Европиане, ганимедцы и титанцы: как учёные ищут жизнь на спутниках планет-гигантов
Лучший мирВ XVIII и XIX веках большинство образованных людей считали, что все или почти все планеты Солнечной системы населены. Аналогичный вопрос, связанный с Луной, вызывал постоянные споры: если бы она была обитаема, это бы отразилось на её поверхности, а наблюдатели при всей своей настырности изменений там не замечали. Кроме того, в 1753 году хорватский астроном Руджер Бошкович убедительно обосновал факт отсутствия у Луны атмосферы: он указал, что газовая оболочка, похожая на земную, влияла бы на прохождение света звёзд, но тот, когда его перекрывает лунный диск, гаснет практически мгновенно. Эти доводы побудили сторонников теории об обитаемости Луны выдвигать экзотические гипотезы: возможно, селениты прячутся в глубоких пещерах или по каким-то причинам предпочитают жить на обратной стороне Луны, которая не видна с Земли.По аналогии луны планет-гигантов тоже считались либо совершенно необитаемыми, либо населёнными какими-то примитивными существами. Учёных больше волновала пригодность для жизни самих Юпитера и Сатурна. Многие были уверены, что на таких огромных и далёких планетах непременно живут существа, которые намного превосходят нас, а наблюдения за многочисленными спутниками позволили им быстрее развить науки. К примеру, немецкий философ Иммануил Кант писал в 1755 году:«Всеобщая естественная история и теория неба»пер. Б. ФохтаПо-видимому, природа особенно щедро рассыпала свои богатства в отдалённых краях мира. Спутников, в достаточной мере возмещающих отсутствие дневного света деятельным обитателям этих счастливых мест, больше всего имеется здесь: природа как будто постаралась всячески способствовать деятельности этих обитателей, дабы последняя свободно совершалась почти в любое время. По количеству своих спутников Юпитер имеет явное преимущество… а Сатурн в свою очередь — перед Юпитером; прекрасное и полезное кольцо, окружающее Сатурн, надо полагать, есть признак того, что устройство Сатурна ещё более совершенно.Фантасты тоже долго обделяли спутники планет-гигантов вниманием, предпочитая отправлять своих персонажей на Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Своего рода исключением стал «астрономический» роман российского литератора Анания Лякидэ «В океане звёзд» (1892), где в подробностях описано воображаемое путешествие по Солнечной системе. Автор исходил из соображения, что Юпитер и Сатурн — светила, подобные Солнцу. Хотя они дают намного меньше тепла, его вполне достаточно, чтобы на спутниках сложились условия, благоприятные для жизни.Сначала персонажи романа посещают юпитерианские спутники. На Каллисто они находят расу религиозных фанатиков, поклоняющихся Юпитеру; на Ганимеде — народ диких пастухов; климат Европы и Ио оказался слишком жарким, поэтому живой мир на них представлен только растительностью, насекомыми и мелкими птицами. Переместившись в систему Сатурна, персонажи прибывают на Мимас, где обнаруживают ангелоподобных крылатых созданий: как выясняется, они охотятся на местных бескрылых людей, погружая их в гипнотический сон.Энцелад, Тефия, Диона и Рея оказываются населены существами, которые походят на людей внешне, отличаясь медлительностью и тугодумием. Титан, Гиперион и Япет выглядели мёртвыми из-за царящих там лютых морозов.В ХХ веке фантасты стали больше писать о системах Юпитера и Сатурна: бесконечные истории о приключениях на Венере и Марсе приелись читателям. При этом сам собой закрепился стереотип: гипотетические обитатели спутников, если они разумны, должны быть варварами, поскольку ресурсов в их мирах явно недостаточно, чтобы там появилась и развилась цивилизация. Например, американский писатель Стенли Вейнбаум, известный тщательностью в проработке вымышленных миров, в рассказе «Безумная луна» (The Mad Moon, 1935) населил Ио двумя дикарскими видами — лунарями и мышкарями, которые могут сотрудничать с людьми, а могут и враждовать подобно аборигенам земных архипелагов. В рассказе «Искупительная пирамида» (Redemption Cairn, 1936) он же представил Европу как мир, где атмосфера присутствует только в глубокой впадине на стороне, всегда обращённой к Юпитеру. Там и развились «пузыристые» птицы — шарообразные создания, накапливающие воздух в наспинных мешках для перелётов над своей луной.