3. Дом во внешней части солнечной системы
Аманда знает одно подходящее для космической колонии место на орбите вокруг Сатурна. И оно нравится не только ей. Инструменты зонда «Кассини» (Cassini), с которыми она работает, обнаружили признаки наличия жидкого метана в озерах Титана, спутника Сатурна, и есть надежда отправить судно или подлодку, чтобы изучить их глубины. Может быть, там водится метановая рыба.
Свои поиски Аманда начала в возрасте 7 лет, когда отец вез ее через пустыню Мохаве на своем фольксвагене и она увидела бездонную тьму и головокружительный свет ясного ночного неба. Она не может забыть ощущения от этого великолепного и яркого зрелища. Она хотела туда. Когда она училась в третьем классе, молодая учительница-практикантка по имени Холли увлекла ее уроком о Солнечной системе. Аманда привязалась к Холли и тоже полюбила планеты. Она смастерила диораму Солнечной системы из обувной коробки и до сих пор хранит эту модель как сокровище: раскрашенные глиняные планеты на ниточках, включая Плутон.
В тот год NASA впервые успешно посадило космический аппарат на другую планету — «Викинг» сел на Марс. На первой странице газеты Аманда увидела красноватое небо Марса, камни и песок его поверхности, горизонт — целый неисследованный мир. Она сосредоточилась на космосе: на полете в космос или хотя бы на работе в Лаборатории реактивного движения, где делают космические аппараты. Лаборатория располагалась недалеко от ее дома в Пасадене, ее окружала атмосфера таинственности. До нее в семье никто не следовал по этому пути.
Подростком Аманда ездила на машине матери на научные выступления в Калтехе и Городском колледже Пасадены. Уже в университете она планировала получать степень в области, связанной с космосом. В 1986 г. она посетила в Калтехе публичное мероприятие, посвященное пролету «Вояджера-2» около Урана (это было за несколько дней до гибели «Челленджера»).
«Вояджеры» были запущены в 1977 г. для пролета около Юпитера и Сатурна, а также спутника Сатурна — Титана. По плану миссия должна была продлиться пять лет, но была надежда, что зонды продолжат свой путь и дальше. Четыре внешние планеты выстроились в ряд — такого не случится вновь еще 175 лет. NASA продлило миссию после Сатурна до Урана и Нептуна. В 1989 г. «Вояджеры» вышли за орбиту Плутона. Сегодня они все еще продолжают свой полет. «Вояджер-1» уже вышел за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство, а «Вояджер-2» скоро последует за ним. От них все еще поступают данные, хотя сигнал, идущий со скоростью света, преодолевает расстояние до Земли и обратно более чем за сутки.
«Вояджеры» не приблизятся к другой планетной системе ранее чем через 40 000 лет («Вояджер-1» направляется к звезде в созвездии Малой Медведицы, а «Вояджер-2» — в направлении Андромеды). Они несут на борту послания жителям других планетных систем, составленные международной комиссией, которую возглавлял Карл Саган. Люди постарше помнят его водолазку и тот голос, которым он рассказывал о том, как «Вояджеры» пронесут эти послания через расстояния в миллиарды и миллиарды километров. Пока что они ушли примерно на 20 млрд км от Солнца.
Вслед за «Вояджерами» к Юпитеру направился «Галилео» (Galileo). Строить зонды для внешней части Солнечной системы непросто — это занимает немало времени, да и потеря «Челленджера» привела к дополнительной задержке, — так что, когда «Галилео» наконец-то оказался в пути, Аманда, уже окончив школу и колледж, искала тему для диссертации в Университете Колорадо. Джастин Маки из ее группы занимался Марсом и предложил ей позвонить доктору Чарльзу Барту, профессору из этого университета. Чарльз Барт начал свою научную карьеру в Лаборатории реактивного движения в 1959 г., он руководил созданием и использованием ультрафиолетовых инструментов аппаратов «Маринер-6, -7 и -9», направленных к Марсу, а теперь отвечал за ультрафиолетовый инструмент на «Галилео». На вопросы Аманды он ответил: «Приезжай скорее, можешь быть полезна».
Барт показал Аманде первое изображение, полученное с «Маринера-4» в 1965 г. Аналогичный ему «Маринер-3» погиб, и Ричард Грамм из NASA, сгорая от нетерпения узнать, работают ли системы «Маринера-4», решил распечатать поступающие с аппарата двоичные данные на бумажной ленте, прикрепить ее к стене степлером и раскрасить пастелью, купленной в художественном магазине в Пасадене (сейчас его пастельные мелки выставлены в музее). Идея сработала, и рисунок стал первым изображением, полученным с космического аппарата за пределами Земли. Его сохранили для истории, вырезав для этого секцию стены.
Барт поручил Аманде чуть более сложный проект. На пути к Юпитеру «Галилео» пролетал мимо Луны и «посмотрел» на нее ультрафиолетовым инструментом, но никто еще не анализировал полученные данные. Ультрафиолетовый спектрометр UVS в основном предназначался для изучения атмосферы, а не поверхностей, и ценность полученных данных была непонятна. Чтобы их осмыслить, требовалось разобраться, как интерпретировать спектральную характеристику лунной поверхности. Сравнивая эти линии с похожими волнистыми линиями, которые детектор выдавал на различные образцы в лаборатории, Аманда смогла определить, какие материалы зонд видел на лунной поверхности. Поскольку ультрафиолет не проникает глубоко под поверхность, эти данные были особенно полезны для понимания того, как космическое излучение трансформировало лунные пески.
Польза этой работы стала очевидна, когда «Галилео» все еще летел к Юпитеру. На этапе планирования миссии, задолго до начала карьеры Аманды, конструкторы заключили, что ультрафиолетовый детектор не сможет работать в среде с высоким уровнем радиации около Европы, одного из спутников Юпитера. Аманда и ее коллеги посчитали иначе. С только что полученной степенью Аманду направили в Университет Брауна на встречу ученых, исследующих ледяные спутники Юпитера, чтобы выдвинуть предложение «посмотреть» на Европу ультрафиолетовым спектрометром. Это делало ее конкурентом команд, отвечающих за другие инструменты «Галилео», ведь все они претендовали на скудное и драгоценное время сбора данных для собственных исследований. У «Галилео» было лишь несколько часов на осмотр Европы во время пролета, а его остронаправленная антенна отказала, из-за чего резко сократился объем данных, которые можно было записать и передать.
