Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Глава 31 Жизнь и наша Солнечная система

 

Сложное и прекрасное явление жизни пока обнаружено только на Земле. Признаки жизни уже искали и до сих пор ищут на других телах нашей Солнечной системы и даже в других планетных системах. Если попытаться представить, где могла бы существовать жизнь или хотя бы предбиологические химические процессы, то в нашем окружении найдется немало интересных мест. Даже те тела, которые сейчас не могут поддерживать жизнь, заслуживают нашего внимания, поскольку они могут рассказать нам о том, где обстоятельства могут сложиться неблагоприятно для жизни.

Обзор бесперспективных и благоприятных для жизни мест (и почему они таковы).

Когда формируются планеты, они, по определению Международного астрономического союза (МАС), дочиста вычищают свои окрестности (см. врезку 31.1). Четыре внутренние планеты Солнечной системы, подобные Земле, — Меркурий, Венера, Земля и Марс — сформировались из каменистого и железо-никелевого твердого вещества в горячей внутренней части протопланетной туманности вблизи молодого Солнца. В недрах этих четырех планет плотное железо постепенно опустилось к центру, образовав железоникелевое ядро, вокруг которого осталась менее плотная мантия из каменистых пород. Атмосфера из летучих газов сложилась из упавших на молодую Землю комет и астероидов, а ее циклическое развитие под влиянием вулканической активности детально описано в главе 29.

Удержится или нет эта атмосфера на планете, зависит от силы притяжения планеты и ее близости к Солнцу. Если гравитация слаба, тепловые скорости многих молекул атмосферы превосходят скорость убегания, и эти молекулы улетучиваются из атмосферы в космос. В таком случае планета со временем теряет атмосферу.

Врезка 31.1. Определение термина «планета».

Международный астрономический союз (MAC) — это организация, объединяющая свыше 10 000 профессиональных астрономов. В 2006 году Генеральная ассамблея MAC, проходившая в Праге (Чешская Республика), приняла новое определение термина «планета» для Солнечной системы. Традиционно считалось, что в Солнечной системе девять планет и тысячи более мелких тел, таких как астероиды и кометы. Но когда определили массу девятой планеты (Плутона) на основании движения его спутника Харона (открыт в 1978 году), то оказалось, что Плутон гораздо меньше Луны и его масса примерно в 20 раз меньше, чем у Меркурия. Позже во внешних областях Солнечной системы, на расстоянии Плутона и дальше, были открыты и другие небольшие объекты. Некоторые из них сравнимы с Плутоном по массе и орбитальному' движению. Надо ли их тоже называть планетами? А что такое «планета»? Несколько лет астрономы обсуждали эту проблему, и наконец в 2006 году Генеральная ассамблея MAC проголосовала за следующее определение, в котором фигурируют три категории объектов: «планета», «карликовая планета» и «малое тело Солнечной системы».

1. «Планетой» называется небесное тело, которое (а) обращается по орбите вокруг Солнца, (б) обладает массой, достаточной для того, чтобы его гравитация преодолела жесткость вещества и привела его в гидростатическое равновесие, то есть придала ему шарообразную форму, и (в) расчистило окрестности своей орбиты.

2. «Карликовой планетой» (dwarf planet) называется небесное тело, которое (а) обращается по орбите вокруг Солнца, (б) обладает массой, достаточной для того, чтобы его гравитация преодолела жесткость вещества и привела его в гидростатическое равновесие, то есть придала ему шарообразную форму, но (в) не расчистило окрестности своей орбиты, и при этом оно (г) не является спутником.

3. Все остальные объекты, кроме спутников планет, обращающиеся вокруг Солнца, называются «малыми телами Солнечной системы» (small Solar System body).

В соответствии с этим определением, в Солнечной системе сейчас восемь планет, Плутон теперь считается карликовой планетой, а абсолютное большинство астероидов являются малыми телами Солнечной системы.

Хотя Земля и Луна находятся на одинаковом расстоянии от Солнца, Луна, имея меньшую массу, потеряла свою атмосферу. Меркурий, который тоже легче Земли, практически лишен атмосферы, поскольку из-за близости к Солнцу тепловое движение молекул у его поверхности происходит значительно интенсивнее, и они легко улетучиваются. Да и Земля не гарантирована от тепловой потери газов. Молекулы с небольшой массой, такие как гелий и водород, движутся быстрее других, поэтому даже на нашем расстоянии от Солнца планета не может их удержать. Атомы водорода очень важны для жизни, и сохраниться на Земле они могут только в составе более крупных молекул, таких как вода (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Сравнительные размеры внутренних планет — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их называют планетами земной группы, поскольку у всех твердая кора из горных пород. С разрешения NASA.

У Луны и Меркурия отсутствие атмосферы вкупе с медленным вращением приводят к высокой дневной и низкой ночной температуре поверхности. Атмосфера существенно сглаживает колебания температуры, подобно одеялу сохраняя тепло ночью, а днем отражая свет лучше, чем голые скалы. Мы знаем как важно наличие жидкой воды в качестве растворителя у всех известных форм жизни. Пла-нета, не имеющая атмосферного давления, особенно неблагоприятна для жизни, поскольку жидкая вода на ее поверхности быстро испарится. На такой планете жидкая вода может существовать только глубоко под почвой или под ледяным покровом. Следовательно, масса планеты и ее расстояние от своей звезды играют важную роль для удержания атмосферы и для того, чтобы планета оказалась пригодной для жизни. Наиболее массивные из внутренних планет — Венера, Марс и Земля — имеют атмосферы.

Другим связанным с массой фактором является внутренняя активность планеты. Мы уже обсуждали, что вулканические выходы или источники энергии могли быть местом зарождения жизни на Земле. У маломассивных объектов относительно большая площадь поверхности на единицу массы, чем у объектов большой массы. Луна и Меркурий уже потеряли большую часть своего внутреннего тепла, поэтому вулканическая активность у них практически нулевая. Их мертвые поверхности хранят память об эпохе столкновений, сыгравшей важную роль в истории жизни на Земле (рис. 31.2).

Рис 31.2. Усеянная кратерами поверхность Меркурия со следами древней геологической активности. Фото передано зондом «Мессенджер» в январе 2008 года. Диаметр большого кратера с двойным валом около 200 км. С разрешения NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

Астероиды и кометы располагаются в основном за орбитой Марса, иногда залетая во внутреннюю область Солнечной системы. Крупнейшие астероиды имеют в диаметре несколько сотен километров и порой бывают настолько массивны, что принимают округлую форму.

Такие, по решению МАС, причисляют к карликовым планетам. Эти и более мелкие астероиды, а также кометы не могут иметь постоянную атмосферу. Считается также, что у них нет внутренней вулканической активности.

Хотя они слишком малы, чтобы иметь постоянную атмосферу, маленькие астероиды и кометы представляют значительный интерес в связи с возникновением, эволюцией и возможными перспективами жизни.

Мы уже обсуждали влияние столкновений на древнюю атмосферу и массовые вымирания на Земле. Напомним также, что в некоторых примитивных, не подвергшихся изменению метеоритах были найдены строительные блоки биомолекул.

Вдали от Солнца вода, аммиак и метан (соединения водорода с кислородом, азотом или углеродом) оставались твердыми ледяными частицами в протопланетной туманности и объединялись в маленькие тела.

Хотя это и спорно, некоторые астробиологи полагают, что пред-биологическая химия могла протекать в газо-жидких областях ядер комет или же они могли служить транспортом для спор бактерий, перенося жизнь от планеты к планете. Эти вопросы заслуживают детального обсуждения.

Четыре внешние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — гораздо больше и массивнее внутренних планет. Находясь далеко от Солнца и обладая большой скоростью убегания у поверхности, эти планеты имеют протяженные атмосферы, состоящие из водорода, гелия, метана и других относительно легких газов. Юпитер и Сатурн считаются газовыми гигантами, а Уран и Нептун можно назвать ледяными гигантами.

Все внешние планеты окружены кольцами и большим количеством спутников. Некоторые из спутников чрезвычайно интересны как возможные прибежища жизни. Ряд спутников планет-гигантов, таких как Юпитер, могут двигаться настолько близко к планете, что их недра разогреваются под приливным влиянием планеты (табл. 31.1).

Таблица 31,1. Физические свойства планет.

Солнечные сутки — среднее время от одного восхода Солнца до следующего (отметим длинные солнечные сутки на Меркурии и Венере, например, на Меркурии от восхода Солнца до заката проходит 88 земных суток!).

Марс, подающий надежды.

Марс всегда будоражил воображение людей. Когда в своем орбитальном движении Земля и Марс сближаются, Марс в этот момент находится в противостоянии с Солнцем и выглядит на ночном небе красноватым и весьма ярким. Даже в маленький телескоп «в противостоянии» он кажется довольно большим, и на его поверхности можно рассмотреть кое-какие детали. Марс обращается вокруг Солнца на расстоянии около 1,5 а. е. и совершает полный оборот примерно за два года. Его экватор наклонен к плоскости орбиты на 25°, и это означает, что на Марсе, как и на Земле, существует смена сезонов. Марс делает один оборот вокруг своей оси примерно за 25 часов, и это тоже напоминает нам Землю.

Обычно в противостоянии расстояние между Марсом и Землей около 60 млн км. На таком расстоянии одна секунда дуги соответствует 300 км. В хороших условиях это приблизительно соответствует пределу разрешения при наблюдениях с помощью наземных телескопов. В большинстве случаев разрешение хуже и детали поверхности размыты. При таком разрешении хорошо заметны полярные шапки Марса, увеличивающиеся зимой и уменьшающиеся летом. В период марсианской весны на краях тающих полярных шапок возникает темная кайма, постепенно расширяющаяся в сторону экватора. Некоторые наблюдатели предполагали, что так могла бы проявлять себя жизнь растений, просыпающихся после холодной зимы: при продвижении потоков воды к экватору большие области якобы покрывались растениями.

