Страна лавовых озер

Спутник Юпитера Ио, испещренный сернистыми ямами, омытый интенсивной радиацией и сотрясаемый постоянными извержениями вулканов, – это огненный ад в Солнечной системе. На Ио очень холодно, и значительная его часть покрыта инеем из сернистого ангидрида. Вместе с тем на этом спутнике, самом близком к Юпитеру, отмечается наиболее активная вулканическая деятельность в Солнечной системе. Вулканы Ио выплевывают в 100 раз больше лавы, чем все вулканы Земли, хотя поверхность Ио в 12 раз меньше земной.

Поверхность Ио усеяна пузырящимися озерами расплавленной породы, у самого большого из них – Патера Локи – диаметр более 200 км. В других местах магма внезапно пробивает себе путь из трещин в скальной коре, создавая вереницу лавовых фонтанов, которые могут растягиваться на 50 км и более. В 2007 году космический аппарат НАСА «Новые горизонты» зарегистрировал тепловое излучение от одной из этих огромных огненных завес, когда зонд пролетал мимо Юпитера по пути к Плутону.

Некоторые извержения Ио достаточно сильны и выбрасывают в пространство гигантские шлейфы газа и пыли на расстояние до 500 км. Это происходит, когда в лавовом потоке испаряется поверхностный слой замерзшего сернистого ангидрида или когда внутри поднимающейся магмы формируются пузыри газа, которые с большой скоростью выбрасывают наружу обломки пород.

Все это вулканическое неистовство – результат «любовного» притяжения и гравитационной борьбы между Юпитером и двумя сородичами Ио – Европой и Ганимедом. Орбитальные периоды этих спутников ровно в два и в четыре раза соответственно превосходят орбитальный период Ио. Это приводит к тому, что все эти три спутника довольно часто выстраиваются в одну линию. В результате гравитационного влияния от этих периодических противостояний орбита Ио постепенно приобретала все более и более вытянутую форму. По мере движения Ио по этой орбите притяжение Юпитера то нарастает, то ослабевает, деформируя поверхность спутника. Перегрузки и напряжения нагревают спутник изнутри – этот процесс называется приливным нагреванием. Эффект нагревания на Ио настолько силен, что плавятся камни и образуются вулканы.

В 2013 году исследователи изучили снимки трех горячих точек на Ио, сделанные зондом «Кассини» в конце 2000 года: вулканических областей Пиллана, патер Вейланд и Локи. Ученые Дэниэл Аллен и его коллеги из колледжа Лейкленд в Маттуне (штат Иллинойс, США) вычислили температуру в трех озерах и установили, что лава во всех этих озерах, скорее всего, является расплавленным базальтом.

Они также обнаружили, что у каждого вулкана есть свой собственный стиль извержения. Пилан – идейный вдохновитель всех трех. Предыдущие зонды наблюдали его извержения в 1997 году. Извергнутой лавы хватило для того, чтобы покрыть 5600 км² поверхности спутника. Измерения температуры со спутника «Кассини» показывают, что сейчас Пилан окружен высоким кольцом остывающей породы, вздымающейся вокруг лавового озера. Патера Вейланд (95 км в поперечнике), между тем, начинает выгорать. Аллен говорит, что это либо остывающий поток лавы, либо лавовое озеро в период низкой активности. Что касается патеры Локи – это имя в германо-скандинавской мифологии принадлежит богу хитрости и обмана – то это огромное образование простирается на 200 км и излучает примерно 13 % всего тепла спутника Ио. Если космопроходцу случится высадиться на Ио, он может очутиться либо на твердой коре, которая будет способна выдержать вес его теплоизолированного вездехода, либо в расплавленной трясине; он также может оказаться среди блистательных фонтанов из лавы.

Впрочем, такая чрезмерная вулканическая активность на просторах Вселенной может быть обычным явлением. Например, орбита экзопланеты COROT-7 b находится очень близко к звезде, и экзопланету сильно к ней притягивает. Даже незначительной эллиптичности орбиты достаточно, чтобы вся планета покрылась вулканами из-за приливного нагрева. Таким образом, Ио может дать нам представление об условиях на миллионах таких «адских» экзопланет.

Но Ио, судя по всему, охлаждается. Возможно, потому что орбита спутника становится все менее вытянутой. Через десятки или сотни миллионов лет орбитальный резонанс с Европой и Ганимедом, вероятно, расстроится, что позволит Ио осесть на почти круговой орбите, которая оставит спутник без приливного нагрева. Тогда огни Ио погаснут.

