум наиболее вероятным кандидатам, оставив $2 млрд на пять мелких, чтобы точно ничего не пропустить?

Или вы сочтете, что Солнечная система еще недостаточно изучена, и потратите все деньги на небольшие, относительно дешевые миссии, чтобы больше узнать о планетах и их спутниках перед тем, как организовывать что-нибудь большое и серьезное?

Не стоит расстраиваться, если у вас нет ответа на этот вопрос. У национальных космических агентств его тоже нет, хотя по долгу службы им приходится решать такие задачи. Поэтому они довольно часто просят присылать им идеи для предстоящих экспедиций на другие планеты.

Различные команды ученых разрабатывают подробные планы экспериментов, которые должны дать ответы на четко поставленные вопросы. Затем эти планы сравнивают между собой, отсеивая наименее интересные, и в конце концов победитель получает право приступить к созданию, запуску и осуществлению миссии.

Запущенная НАСА автоматическая межпланетная станция «Кассини» до сих пор остается на орбите и передает данные наблюдений, из которых ученые узнали много неожиданного. Среди самых выдающихся достижений «Кассини» — открытие на Титане озер из жидкого этана и метана, а также обнаружение фонтанов водяного пара и кристаллов льда на крошечном спутнике Энцеладе.

Станция «Кассини» прибыла к Сатурну в 2005 году после восьмилетнего путешествия. Она двигалась кружным путем: сначала совершила гравитационный маневр рядом с Венерой, потом снова приблизилась к Земле и затем пролетела мимо Юпитера перед долгим путешествием к Сатурну.

Когда автоматическая станция добралась до Сатурна и самого большого из его спутников, Титана, зонд ЕКА «Гюйгенс», который «Кассини» несла на борту, совершил посадку на Титан, ознаменовав таким образом выдающееся научное достижение — первую успешную посадку во внешней Солнечной системе.

Стоит отметить, что переговоры между НАСА и ЕКА относительного этого грандиозного совместного предприятия начались в 1982 году. От начала подготовки до успешного осуществления замысла прошло 23 года, и даже теперь, спустя 10 лет, мы все еще пожинаем научные плоды этой экспедиции.

Помните, в первой главе я спрашивал, когда, по вашему мнению, будет найдена внеземная жизнь? Если вы ответили, что это должно случиться в ближайшие 100 лет, я бы посоветовал вам начинать обдумывать предстоящую экспедицию и готовить свои предложения уже сегодня.

«Вояджер-2»: большое путешествие

Большинство космических экспедиций посвящено исследованию какой-то одной планеты или спутника. Тщательно спланированным миссиям, таким как «Пионер-11», удается посетить сразу два объекта — в данном случае Юпитер и Сатурн. Но лишь одной экспедиции удалось посетить по очереди все гигантские планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники.

Миссия «Вояджеров» была задумана в 1964 году студентом-старшекурсником Гэри Фландро, который в своих расчетах пользовался только логарифмической линейкой. Идея гравитационного маневра, т.е. сильного разгона космического аппарата под воздействием гравитационного поля планет, применялась еще при запусках первых лунных зондов.

Во время летней студенческой практики в Лаборатории реактивного движения НАСА Фландро обнаружил, что в конце 1970-х — начале 1980-х годов сразу несколько гигантских планет выстроятся в одну линию, а в следующий раз такое случится более чем через полтора века.

Открывалась возможность послать несколько зондов к внешним планетам Солнечной системы, а скорость, необходимую для достижения каждой следующей планеты, можно будет получать за счет гравитационного маневра вблизи предыдущей.

Такая перспектива вдохновила НАСА на создание сразу нескольких зондов, которые впоследствии стали известны как «Большое межпланетное путешествие». В 1973 году космический зонд «Пионер-10» впервые опробовал новую конструкцию космического аппарата, совершив межпланетный перелет к Юпитеру.

Его точная копия, «Пионер-11», разогнавшись на «гравитационных горках», добрался до Юпитера в 1974 году, но на этом не остановился и помчался дальше на свидание с Сатурном, которое состоялось в 1979 году Следом за этими зондами, в 1977 году, НАСА запустило еще два космических аппарата. «Вояджер-1» посетил Юпитер и Сатурн, однако не воспользовался возможностью посетить наиболее удаленные области Солнечной системы, предпочтя пролететь рядом со спутником Сатурна Титаном.

В результате в наследство от этой экспедиции нам достались загадочные изображения огромного, закутанного облаками спутника с плотной атмосферой, богатой органическими молекулами.

«Вояджер-2» попал в «десятку» гравитационной мишени и, разогнавшись, пронесся в 1979 году мимо Юпитера, в 1981 году — мимо Сатурна, в 1986 году — мимо Урана и, наконец, мимо Нептуна в 1989 году. Космический аппарат только недавно посетил Юпитер и Сатурн, и там для нас было припасено еще немало сюрпризов.

Пролетая над Ио, самым близким к планете из всех четырех крупных спутников Юпитера, «Вояджер-2» сфотографировал силуэт вулканических газов, поднимающихся от поверхности планеты. В тот же момент все присутствующие в зале астрономы и планетологи неожиданно для себя осознали, что Ио — это первое после Земли небесное тело, на котором присутствует геологическая активность.

Эта активность обусловлена тем, что в результате гравитационного воздействия со стороны родительской планеты в недрах спутника возникают гигантские силы трения, вызывающие его разогрев.

Пролетая со стороны Солнца мимо Титана — крупнейшего спутника Сатурна, «Вояджер-2» сфотографировал его атмосферу. Судя по этим снимкам, протекающие в ней сложные химические процессы делают ее больше похожей на установку низкотемпературного крекинга нефти, чем на какую-либо из ранее известных нам атмосфер.

За орбитой Сатурна все было для нас ново: Уран и Нептун казались ледяными царствами из газа и облаков, но данные телеметрии показывали, что у них есть горячие недра, состоящие из горных пород, и магнитное поле сложной пространственной конфигурации.

Каждая из планет предстала перед «Вояджером» в сопровождении свиты из ледяных спутников, часть из которых была открыта впервые. Это подтвердило предположение, что все газовые гиганты должны обладать большим числом подобных спутников.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» и сегодня, спустя 40 лет после запуска, остаются в рабочем состоянии. Расстояние от них до Солнца почти в 140 раз превышает расстояние от Солнца до Земли: радиосигналу требуется 19 часов, чтобы преодолеть расстояние от их радиоантенн диаметром 3,7м до приемников сети дальней космической связи НАСА.