В этой связи интересен также цикл научно-фантастических очерков о гипотетических обитателях Солнечной системы. Эти очерки с 1939 по 1946 год публиковал редактор Рэймонд Палмер на страницах журналов Amazing Stories и Fantastic Adventures. Тексты писали Генри Гейл и Моррис Стил, а наглядные иллюстрации к ним рисовал Фрэнк Пауль. Многие из очерков были посвящены спутникам планет-гигантов. Скажем, Ганимед авторы населили матриархальной цивилизацией разумных кошек, использующих местных ящериц в качестве ездовых животных, а Европу представили родиной насекомоподобных существ, добившихся немалых успехов в строительстве и воздухоплавании.Советские фантасты были сдержаннее в описании возможных форм инопланетной жизни. Например, Аркадий и Борис Стругацкие в своих ранних текстах лишь мельком упоминают, что на Каллисто есть примитивная, но агрессивная биосфера, а на Титане, в глубинах его нефтяного океана, водятся «улитки».В любом случае обоснованные суждения о природных условиях и обитаемости на поверхности далёких лун можно было выносить, только изучая их с близкого расстояния. Такая возможность появилась в 1970-х годах.Лунные океаныДетальные исследования спутников планет-гигантов начались с пролётов рядом с Юпитером американских космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» в декабре 1973-го и декабре 1974 года соответственно. Второй аппарат в сентябре 1979 года также пролетел поблизости от Сатурна и его спутника Титана. Однако полученные телеснимки были очень низкого разрешения и не позволяли разглядеть подробности.В 1979 году два аппарата «Вояджер» прошли через систему спутников Юпитера, передав на Землю более детальные изображения. Внимание учёных сразу привлекла Европа: они увидели ровную белую поверхность, испещрённую сетью причудливых трещин, которая позволила предположить, что спутник покрыт толстой коркой водного льда.Зная среднюю плотность Европы (3,013 г/см), учёные из Исследовательского центра Эймса рассчитали, что массовая доля воды на ней составляет не менее 6%, а толщина льда — не менее 100 км. Вполне возможно, заявили они, что часть воды там находится в жидком состоянии, то есть подо льдом скрыт огромный океан.Следующий шаг в развитии гипотетических построений сделали планетологи Рей Рейнольдс и Стивен Сквайерс, опубликовавшие вместе с коллегами в ноябре 1983 года статью «Об обитаемости Европы» (On the habitability of Europa). Они объединили предположение о существовании подлёдного океана с модной в то время теорией о зарождении земной жизни в гидротермальных придонных источниках и заявили, что, возможно, в тёплых водах на этом спутнике Юпитера есть всё необходимое для появления биосферы. Развитие же её идёт на границах сред: в глубоких трещинах, через которые океан взаимодействует с внешним миром.Подбирая аналоги, учёные писали:Рей Рейнольдс и Стивен СквайерсНигде на Земле экологические условия не совпадают с теми, что были рассчитаны для нашей модели Европы, поэтому не существует известного организма, идеально подходящего для обитания в такой нише. Однако многие из проблем, с которыми столкнулась бы жизнь на Европе, земная жизнь преодолела… На Земле существует ряд условий, в которых фотосинтез происходит при чрезвычайно низком уровне освещённости и при значительной толщине льда. Водоросли растут в озёрах долин Антарктики, несмотря на то что многие из них круглый год покрыты льдом… Летом фотосинтез настолько интенсивен, что захваченные пузырьки кислорода поднимают маты через воду к основанию льда…Также в отношении к обитаемости Европы вызывает интерес сообщество антарктических ледовых диатомовых водорослей… Эти организмы осуществляют метаболизм в чрезвычайно суровых условиях, на границе раздела льда и морской воды, где температура окружающей среды ниже –1,86 °C, а уровень света менее 1 % от освещённости на поверхности. Кроме того, зимой диатомовые водоросли (как и маты водорослей) выживают в течение 6 месяцев полной темноты.Гипотеза выглядела очень смелой, ведь не было даже уверенности, что океан на Европе действительно существует. Требовались дополнительные данные. С 1995 по 2003 год американский аппарат «Галилео» работал в системе Юпитера и дал учёным множество новых сведений о его спутниках. Всего он совершил одиннадцать близких пролётов Европы, первый и второй из них состоялись 19 декабря 1996 года и 20 января 1997 года, когда аппарат прошёл на расстоянии 692 и 586 км от её поверхности.Полученные телеснимки вызвали ажиотаж среди учёных. Детали на поверхности напоминали плавающие айсберги Северного Ледовитого океана во время весеннего таяния. Причиной таяния, возможно, была тёплая вода внизу, подогреваемая вулканической активностью.