Спор был жарким. Аманда помнит, что совершенно не была готова к агрессивным нападкам. Она чувствовала себя уничтоженной возражениями конкурентов. Но председатель собрания услышал ее. Время для ультрафиолетового спектрометра было выделено, и с его помощью удалось собрать ценные данные во время первого пролета около Европы в декабре 1997 г. Европа оказалась странным местом: большой ледяной шар, поверхность которого вблизи похожа на замерзшее озеро.
«Кассини» тоже пошел по следам «Вояджеров», но он направлялся не к Юпитеру, а к Сатурну. Он был задуман в начале 1980-х гг., запущен в 1997 г., а до Сатурна добрался в 2004 г. К тому времени Аманда была уже зрелым ученым и соисследователем на ультрафиолетовом спектрометре; она работала в Центре управления космическими полетами в Лаборатории реактивного движения в Пасадене — в SFOF при JPL, говоря языком аббревиатур, повсеместно используемым исследователями космоса.
Когда Аманда посетила JPL во время миссии «Галилео», Джастин Маки провел ее по лабиринту комнаток, в которых ученые и инженеры планировали порядок наблюдений аппарата Mars Pathfinder. Вернувшись сюда через 10 лет работать с «Кассини», она обнаружила похожий лабиринт комнат, но схема коридоров изменилась. Графики и рисунки на тему Сатурна и «Кассини» покрывали стены и свисали с потолка. Это был настоящий «Кассинилэнд». Здесь считается за честь быть «нердом», здешние офисы украшены атрибутикой «Звездных войн» и прочей популярной фантастики.
Хороший планетолог — командный игрок и оптимист, способный терпеливо дожидаться результатов своего труда. Миссии по исследованию внешней части Солнечной системы планируются и разрабатываются десятилетиями, а при изменении финансирования и приоритетов требуют перепланирования и переработки, и лишь потом дело дойдет до стартового стола, если вообще дойдет. Аманда и ее коллеги потратили годы усилий, воображение и надежду, проектируя космические аппараты, которые так и не были построены, взорвались на стартовом столе, потерялись в космосе, перестали выходить на связь или разбились о другую планету.
Когда на кону так много труда каждого ученого, рискованные для космического аппарата моменты — это часы совместного страдания многих коллег. Таким было приближение «Кассини» к Сатурну в 2004 г. Все собрались около зала управления на первом этаже Центра управления полетами, а кто не поместился — в большой аудитории близлежащего Городского колледжа Пасадены. Светящиеся экраны прорезали тьму комнаты управления цифрами и изображениями, показывающими состояние систем аппарата. Чтобы замедлиться и выйти на орбиту вокруг Сатурна, «Кассини» должен был обогнуть планету, выйти из зоны радиоконтакта, включить большой ракетный двигатель и пересечь плоскость колец Сатурна, а там могли встретиться частицы, способные разрушить аппарат.
Радиомолчание длилось почти час. Был только один способ узнать, удался ли маневр: ждать возобновления сигнала с «Кассини». Если этого не произойдет, то десятилетия работы и надежды сотен ученых пропали впустую — для многих из них это половина карьеры, которая обычно включает два больших проекта. Когда прошел час, «Кассини» просигналил о том, что он выжил и вышел на орбиту; облегчение и радость были ошеломляющими.
По сравнению с такими моментами мгновения новых открытий кажутся незаметными. Аманда плотно работала над исследованием спутников Сатурна и написала о своих открытиях ряд статей в сильнейшие журналы мира. Когда находилось что-то интересное, новости разносились по коридорам и электронной почте исследователей, работающих в этом же здании и в учреждениях по всему миру, — команда виртуальна и объединяется по телеконференцсвязи и по сети. Никто ничего не говорит на публике, чтобы не плодить преждевременных сенсаций, но каждый чувствует радость нового открытия.
До прибытия «Кассини» оранжевая атмосфера Титана, одного из спутников Сатурна, скрывала его поверхность от взгляда. Сквозь ее мглу способны проникнуть только лучи радара и некоторые волны инфракрасного диапазона. Ученые высказывали предположения о том, что там могут обнаружиться океаны этана и метана — углеводородов вроде земного природного газа, но жидких из-за низких температур. В момент прибытия, однако, «Кассини» ничего подобного не обнаружил. Он сбросил на поверхность Титана зонд «Гюйгенс» (Кассини и Гюйгенс — имена астрономов XVII века, открывших спутники Сатурна). «Гюйгенс» (Huygens) был разработан с таким расчетом, чтобы плавать на поверхности жидкости и измерять величину волн, но он приземлился на влажную, мягкую почву, по которой была разбросана галька водяного льда.
Но, когда «Кассини» стал пролетать над полярными регионами Титана, его радар увидел какую-то гладкую поверхность, напоминающую поверхность озера. По краям этой области были ветвящиеся формы, в точности похожие на русла, заливы и бухты береговых линий на Земле. Другой инструмент позволял измерять отраженный солнечный свет. В нужный момент «Кассини» «посмотрел» в ту сторону, где можно было ожидать увидеть отблеск света от поверхности предполагаемого водоема. К восторгу Аманды, он выглядел в точности как полуденный свет, отраженный водами земного озера.
Кроме Земли в Солнечной системе жидкость на поверхности встречается только на Титане. В его обширных озерах содержится во много раз больше углеводородов, чем обнаружено на нашей планете. Гравитационные измерения «Кассини» указывают на то, что в глубине Титана находится водный океан, но облака, дожди, реки и озера поверхности — этановые и метановые, как содержимое танкера со сжиженным газом. На Титане есть погода, пляжи и приливы, но там холоднее, чем в морозилке. Это место одновременно выглядит и знакомым, и очень странным.
Многое еще только предстоит узнать. Когда у Аманды или у кого-то из ее коллег появляется идея, например гипотеза о Титане, они могут предложить команде «Кассини» проверить ее. Но необходимы оптимизм и терпение. Если такое измерение не было предусмотрено на выбранной траектории аппарата, ученые и инженеры собираются, чтобы сопоставить затраты топлива и рискованность маневра с ценностью сведений, которые могут быть получены.