Если воздух над местом наблюдения необычно спокоен, то на очень короткое время могут возникнуть условия, когда разрешение резко улучшается. Рефрактор с объективом диаметром 22 см может дать угловое разрешение 0,63 секунды дуги, или 200 км на поверхности Марса (примерно 1/34 его размера). Такого разрешения иногда достигал директор Миланской обсерватории Джованни Скиапарелли (1835–1910). В эти моменты Скиапарелли запоминал детали поверхности Марса и быстро зарисовывал их. Наряду с большими образованиями, такими как полярные шапки, он увидел четкие узкие линии, которые назвал «каналами»; по-итальянски canale означает всего лишь узкую полоску между двумя точками. Ошибка возникла при переводе на английский, где слово «канал» (channel) означает искусственное сооружение. На Земле такое сооружение могло быть построено людьми, а на Марсе — марсианской цивилизацией!

Персиваль Ловелл (1855–1916), бизнесмен, дипломат и писатель, пишущий о восточной культуре, увлекся астрономией. Он совершенно серьезно заинтересовался марсианскими каналами и даже построил собственную обсерваторию во Флагстаффе (шт. Аризона) специально для исследования Марса и других планет. Ловелл составил карту темных и светлых областей Марса и даже сети каналов на его поверхности. Он предположил, что это ирригационная система, построенная марсианами для распределения воды из полярных областей в другие части сухой планеты. Сравнив разные места, он даже определил положение столицы. Воистину, миролюбивая цивилизация способна координировать усилия на грандиозных проектах!

Что тут скажешь… Иногда энтузиазм, упорно действующий в одном направлении, неожиданно приводит к результатам в других областях. Как мы уже знаем, такие важные явления, как вращение галактик и красное смещение, были обнаружены именно в обсерватории Ловелла; там же была открыта и (карликовая) планета Плутон.

Менее «романтические» астрономы отвергли гипотезу о каналах на основании тщательных наблюдений и теоретических вычислений. В 1909 году греческий асгроном Эжен Антониади наблюдал Марс в исключительно благоприятных условиях с помощью 83-см телескопа Парижской обсерватории. К своему удивлению, он увидел множество мелких деталей, но не заметил каких-либо следов каналов. Что же касается теории, то Альфред Уоллес (один из создателей теории эволюции, см. главу 28) предпринял вычисления температуры Марса. Он рассчитал интенсивность солнечного света на поверхности Марса, учитывая его расстояние от Солнца, принял во внимание вращение Марса и предположил, что поверхность планеты должна согреваться до такой степени, чтобы ее тепловое излучение оказалось в равновесии с падающей на нее энергией Солнца. Уоллес получил удручающий результат: в самое теплое время на Марсе холодно, как в Сибири, каналы должны были замерзнуть, так что марсианская цивилизация вряд ли могла бы создать ирригационную систему.

Теперь мы знаем, что на экваторе летом в дневное время температура поверхности Марса поднимается выше точки замерзания воды, вплоть до +15 °C, но вообще-то поверхность планеты весьма холодная. Вдобавок к тому, что из-за большего расстояния от Солнца на единицу поверхности Марса падает менее половины солнечного тепла по сравнению с Землей, суточные перепады температуры на нем очень велики, так как тонкая атмосфера Марса не задерживает тепло днем и не сохраняет его в результате парникового эффекта ночью. Даже сибирская температура покажется гораздо приятнее, когда представишь, что на Марсе зимней ночью столбик термометра опускается до -150 °C. Средняя температура поверхности Марса около -60 °C, но суточные колебания велики.

Несмотря на холод, Марс рассматривается как вероятное место, где когда-нибудь сможет поселиться человек. Но переселенцы, обнаружив схожесть марсианского светового цикла с земным, заметят и большие различия. Радиус Марса равен 3400 км, то есть чуть больше половины земного, а плотность Марса 3,9 г/см3 составляет 70 % плотности Земли. Два этих фактора вместе означают, что на Марсе вес переселенцев составит 39 % от их земного веса. Без защитной одежды вне марсианской базы они будут страдать от удушья, так как давление воздуха очень низкое, всего 0,1 % от земного. Кроме того, на 95 % он состоит из двуокиси углерода, непригодной для дыхания. Без скафандра землянин задохнется через пару минут. Незащищенный житель Марса получит и серьезные солнечные ожоги от сильных ультрафиолетовых лучей.

Марсианские каналы и гипотетическая планета Вулкан показывают, как воображение человека — само по себе очень важное для науки — может увести нас в ошибочное направление и как тщательные научные наблюдения могут исправить подобную ошибку. Урбен Леверье в 1859 году обнаружил, что движение Меркурия по эллиптической орбите отягощено аномалией, которую не удается объяснить гравитационным влиянием на него известных планет. Тогда он предположил, что виновником аномалии служит неизвестная планета, движущаяся внутри орбиты Меркурия. Это предположение подкрепил французский любитель астрономии Э. М. Лескарбо, который видел планетообразный объект, быстро двигавшийся на фоне солнечного диска. В следующие десятилетия подобные объекты несколько раз наблюдали перед Солнцем. Было предпринято несколько попыток обнаружить их во время солнечных затмений, но ничего такого не удалось заметить во время затмений 1901–1908 годов. Альберт Эйнштейн в 1915 году объяснил аномалию орбиты Меркурия с помощью теории относительности и тем самым закрыл вопрос о Вулкане.

Идею марсианских каналов подхватили писатели. В романе Герберта Уэллса «Война миров», опубликованном в 1898 году, марсиане атаковали землян. Через 40 лет радиопостановка романа вызвала панику у слушателей, воспринявших ее всерьез. В некоторых фантастических произведениях марсиане представлены мирными существами, например в книге Клайва Льюиса «За пределом безмолвной планеты». Фактически мысль о каналах теплилась до тех пор, пока первые космические зонды не передали нам четкое изображение Марса, не искаженное расстоянием и земной атмосферой.

Экспедиции на Марс.

Советские экспедиции к Марсу 1960–1962 годов начались с «Марса-1», но ни одна из них не достигла Красной планеты. Первый американский зонд «Маринер-3», запущенный в 1964 году, разделил их печальную участь. Представление о планете, покрытой растительностью и каналами, окончательно похоронили 22 черно-белые фотографии, переданные на Землю по радио «Маринером-4» 15 июля 1964 года. Первый большой блок изображений был получен в 1969 году при пролете мимо Марса зондов «Маринер-6 и -7»: на 198 снимках запечатлелось 20 % поверхности Марса. Пару лет спустя «Маринер-9», первый космический аппарат на орбите другой планеты, передал на Землю 7329 снимков, покрывших 80 % Красной планеты. Эти изображения, сыгравшие важную роль в подготовке следующих экспедиций, рассказали нам довольно печальную историю: Марс — это песчаная пустыня без признаков жизни. Он выглядит таким же сухим, как пустыни Сахара или Атакама. На этих снимках видны также сухие русла рек, метеоритные кратеры, потухшие вулканы и гигантские каньоны, такие как долины Маринера длиной в 4000 км.

До экспедиций «Викингов» состав атмосферы Марса оставался неизвестным. На пике популярности марсианских каналов, в 1909 году, в Ликской обсерватории Уильям Кэмпбелл провел спектральные наблюдения Марса и не обнаружил воду, что противоречило гипотезе о заполненных водой каналах: испарения с водной поверхности должны быть заметны в атмосфере. Вначале предполагали, что у Марса может быть довольно значительная атмосфера. В обсерватории Мак-Дональд (шт. Техас) Джерард Койпер (1905–1973) смог обнаружить двуокись углерода — первую составляющую марсианской атмосферы. Наличие относительно плотной атмосферы подтверждалось также разницей размеров между большим ультрафиолетовым изображением, показывающим твердую поверхность планеты вместе с атмосферой, и изображением меньшего размера в ближнем инфракрасном диапазоне, где была видна только твердая поверхность. В 1950-х годах наилучшим считался такой вывод Жерара де Вокулёра об атмосфере Марса: 98 % азота, 1 % аргона, 0,25 % двуокиси углерода и менее 0,1 % кислорода.

Первый точный анализ атмосферы Марса провели космические зонды «Викинг-1» и «Викинг-2», севшие на Марс в 1976 году. За несколько лет работы на Марсе они полностью изменили наши знания об этой планете. Сейчас известно, что атмосфера Марса содержит 95 % двуокиси углерода, около 3 % аргона и только 2 % азота. Кислорода очень мало, всего 0,15 %, а воды еще меньше (0,03 %). Среднее атмосферное давление у поверхности составляет только 8 миллибар, или 1/120 давления у поверхности Земли. А на вершине 25-км горы Олимп давление атмосферы даже меньше, чем 1 мбар (рис. 31.3). Атмосфера Марса настолько разреженная, что не может удерживать жидкую воду на поверхности. В течение марсианского года атмосферное давление существенно меняется, поскольку зимой значительная часть двуокиси углерода конденсируется на полюсе в виде инея. Изменение давления составляет ±12 % с некоторой асимметрией между северной и южной зимой.

Рис. 31.3. Это изображение марсианских вулканов построено по данным лазерного альтиметра орбитального аппарата «Марс Глобал Сервейер». Гора Олимп — крупнейшая гора в Солнечной системе. С разрешения NASA.

«Викинги» ищут жизнь.

«Викинги» были первыми и до сих пор единственными экспедициями, которые искали жизнь на Марсе. На каждом из аппаратов было проведено по три биологических теста. Кроме того, газовый хроматограф искал химические соединения в верхних слоях мар-сианского грунта и измерял состав атмосферы вблизи поверхности. Хотя это и не был чисто биологический тест, но все же выяснялась локальная концентрация кислорода, озона, метана, формальдегида и других газов, связанных с жизнью. Обнаружилось немного паров воды, но не было найдено ни одного из органических газов.

Три остальных теста предназначались для поисков жизни. Они проводились в закрытых камерах. В эксперименте по газовому обмену измерялось производство и поглощение CO2, N2, СН4, Н2 и O2.