Оценивая картину, геолог Рональд Грили из Университета штата Аризона заявил, что ледяная кора на Европе очень тонкая и местами разломанная какими-то движениями на отдельные куски. Профессор океанологии из Университета штата Вашингтон Джон Дилейни с энтузиазмом заявил: «Я уверен, что там есть жизнь». Вода может содержать соли и другие химические вещества, необходимые для возникновения и поддержания биосферы. Необходимую энергию при этом дают гидротермальные источники и слабый солнечный свет, проникающий сквозь трещины. Учёные вспомнили о подлёдном антарктическом озере Восток, изолированном от внешнего мира: в нём подозревают наличие бактерий, и оно может служить аналогом океана Европы.Аппарат сделал и другое важное в этом контексте открытие: обнаружил у Европы магнитное поле, которое меняет направление каждые 11 часов. Известно, что Юпитер совершает оборот вокруг оси за 11 часов, а Европа — за 3,55 земных суток. Следовательно, магнитное поле рождено не самой Европой, а влиянием Юпитера, а значит, на спутнике есть слой с хорошей электропроводностью — вероятнее всего, жидкая солёная вода. Причём её объём должен примерно в два раза превышать общий объём океанов Земли.Идея обитаемого океана под коркой льда захватывала воображение. Джеймс Кэмерон, снявший множество красивых кинолент о контактах с инопланетянами, выпустил в 2005 году на экраны научно-популярный фильм «Чужие из бездны» (Aliens of the Deep), где визуализировал представления учёных о существах, в том числе разумных, которые могли бы населять Европу.К премьере фильма вышла книга под тем же названием, написанная практикующим врачом и научным журналистом Джозефом Макиннисом. Выводы Макинниса, конечно же, были однозначны: жизнь может существовать в самых странных условиях, и на Европе она наверняка тоже есть.Позднее вышел зловещий псевдодокументальный фильм «Европа» (Europa Report, 2013), снятый эквадорским режиссёром Себастьяном Кордеро, о том, что контакт с обитателями этого спутника Юпитера может быть опасен для космонавтов, которые туда когда-нибудь доберутся.В нашей стране плодотворную тему обитаемости Европы разрабатывает астрофизик Борис Штерн. Он написал книги «Прорыв за край мира. О космологии землян и европиан» (2014) и «Ледяная скорлупа» (2018), где представил, как могла бы развиваться наука жителей водного мира, скрытого под многокилометровым слоем льда.Несмотря на столь мощную рекламу гипотетических построений, учёные столкнулись с серьёзной проблемой. Изучив ударные кратеры на поверхности Европы и смоделировав их формирование, они пришли к выводу, что толщина ледяной корки должна быть не меньше 3 км. Позднее оценка изменилась в более удручающую сторону: свыше 20 км! Однако считается, чем тоньше корка, тем лучше условия для возникновения жизни: энергия и вещества, поступаемые в океан извне, способствуют образованию сложной органики. Что касается гипотезы о существовании экосистемы вокруг гидротермальных источников Европы, то на этот счёт мы не можем ничего с уверенностью сказать: на Земле нет глубин порядка 100 км, а потому мы не знаем, какие природные условия там в действительности царят.На вопрос о глубине трещин в ледяной корке призван ответить американский космический аппарат Europa Clipper, который должен прилететь к Юпитеру в апреле 2030 года. Посадка не предусмотрена: аппарат будет периодически сближаться с Европой, составляя её подробную карту и замеряя радаром толщину льда. Это позволит предположить, взаимодействует ли потенциально скрытый под ней океан с внешним космосом. Кроме того, учёные постараются определить химический состав поверхности, а также пара и пыли, выброшенной с неё.Океаны были обнаружены не только на Европе, но и на других лунах Юпитера. В 1996 году, изучив данные «Галилео», совершившего пролёт вблизи Ганимеда, учёные из Лаборатории реактивного движения NASA предположили, что у недр спутника трёхслойная структура: ядро, мантия, а сверху — ледяная оболочка толщиной около 800 км.Дальнейшие исследования Ганимеда подтвердили, что там есть не только огромные скопления льда, но и жидкая вода. Ганимед обладает собственным магнитным полем, которое взаимодействует с обширной магнитосферой Юпитера, из-за чего на спутнике появляются полярные сияния. Наблюдая за ними с помощью космического телескопа «Хаббл», учёные построили новую модель недр Ганимеда. Оказалось, что под твёрдой корой толщиной 150 км скрывается океан солёной воды глубиной порядка 100 км. Есть ли там жизнь, вряд ли получится выяснить в обозримом будущем: до океана Ганимеда добраться куда сложнее, чем до океана Европы.