Глава 15. За пределами зоны жизни

Один из самых соблазнительно выглядящих миров во вселенной «Звездных войн» — лесистый Эндор, населенный эвоками — мохнатыми существами, летающими на дельтапланах. Но Эндор — не планета. Этот покрытый густой растительностью объект представляет собой спутник, обращающийся вокруг необитаемой громады газового гиганта.

Конечно, вяленое мясо эвоков (популярная закуска на планетах внешнего кольца) вряд ли когда-нибудь появится в меню наших ресторанов, а вот пригодные для жизни спутники — перспектива вполне реальная. Наши собственные газовые гиганты окружены большими скоплениями спутников. Если бы они были пригодны для жизни, количество объектов во Вселенной, подходящих для формирования экосистем, умножилось бы в разы. На первый взгляд, близость к газовому гиганту не является гарантией попадания в элиту планетной иерархии по критерию обитаемости. Однако при более детальном рассмотрении оказывается, что, несмотря на удаленность от зоны умеренных температур, спутники наших планет-гигантов входят в число тех мест, где вероятность обнаружения внеземной жизни выше всего.

Вокруг нашего самого массивного газового гиганта — Юпитера — обращается не менее 67 естественных спутников. Расстояние от каждого из них до Солнца в 5 раз превышает расстояние от Солнца до Земли, и ничем иным, кроме как холодными ледяными сферами, эти мини-миры быть не могут. Однако не все так просто, как кажется на первый взгляд. Если судить по земным экосистемам, обязательным условием существования жизни является наличие следующих трех компонентов:

Поскольку область газовых гигантов находится за снеговой линией Солнечной системы, замерзшей воды в ней более чем достаточно. С другой стороны, в расчете на единицу площади туда доходит лишь около 3% того количества солнечного тепла, которое мы получаем на Земле. Чтобы постоять на поверхности спутника Юпитера Каллисто, вам пришлось бы укутаться потеплее: средняя температура там составляет –139 °C.

Но тут мы сталкиваемся с одной аномалией: в отличие от Каллисто, на котором именно так холодно и спокойно, как и должно быть на таком удалении от Солнца, другой спутник Юпитера, Ио, может предстать настоящим пеклом с самым высоким уровнем вулканической активности в Солнечной системе. Температуры на Ио изменяются в диапазоне от 1500 °C до –130 °C. Разумеется, оба спутника совсем не похожи на место, где могли бы обитать эвоки, но при этом совершенно очевидно, что у бурной активности на Ио есть какой-то другой источник энергии помимо Солнца, а именно гравитационное поле Юпитера.

Излучаемая Юпитером энергия — это отраженный солнечный свет и тепло, выделяющееся в процессе медленного сжатия газового гиганта. Этой энергии определенно недостаточно для поддержания бурной активности на Ио. В действительности генератором энергии для спутника является приливный разогрев. Подобно планете с короткой орбитой, подвергающейся деформации в результате взаимодействия со звездой, обращаясь вокруг Юпитера, спутник сдавливается под действием гравитационного поля планеты. Учитывая, что орбита Ио имеет слегка эллиптическую форму, при приближении и удалении от Юпитера высота выступов на поверхности спутника увеличивается и уменьшается. В ходе этого непрерывного процесса деформации поверхность Ио поднимается более чем на 100 м, что соответствует высоте лондонского Биг-Бена. Это сжимание-разжимание и нагревает спутник. Если бы Ио был единственным спутником, его орбита в конечном итоге приняла бы круглую форму, что привело бы к потере источника тепла. Но этого не происходит благодаря массивным соседям Ио.

В 1610 г. итальянский астроном Галилео Галилей сконструировал телескоп, с помощью которого ему удалось увидеть Юпитер. Благодаря 20-кратному увеличению — крошечному по современным меркам — Галилей смог разглядеть четыре самых больших спутника газового гиганта. Они получили название галилеевых спутников. Сам Галилей присвоил им порядковые номера, что хоть и было вполне научно, но все-таки навевало скуку. Одновременно с Галилеем те же самые спутники открыл немецкий астроном Симон Марий. Он назвал их в честь возлюбленных Зевса, бога из греческой мифологии, которому в римском пантеоне соответствовал Юпитер. В 1614 г. Марий опубликовал результаты своих изысканий, дав четырем спутникам имена Ио, Европа, Ганимед и Каллисто.

Если начинать с самого близкого к Юпитеру спутника, то мы получаем следующую последовательность периодов обращения: Ио — 1,8 суток, Европа — 3,6 суток (в 2 раза больше, чем у Ио), Ганимед — 7,2 суток (в 4 раза больше, чем у Ио), Каллисто — 16,7 суток (то есть достаточно много по сравнению с остальными).

