Космос. От Солнца до границ неизвестного

1970-е и 1980-е

Два космических аппарата «Вояджер» впервые снимают крупным планом Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также некоторые их спутники.

1994

Комета Шумейкер – Леви 9 сталкивается с Юпитером.

1995

Мишель Майор и Дидье Келос обнаруживают планету, вращающуюся вокруг звезды главной последовательности 51 Пегаса. За этим следуетт шквал открытий экзопланет.

2005

Зонд «Гюйгенс» совершает посадку на Титане и делает первые снимки поверхности этого гигантского, окутанного смогом спутника Сатурна.

2016

Коллаборация LIGO сообщает о первом прямом наблюдении гравитационных волн, возникших в результате столкновения двух черных дыр.

3

Среди гигантов

Каждая из четырех планет-гигантов Солнечной системы по-своему примечательна – на них бушуют ужасающие ураганы, дуют сверхзвуковые ветры; в вышине проплывают диковинные облака, а поверхность первобытных вод скрывает неизмеримые глубины. Не менее удивительны и спутники этих планет, с их океанами, олицетворяющими первобытный ужас и мрак, вулканами, гейзерами и проливными метановыми дождями.

Царь-планета

Юпитер превосходит по массе все остальные планеты Солнечной системы, вместе взятые. Его гравитация формирует пояс астероидов. Его мощное магнитное поле содержит жесткие радиационные пояса. Попутно Юпитер выполняет роль «чистильщика» в Солнечной системе, избавляя нас от нашествия бродячих комет – его гравитационное поле служит для землян щитом безопасности.

В июле 2016 года зонд «Юнона» вышел на орбиту вокруг Юпитера. НАСА отправило космическую межпланетную станцию, чтобы изучить протекающие на планете процессы и ее структуру. Девять приборов «Юноны» старательно проникали своим механическим взором в глубины гигантских бурь, которые постоянно бушуют на Юпитере. Зонд рисовал картину распределения гравитационных и магнитных полей, искал признаки твердого ядра и наблюдал всполохи полярных сияний, лихорадящих атмосферу планеты.

У «Юноны» была необычная траектория. Путь космической станции пролегал не вдоль экватора газового гиганта, а над его полюсами. Это удерживало станцию на безопасном расстоянии от радиационных поясов Юпитера, которые представляют несомненную опасность для электроники и электрических систем космических аппаратов.

Космический аппарат облетел вокруг Юпитера 37 раз. В начале 2018 года отдали команду жесткой посадки на планету, и «Юнона» перестала существовать.

Первые данные, полученные в апреле 2017 года, бросили вызов всем нашим представлениям о планете, от ее атмосферы и до внутреннего строения. В атмосфере Юпитера, вдоль его экватора, нашли плотную зону аммиачного газа; в других областях аммиак был более разрежен. Несомненно, формирование погоды Юпитера сильно зависит от присутствия аммиака. Мы и раньше знали, что Юпитер окутан аммиачными облаками, но существование проникающего на такую глубину пояса аммиачного газа – а он тянется вглубь под облака на 300 км – оказалось сюрпризом. Погода на Юпитере затрагивает обширный диапазон высот – это также стало для ученых новостью.

Еще одна неожиданность: магнитное поле Юпитера оказалось очень мощным, а у магнитосферы неправильная форма. Искривление поля может быть вызвано необычным динамо-эффектом: он формируется в нескольких внутренних слоях Юпитера, которые расположены далеко от ядра – возможно, в слое металлического водорода.

Уже на первых этапах исследования планеты зонд получил важные сведения о ее атмосфере. Камера зафиксировала и отослала на Землю снимки десятков гигантских, шириной в сотни километров циклонов, бушующих над полюсами. Ранее об их существовании даже не подозревали. В поясах к югу от юпитерианского экватора замечены странные белые овалы. Возможно, это облака, состоящие из аммиака и гидразина. Последнее вещество используют на Земле в качестве ракетного топлива.

Растворяющееся ядро

Зонд бросил вызов и моделям внутренней структуры Юпитера. Раньше считалось, что внутри он довольно однороден: атмосфера, состоящая из молекулярного водорода, простирается вглубь примерно на 1000 метров. Предполагалось, что в более низких слоях из-за огромного давления водород превращается в металл: протоны блуждают в море электронов; капли гелия и других элементов могут в виде дождя падать из атмосферы. А еще ниже, на глубине 70 000 км, должно было находится небольшое твердое ядро. Такая картина строения Юпитера основывалась на данных о гравитационном поле планеты.