Глубокие темные моря

Тезис «ищите воду» давно уже стал мантрой при поисках жизни, потому что каждый известный нам организм нуждается в воде, чтобы выжить. Наиболее перспективным в отношении воды остается Марс, но его вода либо давно испарилась, либо находится в почве в связанном состоянии, в виде льда.

В то же время Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, могут похвастаться глубокими океанами, наполненными жидкой водой, которая плещется под их замерзшими верхними оболочками. Астробиологов волнует, способны ли эти воды даровать жизнь неведомым неземным организмам, хотя бы в таком экстремальном виде, в каком они существуют на дне самых глубоководных океанских впадин Земли, где жизнь теплится лишь благодаря взаимодействию раскаленной магмы и воды. Ученые горят желанием услышать гул таких подводных геохимических взаимодействий на Европе и Энцеладе, чтобы ответить на вопрос, одиноки ли мы в Солнечной системе.

Первые намеки на скрытое море Европы пришли от зондов «Вояджер», целая серия которых исследовала Юпитер в 1970-х годах. «Вояджер-2» заметил трещины в ледяной коре Европы, свидетельствующие об активных процессах под поверхностью. Космический аппарат «Галилео», облетая Юпитер в 1990-х годах, обнаружил еще одно явление, доказывающее существование подповерхностного жидкого океана: силовые линии магнитного поля Юпитера искривлялись около Европы, а значит, у нее есть магнитосфера. Очевидно, там есть слой с хорошей электропроводностью – скорее всего, океан соленой воды. Теперь мы считаем, что этот подледный океан простирается вглубь Европы на 100 км. Если это так, он содержит достаточно соленой воды, чтобы дважды заполнить океанские бассейны Земли.

Вопрос о море на Энцеладе возник совсем недавно. В 2005 году зонд «Кассини» показал, что Энцелад оставляет отчетливый «отпечаток» в магнитном поле Сатурна: что-то взаимодействует с его магнитным полем. Это что-то оказалось воплощением фантазий астробиолога: шлейф ледяных частиц и водяного пара, вылетающий в космос через трещины возле южного полюса Энцелада.

С тех пор «Кассини» несколько раз пролетал через этот шлейф. Сначала его приборы выявили наличие органических соединений. Частицы, собранные в нижней части шлейфа, были богаты солью, что указывало на раскинувшийся внизу океан. «Кассини» также обнаружил аммиак, который действует как антифриз, препятствующий замерзанию воды даже при низких температурах. Все указывало на то, что под поверхностью находится океан жидкой воды, в котором может существовать примитивная жизнь.

Новости сыпались как из рога изобилия. В марте 2015 года ученые из группы «Кассини» обнаружили в шлейфах силикатные зерна – эти частицы, скорее всего, образовались в реакциях на гидротермальных источниках. К сентябрю того же года измерения перемещений внешней коры Энцелада убедили ученых в том, что под поверхностью существует океан глубиной от 26 до 31 км. По сравнению с Европой это «лягушатник», но этот океан намного глубже, чем земные.

Когда же планируют очередное путешествие в эти края? НАСА собирается послать зонд к Европе в июне 2022 года. Он будет оснащен магнитометром для определения солености океана и радаром, посылающим сигнал, который проходит сквозь лед: это даст возможность выяснить, где на смену твердой коре приходит жидкая вода. Зонд может даже включать посадочный модуль для «ловли» аминокислот – строительных блоков из белков, используемых каждым живым существом на Земле.

НАСА также объявило конкурс предложений для путешествия к Энцеладу. Одно из них – посылка зонда Enceladus Life Finder («Поиск жизни на Энцеладе»). Этот зонд будет исследовать образцы шлейфа с помощью инструментов, способных обнаружить большие молекулы и тщательно изучить их химический состав. Некоторые проекты даже предлагают доставить эти образцы на Землю для анализа.

Если повезет, зонды прибудут в эти океанские миры в конце 2020-х годов. Тем временем мы можем многое сделать, чтобы прозондировать скрытые глубины Европы и Энцелада. Мы можем исследовать их поверхность с помощью наземных телескопов, глядя на трещины, через которые вода может пробиться из океанов и оставить характерные отложения. Можем создать геофизические модели, объясняющие присутствие воды в жидком состоянии на небесных телах так далеко от Солнца и возникновение условий для поддержания жизни. При этом в наших поисках внеземной жизни мы можем руководствоваться примерами земной флоры и фауны, которые приспособились к экстремальным условиям.