Каллисто — единственный из четырех спутников, орбитальный период которого не кратен орбитальному периоду Ио. Остальные три спутника находятся в орбитальном резонансе 1:2:4. В главе 5 мы уже упоминали, что выйти из орбитального резонанса не так-то просто. Поэтому все три спутника исключительно устойчивы к любым взаимодействиям, которые бы могли повлиять на их эллиптические орбиты. Благодаря этому они непрерывно подвергаются приливному разогреву в результате деформаций, вызванных притяжением Юпитера.

Из-за большой величины приливного разогрева вода в жидкой форме на Ио существовать не может. Однако Европа и Ганимед не подвергаются столь суровым деформациям. Эти спутники находятся на большем расстоянии от Юпитера. Поэтому на них возникает прямо противоположная проблема с водой: на их поверхности слишком холодно, ее покрывает толстый слой твердого льда. С другой стороны, согласно имеющимся данным, эта пара лун не промерзает до ядра.

В отличие от поверхности далекого спутника Юпитера Каллисто, изуродованной кратерами как ни один другой объект в Солнечной системе, поверхность Европы — одна из самых гладких. Очевидно, что за время своего существования оба эти спутника должны были подвергаться бомбардировке метеоритами (в данном случае — врезающимися в них кометами). Из этого следует, что поверхность Европы намного моложе поверхности Каллисто. Скромное число кратеров на Европе указывает на возраст около 65 млн лет, что соответствует всего лишь 2% фактического возраста спутника. Какая-то неведомая сила выровняла поверхность Европы, превратив ее в каток невероятного размера. Судя по имеющимся изображениям поверхности Европы, на ней есть области, которые, судя по всему, находятся в процессе расширения. При этом на фотографиях нет никаких признаков областей, которые бы сжимались. Вряд ли спутник просто раздувается в размерах, как огромный воздушный шар. Придется поискать другое объяснение превращений, претерпеваемых этим покрытым льдом небесным телом.

Как это ни странно, на Земле мы можем наблюдать похожий процесс обновления и расширения. Поверхность нашей планеты периодически расширяется в результате раздвигания океанического дна, в ходе которого с выходом магмы на поверхность океанических хребтов формируется новая кора. При этом общая площадь Земли остается неизменной, так как соответствующее количество материала поверхностной тектонической плиты пододвигается под другую плиту. Из этого сравнения следует, что Европа, возможно, — первый мир, помимо Земли и, предположительно, Меркурия, демонстрирующий признаки тектонической активности. Плиты на Европе состоят не из силикатов, а из ледовых щитов. Когда ледяные плиты раздвигаются, поверхность спутника увеличивается за счет появления новой области. Подвижность плит на Земле показывает, что нижние слои мантии на нашей планете отличаются большей пластичностью и поэтому перемещаются. По аналогии с этим сдвиги на поверхности Европы свидетельствуют о том, что спутник, включая его ядро, не может состоять из одного лишь льда. Под замороженной поверхностью Европы таится глубокий океан жидкой воды.

Другим доказательством наличия на Европе скрытого океана являются данные, полученные космическим аппаратом NASA с говорящим названием «Галилео», который находился на орбите вокруг Юпитера с 1995 по 2003 г. В январе 2000 г., пролетая мимо Европы, он зафиксировал колебания магнитного поля.

У Европы нет своего собственного магнитного поля, а вот Юпитер обладает самым мощным полем в Солнечной системе. Его источником служит адски высокое давление во внешней части ядра планеты, благодаря которому его поле в 10 раз сильнее магнитного щита Земли. Испытывая колоссальное давление атмосферы, водород переходит в металлическую фазу и ведет себя точно так же, как расплавленное железное ядро Земли. При перетекании этого необычного металла образуется ток, который создает магнитное поле. Радиус внутренней части магнитного поля Юпитера в 10 раз превышает радиус этой огромной планеты, простираясь до области между Европой и Ганимедом. Из-за влияния солнечного ветра внешняя часть поля имеет каплевидную форму. Она более чем в 100 раз больше радиуса газового гиганта. Как и в случае с Землей и пульсарами, ось магнитного поля Юпитера не совсем точно совпадает с осью вращения, вследствие чего сила его воздействия на спутники изменяется в зависимости от положения планеты.

Следует отметить, что процесс, обратный формированию магнитного поля движущимися заряженными частицами, также возможен: изменения в магнитном поле заставляют заряженные части перемещаться, создавая электрический ток. Индуцированный таким образом ток затем порождает свое собственное магнитное поле. Этот эффект — электромагнитная индукция — был открыт в 1831 г. британским ученым Майклом Фарадеем. Электромагнитная индукция возникает только в том случае, если заряженные частицы могут двигаться. То есть заряды должны находиться в среде, способной проводить электрический ток. Примером вещества, отлично проводящего ток, является металл, но и соленая вода также обладает этим свойством.