Их научная миссия продолжается: они исследуют неизвестную границу, где солнечный ветер уравновешивается встречным потоком межзвездного газа. По всей видимости, «Вояджер-1» пересек эту границу и теперь находится в межзвездном пространстве, а «Вояджер-2» еще приближается к плохо изученной границе.

В будущем оба аппарата продолжат удаляться от Солнечной системы. Их радиоизотопные термоэлектрические генераторы будут производить энергию, необходимую для функционирования бортовых систем максимум еще 10 лет. Их предполагаемая траектория не проходит вблизи какой-либо конкретной звезды.

В конце концов мощности генераторов будет уже недостаточно для поддержания связи с Землей, и они в мертвом молчании продолжат свой полет во тьму межзвездной ночи.

Мысли о доме из-за границы

Уже покидая нашу родную планетную систему, станции-близнецы «Вояджер» бросили на нее взгляд издалека: у них получился фотографический портрет нашей семьи планет, столпившихся вокруг тусклого Солнца. Этот снимок заставляет задуматься о хрупкости и единстве нашей Солнечной системы, далеком рое небесных тел, кружащемся вокруг маленького огонька на фоне темнейшей из ночей.

Вне зависимости от того, существует ли жизнь за пределами голубой планеты Земля, после 60 лет освоения космоса мы можем восхищаться разнообразием планет нашей Солнечной системы и с интересом ждать новых научных открытий, которые предстоит совершить следующим экспедициям. Мы узнали, что в Солнечной системе есть несколько мест — планета Марс и спутники Европа, Энцелад и Титан, — где теоретически возможно возникновение жизни. Ими мы теперь займемся вплотную.

Титан — гигантский завод органических химических веществ

Почему в нашем рассказе о поиске жизни во Вселенной Титану уделена целая глава? На самом деле, дочитав до этого места, вы, должно быть, недоумеваете — вообще-то, не без оснований, — почему мы еще не вышли за пределы Солнечной системы? Когда же мы перейдем к новым звездным системам, новым планетам, новой жизни?

Пожалуйста, не говорите, что это очередная книга «о жизни во Вселенной», где речь идет лишь о Солнечной системе, а про все самое увлекательное, о чем бы так хотелось узнать, не упоминается. Нет, конечно же нет, можете не волноваться. Но спасибо, что вы все еще терпеливо читаете и не откладываете книгу.

Итак, почему же Титан? Почему он входит в первую пятерку? Самый простой ответ — на нем присутствуют все оговоренные нами условия для существования жизни, правда с одним очень важным отличием. Этот крупный спутник — первый из обнаруженных спутников Сатурна — превышает размерами Меркурий и только немного уступает Ганимеду.

Он обладает атмосферой, которая плотнее земной, но не такая горячая и токсичная, как венерианская. Сказать, что там присутствует множество органических соединений, — это ничего не сказать. Титан — гигантский химический завод Солнечной системы, производящий множество сложных органических веществ.

Там даже есть резервуары с жидкостью в стабильном состоянии — это озера и реки, текущие по поверхности, а не запрятанные глубоко под непроницаемым ледяным панцирем.

Так в чем же подвох? Там холодно. Очень холодно: –180 °C. Слишком холодно для существования жидкой воды, но, как сказала бы Златовласка, как раз впору для жидкого метана и этана. Это и есть важное отличие. Вся основанная на воде химия живых существ, которая служит основой для жизни на Земле, совершенно не подходит для углеводородных морей.

Однако в наличии имеется все необходимое для жизни: жидкость, энергия и органика. Если здесь когда-нибудь обнаружат жизнь, то она будет совершенно не похожа на земную, поскольку построена на других химических принципах. Вот почему Титан имеет такое большое значение, и я хочу, чтобы мы там побывали.

Сквозь тьму анаграммы

Христиан Гюйгенс открыл Титан в 1655 году, через 45 лет после того, как Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера. Гюйгенс использовал тот же метод, что и Галилей: повторял наблюдения за движением спутника по орбите Сатурна, что позволило ему оценить период его обращения в 16 суток и 4 часа (современное уточненное значение всего лишь на 6 часов меньше).

И Христиан Гюйгенс, и его брат Константин были искусными шлифовщиками линз, и их телескоп длиной 3м давал 50-кратное увеличение — в 5 раз больше по сравнению с тем, что использовал Галилей в своих наблюдениях Юпитера.

Способ, которым Гюйгенс объявил о своем открытии, — пример того, как шутили ученые в 17 веке. Летом 1655 года он разослал своим коллегам следующую анаграмму: Admovere oculis distantia sidera nostris, vvvvvvv ccc rr h n b q x.

И только на следующий год — по-видимому, когда он окончательно убедился в своем открытии — он выпустил памфлет, в котором расшифровал смысл анаграммы: Saturno luna sua circunducitur diebus sexdecim horis quatuor, что, как уже догадались те из вас, кто получил классическое образование, означает: «Спутник обращается вокруг Сатурна за 16 дней и 4 часа».

К несчастью, ученые больше не составляют анаграмм для своих коллег, чтобы закрепить за собой право первенства на новые открытия. Сейчас для этой цели используются специальные серверы, куда авторы выкладывают краткое изложение уже переданных в печать, но еще не опубликованных статей, — способ, конечно, эффективный, но начисто лишенный романтики.

Туманная дымка Титана

До полета «Вояджера-1» 12 ноября 1979 года Титан был загадочным телом, окутанным оранжевой дымкой, — мы ничего не знали о его поверхности. И даже после пролета «Вояджера-1» положение почти не изменилось — про его поверхность мы не узнали ничего нового. Но зато «Вояджер» позволил нам разглядеть во всех подробностях саму эту плотную, туманную атмосферу.

Атмосфера Титана почти полностью состоит из азота — 95% от общей массы — в форме N2. Оставшиеся 5% почти целиком составляет метан — CH4. Но самое интересное — молекулярный водород, H2, и множество разнообразных углеводородов: от самых простых, которые мы можем распознать по их отчетливым спектральным линиям в спектре излучения, до невероятной путаницы органических молекул, обладающих такими сложными спектральными характеристиками, что невозможно установить их формулу.

«Вояджер» выявил, что в атмосфере Титана постоянно присутствуют туманы, а облака относительно редки. Туманные верхние слои атмосферы подобны земному углеводородному смогу.

Этот смог состоит в основном из микроскопических частиц, которые Карл Саган и Бишун Харе окрестили толинами, представляющими собой смесь органических молекул. Эти частицы настолько легки, что остаются распыленными в атмосфере и не оседают на поверхность.

Самая удивительная особенность атмосферы Титана — это ее масштабы. В целом масса этой атмосферы на 20% больше земной. Но сила тяжести на поверхности Титана составляет лишь 14% от силы тяжести на Земле, и в результате его атмосфера очень разреженная и протяженная.