Вначале из закрытого контейнера изгонялась начальная атмосфера Марса путем наполнения контейнера гелием, затем туда вводилась смесь Не, Кг и CO2. Питательные вещества добавлялись с неоном, который служил диагностическим газом. Газовый состав постоянно измерялся. Проверялось, дышит ли что-нибудь в исследуемом образце почвы. В эксперименте по выделению метки тоже проверялось наличие дыхания. Но в этом случае питательный раствор содержал радиоактивный углерод 14С. В эксперименте постоянно отслеживалось возможное выделение 14С из-за организмов, которые могли питаться раствором.

В эксперименте по пиролизу искали возможность фотосинтетической или химической связи изотопа 14С с молекулами СО или CO2. Выдержав образец почвы 5 дней в инкубаторе с газом, помеченным изотопом 14С, его сначала нагревали до 120 °C и «проветривали» инертным газом, чтобы изгнать непрореагировавшие СО и CO2. Затем его прокаливали до 650 °C, чтобы произошло термическое разложение гипотетических марсианских микроорганизмов, и выделившиеся органические вещества собирали в испарительную камеру. Наличие в этом газе радиоактивного изотопа 14С должно было доказать существование метаболизма.

В 1976 году, во время проведения экспериментов «Викингов», еще не был открыт один из трех основных доменов жизни. В 1977 году профессор микробиологии Карл Вёзе и специалист по биоинженерии Джордж Фокс открыли новый домен живого, скрывавшийся до этого в тени бактерий, — археи. Оказалось, что этот домен почти целиком состоит из экстремофильных организмов. Это микробы, выживающие и даже процветающие в условиях, которые мы бы назвали невыносимыми для эукариотических организмов, таких как люди и растения. Эти условия подразумевают сильную засуху, высокое содержание соли, сильное ультрафиолетовое излучение, экстремальные значения температуры, высокую кислотность или щелочность.

Сейчас считается вполне вероятным, что жизнь на Марсе существует в виде архей и бактерий. Учитывая обилие разных метаболических систем у этих организмов, результаты экспериментов «Викингов» по поиску жизни на Марсе уже выглядят не столь однозначно. Эти зонды могли бы в большинстве случаев найти жизнь на Земле, но неясно, смогли бы они сделать то же самое на Марсе. Кроме того, не исключено, что жизнь была уничтожена реактивной струей или водой еще до проведения экспериментов. К тому же микробы вряд ли могут выжить в верхнем слое грунта, собранном манипуляторами «Викингов» для экспериментов. Ультрафиолетовое излучение может быть для микробов смертельным. Если бы копнули поглубже, на 1–2 метра, было бы гораздо лучше. Эти области защищены от интенсивного ультрафиолета и по причине более высокого давления могут содержать полости с жидкой водой.

После экспедиций «Викингов» наступила пауза, продолжавшаяся 20 лет, прежде чем новые зонды отправились к Красной планете. Но после этого к Марсу устремилась целая армада, умножившая наши знания об этой планете. «Пасфайндер» сел на Марс 4 июля 1997 года. Этот самоходный аппарат исследовал Марс в течение двух месяцев. Почти одновременно с ним был запущен и вышел на орбиту вокруг Марса аппарат «Марс Глобал Сервейер», проработавший до 2006 года, когда его сигналы пропали. В 2001 году на орбите вокруг Марса появился «2001 Марс Одиссей». В июне 2003 года был запущен европейский «Марс Экспресс», который вышел на орбиту вокруг Марса в декабре 2003 года. С собой он привез спускаемый аппарат «Бигль-2», который разбился при посадке; а орбитальный аппарат успешно работает до сих пор. С начала 2004 года по поверхности Красной планеты бродят два марсохода — «Спирит» и «Оппортьюнити». С 2006 года вокруг Марса обращается «Марс Риконисенс Орбитер». В 2008 году посадочный аппарат «Феникс» искал воду и пригодные для жизни условия в почве Марса. Но ни одна из экспедиций после «Викингов» напрямую не искала на Марсе жизнь.

Уже составлена весьма подробная карта Марса. Бледное северное полушарие довольно плоское и низменное, с небольшим количеством кратеров. Более темное южное полушарие — это возвышенная область с большим количеством кратеров. Различие в цвете вызвано разным цветом пыли, покрывающим эти области. Наиболее заметной деталью Марса при наблюдении с Земли в телескоп является плато Большой Сирт — темный «полуостров» со множеством кратеров, протянувшийся к северному полушарию. Со спутников он не кажется чем-то особенным. Зато огромные марсианские вулканы и глубокие каньоны с Земли выглядят не очень впечатляюще. Огромный 200-км ударный кратер Эллада в южном полушарии очень заметен при наблюдениях как земными телескопами, так и со спутников.

Огромные марсианские вулканы демонстрируют разницу между Марсом и Землей. Наши вулканы, сформированные всплывающими мантийными плюмами, часто образуют вулканические цепи, поскольку кора над плюмами перемещается, будучи частью тектонической плиты. Известный пример этого — цепь Гавайских островов. Некоторые вулканы на Марсе гораздо крупнее и массивнее земных. Это означает, что кора Марса не испытывает активных тектонических движений плит, поэтому лава от вулканической активности собирается в одном месте, образуя гигантский вулкан. Пока неизвестно, существует ли на Марсе вулканическая активность в нашу эпоху. Долины Маринера на плато Фарсида — замечательный пример прошлой геологической активности (см. цветную вкладку). Этот каньон имеет ширину 200 км, длину 4500 км и глубину до 11 км; он мог бы протянуться «от берега до берега» США. В действительности, долины Маринера — это не каньон, сформированный водной эрозией. Скорее это рифтовая долина, образованная разрывом земной коры и похожая на Восточно-Африканскую рифтовую долину, которая включает в себя, например, самые большие озера Восточной Африки и Мертвое море. Рифтовые долины образуются, когда куски суши удаляются друг от друга, а маленькая часть между ними проваливается.

Возможности жизни на Марсе и признаки воды.

Сейчас вырисовывается интересная картина относительно возможности жизни на Марсе. Она основана на тех данных, которые уже собраны и продолжают поступать от марсианских экспедиций, а также на исследованиях микробов-экстремофилов на Земле. Совершенно очевидно, что одним из решающих факторов для жизни служит наличие жидкой воды. Земная жизнь имеет клеточное строение, а растворителем во всех клетках служит вода. Разумеется, в клетках содержатся и другие важные молекулы, но вода вездесуща. Правда, вирусы в неактивном состоянии, пока они не начали размножаться внутри клетки, не нуждаются в воде в качестве растворителя, но, с другой стороны, в этом состоянии их вообще не назовешь «живыми».

Современный Марс — совершенно сухая планета. Воды в его атмосфере очень мало: если бы вся она сконденсировалась в осадок, то получился бы слой менее 0,1 мм. Среднее давление марсианской атмосферы около 8 мбар, а летом или зимой может понижаться до 5 мбар, что ниже тройной точки воды (6,1 мбар, 0,01 °C). Это означает, что, если бы жидкая вода каким-то образом оказалась на поверхности Марса, она бы быстро закипела или замерзла.

Некоторые ученые считают, что Марс всегда был очень сухим, но не исключено, что в прошлом все было совсем иначе. Есть немало свидетельств того, что воды там имелось довольно много, в том числе и в жидкой форме. Сила тяжести на Марсе меньше, чем на Земле. Легкие газы из атмосферы постепенно улетучиваются в космос, причем с такой скоростью, что за 1 млрд лет атмосфера теряет в весе в 10 раз. С учетом этого обстоятельства 2–3 млрд лет назад Марс должен был иметь атмосферу примерно с таким же давлением, как у современной атмосферы Земли. Кроме того, со временем меняется и состав его атмосферы: в прошлом пропорции разных газов в ней не отличались от теперешних; возможно, она была более пригодной для жизни. При наличии большего количества воды и двуокиси углерода атмосфера должна была создавать более сильный парниковый эффект и повышать температуру поверхности.

Изучая в начале 1980-х годов изображения, переданные орбитальными аппаратами «Викинг», ученые высказали идею о большом Марсианском океане. Это бы могло объяснить, почему Северная низменность такая ровная и почти лишена кратеров. Были найдены две береговых линии, каждая длиной в тысячи километров. Похоже, что когда-то треть марсианской поверхности покрывал океан глубиной 2 км. Последние капли воды испарились из него или замерзли 1–2 млрд лет назад. Эта гигантская масса воды могла бы стать колыбелью жизни. Но в этой картине есть одна загадка: почему береговая линия этого единственного океана имеет неодинаковую высоту? Это возможно только в том случае, если ось вращения Марса блуждала в теле планеты, что, как показывает компьютерное моделирование, могло происходить с характерным временем в сотни миллионов лет.

В Исландии можно найти потрясающие примеры катастрофических наводнений. Многие из них образовали каньоны, давшие начало рекам. От некоторых сейчас остались широкие сухие русла, порою довольно глубокие. На Марсе тоже видны признаки катастрофических наводнений. В принципе, этой жидкостью могла быть и не вода, а, например, лава; но, судя по форме русел и картине эрозии, все же более вероятна вода. На Марсе есть два типа структур, создать которые могли потоки воды: это большие стоковые каналы (outflow channels) и менее крупные сети долин (valley networks). Стоковые каналы видны на молодых территориях северного полушария, а сети долин — на ограниченных площадях обычно старых территорий южного полушария.

Стоковые каналы достигают в длину 2000 км, а в ширину 100 км. Они начинаются с так называемых хаотических местностей, хаосов, и имеют обрывистые стенки, следы течения воды, эродированные кратеры и сухие речные русла. Считается, что они образовались при катастрофических наводнениях из подпочвенных резервуаров воды. Заканчиваются они в структурах, похожих на сухое дно больших озер или океанов. Примерами таких образований служат долина Тиу и долина Apec.

Сети долин иногда напоминают древовидные дренажные системы небольших рек. Порой они выглядят как одиночные структуры, похожие на реку с несколькими притоками. Примером служит долина Нергал. Она старая и не могла образоваться при катастрофическом наводнении. Если в этих сетях долин текла вода, то ее небольшое количество могло быть обеспечено дождем, или таяньем ледника, или грунтовой водой. Вероятно, там была река, но обычно русла рек не прослеживаются. Не исключено также, что грунтовая вода вызвала обрушение почвы, под которой она текла. Многие из этих долин заканчиваются внезапно.

