Life on other planets — ABC Chemicals

Серия миссий на спутники Юпитера и Сатурна раскрыла их потенциал для жизни. Нина Нотман смотрит в небо

После серии неудачных миссий в июле 1965 года появились первые удачные полеты на Марс. US Mariner 4 стал первым космическим кораблем, который сделал снимки других планет крупным планом, испуская 22 изображения поверхности Марса, нанесенной ударом, на Землю. С тех пор более 20 успешных миссий исследовали атмосферу и поверхность красного растения.

Благодаря собранным изображениям и данным — и телескопам, как на Земле, так и в космосе — мы теперь знаем, что миллиарды лет назад у Марса было три важнейших компонента для жизни. На его поверхности было множество химических строительных блоков, жидкой воды и источника энергии (вулканическая активность) для питания химических реакций, которые делают возможной жизнь (на Земле этот источник энергии — солнце). Сегодня считается, что негостеприимная поверхность Марса непригодна для жизни, но не исключена возможность существования жизни под ее замерзшей поверхностью. На сегодняшний день, однако, никаких доказательств жизни — древних или нет — не было найдено. Оказывается, Марс пригоден для обитания, но это не значит, что у него есть среда обитания.

Life on other planets - ABC Chemicals

Поиски марсианской жизни продолжаются, и в ближайшие несколько лет планируется запустить еще три миссии на Марс. В долгосрочной перспективе ряд космических агентств также стремятся собрать образцы с Марса и вернуть их на Землю для более глубокого анализа. И поиск признаков внеземной жизни простирается до глубины нашей солнечной системы и за ее пределами.

Europa

Газовый гигант Юпитер, следующая планета за пределами Марса в Солнечной системе, негостеприимен для жизни в любой мыслимой в настоящее время форме. Но его ледяные луны — особенно Европа — имеют потенциал. Множество миссий пролетело мимо Юпитера и его лун по пути в другие места, но миссия НАСА «Галилео» была первой, разработанной для того, чтобы специально вращаться вокруг планеты и изучать ее луны. Он собирал изображения и данные в системе Jovian с 1995 по 2003 год, минуя Европу 12 раз.

Life on other planets - ABC Chemicals

Фотографии и данные, собранные этим космическим кораблем, показывают, что Европа имеет слоистую структуру, подобную Земле: богатое железом ядро, скалистая мантия и ледяная корка. Измерения магнитного поля обнаружили электрический ток внутри, совместимый с соленым жидким океаном под толстой коркой льда вокруг всей планеты. Фотографии, показывающие огромные трещины на льду, сделанные той же миссией, подтверждают эту идею.

Поверхность Европы напоминает морской лед Земли в Антарктиде, объясняет Франсуа Пуле из Института космической астрофизики в Университете Париж-Суд во Франции: «Это указывает на то, что лед геологически довольно молод, и это может быть доказательством его взаимодействия с резервуаром жидкости вода.’ В декабре 2012 года космический телескоп Хаббл также обнаружил водяной пар над южным полюсом Европы, и было высказано предположение, что это произошло из-за извержения водяных шлейфов. Однако космические корабли еще не видели этих шлейфов, поэтому, если они существуют, они должны быть прерывистыми.

Таким образом, Европа, вероятно, имеет воду. Но как насчет двух других необходимых компонентов, чтобы быть пригодными для жилья? У него есть источник тепловой энергии, возникающий в результате трения, притягивающегося к гравитационному полю Юпитера различными величинами на разных этапах его эллиптической орбиты. Вокруг Юпитера также имеется много радиации, которая потенциально может инициировать химические реакции (достаточно сильные, чтобы также очень быстро разрушить любое образовавшееся органическое соединение). Но есть ли у него правильные сырые химические ингредиенты, пока неизвестно; Моделирование предполагает, что это возможно, но необходимы более точные данные.

В 2022 году Европейское космическое агентство (ESA) и НАСА планируют запустить космический корабль, который будет тесно связан с Европой. Исследователю ЮСА «Ледяные луны» ЕКА (сок) понадобится более семи лет, чтобы достичь системы Юпитера. «Мы прибудем в конце 2029 года и начнем работу в 2030 году», — говорит Пуле, член команды, разрабатывающей на борту видимый и инфракрасный спектрометр под названием Majis (спектрометр Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). Основной целью миссии «Сок» является Ганимед, еще одна из спутников Юпитера, но Европа получит два мухы. Маджис будет характеризовать состав поверхности этой луны и — вместе с ультрафиолетовым спектрометром на борту — определять состав очень тонкой атмосферы Европы. Другие камеры и спектрометры также помогут лучше понять интерьер и кору этого ледяного мира.