С учетом массы атмосферы Титана и силы тяжести на его поверхности получим, что атмосферное давление на Титане приблизительно в полтора раза выше, чем на Земле. А значит, вы сможете ходить по его поверхности без космического скафандра, хотя, конечно, вам потребуются теплая одежда и кислородная маска.

Самые проницательные из вас могут поинтересоваться, каким образом Титан удерживает свою атмосферу несмотря на воздействие заряженных частиц солнечного ветра, обладающих высокой энергией. Это действительно хороший вопрос — у Титана нет своего магнитного поля.

Но его орбита по большей части проходит в пределах магнитного поля его родителя — Сатурна, которое препятствует сдуванию атмосферы Титана солнечным ветром. Другая возможность пополнения атмосферы Титана — низкотемпературный вулканизм (криовулканизм), при котором на поверхность извергается метан и другие газы.

Что служит источником энергии для завораживающих и в значительной степени малоизученных химических процессов в атмосфере Титана? Конечно же, Солнце. В атмосфере Титана активно идут различные фотохимические процессы.

Хотя на каждый квадратный метр поверхности Титана приходится гораздо меньше фотонов, чем попадает на поверхность Земли, энергия фотонов в обоих случаях одинакова. Солнечные фотоны, бомбардирующие верхние слои атмосферы Титана, обладают достаточной энергией, чтобы вызвать разложение (фотодиссоциацию) метана. Фрагменты молекул впоследствии присоединяют атомы водорода, азота и других элементов, образуя более сложные органические соединения.

Незнакомый новый мир

Только в 2004 году, когда космический аппарат «Кассини» прибыл к Титану и высадил на поверхность спускаемый аппарат «Гюйгенс», мы поняли, с каким удивительным новым миром мы столкнулись.

Зонд «Гюйгенс» — небольшой стационарный посадочный модуль — был спущен на поверхность Титана на парашюте и совершил посадку 14 января 2005 года. Во время спуска «Гюйгенс» воспользовался своим выгодным положением, чтобы получить изображение ранее невиданной поверхности.

Его взгляду предстали невысокие бледные холмы из твердого как камень, водяного льда, изрезанные несметным числом темных, извилистых каналов. Про посадочный модуль «Гюйгенс» можно сказать, что он не столько сел, сколько шлепнулся на поверхность спутника.

Он сделал несколько завораживающих снимков окружающего ландшафта: равнины, покрытой густой органической жижей, пересыпанной небольшими булыжниками из водяного льда. Хотя батареи «Гюйгенса» продержались в условиях экстремального холода всего 90 минут, эта экспедиция стала прорывом в изучении Солнечной системы: в первый раз в истории космический аппарат пересек пояс астероидов и совершил посадку на спутник во внешней Солнечной системе.

За последнее десятилетие «Кассини» совершил более сотни пролетов на небольшом расстоянии от Титана. Хотя дымка в атмосфере Титана поглощает излучение как в оптическом, так и в инфракрасном диапазоне, она полностью проницаема для радиоволн.

Это обстоятельство позволило «Кассини» сделать четкие радарные снимки поверхности Титана. Подобно тому как выкашивают полосы на лужайке, за каждый пролет «Кассини» снимал только узкую полоску поверхности, но даже при таком ограничении «Кассини» удалось отснять около 50% общей площади Титана.

На этих снимках видно, что большие области поверхности представляют собой гладкие как зеркало равнины. Как мы уже видели на примере антарктического ледяного панциря, это указывает на наличие жидкости, но в данном случае с учетом температуры и состава атмосферы это не вода, а скорее метан или этан.

Кроме того, радарные снимки дают беспрецедентную возможность заглянуть внутрь самих озер: слабое затухание радиосигнала по мере проникновения в слои жидкости — методика, известная как радиолокационная батиметрия — показало, что озера на Титане существенно отличаются друг от друга.

Некоторые из них просто мелкие котловины от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров глубиной. Другие, такие как море Лигеи, по величине не уступают Великим озерам в Северной Америке, а их глубины достигают 170 м.

Наконец в 2009 году эти озера предстали во всей своей красе, когда зонду «Кассини», оснащенному картирующим спектрометром видимого и инфракрасного диапазона, удалось заснять отблеск солнечных лучей на их поверхности. Такие зеркальные отражения — подобные блеску солнечных лучей на поверхности земных морей и озер — служат бесспорным свидетельством существования больших резервуаров жидкости на поверхности Титана.

После неожиданного открытия озер последовали новые радарные снимки, на которых были видны реки из метана и этана, а также обширные равнины, очевидно покрытые высокими дюнами из органического песка.

Наличие рек — дренажных каналов — согласуется с анализом температур и давления в атмосфере Титана, согласно которому метан должен испаряться из озер во влажные нижние слои атмосферы и выпадать на поверхность в виде осадков. Другими словами, в атмосфере Титана существует аналог земного гидрологического цикла, только роль воды в нем выполняет метан.

Титан — это мир, которому нет подобных. Но чем больше ученые узнают о нем, тем очевиднее становится, что если и стоит говорить о сходстве с каким-нибудь другим миром в Солнечной системе, то по своему химическому составу и физическим процессам Титан больше всего напоминает Землю.

Но не сегодняшнюю, а раннюю Землю до возникновения жизни — мир Миллера — Юри, когда в атмосфере не было кислорода и легко синтезировались сложные органические вещества. Это довольно смелое утверждение, если довести его до логического завершения.

Хотя мы не знаем точно, как на Земле зародилась жизнь, на сегодняшний момент считается, что она возникла естественным путем в результате проходивших на древней Земле химических процессов. Может ли современный Титан воспроизводить те древние химические условия? И если да, может ли он считаться главным претендентом на существование на нем жизни?

Некоторые находят данное утверждение слишком уж смелым. По их мнению, такие факторы, как отсутствие жидкой воды (столь необходимой для земной жизни) и низкие (по сравнению с земными) температуры, являются непреодолимыми препятствиями для возникновения биохимии.

Но этими различиями во мнениях и сопутствующими им сомнениями в безальтернативности наших земных представлений о биохимии и объясняется наш интерес к Титану. Титан заставляет нас взглянуть на мир по-другому, подвергнуть сомнению общепризнанные истины. Когда мы смотрим на земную жизнь с Титана, нам волей-неволей приходится пересмотреть свои прежние взгляды. И это только к лучшему.