Даже в более мелком масштабе — на стенках некоторых небольших кратеров и на склонах — видны следы течения воды. Впервые их обнаружили на изображениях, полученных с высоким разрешением зондом «Марс Глобал Сервейер». По виду они похожи на маленькие ливневые стоки, заметные на холмах и склонах гор в пустынях и полупустынях Земли. Некоторые из них можно найти в огромном кратере Ньютон и на склонах долин Нергал (рис. 31.4) и Дао. Найдены десятки тысяч ливневых стоков длиной от сотен метров до нескольких километров. Наблюдения «Марс Глобал Сервейера» показали, что эти ливневые стоки активны и сегодня. С января по май 2000 года у них были замечены некоторые изменения.

Рис. 31.4. Долина Нергал на фото, переданном аппаратом «Марс Глобал Сервейер». С разрешения NASA/JPL/Malin Space Science Systems.

Изображения с «Марс Глобал Сервейера» выявили слоистые формирования. Если эти слои осадочные, значит, они должны были сформироваться в воде. Марсоход «Оппортьюнити» нашел на земле Меридиана минерал серый гематит, частично в виде маленьких темных шариков, похожих на ягоды черники; и это тоже свидетельствует о наличии в прошлом грунтовых или поверхностных вод. На Земле карбонаты обычно формируются при сочетании процессов эрозии и отложения и в конце концов образуют белые карбонатные скальные формации. Но на Марсе не обнаружилось высокообогащенных карбонатных отложений. Однако выход из этого противоречия есть: если древние океаны обладали высокой кислотностью из-за обилия CO2 в атмосфере, то отложение могло происходить в виде сульфатов, богатых серой и магнием, высокую концентрацию которых действительно обнаружил марсоход «Спирит».

Похоже, что на Марсе было очень много воды, но где же она сейчас? Найдется ли вода на Марсе в нашу эпоху? Ответ может быть только утвердительным. Мы уже говорили о недавно открытых «живых» ливневых стоках, указывающих на наличие подпочвенных слоев жидкой воды. Полярные шапки образуются из водяного льда, что подтверждено измерением профилей ледяных полярных шапок. Северная полярная шапка имеет толщину з км и по площади равна половине ледяного щита Гренландии. Южная шапка немного больше: ее толщина до 3,8 км. Суммарного количества воды полярных льдов (3–4 млн км3) достаточно, чтобы покрыть Марс 20-метровым слоем воды. Но это всего лишь 20 % от того количества, которое требуется для объяснения катастрофических наводнений, зафиксированных в виде нескольких стоковых каналов и оцененных другими способами.

Полярные шапки из водяного льда мало меняются от сезона к сезону, так как температура и давление воздуха остаются низкими. Наблюдаемый с Земли сезонный рост полярных шапок обусловлен тонким слоем снега из двуокиси углерода, толщиной всего в пару сантиметров. Это заметил и сфотографировал «Викинг-2».

Нечто похожее на большое замерзшее озеро было замечено орбитальным зондом «Марс Экспресс» в южной части равнины Элизий, близ марсианского экватора. Размер озера 800 х 900 км, а глубина, вероятно, несколько десятков метров. Эта область выглядит как равнина с изломанными ледяными плитами по краям. Если это действительно замерзшее озеро, то в нем могла сохраниться жизнь той эпохи, когда жидкость замерзала.

Возможность существования больших запасов воды под грунтом обсуждается с того момента, как орбитальный зонд «Марс Одиссей» провел в 2002 году водородное картирование с помощью гамма-спектрометра. Было зарегистрировано высокое обилие водорода. Полагают, что это водород в составе воды — жидкой, замерзшей или связанной — в поверхностном слое толщиной несколько метров. Наконец, посадочный аппарат «Феникс» в августе 2008 года подтвердил наличие водяного льда на глубине всего нескольких сантиметров под поверхностью.

Можно также искать жизнь, изучая некоторые газы, имеющие короткое время жизни в атмосфере и поэтому требующие постоянного воспроизводства для поддержания их обнаружимого количества. Ими могли бы быть кислород и озон, но еще экспедиции «Викинг» показали, что их обилие крайне мало. Метан под действием солнечного света разрушается в марсианской атмосфере за время порядка 300 лет, так что если метан обнаружен, он должен воспроизводиться практически непрерывно. Метан может появляться в результате геологической активности. Но и жизнь может быть источником метана: на Земле это болота и трясина, а также пищеварительный тракт крупного рогатого скота. Этот биометан образуется исключительно микробами домена археев — метанопродуцентами. По данным специального спектрометра на зонде «Марс Экспресс», ученые объявили об открытии метана в отдельных областях Марса на уровне десять частиц на миллиард. Похоже, что современной геологической активности недостаточно для производства такого количества метана, так что, возможно, он является продуктом жизнедеятельности. Последующие наблюдения показали, что и воды в атмосфере в тех районах тоже больше, что может говорить об их общем источнике. Эти результаты согласуются с возможностью жизни, но не доказывают ее.

Более удивительным было заявление о наличии формальдегида в атмосфере Марса. Дело в том, что в марсианской атмосфере формальдегид живет всего 7,5 часа, так что он должен был бы образоваться в этот же день! В принципе, он может получаться из метана, поэтому его обнаружение не столь уж удивительно. Слабые признаки формальдегида, о которых заявили в 2005 году, нашли в тех же областях, где ранее заметили метан, но количество формальдегида составило 130 частиц на миллиард, а это значительно больше того, что можно было бы ожидать от наблюдаемого метана. Витторио Формизано (Итальянский институт физики и межпланетного пространства) предложил различные сценарии для объяснения происхождения формальдегида, например химические процессы на поверхности под действием солнечных лучей, химические реакции в результате гидро- или геотермальной активности или же процессы жизнедеятельности. И все же трудно объяснить происхождение метана в количестве, необходимом для образования формальдегида.

Фантазии о марсианской жизни.

Несмотря на нынешние суровые условия на Марсе, по-видимому, были времена, когда там существовал океан или большие озера, толстая атмосфера, высокая вулканическая активность, большее содержание воды, метана и двуокиси углерода в атмосфере и более сильный парниковый эффект, обеспечивающий более теплый климат. В таких условиях на Марсе могла развиваться жизнь. За последние миллиарды лет условия становились суровее, атмосфера тоньше, что привело к замерзанию воды. Куда же делась жизнь, если в это время она была?

Возможны два варианта. Некоторые марсиане могли превратиться в очень стойких микробов, способных выжить совсем близко от поверхности (обычные бактерии Bacillus subtilis на поверхности Марса могут жить всего лишь 20 минут, так что это должны быть микробы типа Deinococcus radiodurans). Более вероятный вариант, что жизнь нашла убежище под почвой или во льду. Хотя жидкая подпочвенная вода пока на Марсе не обнаружена, весьма возможно, что где-то под почвой в сыром месте процветает жизнь. Там нет солнечного света, поэтому первичные производители должны быть хемотрофными. Такие виды земной жизни известны в доменах бактерий и архей. Вторичные производители и хищники могли бы уже питаться этими организмами. Но если жизнь нашла убежище в карманах соленой воды или открытом водяном льду, то могли существовать и фототрофные первичные производители, но вряд ли что-то более сложное.

Рис. 31.5 Дыры на Марсе, обнаруженные орбитальным аппаратом «Марс Одиссей», расположены по бокам горы Арсия. С разрешения NASA/JPL–Caltech/ASU/USGS.

Недавно инфракрасная камера зонда «Марс Одиссей» сфотографировала 7 дыр в поверхности Марса (рис. 31.5). Диаметры этих дыр от 100 до 250 м; стены и дно не видны. Судя по темноте провала при известной высоте Солнца, глубина некоторых из них не менее 80 м; но они могут быть и глубже. Условия в таких пещерах могут быть весьма привлекательными для жизни. Если это мелкие колодцы, то давление воздуха в них не должно отличатся от давления на поверхности. Если же это входы в более глубокие подпочвенные системы, то давление может возрастать с глубиной, а состав газа — меняться. Вода из стен может сочиться вниз. Освещение на разной глубине пещеры должно быть разным, так что должно существовать место с походящим количеством рассеянного света, но со сниженным ультрафиолетовым фоном; при этом фотосинтезирующие организмы могли бы жить рядом с хемотрофными, что позволило бы развиться полной экосистеме. Именно эти темные пещеры могут быть такими местами на Марсе.

Венера — жарко и сухо.

Венера, третий по яркости объект на нашем небе, встречается уже в вавилонских текстах. О ней знали майя и другие коренные народы Центральной Америки. Их сложная календарная система могла сложиться под влиянием наблюдений Венеры. Годичный солнечный цикл смены сезонов был представлен у них 365-дневным годом «Хааб». Был также и 260-дневный год «Цолькин». После «календарного круга» из 52 Хаабов эти два календаря синхронизировались. Из текстов майя известно, что Венера, которую они связывали с войной, играла важную роль. Через каждый синодический период Венеры (584 сут) ее конфигурации на небе повторяются: скажем, она видна высоко над горизонтом, на максимальном удалении от Солнца в 47°. Пять синодических периодов Венеры равны 8 Хаабам, или около 2920 суток. Это облегчает предсказания событий, связанных с Венерой. Особенно важным считалось первое появление Венеры на утреннем небе после нескольких недель ее отсутствия в период прохождения по орбите между Землей и Солнцем. Загадочные 260 дней могли быть связаны с длительностью видимости Венеры в качестве «утренней» или «вечерней звезды». Народы Центральной Америки могли знать, что в обоих случаях это одна и та же звезда. В средиземноморских культурах открытие этого факта приписывают Пифагору.