Для миссии Nasa Europa Clipper Европа является звездой шоу. В то время как очевидная миссия состояла бы в том, чтобы вывести на орбиту Европу в течение нескольких лет, любой космический корабль, который делает это, будет подвергаться воздействию сокращающего жизнь излучения Юпитера. Вместо этого Europa Clipper будет вращаться вокруг Юпитера, погружаясь и выходя из его радиационного пояса. В течение трех с половиной лет он будет выполнять не менее 45 закрытых полетов Европы. Смесь камер и спектрометров позволит исследовать Луну и ее слабую атмосферу. Если водяные перья над Южным полюсом действительно существуют, он также сможет пролететь через них и, следовательно, непосредственно измерить химический состав океана Луны. Если Europa Clipper запускается в 2022 году, для него возможны два времени прибытия: 2025 год, если используется новая система запуска ракеты-носителя НАСА (SLS), которая в настоящее время находится в разработке, или январь 2030 года, если используется традиционная ракета.

Энцелад

Луны соседа Юпитера Сатурна также являются главными целями в поисках инопланетной жизни, особенно Энцелад и Титан. Кассини прибыл в систему Сатурн в 2001 году и провел 23 облета Энцелада и 127 Титана, прежде чем миссия закончилась в сентябре 2017 года.

Life on other planets - ABC Chemicals

Первый облет Энцелада поднял флаги о том, что раньше это не было безвоздушным ледяным телом, объясняет ученый проекта Кассини Линда Спилкер. Итак, Кассини подошел ближе, а затем снова ближе. «На третьем пролете мы обнаружили в тепловом инфракрасном диапазоне горячий Южный полюс и увидели близкие переломы четырех тигровых полос», — говорит она. Разметка тигровой полосы возле Южного полюса на 200 ° С теплее, чем на остальной части Луны. Как и в Европе, предполагается, что трение, вызванное гравитационными силами от Сатурна, означает, что Энцелад нагревается изнутри.

Этот третий пролёт также собрал свидетельство выброса струи материала из полос. «Конечно, это нас заинтриговало насчет Энцелада, — говорит Спилкер. «Некоторые из следующих 20 мух пролетели прямо через материал шлейфа и взяли пробы газов и частиц в нем. Именно тогда мы нашли водяной пар, соленый резервуар и органику.

Ионный и нейтральный масс-спектрометры на борту Cassini обнаружили органические молекулы в перьях, как в газах, так и в частицах внутри него, вплоть до предела прибора. «Они могли обнаружить до 100 единиц атомной массы. Есть группы С2 до C6 и, возможно, дальше », — объясняет Спилкер.

Мы нашли водяной пар, соленый резервуар и органику от полярных струй Энцелада

Хотя было «очень интересно найти эти органики», пока невозможно сказать, были ли они сформированы живыми существами или нет, объясняет она. «В приборе нет способа провести такое различие, нам нужно вернуться к более мощным масс-спектрометрам, выходящим в гораздо более широкий диапазон, в котором можно было бы искать родительские молекулы с большой цепью, такие как аминокислоты и жирные кислоты».

Другими интересными находками в данных шлейфа были избыток водорода и обнаружение крошечных зерен нанокремнезема, которые могут образовываться только в очень горячей воде. «Эти две части информации вместе указывают на наличие гидротермальных жерл на морском дне Энцелада», — говорит Спилкер. Гидротермальные жерла образуются в местах, где морская вода встречается с магмой. Вода падает в трещины в ядре, нагревается, а затем снова выходит с силой.

На Земле гидротермальные жерла кишат организмами, которых больше нигде не видно. Эти микробы получают энергию из питательных веществ в богатых минералами жидкостях, поступающих из ядра Земли. Считается, что они единственные организмы на Земле, которые в конечном итоге не получают свою энергию от Солнца. Гидротермальные жерла на Энцеладе и других планетарных телах, следовательно, являются потенциальными местами для жизни.

Считается, что Энцелад, как Европа, имеет ледяной покров под глобальным океаном. Изучение данных Кассини за 10 лет, изучающих вибрацию Луны, показало, что ядро и кора не связаны друг с другом. «Чтобы отделить их, нужно иметь глобальный океан с жидкой водой», — говорит Спилкер. «В настоящее время есть оценки, что этому глобальному океану на Энцеладе может быть от сотен миллионов до даже миллиардов лет — он мог бы даже существовать с момента образования Энцелада». Это захватывающе, потому что это означает, что в огромном водоеме было огромное количество времени для жизни, чтобы сформироваться, объясняет она.

