Europa Clipper: в полет за внеземной жизнью

Есть еще промежуточный вариант. Не совсем задворки Земли, но и не другая планетная система. Это спутники планет-гигантов. Помимо спутника Юпитера Европы в кандидатах на привлекательные для какой-нибудь формы жизни рассматриваются Энцелад и Титан, вращающиеся вокруг Сатурна. Интригующую информацию о них собрал зонд «Кассини», который определил, что миниатюрный Энцелад точно обладает подледным океаном, из которого выбрасываются своеобразные гейзеры. А Титан вовсе можно было бы спутать с Землей из-за его атмосферы и рельефа. Разве что более привычные нам газы и минералы там заменены на углеводороды, а температуры крайне низкие. Но в любом случае это довольно динамичный и меняющийся мир, имеющий массу разнообразных органических соединений.

Не удивительно, что к отправке на Титан готовится миссия NASA Dragonfly, а Энцелад своей главной целью назвало Европейское космическое агентство для одного из следующих дорогостоящих проектов. Там будут тоже искать признаки жизни.

Три кита жизни

Но главным героем этого рассказа станет Европа, спутник Юпитера, который имеет все необходимые для поддержания жизни в широком смысле условия. Конечно, мелких факторов много. Но все так или иначе сводится к трем показателям: наличию жидкой воды, присутствию источника энергии и шести химических элементов, из которых состоят основные так называемые строительные блоки жизни: азот, кислород, сера, углерод, водород и фосфор. Давайте по порядку.

Первые достаточно детальные снимки Европы были сделаны еще в 1960-х годах. Тогда ученые пришли к выводу, что эта луна, скорее всего, состоит изо льда. Твердые доказательства этому были получены в 1979 году, когда «Вояджер-1» и «Вояджер-2» сфотографировали Европу, пролетая через систему Юпитера. Тогда было отмечено наличие разломов и хребтов на поверхности спутника, но при этом отсутствовали кратеры. Это указывало на то, что поверхность Европы крайне молодая по астрономическим меркам.

Расположение рельефных образований на поверхности Европы говорило о том, что она вращается со смещением, которое могла бы обеспечить жидкая прослойка между поверхностью и ядром. Все указывало на наличие океана. А когда во второй половине 1990-х систему исследовал зонд «Галилео», сделавший в расширенной миссии особый акцент на Европе, тезис о подледном океане уже выглядел доказанным.

Детали поверхности демонстрировали недавнюю геологическую активность, а изменение магнитного поля в районе Европы могло говорить о наличии соленого океана, который индуцировал эти отклонения. Дальнейшие исследования находили только новые доказательства того, что примерно под 20-километровым слоем льда находится океан глубиной около 100 километров. И в нем воды больше, чем во всех океанах Земли.

Около 98 процентов живой материи на Земле составляют разнообразные соединения углерода, кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Логично предположить, что наличие этих элементов сильно повышает вероятность поддержания жизни. Но без исследования на месте узнать точный химический состав материалов на Европе довольно сложно. И все-таки данные, собранные различными спектрометрами, в том числе при наблюдениях с Земли, позволили определить присутствие в выбросах на поверхности Европы и в ее тончайшей атмосфере всех упомянутых компонентов в составе различных соединений. Так что формально и этот пункт Европа выполняет.

Что же касается источника энергии, то он скрыт отчасти в недрах луны, отчасти – в ее окружении. Речь, конечно, о гигантском Юпитере. Приливные силы планеты то сжимают, то отпускают Европу. Это воздействие создает внутреннее тепло. Тут сложились факторы близости к Юпитеру, мощной гравитации планеты и небольшого эксцентриситета орбиты. В ближайшей точке к гиганту Европа находится на расстоянии около 664 тысяч километров, а в дальней – около 677 тысяч. Этой разницы достаточно, чтобы на отдельных участках орбиты луна сжималась сильнее.

Эффект, создаваемый приливным сжатием и растяжением, знаком каждому. Вспомните, какой горячей становится проволока, когда вы ее пытаетесь сломать, быстро сгибая из стороны в сторону. Под похожим воздействием оказываются недра Европы, которые, как предполагается, могут быть каменными или даже железными. Они обмениваются теплом с океаном, не давая ему промерзнуть вдали от Солнца. Так у далеких от звезды лун планет-гигантов появляется внутренняя энергия, необходимая для поддержания жизни. Даже на Земле известны организмы, которые выживают без крупицы солнечного света, питаясь лишь за счет геотермальной энергии из недр и химических соединений.

К слову, степень сжатия Европы сможет оценить и Europa Clipper. Это даст понимание структуры луны даже без заглядывания внутрь. Например, если у спутника Юпитера действительно есть 100-километровый подледный океан, то деформация составит около 30 метров, а если он полностью промерзший, то всего около метра. Но к этому мы подойдем, когда приступим к описанию инструментов зонда.

Производственные терзания

Когда появилась сама идея отправить отдельную исследовательскую миссию к Европе, в первую очередь речь шла о посадочном аппарате, который смог бы взять пробы материала и проанализировать их. Но отправка одной только миссии на поверхность выглядела слишком рискованной, дорогой и имела не самую очевидную пользу: посадка в неудачном месте, и годы ожиданий вкупе с миллионами долларов будут потрачены напрасно.

Поэтому все же решили сосредоточиться на орбитальной миссии. Лабораторией реактивного движения (JPL) NASA было предложено несколько концепций, предполагавших разную стоимость. Была даже идея объединить усилия с другими космическими агентствами и сделать масштабную программу. Но стоимость такого проекта выглядела неразумной. А уже тогда в NASA понимали, что, какую бы оценку стоимости они ни закладывали, все равно на выходе цена окажется выше.

Так и получилось, к слову. При первоначальной стоимости в 2 миллиарда долларов итоговая цена миссии превысила 4 миллиарда. Проекту пришлось пережить несколько существенных изменений. Например, команде очень хотелось объединить орбитальный зонд с какими-то другими аппаратами. Предлагались разные схемы: от отправки попутно небольших кубсатов до размещения на борту ударных зондов, которые могли бы врезаться в поверхность Европы, чтобы инструменты Europa Clipper изучили выбросы.

В 2016 году даже вернулись к идее посадочного модуля, совмещенного с орбитальным. Одобрили его. Но вспомнили, почему изначально отказались от этой задумки несколько лет назад: удорожание и риск. Поэтому договорились, что посадочная миссия на Европу будет отложена до лучших времен.

Концепция миссии посадочного модуля в представлении художника. Фото: NASA/JPL-Caltech, photojournal.jpl.nasa.gov

Сомнения были и относительно источника энергии для зонда. При проектировании инженеры рассчитали два варианта питания: от термоэлектрических генераторов на плутонии-238 до солнечных панелей. В 2014 году было решено использовать последние. Это оказалось дешевле, а риск нехватки энергии был не таким уж высоким, несмотря на дефицит солнечного света на орбите Юпитера. Зонд Juno, работающий сейчас там, доказывает, что и с солнечными панелями спокойно можно выполнять задачи. Правда, пришлось уже в процессе производства увеличить их площадь на Europa Clipper с 18 квадратных метров до 22.

Одним из наиболее принципиальных моментов для политиков и инженеров был способ запуска Europa Clipper. Конгрессу США очень хотелось похвастаться сверхмощным носителем SLS, который тогда только готовился к первому запуску. Планировалось, что эта ракета сможет «закинуть» 6-тонный зонд к Юпитеру по прямой траектории всего за три года с небольшим. И даже в требованиях к финансированию проекта прописали, что аппарат должен быть непременно запущен на SLS.

Но NASA аккуратно призывало политиков к благоразумию. Представители агентства в первую очередь напирали на то, что носители SLS необходимы для лунных миссий Artemis, и, если какую-то ракету отдать под нужды Europa Clipper, это может повлечь задержки в лунной программе. Кроме того, возникал вопрос стоимости. Цена одного запуска SLS приближалась к по-настоящему космической – до 1 миллиарда долларов. Альтернативы в виде Falcon Heavy и Delta IV Heavy выглядели гораздо дешевле. В условиях перерасхода средств это важный аргумент.

К тому же более поздний анализ конструкции показал, что для Europa Clipper запуск на SLS был бы сопряжен с большим риском из-за сильных вибрационных нагрузок при старте. Твердотопливные ускорители создают больше колебаний, и это потребовало бы пересмотра конструкции зонда. Таким образом, отказ от SLS сэкономил почти 2 миллиарда долларов. В итоге была выбрана Falcon Heavy, пусть и с удлинением маршрута.

Теперь путь до Юпитера займет пять с половиной лет. Трехнедельное пусковое окно откроется 10 октября 2024 года. Для достижения планеты-гиганта потребуется провести два гравитационных маневра. В феврале 2025 года Europa Clipper воспользуется помощью Марса, а в декабре 2026-го – Земли. Войти в систему Юпитера при таком полете аппарат должен к 11 апреля 2030 года.

Научное оборудование

Изменения касались и той полезной нагрузки, которую Europa Clipper несет на борту. Причем не обошлось без драмы. Всего изначально было предложено 33 научных инструмента от разных исследовательских институтов и групп. Тщательный отбор позволил остановиться на десяти приборах.

Но уже во время производственной фазы NASA из-за перерасхода средств должно было «отрезать» какой-то инструмент. Агентство отказалось от магнитометра Interior Characterization of Europa using Magnetometry (ICEMAG). Он должен был изучить внутреннее строение Европы, определив точно толщину ледяной корки и подледного океана.

От этого мощного прибора отказались, потому что у аппарата есть штатный более дешевый магнитометр ECM (1). По сути, у него те же возможности, что и у ICEMAG, но хуже разрешающая способность. Поэтому критики замены инструмента посчитали использование ECM бессмысленным. Якобы его невысокая точность не позволит узнать ничего нового о строении Европы. Но его «подстрахуют» оставшиеся приборы.

Другие первоначально выбранные инструменты остались в неизменном виде. Пробежимся по их функциям и характеристикам.

Europa Thermal Emission Imaging System (E-THEMIS) (2)– это инфракрасная камера с высоким пространственным разрешением. Она обеспечит съемку поверхности Европы в ближнем, среднем и дальнем инфракрасном диапазоне, что поможет выявить геологически активные участки, места выхода океанических вод на поверхность. Над такими участками особенно перспективно ловить мельчайшие частицы льда для их анализа другими приборами.

Инструмент Mapping Imaging Spectrometer for Europa (MISE) (3) уже представляет собой инфракрасный спектрометр, который позволит изучить химический состав поверхности Европы, выявить там органические соединения, соли и другие вещества. Опять же, изучение выбросов из океанских глубин даст указание на их возможную обитаемость.

Europa Ultraviolet Spectrograph (Europa-UVS) (4) – еще один спектрограф, но уже работающий в ультрафиолетовом диапазоне. С его помощью можно будет проанализировать состав шлейфов, выбрасываемых в тончайшую экзосферу Европы. Интересно, что в основу прибора легли исследования, проведенные с помощью телескопа «Хаббл». Похожим спектрометром удалось определить, что Европа до сих пор извергает своеобразные гейзеры.

Europa Imaging System (EIS) (5) представляет собой набор узко- и широкоугольных камер, которые помогут в оптическом диапазоне составить подробную карту поверхности Европы с разрешением от 50 до 0,5 метра на пиксель. Ученым и любителям эффектных космических фотографий гарантированы терабайты снимков с высокой детализацией.

Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface (REASON) (6) – это двухдиапазонный радар, который очень важен для построения приповерхностной структуры Европы. Он сможет заглянуть вглубь ледяной корки луны. Ученые надеются, что его мощности хватит, чтобы «просветить» поверхность до океана. Но также с его помощью будут искать так называемые водяные карманы, которые должны присутствовать на Европе. Это своеобразные озера, скрытые относительно тонкой ледяной коркой, которые могут иметь связь с внутренним океаном посредством каналов. Они должны наряду с гейзерами играть важную роль в геохимическом обмене на Европе.

Plasma Instrument for Magnetic Sounding (PIMS) (7) – с помощью этого инструмента ученые получат информацию о динамике магнитных полей вокруг Европы, о распределении плазмы. В связке с магнитометром PISM поможет определить толщину ледяной корки луны, динамику и объем ее океана, а также взаимодействие с мощным магнитным полем Юпитера. Это влияет на выветривание вещества с поверхности Европы, на ионизацию материала.

Mass Spectrometer for Planetary Exploration (MASPEX) (8) – универсальный масс-спектрометр, на который возлагаются большие надежды в плане определения химического состава как тонкой атмосферы Европы, так и любых материалов на ее поверхности. Отчасти дублирует, отчасти дополняет и перепроверяет данные других спектрометров. Это важные и, по сути, основные инструменты для определения химии луны и любых других космических тел.

Surface Dust Analyzer (SUDA) (9) – наконец, последний в списке, но не по значимости прибор. Запомните это название, возможно, именно ему суждено найти первые признаки жизни за пределами Земли. Это тоже масс-спектрометр, но он нацелен на анализ химического состава тех мельчайших частиц пыли и льда, которые сможет уловить во время сближения Europa Clipper с Европой. То есть им будут на месте непосредственно улавливаться фрагменты вещества.

Интригует разрешающая способность этого прибора. Во время его испытаний инженеры добились такой точности, что он способен даже частицы живой клетки распознать. И если каким-то чудом таковая попадет в анализатор, то у нас в распоряжении окажется не просто косвенное доказательство подходящих для жизни условий на Европе, а прямые аргументы в пользу того, что она там существует.

По ходу выполнения миссии подходящая для забора таких проб дистанция у Europa Clipper будет. Траектория предполагает 49 сближений с Европой на разные расстояния. В самой близкой попытке между аппаратом и поверхностью луны будет всего лишь 25 километров. Эти пролеты также позволят в качестве научного инструмента использовать передающую антенну связи зонда (10). Измеряя доплеровское смещение сигнала, ученые смогут оценить тончайшие колебания гравитационного поля Европы, вызванные деформацией из-за приливных сил Юпитера.

Есть на борту зонда и чисто символический груз. Пластину, которая закрывает приборный отсек, решили использовать в качестве доски с посланиями. Это похоже на сообщения внеземным цивилизациям, размещенные на борту «Пионеров» и «Вояджеров», но с той лишь разницей, что «записка» на Europa Clipper пределы Солнечной системы не покинет и скорее адресована самому человечеству, призывая его активизировать действия по исследованию других миров.

На пластине выгравировано стихотворение американской поэтессы Ады Лаймон, посвященное Европе. Также там нарисован портрет планетолога Рона Грили, вдохновившего эту миссию. Нашлось место и для знаменитого уравнения Дрейка, и для символического изображения гидроксильной группы, спектральных линий атомарного водорода. На обратной стороне в графическом волновом виде записано слово «вода» на 103 языках. На пластине закреплен и микрочип, содержащий имена 2,6 миллиона человек, которые записались на специальном сайте NASA, забронировав себе своеобразные билеты.

Пластина с посланием. Фото: NASA/JPL-Caltech, europa.nasa.gov

Основная миссия Europa Clipper должна завершиться в октябре 2033 года. Однако у нее большой потенциал для продления. Как показывает практика подобных проектов, у аппаратов остается еще достаточно много топлива для продолжения работы на орбите на протяжении еще нескольких лет. Так что данных о Европе и, возможно, в целом о системе Юпитера будет получено очень много. Они могут перевернуть представление о том, что из себя представляют океанические ледяные миры в окрестностях планет-гигантов.