Когда Галилей рассматривал Венеру в свой телескоп, он заметил, что из-за обращения вокруг Солнца у нее видны те же фазы, что и у Луны, но нет никаких деталей на поверхности. Даже в современный телескоп на Венере не видно четких деталей из-за плотного облачного покрова. Атмосферу Венеры открыл русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Наблюдая в 1761 году прохождение Венеры по диску Солнца, он заметил преломление солнечного света в воздушной оболочке планеты и правильно заключил, что Венера окружена атмосферой, похожей на земную или даже более плотной (см. рис. 9.3). В 1932 году Уолтер Адамс и Теодор Данхем, используя в спектрографе новые фотопластинки фирмы «Кодак», чувствительные к красному свету, определили, что основным компонентом атмосферы Венеры является двуокись углерода, а кислорода и воды там нет. Близость Венеры к Солнцу, ее толстые облака и ошибочная идея о том, что она моложе Земли, заставили многих изображать Венеру как планету, покрытую жаркими джунглями, в которых, возможно, бродят динозавры. Те же, кто правильно интерпретировал спектр, понял, что атмосфера создает на Венере сильный парниковый эффект и что воды там нет. Так что ближе к реальности горячая сухая пустыня, а не жаркие джунгли.

Тепловое радиоизлучение с большой длиной волны может пройти от горячей поверхности Венеры сквозь ее толстую атмосферу. Зарегистрировав эти волны, К. X. Майер с коллегами в 1956 году определил температуру поверхности Венеры. Два измерения яркостной температуры Венеры на волне 3,15 см дали значения около 320 °C (620 ± 110 К и 560 ± 73 К). Столь высокие значения были восприняты скептически, но позже измерения космических зондов показали, что температура еще выше.

Плотный облачный покров затрудняет измерения вращения поверхности Венеры. В учебниках астрономии 1950-х годов было приведено несколько возможных периодов вращения: 225 сут (синхронно с орбитальным периодом), или 37 сут, или немного меньше 24 часов (по аналогии с Землей и Марсом). В 1962 году Ричард Гольдштейн и Р. Л. Карпентер из Лаборатории реактивного движения определили, что Венера медленно вращается в обратном направлении с периодом около 240 суток. Это было сделано методом радиолокации — посылкой радиоволн в сторону Венеры и приемом небольшой их части, отразившейся от ее поверхности. Край планеты, движущийся к нам, при отражении укорачивает длину волны, а противоположный край — удлиняет (эффект Доплера). Разность длин волн дает скорость вращения экватора, на которую нужно разделить длину окружности Венеры, чтобы получить период ее вращения.

Для получения карты поверхности Венеры тоже применяют радар, волны которого проникают сквозь облака. При этом использу-ются два радиотелескопа, эффект Доплера (вызванный вращением планеты) и разница в задержке сигнала, отраженного от ближних и далеких частей полушария планеты. Первые радарные карты Венеры составил в 1962 и 1964 годах Р. Карпентер. Он выявил некоторые области на поверхности с различными радиосвойствами. Первые радарные карты высокого разрешения, около 20 км, были получены в 1972 году с помощью 300-метрового радиотелескопа в Аресибо. Это сделали Д. Б. Кэмпбелл и Р. Б. Дис из Аресибо и Гордон X. Петтенгилл из Массачусетского технологического института.

Экспедиции к Венере

В 1961–1962 годах началась космическая гонка автоматических зондов к Венере. Первые запуски — «Венера-1» и пара «Спутников» (СССР), а также «Маринер-1» (США) — оказались неудачными. Первым аппаратом, передавшим данные из окрестностей Венеры, стал «Маринер-2». Он был запущен в 1962 году и, пройдя на расстоянии 35 000 км от Венеры, подтвердил высокую температуру ее поверхности, высокое давление атмосферы, состоящей из двуокиси углерода, и наличие постоянного облачного покрова на высоте 6о км. Гонка была захватывающей: несколько последующих запусков советских зондов закончились неудачей. В июне 1967 года Советский Союз запустил «Венеру-4», которая смогла, опускаясь на парашюте, передавать данные до высоты 25 км. Это был первый зонд, измерявший характеристики Венеры непосредственно в ее атмосфере. Через два дня был запущен «Маринер-5», пролетевший на высоте 4000 км над Венерой.

В 1969 году «Венера-5 и -6» детально измерили атмосферные характеристики. В следующем году «Венера-7» стала первым космическим зондом, передавшим на Землю данные с поверхности другой планеты. Следующие зонды серии «Венера» тоже работали успешно. «Венера-8» подтвердила высокую температуру и давление атмосферы у поверхности, определенные «Венерой-7». В 1975 году «Венера-9 и -10» измерили разные параметры атмосферы и передали на Землю первые телевизионные изображения поверхности Венеры. Следующие советские экспедиции «Венера-11 и -12», а затем и «Венера-13 и -14» обнаружили гром и молнии, а также измерили минеральный состав поверхности. Два последних зонда с названием «Венера» — 15 и 16, — запущенные в 1983 году, были выведены на орбиту вокруг Венеры и составили радарную карту части ее поверхности. Тем временем США послали к Венере два зонда «Пионер», которые повторили или предварили многие советские измерения. Две советские экспедиции к комете Галлея, «Вега-1 и -2», имели на борту посадочные аппараты с аэростатами для исследования атмосферы Венеры. В 1989 году США запустили зонд «Магеллан», который составил детальную радиокарту 84 % поверхности планеты. В 2005 году Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило на полярную орбиту вокруг Венеры зонд «Венера Экспресс» для проведения детального исследования атмосферы планеты и ее взаимодействия с солнечным ветром. С периодом 24 часа зонд приближается к поверхности Венеры на 250 км, а затем удаляется на 66 000 км.

По результатам этих экспедиций можно сделать некоторые выводы. Размер Венеры почти такой же, как у Земли, — радиус 6052 км. Расстояние Венеры от Солнца равно 0,72 а. е. Учитывая только эту близость к Солнцу, можно было бы ожидать, что температура на планете будет на 18 % выше земной. Без парникового эффекта это были бы комфортные 33 °C. Однако измеренная несколькими зондами температура у поверхности в среднем равна 464 °C, выше точки плавления свинца (328 °C), причем она почти не меняется от места к месту. Среднее давление на поверхности равно 92 бара, в 90 раз больше, чем на Земле, и в 10 000 раз больше, чем на Марсе. Поскольку экватор лежит почти в плоскости орбиты, сезонов там нет. Толстая атмосфера сглаживает колебания температур между продолжительными днями и ночами, длящимися примерно по четверти орбитального периода.

Поверхность Венеры лишена значительных ударных кратеров, границ тектонических плит и горных цепей; то есть выглядит она сравнительно молодой. Тектоническая активность там проявляется в форме нескольких вулканов. Похоже, что кора Венеры гораздо тоньше земной, и вероятно, местами она время от времени плавится. У поверхности атмосфера содержит 97 % двуокиси углерода и 3 % азота. Воды очень мало: 20 частей на миллион. Кислород зарегистрирован только в верхних слоях атмосферы, где он, как полагают, образуется при фотодиссоциации CO2.

Может ли на Венере существовать жизнь? В 1950-е годы некоторые все еще представляли ее как влажный и покрытый облаками мир, служивший источником вдохновения для писателей-фантастов. Но наземные наблюдения и в особенности измерения с помощью первых космических зондов разрушили представления о «планете богини любви» как о весьма уютном для жизни месте.

Условия на поверхности, в особенности — температура, превышающая жар кухонной плиты, а также отсутствие воды, непреодолимы для любого вида жизни. Учитывая, что под поверхностью еще жарче, там тоже нет защиты для жизни.

Хотя у поверхности атмосферное давление очень высокое, с высотой давление и температура уменьшаются. Измерения с зондов «Пионер», «Венера» и «Магеллан» показали, что на высотах от 45 до 75 км существует облачный слой из мелких капель водного раствора серной кислоты с концентрацией 75-95 %- Внутри этих облаков, на высоте около 50 км, температура и давление вполне соответствуют условиям земной жизни (50-0 °C, 1,3–0,37 бар). Разумеется, высокая кислотность может создавать проблемы для жизни, но на Земле известны экстремофилы, способные жить при pH = 1. Время зависания аэрозолей там больше, чем в земных облаках. Наконец, высотный слой облаков защищает эту зону от жесткого ультрафиолетового излучения.

В прошлом Венера могла быть совершенно другой. Возможно, молодая Венера больше походила на Землю: у них почти одинаковый размер, и вполне вероятно, что схожими были атмосферы. При остывании молодой Венеры вода из атмосферы могла образовывать океаны. Когда светимость Солнца составляла 75 % от современной, на Венере мог поддерживаться умеренный парниковый эффект, создающий приемлемые условия для жизни. Но по сравнению с Землей что-то пошло не так. Возможно, не смогли образоваться континенты и тектонические плиты, и поэтому CO2 не смог связаться в виде минералов в циклах выветривания, как это случилось на Земле. А может быть, на Венере были континенты и океаны, но температура медленно повышалась и достигла критического значения только миллиард лет назад. Или же на Венеру упал астероид, испаривший океаны. Пока мы знаем лишь то, что в некоторый момент температура на поверхности выросла настолько, что океаны испарились. Из-за насыщения атмосферы водяным паром — мощным парниковым газом — температура стала повышаться, и Венера испытала катастрофический парниковый эффект.

Как это ни странно, но именно большое количество воды в атмосфере обусловило ее активную потерю Венерой. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения водяной пар стал расщепляться на кислород и водород, легкие атомы которого быстро улетучивались в космос. В то время как океаны Земли имеют глубину несколько километров, вода в современной горячей атмосфере Венеры, если ее сконденсировать, покрыла бы планету слоем толщиной менее полуметра. Судя по ударным кратерам, возраст современной поверхности Венеры около 250 млн лет. Это означает, что если на Венере жизнь возникла до испарения океанов, то следы жизни той эпохи не могли сохраниться. Более того, парниковый эффект, хотя и сейчас он довольно сильный, мог быть еще сильнее, когда в атмосфере имелось много водяного пара. В ту пору поверхность могла расплавиться, уничтожив все окаменелости. И все же возможны по крайней мере два варианта поиска жизни на Венере. Можно осуществить сбор и доставку на Землю частиц из облаков серной кислоты. Кроме того, можно искать окаменевшие следы жизни в метеоритах, выброшенных с Венеры во время ранних столкновений. Поняв то, что произошло с Венерой, мы сможем точнее предсказать будущее парникового эффекта на Земле (табл. 31.2).