Уникальный Титан

В 2000 году Питер Уорд и Дональд Браунли опубликовали революционную книгу «Уникальная Земля» (Rare Earth). В ней они рассмотрели основополагающие идеи астробиологии, а также цепь совпадений, случайностей и тонкой настройки Вселенной, которая привела к возникновению высокоразвитой жизни на нашей планете.

Их главное утверждение состояло в том, что планеты, подобные Земле, населенные живыми существами вроде вас, встречаются исключительно редко. Более того, они допускали, что Земля может быть единственной среди множества обитаемых миров, населенных разнообразными примитивными формами жизни. Но в сознании читателей этой книги утверждения свелись к совершенно неправомерному выводу: «Земля уникальна, жизнь — большая редкость».

Крис Маккей, астроном, работающий в Исследовательском центре Эймса, подразделении НАСА, обыграл некоторые из этих ложных толкований, выступив с концепцией «Уникального Титана». Маккей вообразил астробиолога с Титана, рассуждающего о возможности существования жизни на Земле.

Этот астробиолог утверждает, что странная сине-зеленая планета с океанами жидкой воды и насыщенной кислородом атмосферой должна быть абсолютно токсичной для любой формы жизни, биохимия которой сходна с титанианской. Более того, при таких высоких температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, большая часть основных молекул титанианской жизни разрушится.

С учетом всего вышесказанного было бы ошибкой выбрать Землю в качестве следующей цели титанианской астробиологической миссии. За этой шуткой стоит важная мысль о том, что нам необходимо избавиться от нашего эмоционального багажа, по крайней мере в той его части, которая касается необходимости воды и умеренных температур для существования жизни, если мы хотим сохранить непредвзятый подход к поискам и окончательному распознаванию хоть сколько-нибудь чуждой нам жизни.

Вода, спринцовка жизни

Так как нам избавиться от груза предрассудков, чтобы подготовиться к астробиологической экспедиции на Титан? Давайте начнем с воды.

Многие биологи выстроятся в очередь, чтобы рассказать вам о том, как важна вода для жизни на Земле. Но тут необходимо понять, является ли вода единственно возможной жидкостью для жизни или это просто одна из многих жидкостей, которые могут служить средой для развития жизни.

В настоящее время мы этого не знаем главным образом потому, что еще до конца не изучили земную жизнь, не говоря уже о жизни вообще. Справедливости ради надо отметить, что многие астробиологи отдают себе в этом отчет, и поэтому дружный крик «Ищите воду!» часто сопровождается оговорками, что вода — это жидкость, используемая земной жизнью, единственной, какую мы на сегодня знаем.

Поэтому я попробую на какое-то время отказаться от этой точки зрения. Вместо этого я расскажу вам о ситуациях, когда вода мешает существованию жизни и как жизнь либо как-то приспособилась к этому, либо просто притерпелась и живет себе дальше.

Вода — это образцовая полярная жидкость, хотя в данном случае термин «полярная» относится больше к химии, чем к географии. Поместите водород в молекулу с атомом, сильно притягивающим электроны, например с атомом кислорода, и окажется, что, хотя все атомы имеют общие электроны (и формируют таким образом, ковалентную связь), некоторым достается больше, а некоторым — меньше.

Кислород получает львиную долю электронов, и в результате положительный и отрицательный заряды распределяются неравномерно, превращая молекулу в электрический диполь.

Там, где противоположные заряды притягиваются, они образуют слабые водородные связи, которые могут формироваться между полярными молекулами или даже внутри них.

Водородные связи помогают другим полярным молекулам, таким как соли, белки или даже ДНК, растворяться в воде, что дает им возможность свободно перемещаться и реагировать с другими растворенными в воде химическими веществами. В этом смысле можно сказать, что вода «полезна» для жизни, поскольку земная жизнь использует для своей химии причудливую смесь солей и белков.

Но в отношениях воды и жизни есть и своя «темная сторона». Нуклеиновые основания, которые составляют нашу ДНК, имеют настораживающую тенденцию разрушаться в воде: полярные молекулы могут разрушить слабые ковалентные связи путем гидролиза. В результате для сохранения целостности генетического кода требуется регулярный ремонт ДНК.

Полярная природа воды также затрудняет образование водородной связи, участвующей в фолдинге (от англ. folding — свертывание) белка. То, как каждый конкретный белок сворачивается в трехмерную структуру, играет критически важную роль в определении его биохимических свойств. Эти особенности не ставят непреодолимых препятствий на пути жизни, они больше похожи на крутые повороты, для прохождения которых требуются дополнительные химические усилия.

Многие ученые полагают, что возникновение жизни на Титане невозможно, поскольку имеющаяся там жидкая среда, скорее всего, состоит из смеси метана и этана, а молекулы обоих этих веществ неполярны. Многие полярные соли, белки и органические вещества, которые играют важную роль в жизнедеятельности земных организмов, нерастворимы в метане или этане. Вместо этого они будут выпадать в осадок и образовывать отложения на дне морей и озер.

Но существует не меньшее количество органических веществ, которые растворяются в таких жидкостях, как метан и этан. Попробуйте спросить у тех, кто занимается органической химией, какую жидкость они используют в большинстве своих лабораторных экспериментов, и, скорее всего, они назовут не воду, а что-то другое. У тех химических соединений, которые хорошо растворяются в метане и этане, больше возможностей использовать слабые водородные связи, которые могут особенно хорошо подходить для низкотемпературных сред.

Может ли эта альтернативная, неполярная органическая химия стать основой внеземной жизни? Ответ, очевидно, положительный. Более важный вопрос — какие главнейшие биомолекулы нам следует искать? Чтобы найти на него ответ, нам следует отправиться на Титан и проанализировать содержимое колбы с жидкостью из небольшого холодного метанового пруда — титанианского аналога «небольшого теплого водоема», в котором Дарвин узрел зарождение земной жизни.

Однако, как нам еще предстоит убедиться, на это потребуются гигантские средства (миллиарды и миллиарды) и несколько десятилетий упорного труда. А до тех пор какие черты Титана можем мы воспроизвести на Земле, чтобы заранее представить себе, с каким химическим и чисто гипотетически биохимическим окружением мы там столкнемся?

Златовласка на Титане

Может ли Титан оказаться «как раз впору» для жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем применить к нему те же теории, которые использовались для объяснения возникновения жизни на Земле. Возможно, самый результативный лабораторный опыт из всех, что применялись для моделирования химической картины ранней Земли, — это эксперимент Миллера — Юри.

Современные атмосферные условия на Титане не сильно отличаются от тех, которые, согласно нашим представлениям, существовали на Земле до возникновения жизни, и это главная причина, которая вызывает к нему такой интерес. Важные составляющие — это наличие водорода (который может отдавать электроны) и относительное отсутствие кислорода (который электроны притягивает).