Команда с Земли достигает «Кассини» через 1,5 часа. Ошибку не удастся исправить быстро, если удастся вообще. Если решение о проведении измерения принято, каждая команда моделирует его на Земле, чтобы проверить безопасность для аппарата. От идеи ученого до получения данных может пройти несколько месяцев, а иногда и лет.
Это медленный процесс, но он работает. Со временем удалось собрать удивительно подробные изображения Юпитера, Сатурна и их спутников. Это целый зверинец странных миров, к настоящему моменту — самых интересных в Солнечной системе мест для изучения. На Европе ледяная кора покрывает океан жидкой воды. Ученые обнаружили этот океан, измерив электрические токи в нем, индуцированные магнитным полем Юпитера. На южном полюсе Энцелада — спутника Сатурна — в космос бьют гигантские гейзеры водяного пара и льда. Как и в случае спутников Юпитера Ио и Ганимеда, внутренний жар этих тел объясняется постоянной деформацией, вызываемой приливными силами от мощных полей тяготения Юпитера и Сатурна.
То, что мы уже знаем о Солнечной системе, говорит нам, что искать место для колонии нужно «снаружи», на этих спутниках.
* * *
Планеты зародились из газопылевого диска, обращающегося вокруг Солнца. Пока они еще были свободны, тяжелые элементы сосредоточились в более горячих его участках ближе к центру. Когда планеты сгустились, как комки в пюре, те, что были ближе к Солнцу, оказались сформированы из скальных пород и металлов. Планеты внешней части Солнечной системы вобрали в себя более легкие элементы и в основном состоят изо льда и газов.
Вода в жидкой и твердой форме вдали от Солнца встречается в изобилии. В глубинах спутников Сатурна и Юпитера содержатся скальные породы, но вода составляет куда большую долю их объема, чем у внутренних планет. Например, Титан крупнее Меркурия, его радиус на 50% превышает радиус Луны, но его плотность ниже, а тяготение, соответственно, слабее — ведь вода менее плотна, чем камень и металл.
У Юпитера примерно 67 спутников, четыре из которых были открыты Галилео Галилеем и достаточно крупны, чтобы рассматривать их возможную колонизацию: Ганимед, Каллисто, Ио и Европа. Ученые полагают, что жизнь вероятней всего обнаружить на самом маленьком из них, Европе, благодаря жидкому океану под его поверхностью. Там должно быть темно, так что, в отличие от Земли, Солнце не будет источником энергии для жизни. Но некоторые уникальные формы жизни на Земле процветают в вечной тьме в глубине океанов и под землей, черпая энергию из других источников, что возможно и на Европе.
Насколько толстый на Европе лед, и можем ли мы проникнуть сквозь него, чтобы посмотреть, не плавает ли что-нибудь под ним? На основании данных с «Галилео» ученые полагают, что толщина замерзшего слоя составляет от 10 до 100 км, но кое-где на поверхности видны айсберги, а значит, лед там тонок, и на поверхность местами могут даже пробиваться струйки теплой воды. Данные в ультрафиолетовом спектре, полученные группой ученых из Юго-Западного исследовательского университета в Сан-Антонио с помощью космического телескопа «Хаббл», указывают на возможные выходы на поверхность Европы теплой воды. Если они действительно существуют, было бы гораздо проще понять, что происходит в глубине, но эти результаты не были воспроизведены и являются спорными.
В 2014 г. NASA запросило предложения по проекту исследования Европы, в том числе и этих струй. Аманда собрала команду в Лаборатории атмосферной и космической физики Университета штата Колорадо, где она начинала свою карьеру, чтобы спроектировать ультрафиолетовый спектрометр зонда, отправляющегося к Европе. На научное обоснование, проектирование инструмента и составление сметы было всего 90 дней, так что работа превратилась в серию спешных телефонных звонков ученым и инженерам из разных организаций. Они соревновались с другими командами, желающими поставить собственные детекторы и камеры на потенциальный будущий зонд.
В планетологии происходит постоянная конкуренция: за проекты, принимаемые к реализации, за участие в них инструментов и за время на использование инструментов, когда они достигают пункта назначения. Это работает — судя по тому, что планетология развивается и растет, в то время как пилотируемые полеты, управляемые непосредственно NASA, уже много лет пребывают в застое.
Некоторые идеи по управлению наукой сохранились с 1990-х гг., со времен инициативы «Быстрее, лучше дешевле». NASA позволяет университетам и внешним группам соревноваться в создании и управлении проектами, которые меньше флагманских, дешевле и могут запускаться чаще: малобюджетными миссиями программы «Открытие» (Discovery) и «средними» в программе «Новые рубежи» (New Frontiers). Организации соревнуются в разработке проектов в рамках установленного бюджета, так что цели остаются реалистичными. JPL участвовала во многих таких соревнованиях; каждое предложение шлифовалось в процессе интенсивного разбора сильной и престижной внутренней группой под названием «Команда X», тщательно исследующей все аспекты проекта — от траектории и навигации до научных целей и канала передачи данных.
Само NASA по-прежнему занимается разработкой и управлением большими, многомиллиардными миссиями вроде старых «Викингов» и «Вояджеров», нынешней марсианской программы и миссий во внешнюю часть Солнечной системы, таких как «Галилео» и «Кассини», несущих на борту инструменты, разработанные сторонними командами. Такие миссии называются флагманскими и запускаются раз в одно-два десятилетия. Непросто добраться до Юпитера или Сатурна без флагманской миссии. Требуется весьма совершенный космический аппарат, чтобы пережить семь лет путешествия, а для питания необходим кусок плутония, потому что далекое бледное солнце не позволяет использовать фотоэлементы.
Есть кое-какие идеи о том, как заглянуть под оранжевые облака Титана, чтобы получше узнать устройство его сложной погоды и географии, его пригодность для проживания человека и наличие там каких-либо форм жизни. Титан одновременно знаком и странен: этот мир углеводородов — отражение нашего мира воды. Дожди, времена года, волны, дюны, коренные породы — все это есть на Титане, но состоит он из других соединений. Простое любопытство требует, чтобы мы узнали, что там происходит.
Ведущей идеей была отправка грандиозного, сложного космического комплекса под названием «Миссия в систему Титан — Сатурн» (Titan Saturn System Mission, TSSM), состоящего из орбитального спутника с восемью инструментами на борту, аэростата с еще восемью инструментами и судна, предназначенного для плавания в северном полярном озере, еще с пятью. Питание у аэростата и самого спутника предполагалось атомное, с получением тепла и электричества из плутония. До Титана аппарат должен был добраться с помощью новых технологий: на электрической тяге, на так называемом холловском двигателе, запитываемом солнечной энергией.
Также замышлялась миссия из одной только лодки под названием «Исследователь морей Титана» (Titan Mare Explorer), которая обошлась бы куда дешевле — как проект класса «Открытие». Еще одна идея заключалась в отправке группы спускаемых аппаратов, которые понаблюдали бы за поверхностью Титана в нескольких климатических и геологических зонах, загадочно друг от друга отличающихся.
Все эти планы далеки от реализации, и, конечно, не все они осуществятся. Большие, сложные миссии склонны расти и усложняться, пока их не приходится уменьшать, разрабатывать заново или отменять. Это процесс политический, бюрократический, соревновательный и неопределенный. Но где-то есть инженеры, разрабатывающие идеи и приближающие их воплощение.
«Мы всегда знали, что здесь сильная конкуренция, — говорит Джулиан Нотт, спроектировавший аэростат для атмосферы Титана. — Будут ли именно твои идеи выбраны для миссии к Титану? Отвечаю: шансы примерно 1/10. Невелики шансы. Но, может быть, ты предложишь идеи, а кто-то сможет их продвинуть».
«Кассини» все еще передает ценные сведения на Землю — он должен закончить работу в сентябре 2017 г. Была надежда на запуск нового аппарата «по следам» «Кассини» в 2023 г., однако сейчас это кажется маловероятным. Если подобный аппарат будет запущен в 2030 г., то он достигнет цели к 2037 г. (разве только длительность путешествия сократится благодаря более мощной ракете). К этому времени ученые, начавшие свои карьеры на «Вояджере» юными выпускниками, уже выйдут на пенсию. Аманда же все еще будет работать, и она надеется увидеть, какие будут получены данные через двадцать с лишним лет, если подобная миссия удастся.
При нынешних темпах NASA поиски возможного нового дома идут куда медленнее ухудшения состояния Земли. Но эти темпы диктуются не наукой. Как и в случае пилотируемых миссий, прогресс NASA в планетологии был быстрее в 1960-х и 1970-х гг., когда тратилось больше денег, а аппараты запускались чаще. Чтобы ускорить прогресс, нам нужно больше денег и амбиций. Исследовательские планы можно воплощать за годы, а не за десятилетия. Новую миссию можно запустить еще до того, как предыдущая достигнет своей цели. Более мотивированная Земля могла бы ускорить этот процесс сейчас и получить ответы с Титана куда раньше.
* * *
В Солнечной системе только Титан буквально завален топливом, которое мы могли бы добывать и сжигать, пользуясь технологиями едва ли сложнее газовых печей, встречающихся в типичных американских домах. Земной природный газ в основном состоит из метана, как озера и моря Титана. Прибрежные дюны Титана — тоже углеводородные, в основном из более тяжелых и сложных органических соединений, которые называются полициклическими ароматическими углеводородами. Учитывая атмосферную углеводородную фабрику Титана и низкие температуры, все это логично.
Так почему же Титан не взорвется, если зажечь там спичку? Потому что там нет кислорода. На Земле мы сжигаем ископаемое топливо, поджигая сочетание богатого углеродом топлива и кислорода. При этом в виде пламени или взрыва высвобождаются связанная в топливе солнечная энергия, а также углекислый газ и вода. Атмосфера Титана состоит в основном из азота, как и на Земле, но без кислорода.
Но большую часть массы Титана составляют водяной лед или шуга, находящиеся под его углеводородной поверхностью на глубине до 100 км, а возможно, и куда меньше. Вода содержит много кислорода. Его можно высвободить, просто пропуская через воду электрический ток — это называется элетролизом. Кислород для дыхания на МКС производится методом электролиза. Так могли бы поступать и колонисты, а еще сжигать в кислороде метан и производить достаточно энергии для поддержания электролиза.
Первопроходцы могли бы прибыть на Титан с собственным источником энергии, скажем, с небольшим ядерным реактором, и первым делом заняться разработкой подземных источников воды и отделением кислорода электролизом. Энергии, полученной при сжигании метана в кислороде, с лихвой хватило бы на дальнейшую добычу льда, электролиз и обогрев жилища, а также удовлетворение остальных нужд колонии.
Имея на Титане электростанции, питаемые углеводородным топливом, колонисты могли бы строить большие, освещенные теплицы, выращивать в них пищу и перерабатывать углекислый газ, выделяющийся при сгорании, обратно в кислород. Почти все можно было бы делать из пластика, произведенного из местного сырья. Для добычи металлов и других тяжелых элементов, необходимых для питательных веществ и производства электроники, колония могла бы заняться разработкой астероидов с помощью космических аппаратов. Располагая неограниченной энергией и доступом к ресурсам, колонисты в итоге смогли бы построить дома по берегам озер, ходить по ним на лодках и летать на личном авиатранспорте.
Многие ученые воображали, каково было бы жить на Титане, ведь кажется, что это было бы так просто. Ральф Лоренц из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса написал о Титане пару книг. Он предлагал разнообразные исследовательские миссии, в том числе судно, похожее на буй, и ряд метеостанций. Когда мы общались с ним, он говорил о подлодке. «Любой земной транспорт можно осмысленно использовать где-то на Титане», — сказал Ральф.
Лоренц отмечает, что на Титане люди могут выжить без скафандров, передвигаясь тепло одетыми и в кислородных масках, и жить в негерметичных зданиях. Нетрудно вообразить себя в странном оранжевом ландшафте Титана, стоящим на влажном, мягком грунте вроде того, который обнаружил зонд «Гюйгенс», с разбросанной вокруг галькой твердого льда. Температура там около –180 °C, но в одежде с толстой теплоизоляцией или нагревающими элементами было бы комфортно. Если одежда прорвется, это не убьет вас — главное не замерзнуть. Здесь не нужен громоздкий герметичный костюм вроде тех, что астронавты носят на Луне или в вакууме космоса.