Таблица 31.2. Свойства атмосфер и поверхностей внутренних планет.

Взгляд на Землю.

Жизнь на Земле заполнила почти все исследованные ниши. Щелочные и кислотные озера, горячие источники, подповерхностные щели, дно глубоких морей — все это заселено. И все же, похоже, есть некоторые ограничения для земной жизни. Верхний предел температуры составляет около 122 °C. Жизнь искали, но не нашли, в вулканических источниках при 250 °C. Предел холода определить сложнее. Многие формы жизни могут выжить при глубоком замораживании жидким азотом. Жизненная активность обычно уменьшается, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, но в некоторых случаях определенная активность, например процесс восстановления ДНК, отмечается при температуре -40 °C. Для жизни, основанной на воде, полное отсутствие воды, очевидно, неприемлемо. Для жизни, основанной на ДНК и РНК, ультрафиолетовое излучение смертельно, так как оно разрушает ДНК и РНК. Похоже, что жизнь способна адаптироваться ко многим другим неприятным явлениям, таким как длительное похолодание или засуха, а также появление кислородной атмосферы.

В будущем астрономы надеются изучить спектры планет, принадлежащих иным звездам. Как можно было бы найти жизнь на далекой планете типа Земли? Мы можем реально провести такой эксперимент, направив телескоп в небо и посмотрев, на что похожа наша Земля из космоса. Сразу после новолуния, когда светится лишь тонкий серп Луны, можно заметить слабое свечение остальной части ее диска — так называемый пепельный свет. Эта часть Луны освещена солнечным светом, отразившимся от Земли (см. рис. 4.2). Спектр пепельного света в ближнем ИК-диапазоне показывает, что в нашей атмосфере содержится двуокись углерода, вода, кислород и озон. Это и есть признаки планеты, на которой присутствует основанная на воде жизнь и происходит фотосинтез. Мощные линии воды, кислорода и озона отличают спектр Земли от спектров Марса и Венеры. Если фотосинтез на Земле остановится, кислород в атмосфере будет сохраняться не более 6000 лет; так что, когда жизнь на Земле погибнет, кислород исчезнет почти мгновенно. Его наличие служит верным признаком жизни.

Юпитер — газовый гигант.

Когда Галилео Галилей наблюдал в свой телескоп яркий Юпитер, он заметил четыре «звезды», обращающихся вокруг него. Тогда эти наблюдения имели особое значение, поскольку впервые во Все-ленной обнаружилось иное тело, вокруг которого что-то обращается: это был вызов утверждению о том, что Земля — центр Вселенной. Используя третий закон Кеплера, можно вычислить расстояние Юпитера от Солнца, а затем и от Земли. Тогда, измерив видимый размер планеты, можно определить ее истинный размер; это можно сделать для любой планеты. Диаметр Юпитера превышает диаметр Земли примерно в и раз.

В 1687 году Ньютон в своих «Началах» дал основы вычисления других физических характеристик Юпитера. Из орбитальных периодов спутников и известных размеров их орбит можно найти массу Юпитера. Эти простые вычисления показывают, что у Юпитера масса в 330 раз больше, чем у Земли. При этом его средняя плотность лишь в 1,34 раза выше плотности воды. Ясно, что эта планета содержит очень много легкого вещества: это оказались водород и гелий.

Юпитер — очень активная планета со сложными потоками в атмосфере. У него мощное и протяженное магнитное поле, и он источник сильного радиоизлучения. Период его вращения менее 10 часов. Погружаясь в недра планеты, мы заметим, что молекулярный газообразный водород постепенно превращается в жидкий молекулярный водород, а затем в жидкий металлический водород. Недра Юпитера нагреты до температуры десятки тысяч градусов. Вероятно, в центре находится расплавленное железо-каменное ядро с массой около 20 масс Земли. Генерация магнитного поля, по-видимому, происходит в электропроводящих внутренних слоях, конвективные движения вещества в которых приобретают некоторый порядок в результате быстрого вращения планеты. Некоторые теории даже связывают поверхностные ветры с движениями вещества глубоко в ядре.

У Юпитера богатая система спутников. Четыре внутренних, так называемых галилеевых спутника — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — сферические. Судя по их размеру и яркости, даже до космических экспедиций было ясно, что у Европы высокое альбедо (отражательная способность), а у Каллисто — низкое.

К Юпитеру было послано шесть космических зондов. «Пионер-10» стартовал в 1972 году и прошел мимо Юпитера в декабре 1973 года. «Пионер-11», запущенный в 1973 году, пролетел мимо Юпитера в 1974 году, передал на Землю много отличных фотографий и ушел к Сатурну и дальше. «Вояджер-1», отправленный в 1977 году, встретился с Юпитером в 1980 году и продолжил свой путь к Сатурну. Он передал на Землю фотографии Юпитера и его галилеевых спутников. «Вояджер-2», запуск которого состоялся на несколько дней раньше, прошел мимо Юпитера в 1981 году. После длительного периода затишья в 1989 году ЕКА и НАСА отправили аппарат «Галилео», который прибыл к Юпитеру 7 декабря 1995 года, и в тот же день его зонд проник в атмосферу Юпитера. Сам аппарат «Галилео» перешел на орбиту вокруг Юпитера и совершил около 10 пролетов мимо каждого из галилеевых спутников. Когда ресурсы «Галилео» истощились, он был направлен на Юпитер и 21 сентября 2003 года врезался в его атмосферу, чтобы избежать столкновения со спутниками, которое могло стать причиной их заражения земными бактериями. В 2000 году мимо Юпитера пролетел зонд «Кассини-Гюйгенс», передавший 26 000 фотографий Юпитера и его спутников. В результате этих космических экспедиций мы знаем состав и условия в верхних слоях атмосферы Юпитера. В отличие от Венеры, там, по-видимому, нет зон, где может существовать жизнь. Даже если в верхних слоях атмосферы «комнатная температура» и облака из капель жидкой воды, то все равно атмосферная циркуляция постоянно перемешивает эти области с гораздо более глубокими и горячими слоями. Одним словом, сам Юпитер не выглядит пригодным для жизни местом. А теперь обратимся к его спутникам.

У четырех галилеевых спутников приблизительно такие же радиусы, как у Луны. Температура поверхности у всех них около -160 °C. Их очень разреженные атмосферы обладают давлением у поверхности менее 1 микробара. В таких холодных и почти вакуумных условиях на поверхности может не быть жидкой воды. Эти спутники не защищены от ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, внутренние спутники — Ио и Европа — постоянно бомбардируются высокоэнергичными частицами, ускоренными в магнитосфере Юпитера.

Активная Ио.

Ио — самый близкий к Юпитеру из галилеевых спутников и самое геологически активное тело в Солнечной системе. На нем несколько активных вулканов с выбросами, поднимающимися на 300 км. Выделение тепла под действием приливных сил Юпитера поддерживает нижние слои коры Ио в расплавленном состоянии. Приливы на твердой поверхности Ио достигают высоты 100 м. Похоже, что поверхность покрыта серой и ее соединениями или силикатными породами. Хотя маловероятно, что Ио может быть пригодной для жизни, на ней все же есть места, заслуживающие дальнейшего исследования: это горячие источники и их окружение. Там может быть температурный режим, пригодный для жизни, хотя прочие условия могут быть слишком жестокими, за исключением пористого подпочвенного пространства, где жизнь могла бы найти убежище. Впрочем, отсутствие воды и там может обернуться большой проблемой (рис. 31.6).

#imgF810.jpg

Рис. 31.6. Ближайший к Юпитеру галилеев спутник Ио на фоне турбулентной атмосферы планеты. Снимок получен «Вояджером». С разрешения NASA.

Европа — ледяной мир с перспективами для жизни.

Европа — второй по расстоянию от Юпитера галилеев спутник и самый маленький из них; его радиус 1570 км, что составляет 90 % радиуса Луны. Высокое альбедо Европы давно уже навело астрономов на мысль, что поверхность спутника покрыта чем-то, значительно лучше, чем лунная пыль, отражающим свет.

Космические экспедиции показали нам удивительный мир льда. Его белесая поверхность очень гладкая: на ней всего несколько кратеров размером более 5 км. На поверхности видны линии сдвига, и в целом она поразительно напоминает ледяное поле, которое неоднократно растрескивалось. Под этим льдом находится океан соленой воды. «Галилео» пролетал над Европой на высоте 315 км. Его магнитометры зафиксировали изменения, соответствующие токопроводящему слою, например океану соленой воды. Суммарная глубина льда и океана составляет 80-170 км. Толщина льда неизвестна. Теоретические оценки, основанные на таких свойствах поверхности, как трещины и крупные кратеры, дают толщину ледяного слоя в диапазоне от двух до нескольких десятков километров.

Европа вращается вокруг оси не совсем синхронно с ее орбитальным движением вокруг Юпитера: поверхность спутника медленно поворачивается относительно прямой Юпитер-Европа. Об этом удивительном ее поведении известно пока немного: один «несинхронный» оборот поверхность спутника совершает не менее чем за 12 000 лет. Каменное ядро Европы, скорее всего, вращается синхронно с орбитальным движением, а значит, поверхность и ядро отделены друг от друга, что отлично согласуется с гипотезой об океане между ядром и внешним ледяным слоем.

Похоже, что Европа — мир подледного океана. Может ли там существовать жизнь? Чтобы однозначно ответить на этот вопрос, необходимо послать туда зонд и пробурить лед. Даже при наличии финансирования трудно гарантировать успех такой экспедиции. Удастся ли искать жизнь, не повлияв на эту среду и не загрязнив ее земными формами жизни? Нужно учесть и технические трудности, такие как бурение льда толщиной в километры или даже десятки километров. С научной точки зрения, важнейший вопрос в связи с жизнью — каковы источники ее энергии. Многие из этих проблем можно изучить, если удастся найти на Земле условия, близкие к тем, какие мы ожидаем встретить на Европе (см. врезку 31.2).