В атмосфере Титана, равно как и ранней Земли, водород — хороший восстановитель, отдающий свои электроны для синтеза новых органических веществ. Кислород — хороший окислитель, всегда стремится присоединить к себе электроны других атомов или молекул.

Так как же нам создать лабораторную модель Титана? Получить аналогичную по составу химическую смесь совсем не сложно — 95% азота, незначительное количество метана и еще капелька угарного газа. Но откуда взять энергию для химических реакций? Поверхность Титана затемнена густой атмосферной дымкой — там нет ионизирующего излучения.

Кроме того, по всей видимости, на Титане не бывает молний, которые могут стать искрой жизни, способной запустить химические реакции. Но верхние слои атмосферы — над дымкой — это среда, в которой протекают различные фотохимические процессы.

Нам это известно, поскольку данные, полученные с помощью «Вояджера» и «Кассини», показали наличие побочных продуктов — по крайней мере самых простых, — возникающих в результате фотодиссоциации метана под воздействием фотонов солнечного света.

Следовательно, перед нами стоит задача смоделировать верхние слои атмосферы Титана — сочетание крайне низкого давления и ионизирующего излучения — и проследить, чтобы интересующая нас химическая реакция происходила в разреженном газе, а не на стенках барокамеры.

Титанианская версия эксперимента отличается от оригинального эксперимента Стэнли Миллера одной очень важной деталью: в ней нет жидкости. Миллер и его последователи прогоняли органические вещества через колбу с жидкой водой, которая должна была выполнять функцию земных океанов. В нашей версии атмосферы Титана все реакции происходят в камере, заполненной преимущественно азотом.

С учетом этих различий, которые могли быть решающими, каковы же оказались результаты «внеземной» версии эксперимента Миллера — Юри? Как ни странно, но, изменив состав смеси и приблизив условия эксперимента к условиям Титана, а не ранней Земли, мы не повлияли на полученный результат. В эксперименте Миллера — Юри, проведенном по титанианскому рецепту, синтезируются многие известные нам аминокислоты и азотистые основания.

Возможно, вы зададитесь вопросом, каким образом органические молекулы, синтезированные в верхних слоях атмосферы Титана, могут спуститься на поверхность и принять участие в потенциальном зарождении жизни. Честно говоря, мы этого не знаем.

Самые интересные органические молекулы, возникшие в результате этого эксперимента, аминокислоты и азотистые основания, значительно тяжелее молекул, составляющих атмосферу веществ. В настоящее время мы предполагаем, что они будут диффундировать по направлению к поверхности. С физической точки зрения такое вполне возможно, однако в основе этой гипотезы лежит полное отсутствие каких-либо данных о динамике атмосферы Титана.

Так какое все это имеет значение для жизни на Титане? Возникновение одних и тех же аминокислот и азотистых оснований в опытах, моделирующих как Титан, так и древнюю Землю, возможно, говорит о том, что эти молекулы — общие промежуточные этапы на извилистых путях химических реакций, в которые вступают органические вещества в обеих средах.

Хотя некоторые из этих аминокислот и азотистых оснований используются земной жизнью, крайне маловероятно, что жизнь на Титане выбрала именно их, поскольку данные органические вещества не растворяются в жидком метане и этане.

Возможно, мы не заметили каких-то очень важных молекул, появившихся в ходе нашего эксперимента, поскольку нам о них ничего не известно — наши взгляды на жизнь по-прежнему находятся под влиянием земной жизни и составляющих ее молекул.

Но так или иначе мы можем сказать, что Титан — разнообразная, химически активная среда, во многом сходная с ранней Землей. Большинство современных ученых полагают, что жизнь на Земле зародилась именно в такой среде.

Так что в этом смысле Титан «как раз впору» для жизни. Но не стоит забывать, что мы не знаем, в результате чего состояние «как раз впору» сменилось реальной жизнью. С учетом того, что мы знаем о проходящих на Титане интенсивных химических процессах, не исключена вероятность того, что он может служить местом, пригодным для жизни.

Слишком холодно для жизни

Можно ли говорить, что на Титане слишком холодно для жизни? Можно ли исключить всякую возможность жизни на основании одной лишь низкой температуры? И здесь опять ответ будет отрицательным. Все дело в том, что энергию для жизни дает не температура — энергию для жизни дают химические реакции.

Да, действительно, с повышением температуры скорость химических реакций увеличивается. То, что мы ощущаем как температуру, в действительности лишь хаотичное движение частиц (атомов или молекул), из которых состоит данная конкретная среда.

Повышение температуры означает увеличение скорости, а значит, уменьшение времени, которое проходит между столкновениями атомов или молекул между собой. Для этого состояния нет температурного предела. Если ваш образец имеет температуру 300 К (27 °С), он обладает в два раза большим количеством теплоты, чем тот же образец при температуре 150 К (–123 °С).

Вода, из которой вы и я преимущественно состоим, станет твердой как камень задолго до того, как ее температура достигнет этого предела, поэтому можно сказать, что ниже определенного значения температуры земная жизнь не может существовать, для нее это слишком холодно. Это верно, но только потому, что земная жизнь основана на воде.

Выберите другую жидкую среду, к примеру аммиак, метан или этан, и нижняя граница температуры, при которой возможна жизнь, опускается. Вам придется подобрать другие органические вещества, которые подходили бы для этой формы жизни, но большая часть органической химии по-прежнему будет в вашем распоряжении.

Вы можете также раздвинуть границы земной жизни, смешав антифриз с небольшим количеством воды, и посмотреть, будет ли ферментная химия, используемая всеми живыми существами на Земле, работать по-прежнему. Как выяснилось, будет вплоть до температуры −100 °C. В целом, хотя низкие температуры отразятся на скорости протекания возможных биохимических реакций, они не помешают их осуществлению.

Если мы откажемся от землецентрической точки зрения, что температура от 0 до 100 °C «лучше всего» подходит для жизни, то обнаружим, что при более низких температурах жизнь обладает определенными преимуществами. Например, органическая химия Титана может использовать водородные связи (которые слабее ковалентных) для образования более широкого диапазона стабильных химических соединений, чем это возможно при более высоких температурах.

Низкотемпературная титанианская жизнь марширует под более медленный ритм, чем теплолюбивая земная, однако, поскольку условия на Титане стабильны, это не помешает ей преодолеть как добиологическую часть пути, так и собственно возникновение жизни.

Неудобная правда

Самое трудное в обнаружении жизни на Титане — это придумать способ ее распознать. Даже на Земле ученые, представляющие различные дисциплины, не могут выработать единого определения жизни.