Но самые первые измерения гравитационного поля, выполненные «Юноной», внесли коррективы в эту модель. Оказалось, что внутренние слои планеты не столь однородны по своему составу. Ядро Юпитера не твердое, как у Земли, а скорее «размытое» – в него проникают вышележащие слои металлического водорода. Такая картина соответствует более ранним расчетам (2011) внутреннего строения Юпитера, согласно которым твердое ядро планеты может постепенно растворяться, подобно таблетке, брошенной в воду.

В настоящее время считается, что планеты-гиганты – такие как Юпитер и Сатурн – на начальных этапах своего развития являются твердыми телами, состоящими из камня и льда. Затем, когда они достигают десятикратной массы Земли, их поле тяготение начинает всасывать газ из родительской туманности. Вокруг них образуется плотная атмосфера, состоящая в основном из водорода. Забавно, но, согласно некоторым исследованиям, масса юпитерианского ядра меньше десяти масс Земли, в то время как в ядре меньшего собрата Юпитера, Сатурна, «упаковано» от 15 до 30 Земель.

Некоторые исследователи предположили, что большое давление и температура в сердцевине Юпитера могут привести к тому, что его ядро растворится в окружающей атмосфере, которая при таком высоком давлении ведет себя как жидкость. Хью Уилсон, ныне работающий в Государственном объединении научных и прикладных исследований (CSIRO) в Мельбурне (Австралия), и Беркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли (США) использовали уравнения квантовой механики, чтобы понять, как ведет себя минеральный оксид магния – считающийся составной частью ядра Юпитера – при давлении, подобном давлению Юпитера (примерно в 40 миллионов раз больше нормального атмосферного давления на Земле), и температуре 20 000 °C. Они обнаружили, что в этих условиях оксид магния действительно растворяется в жидкой среде. Растворенные камни могут со временем смешаться с остальной атмосферой.

На Сатурне, масса которого составляет около трети массы Юпитера, условия не столь экстремальны. Если ядро Сатурна и растворяется, то, согласно проведенным расчетам, растворение будет медленным. В то же время на планетах массивнее Юпитера этот процесс протекает значительно быстрее. Из-за этого многие крупные экзопланеты могут вообще не иметь ядер (см. главу 7).

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.

Властелин колец

Сатурн – жемчужина Солнечной системы. Прекрасные кольца делают вторую по размерам планету уникальной. Это самая «прозрачная» из всех планет, плотность ее меньше плотности воды. Она вращается так быстро, что заметно сплющена на полюсах.

Миссия «Кассини» прибыла в окрестности Сатурна в 2004 году и нацелила на чудесный окольцованный мир свои многочисленные приборы. Показания этих приборов перевернули с ног на голову многие наши представления о планете. Уникальная аппаратура «Кассини» открыла на Сатурне новый удивительный атмосферный феномен – гигантский шестиугольник, нависший над северным полюсом планеты. Зонд также совершил турне по окрестностям Сатурна, исследуя его спутники: двуликий Япет, странно изъеденный коррозией Гиперион, усеянный гейзерами Энцелад и гигантский спутник Титан с его метановыми озерами и реками.

Эхо из глубин

Проникнуть взором под разноцветные облака Сатурна не смог даже «Кассини». Но в 2015 году зонду удалось получить некоторые интересные данные о его внутренней части. Возмущения в системе колец планеты указывали на цунами в масштабах всей планеты, мчащиеся вокруг экватора, и намекали на существование удивительных структур под облаками – возможно, гигантских водоворотов глубиной в тысячи километров, погребенную сферу света или нечто еще более странное.

В 1980 году первая миссия «Вояджера» обнаружила, что кольца Сатурна устроены по принципу спиралевидных волн плотности и отчасти похожи на рукава спиральной галактики. Большинство этих волн расходятся наружу; известно, что они формируются благодаря силе притяжения спутников Сатурна. Но несколько волн направлены внутрь, и исследователи подозревают, что это эхо гораздо более существенных волн, находящихся глубоко внутри планеты.

Согласно общепринятому мнению, Сатурн – это однородный жидкий шар, гомогенная смесь водорода и гелия; и теоретически это вещество может образовывать волны, которые бегут вдоль экватора. Волнообразная гравитация пиков и впадин на одной из таких планетарных волн вполне может вызвать спиральную волну в кольцах наверху.