Жилище на Титане может быть устроено подобно жилищам в полярных областях Земли, с использованием воздухонепроницаемой изоляции и свай, уберегающих от таяния лед и замерзшие углеводороды, на которых оно стоит. Простые двойные двери удержат кислород внутри. Если жилище даст течь, ее нужно устранить, но никакой непосредственной угрозы она не представляет. Устранить проблему до надлежащего ремонта можно куском изоленты. Вездесущие углеводороды содержат немало канцерогенов, поэтому, входя домой, важно почистить и снять уличную одежду.
У Титана и Антарктики есть некоторое сходство. Чтобы выжить в этих местах, требуется активное использование технологий, самое важное — обогрева. И туда и туда нужно везти припасы. Чтобы остаться в таком месте навсегда без внешней поддержки, понадобится источник энергии и производство пищи в закрытом помещении. В Антарктике, вероятно, полно ископаемого топлива, однако, чтобы его получить, потребуется пробить толстый лед. На Титане топливо лежит прямо на поверхности, а вот кислород придется добывать из недр. И там и там, чтобы выйти наружу, нужно подобающим образом одеться. Температура на Титане куда ниже, но погода там спокойнее.
Главное отличие Антарктики от Титана в том, что в Антарктике можно дышать атмосферным воздухом. Атмосфера Земли почти на 80% состоит из азота и на 20% — из кислорода. Атмосфера Титана — на 95% из азота и на 5% из метана. Мы не можем жить без кислорода, но все же воздух Титана для нас не является мгновенным ядом. В нем достаточно цианида, чтобы от него сильно разболелась голова, а азот приведет к наркозу, знакомому водолазам: обратимому состоянию, похожему на опьянение. При поломке дыхательного аппарата вы потеряете сознание через минуту, но вас можно возвратить к жизни, если вовремя предоставить доступ к кислороду.
Давление атмосферы Титана на 50% выше, чем на Земле. Этой атмосферы более чем достаточно для защиты от радиации и микрометеоритов. Из-за холода воздух также вчетверо плотнее, чем на Земле. Это приводит к двум любопытным побочным эффектам. Первый — медленно меняющаяся устойчивая погода. Второй — в слабом поле тяготения Титана легко летать.
Тяготение Титана составляет лишь 14% земного, даже меньше, чем лунные 17% (Титан куда крупнее Луны, но Луна содержит больше скальных пород, масса которых порождает более сильное тяготение, чем вода, из которой по большей части состоит Титан). В слабом лунном тяготении астронавты «Аполлона» передвигались прыжками, как при замедленной съемке, будто воздушные шарики, отскакивающие от пола. На Титане с еще меньшей гравитацией их бы дополнительно поддерживала плотная атмосфера; в костюме с крыльями они легко планировали бы на значительные расстояния.
Стоит добавить немного движущей силы, и человек сумеет летать на Титане. Это можно делать, взмахивая крыльями, прикрепленными к рукам, или с помощью педалей, соединенных цепной передачей с пропеллером. Электрический пропеллер был бы практичнее и удобнее, ведь не очень-то приятно потеть в очень теплой одежде от интенсивных физических нагрузок. Если сломаются крылья, аппарат плавно опустится на поверхность со скоростью около 6 м/c. Предельная скорость падения в атмосфере Титана в 10 раз меньше, чем в атмосфере Земли.
Еще более разительное отличие жизни в Антарктике от жизни на Титане — возможность вернуться домой. Человеческое тело, вероятно, приспособится к Титану таким образом, что это затруднит возвращение на Землю.
Наши тела обусловлены тяготением. Кости бегунов формируются более прочными благодаря силе, с которой их стопы сталкиваются с землей. Пациент, надолго прикованный к больничной койке, теряет мышечный тонус и порой ослабевает настолько, что не может стоять. NASA разобралось, как тренировать астронавтов на МКС, чтобы они сохраняли мышечную массу и плотность костей в ходе шестимесячного пребывания в невесомости, но для этого требуется проводить на специальных тренажерах по два часа в день. Большинство колонистов на Титане, скорее всего, будут придерживаться распорядка тренировок не лучше типичного обитателя Земли с неиспользованным абонементом в спортзал. Со временем они, скорее всего, слишком ослабнут для того, чтобы жить на Земле.
Колонисты также будут зависеть от искусственного освещения. Каждый, кто жил в северных широтах, знает, что естественный свет и темнота регулируют жизнь, влияют на настроение и работоспособность как в помещениях, так и на улице. На полюсах солнце светит все лето, а всю зиму стоит ночь. На полюсах никто, кроме исследователей, не живет, но жителям северных регионов намного южнее полюса все равно приходится приспосабливаться к изменениям освещенности физически и с помощью технологий. Коренные народы пережидали зиму, получая из пищи вроде жира морских млекопитающих витамин D, который жители умеренных климатических зон получают от Солнца. Летом народы Севера становятся энергичными и долгими солнечными днями запасают пищу.
Современные обитатели полярных климатических зон поддерживают суточный цикл сна и бодрствования искусственным освещением. Они питаются обработанной пищей, содержащей витамин D (однако зачастую в недостаточном количестве). В отсутствие регулируемого суточного цикла и достаточного количества яркого света и витамина D многие люди впадают в депрессию и сезонную хандру, начинающуюся с осенним ослабеванием естественной освещенности.
На Титане освещение помещений и подобающая диета будут круглогодичной необходимостью. Естественные циклы света и темноты будут совершенно непривычными. Будучи спутником Сатурна, Титан всегда повернут к нему одной и той же стороной. Однако оранжевая атмосфера, вероятно, не позволяет увидеть звезды и планеты. (Во всяком случае, Титан находится в плоскости колец Сатурна, так что их не будет видно.) Колония, без сомнения, была бы построена на стороне Титана, обращенной к Сатурну; в этом месте отраженный от Сатурна свет, вероятно, поддерживает слабую освещенность в течение всего дня, за исключением времени, которое Титан оказывается в тени Сатурна. День длится 16 земных суток, так что пару недель освещение будет слегка усиливаться Солнцем, а следующая пара недель будет потемнее. Год на Титане равняется 29 земным годам, так что каждое из четырех времен года длится примерно 7,5 лет. «Кассини» исследовал Титан почти половину местного года, начав летом у южного полушария; сейчас начинается лето в северном полушарии, и мы лишь начинаем понимать влияние сезонов на погоду.