Вместо того чтобы рассматривать различные определения, применяемые зоологами, ботаниками, химиками, молекулярными биологами и прочими, давайте сосредоточимся на астробиологах. Давайте вспомним, какие методы применяли астробиологи ранее, когда пытались обнаружить признаки жизни, как, например, в случае экспедиции «Викинга» или изучения ALH84001.

Каждая группа ученых использовала какое-то конкретное определение жизни, и при планировании экспериментов или проведении анализов они стремились проверить соответствие образцов именно этим гипотезам.

Начнем с «Викинга». В экспериментах, осуществленных в рамках биологической программы экспедиции «Викинга», питательные вещества добавлялись к образцам марсианского грунта при различных условиях. Во время планирования миссии ученые решили, что, если в ходе эксперимента будет зафиксировано выделение газов, это можно будет считать надежным показателем метаболической активности марсианских микробов.

В данном случае определение жизни было: «Во мне идут процессы обмена веществ — значит, я существую». А как же тогда ALH84001? Ученые искали микроскопические — точнее, наноскопические — физические структуры, в которых можно было бы распознать окаменевшие клетки. В этом случае определением жизни было: «Я организуюсь — значит, я существую».

Итак, если мы полетим на Титан — давайте предположим, что это будет автоматическая миссия, — каким должно быть наше рабочее определение жизни? Мы пришли к заключению, что нам больше всего подходит определение жизни как самоподдерживающейся химической системы, подверженной дарвиновскому отбору. С учетом этого определения что мы будем искать и какие опыты будем проделывать?

Один из главных сторонников этого эволюционно ориентированного поиска жизни — Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции. Он полагает, что три самые важные молекулы, которые использует земная жизнь, — ДНК (хранилище генетической информации), РНК (осуществляющая транспортную и строительную функцию) и белки (отвечающие за работу всей системы).

Более того, он утверждает, что атомные структуры трех этих земных биомолекул соответствуют неким простым принципам, которые могут быть универсальными для любой жизни. Если мы научимся распознавать внеземные молекулы, соответствующие этим принципам, это позволит нам обнаружить инопланетную жизнь.

Один из самых простых принципов, которые нам предстоит усвоить, — полиэлектролитная теория гена. Суть ее заключается в том, что главное свойство, которое делает молекулу ДНК таким хорошим средством кодирования информации, — это повторение отрицательного заряда, присутствующего у фосфатных групп, составляющих остов всех молекул ДНК.

Поскольку одноименные заряды отталкиваются, это заставляет молекулы ДНК вытягиваться в длинные нити, что значительно облегчает ее дальнейшее считывание молекулой РНК. Кроме того, повторяющийся на всем протяжении электрический заряд определяет общие химические свойства молекулы ДНК, как, например, то, что она растворяется в воде.

Тот факт, что изменение последовательности азотистых оснований C, A, G и T, из которых складывается здание нашей жизни, не меняет химических свойств молекулы, является исключительно важным условием для сохранения возможности генетических изменений (хотя некоторые ученые с этим не согласны).

Так что наша задача — придумать эксперименты по образцу тех, что проводились молекулярными биологами, которые были бы достаточно простыми и надежными, чтобы их можно было осуществить на Титане и попробовать отыскать эти характерные молекулы на месте.

Это очень многообещающее новое направление — определение жизни на языке молекулярной биологии. Те из вас, кто подходит к астробиологии с практической точки зрения, вероятно, согласятся, что некое сочетание из трех изложенных выше подходов — метаболизма, клеточной структуры и молекулярной структуры — позволит нам создать исчерпывающую программу биологических исследований для Титана.

Кто съел весь ацетилен

Титан постоянно подвергает сомнению наши представления о химическом составе его поверхности и атмосферы. Некоторые из этих представлений вполне убедительны: метан, присутствующий в атмосфере в больших количествах, преобразуется в более сложные органические соединения в результате воздействия солнечного излучения.

Другие черты титанианской атмосферы нам по-прежнему непонятны: если метан превращается в более сложные химические вещества, то почему он со временем не иссякает?

При современной скорости фотохимических реакций метан, в настоящее время присутствующий в атмосфере, будет весь израсходован примерно за 50 млн лет. В масштабах времени существования Солнечной системы — это одно мгновение. Так как же восполняются запасы метана?

Довольно убедительным объяснением этого явления может служить криовулканизм, когда струи газа изливаются на поверхность спутника из подземных резервуаров. Однако до сих пор никаких примеров отчетливых вулканоподобных образований на поверхности Титана обнаружено не было. Другим объяснением может быть биологическое происхождение метана, и этот вариант вполне заслуживает рассмотрения.

В 2005 году тот же самый Крис Маккей, который выдвинул шуточную гипотезу уникального Титана, опубликовал небольшую статью, посвященную наличию в атмосфере Титана значительного количества потенциального метаболического топлива.

Одним из самых простых (и самых высокоэнергетических) способов поддержания жизнедеятельности для жителей Титана могла бы быть реакция ацетилена с водородом, при которой выделяются две молекулы метана: C2H2 + 3H2 = энергия + + 2CH2. Что нужно отметить в этой реакции? Ацетилен и водород потребляются обитающими на поверхности Титана живыми организмами, и в результате выделяется метан. Хорошо, а как это согласуется с нашими измерениями количества метана в атмосфере Титана?

Возможно, вы удивитесь, но атмосферные наблюдения, выполненные «Вояджером» и «Кассини», неплохо согласуются с возможными последствиями такого простого ацетиленового метаболизма. Два исследования проливают свет на такую странную химию Титана.

В первом исследовании использованы данные миссий «Вояджера» и «Кассини», которым удалось измерить количество молекулярного водорода на больших высотах, где он, предположительно, возникает в результате разложения метана под воздействием солнечного света, и рядом с поверхностью.

К немалому удивлению ученых, выяснилось, что в нижних слоях атмосферы присутствует гораздо больше водорода, чем в верхних. Их удивление легко понять: мало того, что, согласно предположениям, водород производился на большой высоте над поверхностью Титана, но к тому же водород — самый легкий из всех атмосферных газов.

Полученные данные указывали на то, что какая-то часть водорода из слоя высотной дымки опускается вниз (и еще примерно столько же улетучивается в космос). Так куда же этот водород девается? Он должен на что-то расходоваться, будь то на поддержание водородолюбивой жизни или, что более прозаично (но от этого не менее интересно), на осуществление какой-то химической реакции на поверхности планеты.