Но не стоит делать конкретных выводов, основываясь на ограниченных данных «Вояджера». Филипп Николсон и его коллеги из Корнельского университета начали систематизировать наблюдения «Кассини», находившегося на орбите Сатурна до 2017 года. Они проследили во внутренних кольцах несколько спиралей, которые подтверждают основную идею: внутри жидкого тела планеты действительно бегут волны. А затем возникли странности.

Если планета представляет собой простой жидкий шар, то, согласно теории, скорость каждой волны должна определяться числом ее пиков. Волна с тремя вершинами движется медленнее, чем волна с двумя вершинами, и так далее. Исследователи ожидали увидеть по одному примеру каждого типа спирали, вращающейся со своей уникальной скоростью. Вместо этого Николсон с коллегами нашли три самостоятельных волны с тремя спиральными рукавами, скорости которых мало отличались друг от друга, а также две отдельных волны с двумя спиральными рукавами.

В качестве одного из объяснений можно предложить модель большого, твердого, колеблющегося ядра, при колебаниях которого возникают волны, интерферирующие с волнами жидкости сверху. Хотя это и соответствует общепринятым представлениям о формировании планет, в модель требуется внести некоторые коррективы, которые позволили бы объяснить существование этих специфических волн.

С другой стороны, на планете может быть слой, в котором водородно-гелиевая смесь ведет себя странно. В некоторой точке молекулы водорода и гелия могут распадаться на отдельные атомы, и смесь станет относительно прозрачной, создав светящуюся сферу с иными колебаниями. В этом случае спиральные рукава могли бы поведать нам о том, что происходит с веществом при таком давлении, то есть в таком режиме, который пока не могут моделировать наши компьютеры.

Самое странное, что несколько спиральных волн движутся почти со скоростью вращения Сатурна. Это может объясняться наличием устойчивых холмов и долин на планете. Но если Сатурн жидкий, это будет равносильно открытию водяных холмов в океане.

Если на Сатурне действуют те же законы физики, что и у нас, жидких холмов просто не может быть. Коллега Николсона Мариам Аль-Мутамид выдвигает еще одно предположение: глубоко внутри планеты существуют массивные вихри, менее плотные, чем окружающая жидкость, и потому обладающие меньшей гравитацией. Такая конфигурация может создать провалы в гравитационном поле Сатурна, что может объяснить наличие этих спиралей.

Начало кольца

Эффектные кольца Сатурна состоят из триллионов ледяных частиц, сплетенных в тысячи тонких нитей, над которыми властвуют крошечные луны. Винтообразные узоры в кольцах помогают некоторым исследователям изучать происхождение планет в пыльных дисках вокруг молодых звезд. Но происхождение самих колец до сих пор остается неясным.

Популярна идея, что кольца образуются, когда астероид или комета, пролетающие мимо планеты, распыляются под действием ее поля притяжения. Но это не объясняет, почему кольца Сатурна состоят в основном из водяного льда, в то время как кольца вокруг других газовых гигантов – скалистые.

В 2016 году Риюки Хуодо и его коллеги из университета Кобе в Японии создали новую модель образования колец. Они рассмотрели, как вращается в пространстве пролетающий объект: совпадает ли его кружение с направлением, в котором он движется вокруг планеты, или он делает сальто назад. Ученые обнаружили, что тела, вращение которых совпадает с направлением их движения вокруг планеты, легче раскалываются на куски, а их фрагменты более эффективно «засасываются» на орбиту. Это происходит, потому что гравитационное поле планеты сильнее притягивает ближнюю сторону маленького объекта и тянет его в том же направлении, в котором он движется. Если же гравитационное поле планеты работает в направлении, противоположном вращению объекта, оно не сможет захватить такое же большое количество вещества, как в первом случае.

Ученые также проанализировали, как Сатурн и Уран могут влиять на пролетающие мимо них объекты с различными типами вращения. Они построили модель, которая включала более сложные тела: не только однородные шары, но и гораздо более реалистичные объекты с твердым каменистым ядром, окруженным ледяной мантией.

Некоторые сценарии предполагают, что Сатурн притягивал только внешний слой замерзшей воды проходящего мимо тела, создавая протокольца, которые постепенно превратились в наблюдаемые ныне ледяные обручи. При моделировании аналогичных процессов на Уране, как правило, кольца получались более каменистые. Поскольку Уран плотнее Сатурна, его гравитационное поле может захватить большую часть более глубокой, скалистой оболочки проходящего тела.