Данные, собранные Кассини, показывают, что Энцелад имеет три ингредиента, необходимые для поддержания жизни, но никаких доказательств того, что жизнь действительно присутствует, пока не найдено. Телескопы, объясняет Спилкер, не слишком хороши для исследования этой луны: «Энцелад очень маленький и очень близко к Сатурну, что затрудняет его обнаружение с Земли». И по этой причине желательна дальнейшая миссия, объясняет она.

Титан

Кассини был не первым космическим кораблем, посетившим спутники Сатурна. Вояджер-1 посетил регион в 1980 году. Когда исследователи вернулись, чтобы обработать некоторые из этих старых изображений, после того, как Кассини обнаружил перья Энцелада, они поняли, что самолеты действительно были запечатлены на камеру 25 лет назад.

Однако именно Титан был главной целью миссии Вояджер Насы. В 1944 году астрономы использовали телескопы, чтобы обнаружить, что на этой луне была плотная атмосфера, содержащая метан. Данные, собранные космическим кораблем Voyager, показали, что это в основном азот, несколько процентов метана и небольшие количества углеводородов, таких как этан, пропан и ацетилен. «В середине 1990-х годов у нас были измерения в инфракрасной космической обсерватории, которые помогли нам найти более сложные молекулы», — объясняет Сара Хёрст, химик-атмосферщик из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, США. «Бензол был самой тяжелой молекулой, о которой мы знали до Кассини», — добавляет она.

Химия очень быстро усложняется на Титане

«Кассини попал туда и начал проводить измерения атмосферы, и вместо того, чтобы находить вещи с массой 78, например, бензол, Кассини обнаружил, что в верхней части атмосферы Титана есть ионы, масса которых превышает 10 000», — говорит Хёрст. «Итак, это семь или восемьсот атомов углерода, а не шесть или семь атомов углерода».

Приборы на борту Cassini — и его зонд Гюйгенса, который приземлился на Титане в январе 2005 года — не смогли идентифицировать эти ионы, просто подтверждают, что они существуют. Эти молекулы образуются, когда азот и метан за пределами атмосферы разрушаются ультрафиолетовым светом и излучением, а затем рекомбинируют различными способами. «Химия очень быстро усложняется на Титане, — объясняет Ральф Лоренц, также из Университета Джона Хопкинса. Хёрст соглашается: «Одна из самых важных вещей, которые Кассини рассказала нам о Титане, — это то, что химия еще сложнее, чем мы думали, до того, как мы туда добрались».

Считается также, что под ледяной поверхностью Титана находится океан с жидкой водой. «Вероятно, ледяная корка на Титане намного толще, чем на Европе и Энцеладе», — говорит Хёрст. Опять же, как предполагается для других лун с подземными океанами, там может существовать жизнь. Но это не единственная среда на Титане, где жизнь может сформироваться.

У Титана есть озера на полюсах. Это единственное место, отличное от Земли, где на поверхности жидкости есть жидкость. Но с температурой поверхности -180 ° С они не могут содержать воду. Миссия Кассини определила, что они полны переохлажденного этана и метана, которые являются газами на Земле. На Титане эти жидкие углеводороды образуют речные долины, образуют облака и выпадают в виде дождя. Но могут ли они также действовать как растворитель, необходимый для поддержания жизни?

«Если на поверхности есть организмы, им придется использовать химию, отличную от нас», — объясняет Хёрст. «Он все еще может быть основан на углероде, азоте, водороде и кислороде. Это может быть просто другой набор молекул, которые лучше работают при таких температурах с этим растворителем ».

Органическое вещество постоянно выпадает из атмосферы

«Мы не совсем понимаем весь спектр химических возможностей в неполярном растворителе, таком как жидкий метан», — объясняет Лоренц. «Предполагается, что возможно сформировать мембраны с акрилонитрилом. Идея состоит в том, что этот вид сборки называется азотосомой, аналогом липосомы в обычной биологической химии ». Метано-любящие и метан-ненавидящие концы молекул могут позволить акрилонитрилу образовывать сферические пузырьки, способные изолировать один набор химических веществ от другого.

«Мы знаем некоторые возможности для функций, которые должна выполнять химия акрилонитрила, чтобы в конечном итоге стать живыми, но мы не знаем, как все эти шаги можно сделать. Конечно, мы не знаем, как все эти шаги можно выполнить и в воде », — говорит Лоренц. «Так что это две разные среды, в которых мы должны искать жизнь на Титане. Мы можем искать жизнь, какой мы ее знаем, а также жизнь, которую мы не знаем, что усложняет ситуацию ».