При прохождении мимо Европы зонду «Галилео» удалось провести измерение меняющегося магнитного поля спутника. Оказалось, что благодаря явлению электромагнитной индукции оно постоянно пытается компенсировать изменения в окружающем его магнитном поле планеты. При вращении Юпитера сила влияющего на Европу магнитного поля периодически то увеличивается, то уменьшается. В ответ индуцированное магнитное поле спутника меняет направление на обратное, стараясь сначала ослабить усиливающееся влияние поля планеты, а затем — усилить его. Проведенные «Галилео» измерения этих резких смен подтвердили гипотезу о том, что магнитное поле Европы индуцировано Юпитером и ядро спутника тут ни при чем. Таким образом, спутник способен проводить ток. Следовательно, под слоем льда на его поверхности должен находиться океан соленой воды.

Лед и чистая вода — плохие проводники электричества, так как содержат небольшое количество подвижных заряженных частиц. Но стоит растворить в воде соль, и ситуация меняется. Соль разделяется на положительно и отрицательно заряженные атомы, которые чувствительны к магнитным полям. При усилении и ослаблении окружающего Европу магнитного поля Юпитера эти соляные заряды перетекают, создавая противополе.

Простой лужи соленой воды для создания вторичного магнитного поля такой силы явно недостаточно. Значит, на Европе существует скрытый океан, который покрывает всю ее поверхность, что обеспечивает свободное перемещение частиц. Можно предположить, что под слоем льда толщиной 10 км находится океан глубиной 10–100 км.

Также «Галилео» удалось исследовать гравитационное поле Европы — данные о нем могут рассказать о внутреннем строении спутника. В своих «Математических началах натуральной философии» Исаак Ньютон показал, что гравитационная сила от материи, распределяющейся по сфере правильной формы, идентична силе, исходящей из центра сферы, в котором сосредоточена вся масса. Измерив гравитационное притяжение в разных точках вблизи Европы, «Галилео» смог зафиксировать отклонения от закона Ньютона, что позволило воссоздать реальную структуру недр спутника. Согласно результатам этих измерений, у Европы имеется железное ядро, окруженное мантией из горных пород, поверх которой находится глубокий океан с внешним покровом изо льда. Если большая часть воды там сохраняется в жидкой форме, объем океанов Европы должен в два раза превышать объем воды на Земле.

Учитывая такое обилие воды, может ли под покровом Европы скрываться жизнь? Ученые всерьез рассматривают такую возможность: в следующем десятилетии космические агентства Европы и США планируют начать новые проекты для дальнейшего изучения покрытого льдом спутника.

Несмотря на наличие в недрах воды и действие приливного разогрева, для зарождения жизни на Европе понадобился бы начальный набор органической материи. Через трещины в небольшой по толщине ледяной оболочке вместе с осколками от столкновений с метеоритами в недра спутника извне могли бы проникать органические молекулы. Более того, в этом случае в верхних слоях воды мог бы протекать процесс фотосинтеза. Высокоэнергетические частицы, захваченные сильным магнитным полем Юпитера, также бомбардируют Европу, расщепляя молекулы воды на поверхности на водород и кислород. Гравитация спутника слишком мала, чтобы удержать легкий водород, поэтому он улетучивается. В результате на Европе образуется запас кислорода. Он мог бы быть использован в биологических реакциях окисления, которые, подобно фотосинтезу, способны генерировать необходимую для выживания организмов энергию.

Если ледяной покров Европы достаточно толстый, наиболее вероятной средой обитания для живых форм становится океанское дно. Вокруг гидротермальных выходов могут формироваться экосистемы, подобные тем, что процветают в океанах Земли. Возможность их существования определяется наличием на Европе вулканической активности. Этот спутник Юпитера чуть меньше нашей Луны, на которой отсутствует какая-либо геологическая активность, однако полностью исключать возможность существования гидротермальных выходов не стоит: силы приливного разогрева, обеспечиваемого взаимодействием с Юпитером, может быть достаточно для плавления части мантии Европы.

Если в сердце Европы существует жизнь, найти ее будет совсем непросто. Единственный шанс для нас обнаружить ее в этих условиях — определить наличие поднявшихся с океанического дна органических молекул в ледяном покрове спутника. Если в слое льда есть следы скрытой от наших глаз жизни, их изучение позволит нам сделать вывод о ее природе.