Кое-что в этом сценарии озадачивает. В суматохе ранней Солнечной системы, около 4 миллиардов лет назад, Сатурн и другие планеты-гиганты, скорее всего, встречались с проходящими мимо телами. В результате большинство этих объектов сталкивались с планетами или были выброшены из Солнечной системы. С течением времени межпланетная пыль должна была загрязнить чистые ледяные кольца Сатурна. Но чистый водяной лед колец Сатурна свидетельствует о том, что кольца достаточно молоды. Наблюдения «Кассини» указывают на малую массу колец, то есть они не такие уж прочные и вряд ли существуют миллиарды лет. Может быть, Сатурну просто повезло, и в недавнем прошлом он встретил на своем пути ледяной мир, или же после каких-то орбитальных проделок он разорвал одну из своих лун? Или кольца все-таки древние, сохранившиеся со времен образования планеты, но почему-то оставшиеся чистыми?

Моря Титана

У неба здесь зловеще-оранжевый оттенок, но, в конце концов, оно всегда такое. Вдруг раздается ужасающий рев приближающегося вихря. Начинают собираться тучи, грозящие обрушиться потопом более сильным, чем Всемирный потоп. Даже бывалый инопланетный моряк задумается: а стоит ли лезть в глотку Кракена?

Когда-нибудь такая сцена на самом деле может воплотиться в реальность на Титане, гигантском спутнике Сатурна. Это единственный в Солнечной системе планетарный спутник с плотной атмосферой и, не считая Земли, единственный известный мир, на поверхности которого есть моря и океаны. На Земле реки заполнены водой, а горы сделаны из камня; на Титане текут реки из жидкого метана, а горы и равнины состоят из твердого как железо водяного льда.

Задолго до прибытия миссии «Кассини» ученые подсчитали, что метан и другие жидкие углеводороды могут накапливаться в морях – возможно, даже образуя глобальный океан. Но полной уверенности у нас нет, поскольку поверхность Титана скрывает слой оранжевого смога. Для того чтобы рассеять туман неизвестности, на борту «Кассини» находился посадочный модуль – зонд «Гюйгенс» – который умел плавать.

В 2005 году, когда «Гюйгенс» нырнул в смог, он прислал нам изображения пейзажа, очень похожего на земной. Зонд приземлился на каменистую отмель. Окружающая местность оказалась насквозь пропитана метаном и совсем не напоминала долгожданный океан.

Впервые озера на Титане обнаружил радар «Кассини» в 2006 году. Этот прибор мог смотреть сквозь смог, картографируя небольшой участок поверхности Титана каждый раз, когда «Кассини» проходил мимо. За несколько лет наблюдений удалось установить, что некоторые лужи оказались достаточно большими, чтобы считаться морями. Длина самого большого моря, названного морем Кракена (Kraken Mare) в честь монстра из скандинавской легенды, составляет около 1000 км.

23 мая 2013 года космический аппарат низко пролетел над вторым по величине морем Титана, морем Лигеи (Ligeia Mare). Радар был направлен прямо вниз, что позволяло прибору отслеживать высоту суши и моря – он посылал импульсы радиоволн, а затем измерял, сколько времени требуется для их отражения.

Когда ученые ознакомились с полученными данными, они увидели сигнал, отраженный от морской поверхности – как и ожидалось. А затем был обнаружен второй, слабый сигнал, который буквально через микросекунду отражался от морского дна. Так в первый раз за историю человечества измерили глубину моря за пределами Земли. Временной интервал между первым и вторым отражениями показал, что глубина Лигеи – около 160 метров.

Сюрпризом оказалось, что морское дно вообще можно увидеть. В атмосфере Титана очень много сложных молекул углеводородов, которые поглощают сигналы радара, и ученые предполагали, что эти молекулы будут серьезной помехой при сканировании океана. Таким образом, тот факт, что море Лигеи удалось просмотреть насквозь, говорит о том, что это море свободно от сложных углеводородов. Скорее всего, присутствует лишь некая смесь этана и метана.

Поскольку метан должен испаряться из морей довольно быстро, планетологи ожидали увидеть преобладание этана. Однако новые лабораторные данные показали, что этан слишком сильно поглощает радиоволны, и морское дно Титана было бы недоступно для радара. Поэтому ясно, что северные моря должны освежаться кристально-чистым метаном – возможно, за счет сезонных ливней вроде тех, которые пропитали огромные участки земной суши вблизи экватора в 2011 году.