В 1998 году «Галилео» выяснил, что у Каллисто, как и у Европы, нет собственного магнитного поля, но есть «вторичное», индуцированное Юпитером. Сравнивая Каллисто с Европой, учёные обнаружили сходство в их полях и пришли к выводу, что его может объяснить наличие океана на глубине 100 км. Получается, что жидкая вода на лунах планет-гигантов — скорее правило, чем исключение.Ледяная жизньУчёные и фантасты новейшего времени считали систему спутников Сатурна, столь удалённую от Солнца, ещё менее пригодной для жизни, чем систему Юпитера. Однако после того, как в октябре 1997 года к Сатурну отправился американский космический аппарат «Кассини» с европейским посадочным модулем «Гюйгенс», скептицизма заметно поубавилось. В июле 2004 года миссия вышла на орбиту Сатурна, в январе 2005 года модуль совершил мягкую посадку на Титан, а основной аппарат занялся исследованиями, которые продолжались тринадцать лет.Титан оправдал ожидания астрономов: это оказался очень холодный мир (до −179,4 °С в месте посадки «Гюйгенса»), где известные нам формы жизни немедленно погибнут. Его атмосфера состоит из азота, метана и водорода, поверхность покрыта смесью из водного и углеводородного льда, а местные реки, озёра и моря наполнены жидкими метаном и этаном.Тем не менее обилие в атмосфере и на поверхности органических соединений заставило учёных предположить, что на Титане эволюция могла пойти несколько иным путём, чем на Земле, породив альтернативные формы жизни. Ещё в 2003 году Джонатан Лунин, директор Корнельского центра радиофизики и космических исследований, показал с помощью физико-математического моделирования, что при падении на Титан достаточно крупных метеоритов или астероидов могли возникать «ударные оазисы»: из-за разогрева поверхности лёд плавился и образовывались озёра. Такие «тепличные» условия сохранялись бы сотни или даже тысячи лет, чего вполне достаточно для начала предбиологической эволюции. Позднее химик Паулетт Клэнси, используя идею Лунина, создал модель клетки из мелких органических соединений азота, способной функционировать в жидком метане при сверхнизких температурах.Согласно современным научным представлениям, гипотетические обитатели Титана поглощают водород вместо кислорода, используют ацетилен вместо глюкозы и производят метан вместо углекислого газа.В 2005 году планетологи Кристофер Маккей и Хизер Смит предсказали, что жители спутника, если они действительно существуют, заметно влияют на смешивание веществ в атмосфере: реальные значения ацетилена и водорода должны быть меньше рассчитанных. В июне 2010 года Даррелл Штробель из Университета Джонса Хопкинса, изучив данные по атмосфере Титана, установил, что водорода у его поверхности действительно нет совсем. Тогда же Роджер Кларк из группы, работающей с «Кассини», сообщил, что не обнаружен и ацетилен. Впрочем, учёные не спешат объявлять об открытии инопланетной жизни: отсутствие водорода и ацетилена может быть связано с неизвестным химическим процессом.Внимательное изучение сатурнианского спутника Энцелад тоже дало немало поводов для обсуждения. В 2005 году «Кассини» начал серию сближений с ним и передал на Землю множество прекрасных телеснимков, на которых хорошо видно, что «морщинистая» поверхность этой луны покрыта чистым водным льдом. 14 июля, пройдя на высоте 168 км над ней, космический аппарат обнаружил мощные гейзеры — выбросы частиц льда и водяного пара из южной полярной области. Было также определено, что слабая атмосфера Энцелада на 65 % состоит из водяного пара.Анализируя собранные данные, учёные пришли к выводу, что под ледяной коркой толщиной 30–40 км, как и в случае с Европой, находится солёный океан. Лёд разогревается из-за приливного воздействия Сатурна, и горячая вода через трещины прорывается наружу. Процесс продолжается не один миллион лет, и из материала, выбрасываемого гейзерами, вокруг планеты-гиганта даже сформировалось отдельное кольцо, получившее обозначение Е.«Кассини» сумел изучить химический состав выбросов: кроме водяного пара, там нашлись азот, углекислый газ, метан, пропан, аммиак, ацетилен, формальдегид, бензол, амины, фосфаты, цианистый водород — вещества, важные для начала предбиологической эволюции. Поскольку наука старается оперировать прямыми наблюдениями, а не гипотезами, то учёные выражаются осторожно. По их мнению, сегодня Энцелад при всей его необычности и удалённости — самый подходящий кандидат на обнаружение инопланетной жизни среди других лун Солнечной системы.