Нам известно, что покрывающий поверхность слой органической пыли полностью лишен ацетилена. Один из наиболее распространенных побочных продуктов разложения атмосферного метана под воздействием солнечного света, ацетилен, должен постоянно выпадать на поверхность Титана. Однако приборы «Кассини» не обнаружили его следов в спектре отраженного от поверхности света.

Так можно ли считать это неопровержимым доказательством существования ацетиленоядных микробов, нежащихся на окутанных туманной дымкой берегах титанианских озер? Разумеется, нет. Прежде чем делать вывод о существовании жизни, хороший астробиолог должен исключить все прочие причины наблюдаемых явлений.

Возможно, ответственность за судьбу опускающегося вниз молекулярного водорода и за отсутствие ацетилена лежит на каком-то одном химическом процессе. Это может быть какая-то небиологическая поверхностная реакция с участием ацетилена и водорода, в результате которой синтезируются новые органические вещества, и в связи с этим стоит заметить, что большая часть поверхности Титана покрыта органическим дегтем неизвестного химического состава.

Однако косвенные указания остаются убедительными. Живые существа не выйдут встречать наш космический корабль и не прильнут к окулярам телескопов. Тем не менее можно не сомневаться, что нас там ждут загадки, аномалии, необъяснимые явления.

Возможное присутствие метана на Марсе, таинственное исчезновение ацетилена и водорода рядом с поверхностью Титана — вот те указания на присутствие жизни, которые мы обнаружили, и нам же будет хуже, если мы оставим их без внимания. Перед нами стоит задача подробно изучить химию Титана, и для ее решения нам непременно нужно там побывать.

Экспедиция на Титан: продержаться на плаву

С учетом того, что мы знаем о Титане, а также того, что нам по-прежнему неизвестно, — какие научные эксперименты следует провести будущей экспедиции на Титан? Как будет выглядеть космический корабль? Какие технологии нам понадобятся для достижения своих целей?

На настоящий момент разрабатывается несколько миссий, но, к сожалению, все они находятся в полузаброшенном состоянии — никто не говорит, что они не нужны, но потребность в них не настолько велика, чтобы выделять под это финансирование.

Сможем ли мы когда-нибудь преодолеть темную полосу финансовых неурядиц, постигших НАСА и ЕКА, и выйти на залитые солнцем просторы, на которых нас ожидает экспедиция к Титану? Несомненно!

Это вполне по силам тем, кто отстаивает Титан в качестве главной цели для нашей следующей флагманской миссии во внешнюю Солнечную систему. Основополагающие принципы будущей экспедиции к Титану были разработаны в рамках проекта «Миссия к системе Титан — Сатурн» (TSSM).

Планируется, что космический аппарат достигнет окрестностей Сатурна, совершит несколько пролетов на небольшом расстоянии от Титана и Энцелада, а затем выйдет на стационарную орбиту вокруг Титана, откуда спустит в атмосферу спутника два автоматических зонда.

Первый зонд будет нести 600кг научной аппаратуры, которая будет располагаться в гондоле аэростата (НАСА и ЕКА в анонсе миссии романтически именуют его «монгольфьером»). Это исключительно смелый, но вместе с тем остроумный план, который должен сработать в холодной и плотной атмосфере Титана.

Излишки тепла от находящегося на борту радиоизотопного термоэлектрического генератора позволят постоянно подогревать воздух в шаре. Планируется, что срок службы аппарата составит 6 месяцев. За это время циркулирующие на Титане ветры пронесут десятиметровый воздушный шар вокруг всего спутника на высоте 10 км.

Основная научная задача зонда на воздушном шаре — съемка поверхности с недоступными для орбитальных аппаратов разрешением и длиной волны, как, например, широкоугольные снимки с разрешением до 1 м. Зонд будет отбирать образцы атмосферы и с помощью масс-спектрометра анализировать, насколько они различаются по химическому составу в зависимости от места. Это будет величайший полет на аэростате из всех, которые когда-либо знало человечество.

Второй аппарат должен будет опуститься на одно из больших титанианских озер и в дальнейшем плавать по его поверхности. Это будет целая химическая лаборатория, оснащенная масс-спектрометром, способным определять размер и состав молекул, содержащих до 10 000 атомов. Фонарь и фотокамера будут, соответственно, освещать и делать снимки поверхности озера.

Время работы этого посадочного модуля будет ограниченно, поскольку вместо дорогостоящего плутониевого источника энергии на спускаемом модуле предполагается разместить химические батареи. С нормативным сроком службы батареи 9 часов, из которых 6 уйдет на спуск к поверхности, у зонда остается только 3 часа на анализ жидких углеводородов, составляющих титанианские озера.

В первую очередь, миссия Титан — Сатурн посвящена химическим исследованиям: она опишет химический состав титанианской атмосферы и озер и, я уверен, подарит нам немало сюрпризов. Обнаружит ли эта экспедиция жизнь? Только если мы возьмем на себя смелость утверждать, что любые упорядоченные молекулы — это и есть жизнь. Однако она вполне может обнаружить сырье, которое эта жизнь, если она все-таки есть, потребляет и перерабатывает.

Если бы вы, в духе этой книги, планировали исследовательскую экспедицию к Титану, устроили бы вас такие цели или бы вы постарались пройти чуть дальше? Если вы действительно стремитесь к великим целям, то, непременно, захотели бы включить в программу экспедиции на Титан биологические эксперименты, аналогичные тем, что были проделаны миссией «Викинга».

Вы могли бы попробовать предсказать какие-то отличительные черты титанианского метаболизма и запланировать соответствующие химические эксперименты. Но экспедиция «Викинга» научила нас, что до тех пор, пока у вас не будет общего понимания химических процессов, протекающих в интересующей вас среде, результаты ваших опытов будут в лучшем случае давать неоднозначный ответ относительно присутствия жизни.

Из-за бюджетных ограничений в программу «Викинга» не был включен эксперимент, получивший название «ловушка Вольфа» в честь своего создателя Вольфа Вишняка. Его идея заключалась в том, чтобы добавить марсианскую почву в колбу с водой и измерить степень ее помутнения, вызванного бактериальным ростом.

Такие «Волчьи капканы» — стандартный инструмент, применяющийся в биологических исследованиях сухих долин в Антарктиде. Это простая и остроумная идея: «Я расту, значит, я существую», и ее вполне можно применить для определения бактериального роста в озерах Титана, только образец надо добавлять к пробирке с жидким метаном, а не с водой.

Полагаю, старая поговорка «Увидеть — значит поверить» будет важным аргументом в пользу оснащения зонда инструментами для микрофотосъемки, которые позволят точно определить, какие потенциальные биологические объекты присутствуют в «водах» озера.