Нам пока еще многое не известно о Титане, но мы знаем, что если туда доберемся, то смогли бы там жить.
Будущее
Во всем мире развернулся климатический кризис и вместе с ним — бесконечные рассуждения о колонизации какой-нибудь планеты, породившие крайне нереалистичные ожидания о том, какое количество людей сможет покинуть Землю. Круглосуточные новостные обзоры прибрежных катастроф и миграций в пустыне нередко содержали высказывания одного-двух экспертов о возможности заселения спутников Сатурна и Юпитера.
Наконец в Женеве состоялась встреча представителей правительств. Целью встречи был выбор пункта назначения. Только что ураган разрушил последний барьерный остров Восточного побережья рядом с Нью-Джерси и Северной Каролиной, волны захлестнули городки в глубине материка. В Нью-Йорке волны смыли строящуюся Бруклинскую дамбу, уничтожив районы в окрестностях Кони-Айленд и Брайтон-Бич и затопив линии метро B, D и Q. Но подобные катастрофы уже стали обычным делом. Новостные выпуски сосредоточились на встрече в Женеве, казавшейся источником надежды.
Существующие варианты были отлично известны всем присутствующим, но свободных мест в богато украшенном зале не было. Из внешней части Солнечной системы прибыли новые строго охраняемые данные. Все заключенные в них сюрпризы станут известны именно на этой встрече. Работа Международной комиссии приоритетности планет (МКПП) велась в атмосфере секретности.
Выходя к кафедре, профессор, председатель Технического комитета МКПП не смог подавить самодовольной улыбки. Знаменитый гений, нобелевский лауреат и любимец СМИ, известный своим едким юмором, он обладал статусом и уверенностью в себе, необходимой, чтобы выступить перед толпой представителей глобальных сил в покровительственном тоне, отработанном на лекциях перед огромными студенческими аудиториями.
Профессор решил продлить свое пребывание в центре внимания, проведя обзор сведений, уже известных собравшимся министрам, секретарям и научным советникам президентов. Он напомнил им, что задачей комитета был поиск нового мира, отвечающего четырем требованиям: (1) колония должна быть пригодной для проживания семей и безопасного воспроизводства; (2) колонии не должны угрожать какие бы то ни было события, могущие ее уничтожить; (3) колония должна экономически оправдывать долгосрочные инвестиции; (4) колония должна иметь возможность перейти на самообеспечение в случае потери связи с Землей.
«Думаю, всем нам известно, что Марс и Луна не подходят для создания там автономных колоний, — начал он. — Их преимущество в том, что они близки к нам и хорошо изучены. Мы можем туда добраться. Но в отсутствие атмосферы мы будем вынуждены вечно жить в убежищах или под землей в герметичных жилищах. Как мы уже знаем, нарушение подобной оболочки может привести к катастрофе, а вылазки наружу в скафандрах всегда будут делом непростым и рискованным.
Даже если мы преодолеем эту сложность, исследования наших социологов говорят, что люди не хотят постоянно жить под землей. Так мы могли бы жить и на нашей планете. Построенные некоторыми из весьма обеспеченных людей подземные убежища от климатических и радиационных угроз обычно пустуют.
Вода на Луне имеется, но ее количество ограничено, а добыча — трудна. Китай построил сооружение для добычи льда на лунных полюсах и производства водорода и кислорода посредством электролиза, питание которого обеспечивается солнечными панелями, но использование этого сооружения ограничивалось поддержкой самих лунных миссий. На Марсе добыча воды сопряжена с аналогичными сложностями.
Есть некоторый корпоративный интерес в генерации энергии на Луне с помощью более крупной установки наподобие китайской базы с использованием солнечных батарей для производства топлива с высокой плотностью, которое может быть доставлено на Землю. Мы не уверены в том, оправдана эта идея экономически или же, скорее, имеет смысл проводить весь процесс на орбите и передавать энергию на Землю с помощью лазера или микроволн. В любом случае энергия на Земле слишком дешева, чтобы подобные вложения оказались жизнеспособными в обозримом будущем.
На поверхности Луны также имеются отложения изотопа гелия — гелия-3, — подходящего для использования в термоядерных реакторах. К несчастью, до создания коммерческого термоядерного реактора, который производит больше энергии, чем потребляет, остается по меньшей мере несколько лет, и реакторы, которые мы пока можем построить, очень большие и капризные. Вряд ли они станут мобильными в скором времени. Если нам удастся добиться, чтобы ядерный синтез заработал, вполне прибыльной станет добыча гелия-3 на Луне и его доставка на Землю.
Но это отвечает лишь одному из наших критериев. Если добыча ресурсов станет для Луны рабочей финансовой моделью, это вряд ли приведет к ее колонизации. Было бы проще возить рабочих туда и обратно, чем переместить их семьи на расстояние трех дней пути на Луну. И мы не видим никаких способов сделать лунную базу самодостаточной.
На Марсе полно водяного льда, но беспокоит полное отсутствие признаков существования там жизни. Мы уверены, что он стерилен по неким достаточно веским причинам. Также мы не нашли никакого источника энергии. Резюмируя, Марс ничем не лучше Луны, добраться туда гораздо труднее, что мы видим по пилотируемой программе NASA.
Следующий относительно близкий пункт назначения — Венера. Последний раз мы отправляли туда зонд десятилетия назад. Атмосфера там плотная. На самом деле тамошнее атмосферное давление эквивалентно давлению в земном океане на глубине 1000 м. Также она отравлена кислотой и разогрета настолько, что там плавится свинец.
Тем, кто участвует в сегодняшних обсуждениях глобального потепления, будет интересно узнать, почему на Венере так жарко: ее атмосфера богата двуокисью углерода. Венера перегрета из-за вышедшего из-под контроля парникового эффекта и представляет собой конечный результат того процесса, который сейчас происходит на Земле».
Профессор взял карточку, переданную ему группой по связям с общественностью, и прочел притворно серьезным тоном:
«Однако меня попросили подчеркнуть, что мы не знаем наверняка, окажется ли то количество двуокиси углерода, которое мы выбрасываем в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, достаточным, чтобы сделать Землю непригодной к обитанию, как Венера. Нужны дальнейшие исследования».