Земные глубоководные гидротермальные источники на границах между тектоническими плитами, где магма пробивает морское дно, давно признаны очагами жизни. В мрачных глубинах вокруг гейзеров обжигающе горячей и мутной воды – в гидрогеологии их называют «черными курильщиками» – живут бактерии, которые питаются химическими веществами; многие другие виды организмов, в свою очередь, питаются этими микробами. Европа или Энцелад могут получать достаточно энергии от приливных толчков и притяжений со стороны своих планет-хозяев; благодаря этой энергии внутренности спутников плавятся и подпитывают гидротермальные источники.

Ученые не теряют оптимизма: шансы найти внеземную жизнь не так уж малы. В 2000 году в Атлантическом океане нашли Затерянный город. Это целая экосистема, процветающая вокруг гидротермальных источников, без малейшего намека на тектоническую активность. Жизнь Затерянного города подпитывает специфическая химическая реакция – серпентинизация. Когда щелочные породы из мантии Земли взаимодействуют с более кислыми водами океана, они генерируют тепло и извергают водород, который в свою очередь вступает в реакцию с углеродными соединениями, растворенными в морской воде, создавая пищу для микробов. Майкл Рассел, бывший геолог, а ныне астробиолог в Лаборатории реактивного движения НАСА (г. Пасадина, штат Калифорния, США), считает, что именно в таких местах, как Затерянный город, и могла зародиться жизнь на Земле.

Чтобы проверить, происходит ли это на Энцеладе, группа ученых проекта «Кассини» ищет водород в его шлейфах. Во время первых сближений с Энцеладом космический аппарат действительно обнаружил там водород, но не было никакой возможности определить, поступает ли он из самого спутника Сатурна или изнутри детектора. Дело в том, что когда частицы из шлейфа проникали в масс-спектрометр космического аппарата, они взаимодействовали с его титановыми стенками, производя водород. Поэтому специалисты должны были перевести детектор в новый режим, который регистрировал бы молекулы, не позволяя им касаться стен. Наконец, обработав данные последнего прохода «Кассини» через шлейф, они нашли молекулярный водород, который искали, – и его было много. В крошечной ледяной оболочке Энцелада или в его океане содержится слишком много водорода; следовательно, он должен постоянно вырабатываться там и, вероятно, гидротермальными реакциями.

Европа гораздо больше Энцелада. Скорее всего, на ней также протекают процессы серпентинизации, и благодаря своим размерам она может похвастаться гораздо большим количеством каменных пород, находящихся в контакте с морской водой. В 2016 году Кевин Хэнд и его коллеги из Лаборатории реактивного движения опубликовали статью о свойствах океана Европы, в которой предположили, что его химический баланс подобен земному. Расчеты основывались на допуске, что трещины под скалистым морским дном Европы могут простираться вглубь на 25 км. В этом случае увеличивается поверхность участков каменных пород, которые могут соприкасаться с водой и выделять большое количество водорода.

Насколько мы знаем, для обеспечения процессов жизнедеятельности живым организмам нужна энергия, которую они получают благодаря освобождающимся электронам. Для этого должна происходить реакция между оксидантами (окислителями) типа кислорода, которые присоединяют электроны, и агентами-восстановителями вроде водорода, отдающими электроны. У Европы, в отличие от Земли, нет атмосферы с кислородом, но мы знаем, что излучение Юпитера способно производить окислители на поверхности спутника. Хэнд с коллегами предположили, что эти окислители циркулируют между поверхностью и морскими водами. Это предположение можно проверить сейсмометром, зондирующим кору на борту будущего посадочного модуля.

Вполне возможно, конечно, что жизнь на других планетах подчиняется другим правилам и основывается на другом наборе строительных кирпичиков. Тогда что именно мы должны искать, если не органические молекулы и аминокислоты? Астробиологи размышляют над этим вопросом, но на него, вероятно, можно ответить, только найдя инопланетные формы жизни.

Если на далеких лунах мы сможем найти что-то похожее на глубоководные щелочные каналы, шансы обнаружить инопланетян возрастут. Возможно, нам также придется задуматься о том, что столь же благоприятные для жизни условия скрываются под оболочками других ледяных миров, таких как гигантские спутники Юпитера Каллисто и Ганимед или карликовая планета Церера. Теперь мы знаем, что в Солнечной системе распространены океаны, скрытые под замерзшими поверхностями. Возможно, таких планет во Вселенной большинство, в то время как наша голубая планета с ее своеобразными открытыми океанами является исключением.