Под километровыми толщами льда практически нет света, поэтому, если жизнь там существует, ей нужны альтернативные источники энергии. Поскольку Европа довольно близка к Юпитеру, их приливное взаимодействие приводит к нагреву ядра спутника. Вполне возможно, что на дне океана есть гидротермальные жерла. На Земле подобные места обнаружены на Срединно-Атлантическом хребте. Они полны жизнью. Там много восстановленных соединений, которые служат источником энергии для жизни, отрезанной от Солнца.

Врезка 31.2. Озеро Восток в Антарктиде: испытательный полигон для Европы

В Антарктиде более сотни озер покрыты льдом круглый год. Одно из них считается наилучшим испытательным полигоном для будущих исследователей Европы. Это озеро Восток размером 250 x 50 км. Озеро названо в честь российской станции «Восток»; толщина льда над ним около 4 км. Возраст нижнего ледяного слоя около 420 000 лет. Под твердым льдом простирается 200-метровая зона шуги, а затем и само озеро со средней глубиной 344 м. На дне есть две области максимальной глубины — Южное углубление (400 м) и Северное (800 м). Возраст воды в этом озере, наверное, около миллиона лет. Ее температура около -3 °C, но вода остается жидкой из-за высокого давления. Здесь мы имеем пример экосистемы — или даже двух, в каждом из углублений, — куда свет не поступает с поверхности. Там холодно, а толстый слой льда защищает эту систему от враждебного внешнего мира. В 1990-х годах проводился эксперимент по бурению для получения образцов шуги и воды из озера. Но он был остановлен на расстоянии 130 м от нижней границы льда. Проблема этой скважины в том, что она заполнена тоннами керосина и антифриза, которые могут серьезно загрязнить озеро.

Отмечается, что озеро должно быть неблагоприятным для жизни из-за высокого содержания растворенного кислорода. Когда будут получены образцы, мы либо увидим первое стерильное озеро на Земле, либо, если жизнь там будет найдена, откроем новый тип экстремальной среды, где микробы смогли адаптироваться к высокому уровню кислорода. В любом случае результат будет интересным. Для получения незагрязненных образцов из этого озера в Лаборатории реактивного движения создают маленький зонд-робот, который сможет пробиться сквозь лед, а скважина за ним будет замерзать. Это может стать единственным средством для получения чистых образцов из озера Восток, а в будущем — из покрытого льдом океана Европы.

Температура там очень сильно меняется на расстоянии всего нескольких десятков метров: от 200–400 °C у самого жерла до +3 °C на окружающем морском дне. Высказывалось предположение, что такого типа термальные источники послужили колыбелью жизни на Земле; но подобные системы могут существовать и на Европе. В нашей Солнечной системе, помимо Марса, Европу можно считать наиболее подходящим местом для поиска жизни.

Наконец, несколько слов о Ганимеде и Каллисто. Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе, он в полтора раза больше Луны. Каллисто немного меньше Ганимеда. Их поверхности, по сравнению с Европой, выглядят довольно темными, но модели этих тел показывают, что у них есть толстая ледяная кора, под которой море или, что вероятнее, слой воды, смешанной с ледяной шугой. Поскольку они дальше от Юпитера, приливный нагрев недр у них не так велик. Эти спутники не обладают большим потенциалом для жизни.

Сатурн: газовый гигант с великолепными кольцами.

Сатурн — самая далекая планета, видимая невооруженным глазом. Когда Галилей навел на нее телескоп, он удивился, что Сатурн виден как «три звезды». Через два года маленькие «звездочки» по бокам исчезли, и еще через четыре года, в 1616 году, он зарисовал кольца как половинки эллипса. Возможно, он был несколько обескуражен, наблюдая столь сильные изменения во внешности «звезды». В 1655 году Христиан Гюйгенс предположил, что Сатурн окружен сплошным кольцом. Внешний вид, исчезновение и появление кольца объяснялись его наклоном относительно плоскости земной орбиты: повернувшись ребром к Земле, кольца исчезают. В том же году Гюйгенс открыл и крупнейший спутник Сатурна — Титан. После Гюйгенса кольца часто наблюдали и другие астрономы, причем многие из них полагали, что это твердые тела. Джованни Кассини и Жан Шаплен считали, что кольца состоят из множества маленьких твердых тел; потребовалось 200 лет, чтобы эта идея стала общепризнанной.

Известно, что у Сатурна самая низкая средняя плотность среди всех планет Солнечной системы — около 0,7 плотности воды. Эта газовая планета в основном состоит из водорода и гелия; этим она очень похожа на Юпитер. Ее масса примерно в 100 раз больше массы Земли. Ее великолепный ряд колец более заметен, чем кольца других трех планет-гигантов. Система из шести десятков ее спутников непохожа на систему спутников Юпитера. У Сатурна лишь один крупный спутник — Титан. Диаметры еще четырех лежат в интервале от 1000 до 1500 км, а остальные значительно мельче.

Четыре космических зонда побывали в системе Сатурна. По пути к нему все они посетили систему Юпитера. «Пионер-11» пролетел мимо Сатурна в 1979 году, «Вояджер-1» в 1980 году и «Вояджер-2» в 1981 году. Прошло двадцать лет, и в октябре 1997 года был запущен зонд «Кассини-Гюйгенс». Посадочный аппарат «Гюйгенс» отделился от него на Рождество 2004 года и опустился на поверхность Титана 14 января 2005 года. Ожидается, что орбитальный аппарат «Кассини» сможет работать до 2017 года.

Титан — спутник с атмосферой.

В 1944 году Джерард Койпер спектроскопически открыл атмосферу Титана. Он заключил, что атмосфера состоит из метана. Так и считалось вплоть до полета «Вояджера-1», который в 1980 году показал, что основной компонент атмосферы Титана — азот, а давление у его поверхности превышает земное примерно в 1,5 раза. «Вояджер-2» в своем полете к Сатурну не приближался к Титану. Важную роль в исследованиях Титана сыграл космический телескоп «Хаббл» благодаря высокой четкости изображений.

Прорыв в исследованиях Титана совершили орбитальный аппарат «Кассини» и его посадочный зонд «Гюйгенс». Вначале сведений о поверхностной температуре или климате было очень мало. Атмосфера оказалась азотной с 1 % метана в стратосфере и 5 % у поверхности. Остальные газы обнаружены в мизерных количествах. Температура на поверхности около -180 °C. Это на 10 градусов меньше, чем ожидалось по теоретическим расчетам; виноват туман в атмосфере Титана, эффективно поглощающий свет, но прозрачный в инфракрасном диапазоне. Во время своего 2,5-часового спуска в атмосфере «Гюйгенс» наблюдал довольно однородный туман от высоты 150 км вплоть до поверхности, но не заметил облаков. Ветер у поверхности был очень слабым (<1 м/с), но на высоте 120 км он дул со скоростью 120 м/с.

После посадки «Гюйгенс» передавал данные более часа. Он сел на мягкую поверхность, напоминающую мокрую глину, слегка утоптанный снег или же влажный или сухой песок. Быстрое изменение газового состава в месте посадки показывает, что почва под аппаратом была увлажнена метаном. Бортовые камеры передали изображение камней вокруг аппарата, которые могут быть силикатными, но больше похожи на водяной лед, покрытый углеводородами. Снимки, сделанные «Гюйгенсом» при спуске, показывают, что внешне поверхность Титана похожа на земную. Ветвящиеся структуры очень напоминают русла рек с притоками. По форме и структуре это типичная дренажная система дождевых стоков. Они более темные по сравнению с окружающим ледяным ландшафтом.

В 2006 году «Кассини» получил радарные изображения 75 озер. Они находятся в полярных областях, где метан и этан стабильно пребывают в жидкой форме. На радарных изображениях эти озера выглядят темными (как мокрая дорога в свете фар), поскольку их гладкая поверхность отражает радиоволны зеркально, так что при их падении под углом к поверхности они не возвращаются к радару. Озера располагаются в топографических депрессиях, и в них впадают русла, похожие на те, которые видел «Гюйгенс». В 2007 году при пролете вблизи Титана «Кассини» заметил такое большое озеро, что его следовало бы назвать «морем». Его площадь 100 000 км2, то есть 0,12 % поверхности Титана (к примеру, Черное море занимает 0,085 % земной поверхности). Поданным «Кассини» можно предположить, что есть и второе озеро в несколько раз большего размера. Их было бы достаточно для поддержания круговорота метана в атмосфере (рис. 31.7). В 2008 году спектральные наблюдения показали, что жидкость в озерах — это метан с некоторым количеством этана и, возможно, азота. До сих пор не совсем ясно, как образуются облака в атмосфере Титана, почему они быстро исчезают и идут проливные метановые дожди (~ 100 кг/м2). Но очевидно, что на Титане есть круговорот жидкости, в каком-то смысле похожий на круговорот воды на Земле, с той лишь разницей, что вместо воды — метан.

А что можно сказать о жизни в таком мире? Поверхность Титана холодная, поэтому химические процессы протекают там очень медленно. Более того, у Титана никогда не было теплого прошлого (но его ожидает теплое будущее, когда Солнце превратится в красный гигант). Сейчас на поверхности Титана нет жидкой воды, а в атмосфере нет водяных паров. Но средняя плотность Титана говорит о том, что он наполовину состоит из каменистых пород, а наполовину — из водяного льда. Расчеты показывают, что под толстой ледяной корой может быть океан из смеси воды и аммиака. При высоком давлении могут существовать углеводородные клатраты, под слоем которых, вплоть до каменистого ядра, должны располагаться льды высокого давления. В некотором смысле это напоминает Землю, с той лишь разницей, что роль земных силикатов на Титане играет вода. Вероятно, на Титане действуют вулканы, извергающие воду, метан и аммиак. Озера «водяной лавы» могут сохраняться в жидкой форме сотни лет, становясь потенциальными оазисами для развития жизни.