Он отложил карточку и продолжил:
«Другие возможные варианты располагаются куда дальше, во внешней части Солнечной системы. Солнце там тусклое, а планеты газообразны. Мы не можем построить космическую станцию на Юпитере или Сатурне, потому что у этих планет нет твердой поверхности. Они больше похожи на солнца, оказавшиеся недостаточно большими, чтобы загореться. Сплошная атмосфера.
Мы исследовали идею строительства колонии в атмосфере Сатурна или Юпитера. Жилище с правильно подобранной плавучестью могло бы висеть на определенном уровне атмосферы одной из этих газовых планет подобно лодке, обеспечивая подобающее тяготение и устойчивое основание для жизни.
Эта идея отвечает большинству наших критериев: защита от радиации и микрометеоритов, внешнее газовое давление, исключающее взрывную разгерметизацию, и атмосфера, содержащая некоторые необходимые материалы. Там мы могли бы добывать гелий-3, как на Луне, это преимущество на будущее. Но сейчас для нас там нет источника энергии и более тяжелых элементов».
Госсекретарь США, сидевший в первом ряду, шумно прокашлялся.
«Давайте дальше, профессор. Никто не хочет жить в лодке на Юпитере. Давайте перейдем к сути доклада, спутникам Сатурна и Юпитера».
Профессор сделал небольшую паузу и включил проектор. На нем появилось изображение Сатурна и его спутников, проносящихся мимо: видео с зонда «Саган», ранее известного как TSSM. Все было и так ясно, но профессор сопроводил его комментарием. Глубины Энцелада интересны, но снаружи он выглядит как бильярдный шар, сделанный изо льда. Аналогичные данные с зонда около Европы. Никакой атмосферы. Много воды, мало всего остального. Трудно себе представить, как там жить.
«Мы создавали эти аппараты, чтобы искать жизнь, — сказал профессор. — Поиск места для колонии тогда не входил в наши приоритеты. Мы не готовы подробно отчитываться о поисках жизни, но можем предположить, что эти спутники — странное место для проживания человека; мы считаем, что вряд ли там кто-то сможет жить».
Возникло изображение нечеткого оранжевого шара. Он начал приближаться, заполняя экран.
«Однако совсем другое дело — Титан, — продолжал профессор. — Если мы сумеем благополучно добраться туда с необходимым начальным запасом материалов, то он отвечает всем критериям нашего поиска».
Изображение на экране сменилось оранжево-коричневым прибрежным ландшафтом, плывущим в кадре: темные волны мягко бьются о песчано-галечный берег.
«Мы рассмотрели состав нескольких областей поверхности Титана; можем описать его почву — это углеводороды и коренные породы, состоящие из водяного льда с примесью аммиака. Атмосфера азотная, а дождь и снег — из углерода и водорода, то есть из метана CH4, этана C2H6 и более сложных углеводородов. Газообразного кислорода нет, весь кислород связан в водяном льде H2O.
Итак, формы рельефа этого мира похожи на земные — озера, холмы, пляжи, болота, но все состоит из других соединений. Ядро Земли из железа, ядро Титана каменное. Мантия Земли из расплавленных скальных пород, мантия Титана из водяной шуги. Почвы Земли — это сочетание минералов и органических соединений, на Титане почва полностью органическая».
Раздался голос из задних рядов: «А где динозавры? Откуда взялись органическая почва и ископаемое топливо без динозавров?»
«Ах, да. Здесь есть неспециалисты.
Итак, мы всегда знали, что при температуре, обычной на расстоянии более 9 астрономических единиц, то есть девятикратно превышающем расстояние от Солнца до Земли, из элементов, присутствующих во внешней части Солнечной системы, формируются углеводороды. В верхних слоях атмосферы Титана энергия солнечного излучения приводит к формированию более сложных углеводородных молекул, придающих ему оранжевую окраску. Спускаемый аппарат «Гюйгенс» обнаружил, что оранжевый туман простирается до самой поверхности, на которой видимость составляет 45 м. Поясню для присутствующих здесь американцев: это около 50 ярдов. Мы воссоздали эти тягучие, коричневатые толиновые полимеры в лаборатории, облучая метан и этан ультрафиолетом, как это происходит в атмосфере Титана!»
Профессор помолчал и лукаво улыбнулся.
«Но, вижу, я вас утомил, — произнес он. — Вы спрашивали о динозаврах».
Профессор вывел на экран видеоизображение глубин озера на Титане и сказал:
«Это прислал наш погружаемый буй. Мы держали эти видео в строгом секрете. Вы видите его первыми, не считая членов нашей группы. Мы не уверены в том, как следует называть эти объекты, проносящиеся ближе к краю изображения. Кажется, они передвигаются автономно. Как вы знаете, это море размером примерно с озеро Верхнее, расположенное в США, состоит главным образом из этана, метана и ацетилена. Никакой воды. Так что мы не уверены в том, как назвать эти создания. Слово “рыба” обычно подразумевает наличие воды».
Зал взорвался аплодисментами. Профессор ухмыльнулся.
«Да, мы обнаружили на Титане форму жизни, основанную не на воде, — пояснил он, перекрикивая шум. — И я хочу добавить небольшое примечание к нашему подтверждению пригодности Титана для создания на нем человеческой колонии. Он отвечает всем требованиям, поставленным перед нашим комитетом. Но нас не спрашивали о критериях, касающихся возможного столкновения с местными формами жизни».
Настоящее
Возможно, на Титане есть жизнь, химия которой полностью отличается от химии жизни на Земле. Этому даже есть некоторые подтверждения.
На Земле энергия Солнца питает жизнь, поддерживая химические реакции с участием углекислого газа, кислорода и воды. Растения и водоросли, используя солнечную энергию, соединяют воду с углекислым газом, выделяя кислород и откладывая сахара. Животные, грибы и реакции горения потребляют сахара, отложенные растениями, окисляя их, используя энергию и выделяя воду и углекислый газ. Углерод кочует туда и обратно в относительном равновесии фотосинтеза и дыхания, по крайней мере пока не приходит разумный вид (вроде нас) и не сжигает древние продукты фотосинтеза — ископаемое топливо — и не высвобождает углерод, давным-давно выведенный из уравнения, таким образом нарушая равновесие цикла.