«Кассини» также увидел в море Лигеи странную деталь, которая то исчезала, то появлялась. Некоторые исследователи предположили, что этот «волшебный остров» может быть плотом из пузырьков азота, с шипением выделяющихся из метана.

Глотка Кракена

Будучи самым большим инопланетным морем, море Кракена обладает особым очарованием, и большинство планов по исследованию морей на Титане связаны именно с ним. Море Кракена почти надвое рассечено мысами суши и цепочкой островов. Ральф Лоренц из Аризонского университета в Тусоне назвал эту зону Глоткой Кракена. Он предположил, что на этом водоразделе может происходить нечто необычное. Гравитационное поле Сатурна должно вызывать приливы в морях Титана. По мере движения Титана по орбите приливная волна в Глотке Кракена может подниматься и опускаться на один метр. Поскольку она поднимается на севере, то должна опускаться на юге, перекатываясь от одного берега к другому, просачиваясь сквозь Глотку Кракена. Согласно расчетам Лоренца, приливное течение может достигать скорости 2 км/час. Хотя это течение может показаться медленным, гравитация на Титане намного слабее, чем на Земле, а жидкость в тамошних морях намного легче, поэтому даже такое мягкое приливное течение может быть достаточно быстрым, чтобы привести Кракена в ярость. Лоренц сравнивает Глотку Кракена с западным побережьем Шотландии, где два острова обрамляют пролив Корриврекан. Здесь приливные течения превращают морскую поверхность в один из самых крупных в мире водоворотов. Может ли Глотка Кракена быть пристанищем для такого же водоворота? Если да, то это было бы любопытным совпадением: легенда гласит, что монстр, в честь которого названо море на Титане, создавал водовороты, которые увлекали моряков к гибели.

Жизнь во льдах

Могут ли в морях Титана обитать не только мифические, но реальные живые существа? Если и так, то они совершенно не похожи на земных. Каждая живая клетка на Земле – это мешочек, заполненный в основном водой и окруженный оболочкой из липидов. Ни один из этих компонентов не будет чувствовать себя достаточно хорошо на Титане – там слишком холодно для жидкой воды, где средняя температура на поверхности составляет –179 °C.

Но в 2017 году Морин Палмер и ее коллеги из Центра космических полетов Годдарда в Гринбелте (штат Мэриленд, США) сообщили об обнаружении следов винилцианида в азотной атмосфере Титана. Согласно исследованию 2015 года, винилцианид особенно хорош в формировании стабильных гибких структур, необходимых для создания подобия клеточной мембраны. По данным Палмер, на Титане много винилцианида. Большое количество строительного материала означает достаточно высокую вероятность того, что мембраны могут вырасти достаточно большими, чтобы поддерживать сложные структуры, такие как «клеточные внутренности».

Конечно, одних мембран было бы недостаточно, но высоко в атмосфере Титана зонд «Кассини» обнаружил молекулу, называемую анионом углеродной цепи, которая могла бы помочь созданию жизни. Рави Десаи и его коллеги из Университетского колледжа Лондона считают, что вблизи поверхности Титана эти анионы могут создавать основы для более крупных и сложных органических молекул.

Титанический полет

Бухты и пляжи в миллиарде километров от Земли; вид колец Сатурна, поднимающихся над волнами и водоворотами; экзотическая химия, которая могла бы пролить свет на происхождение жизни… Трудно найти более заманчивую цель путешествия, чем Титан. Некоторые планетологи разрабатывают проекты космического корабля или даже подводной лодки, чтобы исследовать его далекие моря.

В 2010 году Хантер Вэйт в Юго-Западном научно-исследовательском институте в Сан-Антонио (штат Техас, США) разработал концепцию подводной миссии. Его плавучая база несет подводный аппарат, который будет погружаться за счет заполнения полой камеры жидким метаном. Позже субмарина может сбросить камеру и снова подняться на поверхность.

На дне морей могут существовать органические отложения, содержащие залежи химических соединений – особенно если на дно из недр Титана просачивается жидкая вода, имитируя бескислородную, богатую органическими веществами среду ранней Земли. Подводная лодка также может измерять изотопную смесь различных химических веществ – возможно, это поможет геологам узнать, как образовался и развивался Титан.