Хёрст и Лоренц являются частью миссии на стадии идей, нацеленной именно на это. В декабре 2017 года Nasa объявила о дальнейшем финансировании для разработки возможности отправки вертолетного типа, похожего на дрон, под названием Dragonfly, для изучения пребиотической химии Титана. Весной 2019 года НАСА объявит, взлетит ли Стрекоза.

«Если нам повезет с финансированием Dragonfly, мы запустим его в 2025 году, а в 2034 году доберемся до Титана», — объясняет Лоренц. Стрекоза была бы квадрокоптером, способным пролететь несколько десятков километров в час, дальше, чем когда-либо путешествовал любой планетарный ровер. «Особенности среды Titan, с ее низкой гравитацией и плотной атмосферой, означают, что было бы очень легко переместить лабораторию с помощью роторов. Мы сможем взлететь и исследовать все более интересные цели », — говорит он.

Стрекоза будет держать набор инструментов для наблюдения за химией поверхности и атмосферы Титана. Он также будет способен зондировать под поверхностью, используя дрель и гамма-спектрометр. «[Используя их, мы получим] информацию о вещах, которые вы не всегда можете увидеть, если бы мы просто смотрели на поверхность», — объясняет Хёрст. «Органическое вещество постоянно выпадает из атмосферы и может скрывать все, что находится под ним».

До 2034 года телескопы будут продолжать использоваться для изучения Титана. «Большой миллиметровый массив Atacama, массив радиотелескопов в пустыне Атакама в Южной Америке, — это действительно невероятный ресурс для нас», — говорит Хёрст. «Они используют Titan в качестве цели калибровки, и все эти данные являются общедоступными. Люди уже открывают множество новых молекул в атмосфере Титана, используя эти данные ». Телескоп также позволит обнаружить информацию о том, как эти молекулы распределяются в атмосфере Титана. «И затем, как только Джеймс Уэбб запустит, мы надеемся, что мы сможем получить хорошую науку о Титане и с этого телескопа».

За пределами нашей солнечной системы

Запуск космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) запланирован на первую половину 2019 года. Он будет «припаркован» во второй точке Лагранжа, в глубоком космосе, где гравитационное притяжение Солнца, Земли и Луны нейтрализует друг друга. «Он просто будет сидеть и вращаться вокруг этой точки в пространстве», — объясняет Николь Льюис, астроном из Научного института космического телескопа в Балтиморе, США, где разрабатывается JWST. Это также научно-исследовательский центр космического телескопа Хаббла.

Наряду с изучением планет и лун в нашей солнечной системе, JWST будет выходить за пределы нашей солнечной системы и присоединиться к изучению экзопланет, способных укрывать жизнь. В феврале 2017 года было объявлено, что звезда Траппист-1 имеет семь планет размером с Землю, вращающихся вокруг нее. Всего за 39 световых лет эта солнечная система очень похожа на нашу. И по крайней мере три планеты находятся в так называемой обитаемой зоне, что означает, что они могут содержать жидкую воду на своих поверхностях.

Планеты Траппист-1 были обнаружены с помощью космического телескопа Спитцера, Малого телескопа-транзитера и планетезималей (Трапписта) в Чили и некоторых других наземных телескопов. И с момента их открытия команда под руководством Льюиса проверяла некоторые из атмосфер этих планет с помощью Хаббла. JWST добавит намного больше деталей к картине, которую ее команда в настоящее время формирует из этих экзопланет и их атмосферы.

JWST — это инфракрасный телескоп с гораздо большей чувствительностью, чем любой из его предшественников. Он сможет обнаружить химические отпечатки пальцев — если они там есть — компонентов атмосферы экзопланет, включая воду, метан, углекислый газ, кислород и озон.

Команда Льюиса также будет искать доказательства того, что на одной или нескольких из этих планет существует жизнь, изменяющая химический состав ее атмосферы. «Мы ожидаем, что некоторые химические вещества будут в равновесии, а затем жизнь нарушит этот баланс», — объясняет она. «Мы сможем обыскать большое количество планет в поисках этих признаков дисбаланса в их атмосферах, которые указали бы, что там есть жизнь».

Льюис явно взволнован тем, что может принести будущее. «Это будет очень трансформационное время с точки зрения экзопланет, а также науки о солнечной системе. Продвигаясь вперед, пытаясь понять луны в наших солнечных системах, а затем, возможно, их потенциал для поддержки жизни ». 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *