Тайна океанов Солнечной системы

На спутниках, вращающихся вокруг Юпитера и Сатурна, похоже, есть подповерхностные океаны, которые могут поддерживать жизнь за пределами Земли. Но неясно, почему эти моря вообще существуют.

На протяжении большей части существования человечества Земля была единственным известным миром, покрытым океаном, и, казалось, не похожим ни на один другой космический островок.

Но в 1979 году два космических аппарата НАСА "Вояджер" пролетели мимо Юпитера. Его луна Европа, замерзшее царство, была украшена бороздами и трещинами - намеками на то, что под ее поверхностью может быть что-то динамичное.

"После "Вояджера" люди подозревали, что Европа странная и может иметь океан", - говорит Фрэнсис Ниммо, планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

Потом, в 1996 году, космический аппарат НАСА "Галилео" пролетел мимо Европы и обнаружил странное магнитное поле, исходящее изнутри. "Мы не понимали, что это такое", - говорит Маргарет Кивельсон, космический физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая отвечала за магнитометр космического аппарата. В конце концов, она и ее команда поняли, что электропроводящая жидкость - что-то внутри луны - конвульсирует в ответ на огромное магнитное поле Юпитера. "Единственное, что имело смысл, - говорит Кивельсон, - это если бы под поверхностью льда была оболочка из жидкого расплава".

В 2004 году космический аппарат НАСА "Кассини" прибыл к Сатурну. Наблюдая за небольшой луной Сатурна Энцеладом, он обнаружил ледяные шлейфы, извергающиеся из огромных расщелин на южном полюсе луны. И когда "Кассини" пролетел через эти шлейфы, свидетельство было безошибочным - это был соленый океан, энергично истекающий в космос.

Сейчас земные океаны уже не уникальны. Они просто странные. Они существуют на освещенной солнцем поверхности нашей планеты, в то время как моря внешней Солнечной системы скрыты подо льдом и погружены во тьму. И, похоже, эти подземные жидкие океаны являются правилом для нашей Солнечной системы, а не исключением. Помимо Европы и Энцелада, почти наверняка существуют и другие луны с океанами, покрытыми льдом. Флот космических аппаратов будет детально исследовать их в течение следующего десятилетия.

Все это порождает очевидный парадокс. Эти луны существуют в морозных областях нашей Солнечной системы уже миллиарды лет - достаточно долго, чтобы остаточное тепло от их создания улетучилось в космос много лет назад. Любые подповерхностные моря уже должны быть твердым льдом. Так как же на этих лунах, вращающихся так далеко от солнечного тепла, до сих пор есть океаны?

Количество свидетельств указывает на то, что существует множество способов поддерживать океаны с жидкой водой в течение миллиардов лет. Расшифровка этих рецептов может ускорить наши поиски, чтобы определить, насколько легко или трудно зарождается жизнь в космосе. Свежий анализ данных со старых космических аппаратов, а также недавние наблюдения космического аппарата НАСА "Юнона" и космического телескопа Джеймса Уэбба пополняют растущее число доказательств того, что эти теплые океаны содержат химический состав, полезный для биологии, и что внутренняя часть Солнечной системы - не единственное место, где потенциально может зародиться жизнь.

Эти океанические луны также открывают более широкие возможности. Океаны с умеренной температурой, потенциально пригодные для жизни, могут быть неизбежным следствием формирования планеты. Возможно, не имеет значения, насколько далеко планета и ее луны находятся от ядерного костра своей звезды. И если это так, то количество ландшафтов, которые мы можем исследовать в поисках жизни за пределами Земли, практически безгранично.

"Океаны под ледяными лунами кажутся странными и невероятными, - говорит Стивен Вэнс, астробиолог и геофизик из Лаборатории реактивного движения НАСА.

И все же, как ни странно, эти инопланетные моря остаются жидкими.

Океан в зеркальной оболочке

Ученые подозревают, что горстка лун, вращающихся вокруг Юпитера и Сатурна, и, возможно, даже некоторые луны, вращающиеся вокруг Урана и Нептуна, имеют океаны. Огромный Ганимед и изрезанная кратерами Каллисто подают слабые магнитные сигналы, похожие на Европу. Покрытый дымкой Титан Сатурна тоже, вполне вероятно, имеет подповерхностный океан с жидкой водой. По словам Майка Сори, планетолога из Университета Пердью, "это те пять планет, в существовании которых большинство ученых уверены".

Пока единственным абсолютно океаническим объектом является Энцелад. "В 1980-х годах некоторые ученые подозревали, что на Энцеладе есть плюмы; кольцо E Сатурна было настолько чистым и блестящим, что что-то - возможно, одна из его лун - должно было просачиваться в космос и постоянно обновлять его. После того как "Кассини" наконец-то увидел эту планетарную магию в действии, ученые ненадолго задумались о том, не являются ли южнополярные шлейфы луны следствием того, что солнечный свет испаряет лед в оболочке луны - что-то вроде кипения сухого льда при нагревании, возможно, под воздействием солнечного света.

"Некоторое время мы спорили о том, должен ли вообще существовать океан", - сказал Ниммо. "По-настоящему это стало ясно, когда "Кассини" пролетел через шлейф и обнаружил соль - хлорид натрия. Это и есть океан". Оставался шанс, что эти шлейфы извергаются из меньшего, более изолированного моря. Но дальнейшие наблюдения "Кассини" показали, что оболочка Энцелада раскачивается вперед-назад так сильно, что ее должен отделять от глубинных недр луны глобальный океан.

По словам Франка Постберга, планетолога из Свободного университета Берлина, плюмы также выделяют водород и кварц - признаки активности глубоководных гидротермальных источников. На Земле такие жерла производят тепло и химические вещества, необходимые для питания экосистем, существующих вне досягаемости солнечного света - сообществ организмов, которые, как считали ученые, не могут существовать в нашем фотосинтетически зависимом мире.

Но что может питать систему жерл, достаточно мощную, чтобы нагреть целый океан? В июне 1979 года, за месяц до близкого пролета "Вояджера-2" над Европой, ученые сообщили, что "Вояджер-1" зафиксировал титанические, зонтикообразные шлейфы, уходящие в космос над Ио - отпечатки извержений нескольких вулканов.

Это наблюдение должно было озадачить: Вулканизм требует внутреннего источника тепла, а Ио, как и другие ледяные луны, должна была быть не более чем углем. Но несколькими месяцами ранее независимая группа ученых правильно предсказала, что Ио может быть гиперактивным вулканическим миром.

Они основывали свое предсказание на орбитальном танце крупнейших лун Юпитера. На каждые четыре орбиты, которые совершает Ио, приходится две орбиты Европы и одна - Ганимеда. Эта орбитальная конфигурация, известная как резонанс, заставляет Ио колебаться вперед-назад, делая ее орбиту эллиптической. Когда Ио находится ближе к Юпитеру, гравитация планеты воздействует на него сильнее. Когда он находится дальше, притяжение Юпитера слабее. Это бесконечное гравитационное перетягивание каната заставляет скалистую поверхность Ио двигаться вверх и вниз на 100 метров, что соответствует высоте 30-этажного дома. Это такие же приливы, как и земные, только в твердой породе, а не в воде.

Эти приливы создают трение внутри Луны, которое выделяет тепло. И этот приливный нагрев достаточно силен, чтобы расплавить породу глубоко внутри Ио. "У Ио нет водного океана, но, вероятно, есть океан магмы", - говорит Ниммо. (Galileo обнаружил там и вторичное магнитное поле, созданное глобальным подземным резервуаром расплавленной породы.)

Европа также испытывает приливное нагревание. Но насколько эти приливы нагревают океан, зависит от того, в какой части Луны они происходят; другими словами, необходимо, чтобы достаточное количество тепла попадало в океан, чтобы он оставался жидким. "Приливное нагревание может происходить в самом ледяном панцире, а может - в скалистом ядре под ним", - говорит Ниммо. Ученые не знают, кто из них прав, поэтому они не могут точно сказать, насколько приливной нагрев способствует жидкому внутреннему состоянию Европы.

Энцелад тоже растягивается и сжимается из-за гравитационного танго с соседней луной под названием Диона. Теоретически это может приводить к приливам, которые нагревают внутренности луны. Но приливы, вызванные резонансом с Дионой, по крайней мере на бумаге, не кажутся достаточными для объяснения ее океана. По словам Сори, цифры пока не работают, а количество выделяемого тепла недостаточно для поддержания глобального океана в течение миллиардов лет, прошедших с момента зарождения Солнечной системы. Возможно, как и в случае с Европой, ученые не совсем понимают, где именно приливы создают тепло на Энцеладе.

Еще одним сбивающим с толку фактором является то, что орбиты не фиксируются в течение астрономического времени. По мере развития планетарных систем луны мигрируют, и "приливное нагревание может включаться и выключаться по мере того, как объекты входят и выходят из различных резонансов", - говорит Дэвид Ротери, планетолог из Открытого университета Великобритании. Ученые подозревают, что это произошло с Мирандой и Ариэль, двумя спутниками Урана, которые могут быть бывшими партнерами по танцам; эти луны выглядят так, как будто они когда-то были геологически активными, но теперь, вероятно, заморожены до ядра.

Подобным образом Энцелад, возможно, не всегда имел Диону в качестве партнера по танцам: Возможно, их буги вокруг Сатурна начались совсем недавно и нагрели ранее твердую луну. Но этот сценарий также трудно объяснить. "Проще сохранить океан и поддерживать его, чем замораживать и переплавлять", - говорит Сори. Таким образом, если за океан Энцелада отвечает исключительно приливной нагрев, то луна - это танцор-ветеран, который танцует боппинг уже несколько миллиардов лет.

На данный момент единственная определенность относительно океана этой луны заключается в том, что он существует. Как он появился и как он существует до сих пор - "это один из действительно больших нерешенных вопросов", - говорит Сори. "Энцелад трудно понять".

Радиоактивные ренегаты

К счастью, теплые лунные интерьеры зависят не только от приливов.

Половина внутреннего тепла Земли появилась в результате ее рождения. Остальное поступает от распадающихся радиоактивных элементов. Аналогично, богатые камнями глубины ледяных лун должны содержать приличное количество урана, тория и калия - радиоактивных запасов, которые могут готовить окружающую среду сотни миллионов, а то и миллиарды лет, прежде чем распадутся на стабильные элементы и перестанут выделять тепло.

Большие луны изначально обладали более богатыми запасами радиоактивного вещества. И, возможно, это все, что требуется их океанам. "Для больших лун, таких как Ганимед, Каллисто и Титан, они как бы неизбежны из-за этого радиогенного фактора", - говорит Вэнс. Некоторые ученые даже утверждают, что у Плутона есть подповерхностный океан. Как и три луны, эта карликовая планета, скорее всего, изолирована достаточно толстой корой, которая замедляет утечку радиоактивного пепла в космос.

В то же время относительно небольшие сердца лилипутских лун, таких как Энцелад, не содержат достаточно радиоактивного вещества, чтобы поддерживать их в теплом состоянии в течение миллиардов лет. Одно из неудовлетворительных решений этой головоломки заключается в том, что, возможно, Энцеладу просто повезло: Радиоактивность может объяснить раннюю часть его океанического прошлого, а его танец с Дионой - более поздний эпизод. Возможно, "сейчас мы находимся в точке пересечения, где радиогенный [нагрев] становится настолько низким, что приливной нагрев берет верх", - сказал Постберг.

Если так, то, возможно, Энцелад - это микрокосм Вселенной: серендипичное сочетание приливного нагрева и радиоактивности. Это означает, что океанические луны могут существовать везде - или, наоборот, почти нигде.

Молодые океаны

Альтернативно и противоречиво некоторые ученые утверждают, что Энцелад может быть удивительно молодым.

Скрытые в огромном количестве данных, собранных космическим аппаратом Cassini, намеки на то, что Сатурн не родился с его легендарными кольцами. Напротив, многие ученые теперь убеждены, что кольца образовались всего несколько сотен миллионов лет назад. Новые исследования с использованием суперкомпьютеров для моделирования столкновения луны с луной позволяют предположить, что кольца Сатурна образовались при столкновении двух древних лун примерно в то время, когда на Земле бродили стегозавры. В результате этого столкновения орбита Сатурна была усеяна легионами ледяных осколков; многие из них образовали кольца, другие разбили существующие луны и создали новые. И если кольца молоды, то Энцелад и несколько других лун тоже могут быть молодыми.

"Такое ощущение, что люди становятся все более открытыми к мысли о том, что луны молоды", - говорит Джейкоб Кегеррайс, научный сотрудник Исследовательского центра НАСА имени Эймса в Маунтин-Вью, Калифорния, и соавтор недавнего исследования образования колец.

В подтверждение этой идеи выяснилось, что ученые не знают, сколько лет некоторым лунам Сатурна. "Энцеладу может быть всего несколько сотен миллионов или десятков миллионов лет, - говорит Ротери. Но история с молодыми лунами далеко не однозначна - количество кратеров на многих из них говорит о том, что луны уже не один эон переживают столпотворение в Солнечной системе. "Я думаю, что в системе Сатурна несколько сотен миллионов лет назад произошло нечто странное", - говорит Ниммо. "Но я полагаю, что всем спутникам 4,5 миллиарда лет."

Спутниковые прорицатели

Поскольку миссии Galileo и Cassini давно мертвы, ученые возлагают надежды на два космических аппарата: недавно запущенный исследователь ледяных лун Юпитера Европейского космического агентства и еще не запущенный Europa Clipper НАСА. Оба аппарата прибудут к Юпитеру в начале следующего десятилетия.

И это возвращает нас к Европе, луне, которая впервые заставила пересмотреть космический контекст существования земных морей.

Одна из целей космического аппарата "Клипер", полет которого намечен на октябрь 2024 года, - "подтвердить" существование океана Европы (так говорится в списке целей миссии). "По поводу этого слова было много споров, - говорит Ниммо. Clipper может обнаружить не океан, а что-то другое; вместо него может быть замерзшее море, заполненное очагами талой воды. Или "это может быть тонкий слой золота", - пошутил Ниммо. Я думаю, что на 99 процентов уверен, что там есть океан."

Если "Клипер" подтвердит существование океана на Европе, он приступит к работе по изучению характеристик луны и ее подповерхностного моря. Для этого космический аппарат начнет с выяснения того, какие молекулы находятся на поверхности Луны и, если ученым повезет, в океане под ней. Пролетая мимо Луны, Clipper будет поглощать микроскопическую пыль, лед или водяной пар, поднимающиеся с ее поверхности. Эти частицы будут изучаться его прибором для анализа поверхностной пыли: Когда зерна попадают на металлическую пластину, они испаряются и заряжаются электрическим током, что позволяет прибору определить химическую принадлежность зерна.

Надеемся, что шлейфы мягко выпускают океан Европы в космос, что значительно облегчило бы поиски "Клипера". Такие шлейфы могут существовать, но они не будут похожи на шлейфы Энцелада; они могут быть более прерывистыми и географически спорадическими. Или же их может не быть вовсе - в этом случае остается надеяться, что удары микрометеоритов раскалывают ледяную оболочку, высвобождая супаксоны океана и распыляя их в сторону Клипера.

И может оказаться, что, когда дело доходит до того, чтобы оставаться в тепле, Европа и другие луны полагаются на химические уловки, которые не так уж чужды, как мы можем ожидать. Зимой "мы посыпаем дороги солью, чтобы снизить температуру плавления", - говорит Сори. Возможно, океан Европы особенно соленый, что снижает температуру замерзания. Однако более эффективным антифризом могут быть другие соединения - в частности, аммиак, - говорит Сори, - который в большем количестве содержится вдали от испаряющихся бликов Солнца.

Приливы, радиоактивность, химия и молодость: Эти ингредиенты, если их правильно смешать, могут создавать и поддерживать океаны на этих ледяных лунах. Я не думаю, что все эти вещи - это "или-или", - говорит Хауэтт. Конкретный рецепт для каждого спутника может быть разным. Могут быть сотни способов создать ледяную луну, наполненную океаном.

Открытие тайного океана Европы "действительно изменило представление людей о лунах", - сказал Кивельсон. Оно поставило науку на путь выяснения, могут ли инопланетные формы жизни населять эти инопланетные моря, и, возможно, приведет к открытию, которое навсегда изменит наше представление о месте во Вселенной.

Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в улучшении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.