Но, даже если на Европе будет найдена жизнь, она не будет иметь ничего общего с жизнью на Земле. В отличие от Марса, близость которого к Земле означает возможность обмена микробиологическим материалом посредством метеоритов на ранних этапах, расстояние до Европы слишком велико, чтобы можно было допустить возможность такого обмена. Поэтому в случае обнаружения жизни на спутнике Юпитера мы сможем узнать много нового о процессе ее зарождения.

Если мы продвинемся немного дальше Европы, перед нами предстанет самый крупный спутник в Солнечной системе — Ганимед. Третий Галилеев спутник немного крупнее Меркурия, но при этом весит вдвое меньше этой планеты, так как практически половину его объема заполняет лед.

В отличие от Европы, Ганимед обладает собственным магнитным полем, не связанным с явлением электромагнитной индукции. Возможно, источником его, как и источником поля Земли, является расплавленное железное ядро. Этим же может объясняться и наличие на Ганимеде полярного сияния: магнитный щит направляет заряженные частицы к полюсам спутника. Как и Европа, Ганимед покрыт слоем льда. В результате расщепления молекул воды на нем образовалась разреженная атмосфера из кислорода. Если бы вы могли наблюдать небо над Ганимедом с поверхности этого спутника, перед вами предстало бы захватывающее зрелище — полярное сияние красного оттенка, вызванное столкновениями атомов кислорода. Оно и проливает свет на внутреннее строение спутника.

Находясь в пределах внешней части магнитного поля Юпитера, Ганимед испытывает на себе влияние как собственного поля, так и меняющего свою силу поля вращающейся гигантской планеты. В ответ на периодическое усиление и ослабление магнитного поля Юпитера полярное сияние на Ганимеде сдвигается то в одну сторону, то в другую. Согласно расчетам, сдвиг должен составлять около 6%, однако результаты наблюдений с помощью телескопа «Хаббл» показывают, что фактически сияние смещается не столь значительно — всего лишь на 2%. Эту разницу можно объяснить наличием дополнительного индуцированного магнитного поля, похожего на поле Европы, которое противостоит влиянию Юпитера. Существование второго магнитного поля на спутнике доказывает, что под поверхностью Ганимеда также скрывается океан. Такое предположение высказывалось еще во время миссии «Галилео», но полученные аппаратом результаты оказались не столь убедительными, как в случае с Европой. Подтвердилась эта догадка лишь после того, как «Хаббл» зафиксировал на спутнике полярное сияние.

Может ли скрытый океан на Ганимеде быть обитаемым? В отличие от Европы, условия на Ганимеде не вселяют оптимизма. Поскольку масса его втрое больше массы покрытого льдом соседа, давление рядом с ядром спутника существенно выше, а значит, вероятность замерзания нижних слоев океана достаточно высока. Если это так, то Ганимед должен быть похож на мир, покрытый глубоким океаном, — такой, как Глизе 1214 b, на которой океанское дно из силикатных пород не соприкасается с водой. Также, находясь дальше от Юпитера, чем Ио или Европа, Ганимед в меньше степени подвергается явлению приливного разогрева. Лед на его поверхности намного старше, чем на Европе, — его возраст составляет несколько миллиардов лет. При этом следов какой-либо недавней геологической активности, например тектоники плит, на спутнике не наблюдается. Это указывает на то, что океан может находиться на глубине 150–300 км под слоем льда на поверхности. Таким образом, в воде на Ганимеде не может быть поверхностных органических соединений. До нее точно не доходит солнечный свет, и к тому же она не контактирует с гидротермальными выходами.

Третий и последний спутник Юпитера, на котором может быть океан, — Каллисто. Самый далекий из всех галилеевых спутников, Каллисто не находится в резонансе с тремя крупными собратьями. Поэтому на него не распространяется действие явления приливного разогрева, и ему приходится обходиться тем постоянно уменьшающимся количеством тепла, которое осталось со времен его формирования. Ледяной покров этого спутника — самый древний в Солнечной системе: его изрытая кратерами поверхность полностью исключает возможность геологической активности. В связи с этим считалось, что Каллисто уж точно должен быть промерзшим насквозь. Внутреннего тепла спутника вряд ли могло хватить на то, чтобы не дать его недрам превратиться в твердый монолит под действием низких температур.

К удивлению исследователей, данные, полученные «Галилео», не подтвердили эту гипотезу. Каллисто, как и Европа с Ганимедом, обладает индуцированным магнитным полем, поддерживаемым взаимодействием с Юпитером. Значит, под поверхностью этого спутника также может скрываться океан соленой воды. Судя по всему, ледяная кора спутника более эффективно сохраняет ограниченный запас тепла в недрах Каллисто, чем считалось ранее. Впрочем, учитывая твердую поверхность и небольшое количество энергии, из трех покрытых льдом спутников вероятность наличия условий для поддержания жизни на Каллисто — наименьшая.