Такого не может быть на Титане, так как там нет газообразного кислорода и жидкой воды. Но ключ к жизни — в возобновляющемся химическом цикле, дающем организмам энергию, и такой цикл там существует. В верхних слоях атмосферы энергия Солнца химически связывается в углеводородах, которые выпадают осадками на поверхность спутника. Смогли бы животные получать эту энергию? На Земле некоторые необычные бактерии действительно извлекают энергию из молекулярных связей углеводородов. На Титане цикл испарения и осадков пополняет запас углеводородов, преобразованных Солнцем. Они могут служить непрерывным источником энергии для основанных на метане организмов.
Водяной лед занимает на Титане такое же место, как земные скальные породы. Жидкий метан занимает место воды. Животные Земли состоят из углерода и воды. В озерах и морях Титана, возможно, обитают животные из углерода и метана. Они могли бы перерабатывать ацетилен (C2H2) и водород (H2), извлекая энергию и выделяя метан (CH4).
В верхних слоях атмосферы Титана образуется ацетилен. Подробности этого процесса прояснил среди прочего Карл Саган. Он предположил существование углеводородов там, где их ингредиенты — распространенные легкие элементы, — витая в пространстве, постоянно бомбардируются ультрафиолетовым излучением Солнца. В 1970-х гг. он со своими коллегами-исследователями воссоздал условия внешней части Солнечной системы в лаборатории и произвел партию красного желе, состоящего из разнообразных углеводородов. Они назвали эту субстанцию толином, а также звездным дегтем.
Саган также размышлял о том, как распознать наличие жизни, радикально отличающейся от нашей. В 1990 г., когда «Галилео» пролетал около Земли на пути к Юпитеру (аппарат получил дополнительное ускорение в гравитационных маневрах вокруг Земли и Венеры, как если бы был раскручен пращой), Саган использовал эту возможность, чтобы попытаться обнаружить жизнь на нашей планете. Это была проверка инструментов аппарата на способность самостоятельно обнаружить жизнь. Результаты были опубликованы в научной статье, написанной так, будто о наличии на Земле жизни ничего не известно; они демонстрировали, как следует толковать данные о Титане, которые будет отправлять «Кассини».
Инструменты для оптической съемки не обнаружили явных свидетельств наличия жизни на Земле: на десятке случайных снимков оказались Антарктика и австралийская пустыня. Саган вычислил, что шансы обнаружить жизнь таким способом невелики. С другой стороны, бесспорным свидетельством в пользу наличия жизни были упорядоченные электромагнитные сигналы, испускаемые вещательными антеннами. Но так обнаруживаются только разумные формы жизни, которые строят радиостанции.
Сведения, наиболее полезные в изучении других планет, дает химия атмосферы. Планета — это огромный химический реактор. В отсутствие жизни, влияющей на сочетание химических соединений, планета производит предсказуемое сочетание атмосферных газов, обусловленное ее удаленностью от Солнца, магнитным полем, геологией и другими измеримыми параметрами. В своей статье Саган указывал, что в атмосфере Земли содержится слишком много кислорода, метана и оксида азота. Этого дисбаланса недостаточно для доказательства наличия жизни, отклонение от ожидаемых результатов могло быть вызвано какими-то аспектами химии планеты, но результаты измерений требуют дальнейшего исследования наличия жизни.
Крис Маккей из Исследовательского центра Эймса NASA и другие ученые указали на то, что если на Титане существует жизнь, основанная на метане, то там будет наблюдаться подобный дисбаланс. Но следы жизни метановой будут отличаться от следов жизни водной. Измерения Сагана с помощью «Галилео» показали избыток кислорода, метана и оксида азота на Земле, потому что растения и животные перерабатывают углекислый газ и воду. На Титане ультрафиолетовая химия в верхних слоях атмосферы выполняет ту же работу, что и растения на Земле, — улавливает энергию Солнца. Эти молекулы — ацетилен и водород — дождем падают на поверхность, где животные могут извлекать накопленную в них энергию для жизни и выделять метан.
Так же как «Галилео» исследовал Землю, «Кассини» обнаружил предсказанный химический дисбаланс на Титане: недостаток ацетилена и водорода, как если бы эти молекулы на поверхности подъедала метановая жизнь. На поверхности должен был наблюдаться недостаток ацетилена, и «Кассини» его также обнаружил. Кроме того, должен наблюдаться нисходящий поток водорода из верхних слоев атмосферы и его недостаток на поверхности — это тоже наблюдается, и мы знаем модель, объясняющую, как это может происходить.
Используют ли этот ацетилен и водород какие-то существа? Или некий неизвестный нам химический катализатор на поверхности позволяет химикатам реагировать без участия жизни? Химики не нашли такого катализатора, астробиологи же говорят, что эта возможность наиболее вероятна. То же можно сказать и о Земле. Саган говорил, что неизвестные химические процессы являются более правдоподобным объяснением дисбалансов, обнаруженных «Галилео» в земной атмосфере, чем жизнь. Но порой верно менее вероятное объяснение. В любом случае химический дисбаланс Титана — сильнейший аргумент в пользу существования современной нам внеземной жизни.
* * *
Титан может стать ступенькой на пути с Земли, если этот шаг окажется нам по силам. Мы не можем добраться туда при нынешнем уровне технологий. Чтобы узнать о странной атмосфере Титана и его углеводородном ландшафте, мы потратили десятилетия, отчасти потому что полет занимает семь лет в один конец, но также и из-за финансирования, не позволяющего запускать миссии чаще. При нынешних темпах развития технологий и затратах люди не высадятся там ни при нашей жизни, ни при жизни наших детей, а перспектива колонии так далека, что строить прогнозы на этот счет не представляется возможным.
Пик бюджета NASA, если рассчитывать его как долю в экономике США, приходится на 1966 г. Мы так и не оправились от успеха «Аполлонов». А для того чтобы построить колонию на Титане, нам понадобится нечто куда большее, чем «Аполлоны» и вообще что-либо из того, что мы когда-либо пытались делать. Нам нужно отправить на Титан не маленькую хрупкую капсулу, а космический лайнер с тяжелым грузом. Это будет значительное промышленное предприятие, и стоить оно будет больше, чем правительства когда-либо тратили на науку.
Но мы можем попасть туда и без помощи правительства.