Рис. 31.7 Озера и их берега на Титане. Радарное изображение подучено орбитальным аппаратом «Кассини». С разрешения NASA/JPL.

Холодные области за пределом вулканов и тектонических областей Титана непригодны для знакомых нам форм жизни. Если там и есть жизнь, то она совершенно иная. В любом случае, Титан может оказаться наилучшим полигоном предбиологической химии. В атмосфере, на высоте 200–300 км от поверхности, есть зона фото-активного тумана. В этой зоне, простирающейся до высоты 1000 км, метан и азот ионизуются под действием солнечного ультрафиолета и энергичных частиц. Ионы весьма активны: они стимулируют формирование сложных молекул различного состава и длины. Они объединяются в дегтеобразные вещества под названием толины; возможно также, что там могут формироваться различные аминокислоты и длинные углеводородные цепи. Когда толины становятся достаточно тяжелыми, они начинают осаждаться на поверхность Титана. Все это напоминает процессы, происходившие в атмосфере Земли, когда на ней зарождалась жизнь.

Другие спутники Сатурна, например Энцелад, Тефия и Диона, значительно меньше Титана. 14 июля 2005 года «Кассини» пролетел мимо Энцелада и обнаружил, что в районе южного полюса наблюдаются огромные выбросы водяного пара и кристаллов льда. Расчеты показывают, что эти гейзеры извергаются из теплого моря, возможно, богатого органикой. Согласно некоторым моделям, это море глубиной 50 км лежит под 10-км слоем льда. Близость теплого и холодного может играть важную роль для формирования компонентов жизни. Это также нужно иметь в виду, изучая Европу и Титан. Измерение параметров плазмы вокруг Сатурна показывает, что Тефия и Диона выбрасывают в пространство частицы. Возможно, эти ледяные спутники тоже геологически активны.

Внешние области Солнечной системы — холод и одиночество.

Во внешней части нашей планетной системы холодно. Уран и Нептун — уменьшенные версии Юпитера и Сатурна. Они недостаточно велики, чтобы в их недрах мог образоваться металлический водород. Вероятно, в их составе большую долю занимают соединения водорода с другими элементами. По тем же причинам, что и в случае Юпитера и Сатурна, они считаются непригодными для жизни.

На таком большом расстоянии от Солнца вода принимает твердую форму. Метан и азот превращаются в жидкость, а затем — в снег. На Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна, видны своеобразные вулканы, извергающие, по-видимому, жидкий азот или метан. Но эти вулканы не дают тепла, необходимого для жизни.

Некоторые объекты, движущиеся за Нептуном, — Плутон и еще полдюжины тел радиусом 400 км и более, — достаточно велики, чтобы иметь почти сферическую форму. Сейчас их, а также Цереру из Главного пояса астероидов называют карликовыми планетами (врезка 31.1). Мы мало знаем об этих далеких мирах. Первые оценки массы Плутона были косвенными и лежали в широком диапазоне, вплоть до значения, почти равного массе Земли. В 1978 году был открыт спутник Плутона Харон, движение которого позволило измерить массу Плутона: она оказалась очень маленькой, всего лишь пятая часть массы Луны, то есть около 1/1400 массы Земли (рис. 31.8).

Поверхность Плутона в основном покрыта азотным льдом. Любопытно, что, продвигаясь к периферии Солнечной системы, мы обнаруживаем, что газы наподобие азота, составляющие основу атмосферы таких внутренних объектов, как Земля, в далеких системах принимают форму твердого льда. У Плутона разреженная атмосфера. Недра его, по-видимому, холодные. Если в коре есть жидкие зоны, то в них жизнь или даже продвинутая предбиологическая химия с трудом могла бы развиваться со сколько-либо значительной скоростью. Другие крупные объекты за орбитой Нептуна удалены еще дальше, чем Плутон, поэтому условия на них или внутри них оценить трудно. Если бы в той области обнаружился объект размером с Землю, то под поверхностью у него мог бы быть жидкий океан, но эти рассуждения лучше оставить фантастам.

Рис. 31.8 Карликовая планета Плутон кроме крупного спутника Харон, открытого в 1978 году, имеет два маленьких спутника — Никта и Гидра, обнаруженных космическим телескопом «Хаббл».

Кометы и астероиды.

С далекой периферии Солнечной системы в ее внутренние области регулярно прилетают гости. Это кометы, довольно маленькие, состоящие изо льда и пыли. Они приходят по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Самая удаленная часть такой орбиты — афелий — может находиться в сотнях и тысячах астрономических единиц от Солнца, тогда как в наиболее близкой к Солнцу точке орбиты — перигелии — комета может почти касаться поверхности Солнца. Некоторые кометы буквально ныряют в атмосферу Солнца, а другие не подходят к нему ближе орбиты Юпитера.

На своих вытянутых орбитах кометы большую часть времени проводят в области афелия. Их визиты вглубь Солнечной системы очень коротки и драматичны. Приближаясь к Солнцу, комета начинает согреваться в его лучах. Примерно на расстоянии Юпитера тепла становится достаточно, чтобы «разбудить» комету. Из нее начинают сублимироваться летучие газы. Твердое ядро окутывается довольно яркой газовой комой, и начинает вытягиваться хвост. Возрастающий поток солнечного излучения все сильнее нагревает комету, а давление солнечного ветра на газ и частицы пыли создает один или два хвоста. После прохождения перигелия все идет в обратном порядке, и комета удаляется в своем одиночестве в пустоту космоса. Когда-нибудь она может вернуться.

На пути вглубь Солнечной системы комета испытывает притяжение планет-гигантов. Обычно это немного меняет ее орбиту. Если она пройдет близко от планеты, то может быть захвачена на орбиту меньшего размера. Иногда комета даже может столкнуться с планетой, как это случилось 16–22 июля 1994 года, когда разрушающаяся комета Шумейкеров-Леви врезалась в Юпитер (см. цветную вкладку).

Кометы интересны с многих точек зрения. Как было сказано, именно они в эпоху молодости Солнечной системы доставили на поверхность планет много важных химических соединений. Радиоастрономическая спектроскопия выявила в кометах десятки разных молекул, в основном тех же, которые наблюдаются в холодных межзвездных облаках. В кометах найдены молекулы воды, синильной кислоты (HCN), формальдегида (Н2CO), считающиеся первыми строительными блоками жизни. Несколько космических зондов было направлено к кометам и собрало много данных. Успешными были экспедиции Stardust (комета Вилд 2), Deep Impact (Темпель 1), Deep Space-i (Борелли), ISEE-3 (Джакобини-Циннер) и пять экспедиций к комете Галлея. Stardust стала первой экспедицией, доставившей на Землю образцы вещества из объекта, находящегося дальше Луны.

А теперь забудем о хвосте и коме и рассмотрим саму комету. Среди исследованных зондами комет ни одна не похожа на другую. Комета Вилд 2 почти сферическая, кометы Борелли и Галлея довольно вытянуты и напоминают батат или земляной орех. Рассмотрим подробнее комету Темпель 1. В момент прибытия к ней зонда она была на расстоянии 1,5 а. е. от Солнца. Ее размер 8 х 5 км типичен для ядер комет. Перед наибольшим сближением от аппарата Deep Impact отделился массивный «ударник» и с большой скоро-стью врезался в комету. В результате столкновения и вызванного им взрыва стало ясно, что на поверхности ядра лежит пылевой слой толщиной десятки метров и есть признаки слоистой структуры в глубине. Низменные области ядра довольно плотно покрыты кратерами, а возвышенные выглядят более молодыми. Очевидно, что недра весьма пористые, поскольку средняя плотность составляет всего 0,6 г/см3. На стороне, обращенной к Солнцу, температура около 70 °C, а на теневой стороне -3 °C. Ясно, что поверхность слишком теплая для льда. В выбросе, наблюдавшемся после столкновения, инфракрасный телескоп «Спитцер» увидел следы глин и карбонатов. Это может означать, что где-то в глубине ядра есть или хотя бы иногда бывает жидкая вода. Это важно для предбиологической химии, а может быть, и для зарождения жизни, так как делает возможным в кометах наличие цикла «концентрации-разведения». Более того, химические процессы на поверхности с участием минералов, глин, льдов, солнечного излучения и высокоэнергичных частиц делают принципиально возможным формирование сложных молекул. Там может синтезироваться нечто похожее на толины. Доставленные на Землю образцы кометы Вилд 2 говорят о том, что в минералогических процессах вода там не играла заметной роли. С другой стороны, эти образцы содержат множество довольно сложных молекул.

Различие между кометами и астероидами не всегда однозначное. В наибольшей степени они различаются своей «пушистостью». На поверхности астероидов и у метеоритов тоже могут быть подобные, хотя и не тождественные, химические соединения. Это доказал метеорит Мурчисон, упавший в 1969 году в Австралии. В нем было обнаружено несколько десятков аминокислот и других сложных органических молекул.

Похоже, что при ударе о планету кометы не выживают. Астероид же, ударившись о планету, может расколоться, и какая-то часть вещества может быть выброшена обратно в космос. В выброшенном веществе может содержаться жизнь, скажем, в форме бактерий. Если кусок вещества имеет размер порядка 1 м, он может служить переносчиком жизни между планетами в Солнечной системе. Вполне вероятно, что такой перенос происходил неоднократно. Любопытно к тому же, что это может дать единственную возможность для обнаружения ископаемой жизни древней Венеры, если столкновение случилось очень давно.

В результате развития наших знаний о жизни на Земле и новых открытий об условиях на Марсе и других телах Солнечной системы постоянно расширяется список мест, пригодных для жизни или, по крайней мере, для предбиологической химической эволюции. А уж если наша планетная система имеет несколько мест, где могли бы существовать определенные формы жизни, то число потенциальных прибежищ жизни во всей нашей Галактике может значительно возрасти. Но часто ли у других звезд существуют планетные системы? И пригодны ли они для жизни? Мы обсудим это в следующей главе.