Нам нравится представлять себе момент научного открытия, когда ребенок впервые смотрит в микроскоп на каплю воды и обнаруживает в ней множество крошечных живых существ. Но только вообразите, какие необыкновенные открытия нам предстоят, если мы оснастим титанианский посадочный модуль мощным электронным микроскопом!

Возможно, нам придется попотеть над подготовкой образцов для анализа, но полученные таким образом микроснимки и замедленная съемка позволят сразу же сделать выводы о наличии клеточной жизни.

С учетом этих ограничений и неопределенностей, почему я не уговариваю вас проникнуться энтузиазмом и запустить к Титану миссию по доставке образцов? Ведь для нас это действительно важно! Да, конечно, однако на это потребуется невероятное количество денег.

По сравнению с доставкой образцов с Титана аналогичная миссия на Марс покажется детской забавой. Поэтому придется работать с тем, что у нас есть, а это $4 млрд или около того. На эти деньги можно отправить только экспедицию типа TSSM, которая по нынешним расценкам обойдется в $2,5 млрд.

Не уходи смиренно в сумрак вечной тьмы

Совершив 12 ноября 1979 года пролет мимо Титана, «Вояджер-1» лишился возможности сблизиться с какой-либо еще планетой Солнечной системы. Не желая упустить возможность пройти на малом расстоянии от Титана, центр управления полетом изменил траекторию «Вояджера-1», и после сближения со спутником крохотный зонд вышел из плоскости эклиптики и начал удаляться за пределы Солнечной системы.

Следовавший за ним по пятам «Вояджер-2» сблизился с Сатурном 25 августа, однако, в отличие от предшественника, продолжил движение по первоначальному курсу, что позволило ему в дальнейшем достичь Урана и Нептуна.

Какая судьба ожидает эти космические аппараты? Оба «Вояджера» сейчас проходят через турбулентный регион Солнечной системы, именуемый гелиопаузой, — область, где давление частиц солнечного ветра уравновешивается давлением межзвездной среды. Некоторые журналисты называют эту область «границей Солнечной системы». На самом деле это лишь первая из нескольких промежуточных точек на нашем пути.

«Вояджер-1» движется со скоростью 56 000 км/ч, или 3 а. е. в год. Он покинет область гелиопаузы и примерно через 1000 лет войдет в облако Оорта — неизведанное и невидимое царство древних комет. Примерно на полпути до ближайших звезд зонд выйдет за пределы гравитационного воздействия Солнца и присоединится к веренице звезд, вращающихся по своим орбитам в нашей Галактике.

В конце концов через 90 тысяч лет оба зонда преодолеют расстояние до ближайшей к нам звездной системы — Альфа Центавра, расположенной в 4,3 световых года от Солнца10.

Мы делаем лишь первые шаги в далекий мир. Позволят ли новые технологии догнать и перегнать «Вояджер-1» на его пути к ближайшим звездам? Будем ли мы существовать через 90 тысяч лет как биологический вид? Удастся ли нам возмужать и преодолеть все болезни роста? Это, конечно, непростые вопросы.

Пока расстояние даже до ближайших звезд невероятно велико по сравнению с нашими сегодняшними возможностями звездоплавания. Тем не менее именно на эти звезды нам предстоит обратить свое внимание и использовать астрономические наблюдения, а не космические аппараты для изучения их планетных систем и условий для существования жизни.

#библиотека #космос #будущее

{ "author_name": "Саша Море", "author_type": "self", "tags": ["\u0431\u0438\u0431\u043b\u0438\u043e\u0442\u0435\u043a\u0430","\u043a\u043e\u0441\u043c\u043e\u0441","\u0431\u0443\u0434\u0443\u0449\u0435\u0435"], "comments": 7, "likes": 45, "favorites": 39, "is_advertisement": false, "section_name": "default", "id": "35667", "is_wide": "" }
{ "is_needs_advanced_access": false }

Комментарии Комм.

Популярные

По порядку

0

Прямой эфир

Подписаться на push-уведомления
[ { "id": 1, "label": "100%×150_Branding_desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet" ], "auto_reload": true, "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "ezfl" } } }, { "id": 2, "label": "1200х400", "provider": "adfox", "adaptive": [ "phone" ], "auto_reload": true, "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "ezfn" } } }, { "id": 3, "label": "240х200 _ТГБ_desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "fizc" } } }, { "id": 4, "label": "240х200_mobile", "provider": "adfox", "adaptive": [ "phone" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "flbq" } } }, { "id": 5, "label": "300x500_desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "ezfk" } } }, { "id": 6, "label": "1180х250_Interpool_баннер над комментариями_Desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "h", "ps": "bugf", "p2": "ffyh" } } }, { "id": 7, "label": "Article Footer 100%_desktop_mobile", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet", "phone" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "fjxb" } } }, { "id": 8, "label": "Fullscreen Desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet" ], "auto_reload": true, "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "fjoh" } } }, { "id": 9, "label": "Fullscreen Mobile", "provider": "adfox", "adaptive": [ "phone" ], "auto_reload": true, "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "bugf", "p2": "fjog" } } }, { "id": 10, "disable": true, "label": "Native Partner Desktop", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "clmf", "p2": "fmyb" } } }, { "id": 11, "disable": true, "label": "Native Partner Mobile", "provider": "adfox", "adaptive": [ "phone" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "g", "ps": "clmf", "p2": "fmyc" } } }, { "id": 12, "label": "Кнопка в шапке", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "p1": "bscsh", "p2": "fdhx" } } }, { "id": 13, "label": "DM InPage Video PartnerCode", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet", "phone" ], "adfox_method": "create", "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "pp": "h", "ps": "bugf", "p2": "flvn" } } }, { "id": 14, "label": "Yandex context video banner", "provider": "yandex", "yandex": { "block_id": "VI-223676-0", "render_to": "inpage_VI-223676-0-1104503429", "adfox_url": "//ads.adfox.ru/228129/getCode?pp=h&ps=bugf&p2=fpjw&puid1=&puid2=&puid3=&puid4=&puid8=&puid9=&puid10=&puid21=&puid22=&puid31=&puid32=&puid33=&fmt=1&dl={REFERER}&pr=" } }, { "id": 15, "label": "Плашка на главной", "provider": "adfox", "adaptive": [ "desktop", "tablet", "phone" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "p1": "byudx", "p2": "ftjf" } } }, { "id": 16, "label": "Кнопка в шапке мобайл", "provider": "adfox", "adaptive": [ "tablet", "phone" ], "adfox": { "ownerId": 228129, "params": { "p1": "byzqf", "p2": "ftwx" } } } ]