Луны-океаны, или Жизнь на дне

Под воздействием приливных сил разломы должны иметь четкую ориентацию на поверхности. Снимки Европы показали, что «правильным» с этой точки зрения образом ориентированы все молодые разломы, но чем старше они, тем больше отклонение от «правильного» направления. Этот признак указывает на дрейф ледяной коры относительно центра спутника. Причем с относительно большой скоростью. Около 12 тысяч лет требуется внешней оболочке Европы, чтобы совершить один оборот относительно ее недр.

Космический телескоп «Хаббл» и зонд «Галилео» позволили получить и прямые доказательства наличия воды в недрах Европы. Были зафиксированы и выбросы своеобразных гейзеров, состоящих из частиц воды. А более поздние наблюдения «Хаббла» доказали постоянное наличие водяного пара в тончайшей атмосфере Европы.

Источники этих выбросов в основном находились в районе южного полюса юпитерианской луны. Причем удаление выбросов от них превышало 150 километров. Впрочем, тут есть сомнения относительно происхождения воды конкретно в этих гейзерах. Она может выбрасываться не только непосредственно из подледного океана, но и из водяных карманов и рукавов, находящихся в толще ледовой коры этого небесного тела.

Такие карманы могут образовываться после ударов метеоритов. Выделяемое в результате удара тепло растапливает лед на некоторую глубину. Затем он замерзает снаружи, а внутри остается не замерзший объем воды, находящийся под давлением. И периодически жидкость оттуда выбрасывается через трещины, не связываясь при этом с водами глобального океана. Сами выбросы содержат почти чистую воду, но все же в ней есть примеси натрия, а также других элементов, которые, вероятно, были занесены в лед Европы метеоритами.

Основанные на моделировании и наблюдениях оценки размера океана говорят, что толщина ледяной корки колеблется от десяти до тридцати километров. Причем это лед с разными характеристиками: верхний – наиболее твердый, а нижний – «теплый» лед, мягкий, который и формирует различные рельефные образования, выходя на поверхность через разломы. Под ледяным панцирем находится слой жидкой воды толщиной примерно сто километров. И если эта оценка верна, то запасов воды на Европе в два раза больше, чем во всех океанах Земли.

Уже под этим слоем расположены скалистая часть Европы, ее мантия и металлическое ядро. То есть под океаном строение этой луны вполне соответствует строению землеподобных тел. Сама внутренняя часть выделяет некоторое количество энергии за счет собственного радиоактивного распада – как и в случае с Землей. Но основное нагревание происходит под воздействием приливных сил. Эта гипотеза подтолкнула исследователей к неизбежному выводу о том, что условия в океане Европы могут способствовать поддержанию некоторых видов жизни.

Скалистая часть луны в таком случае имеет свои вулканы, которые подобны подводным вулканам на Земле. Извергаясь, они обеспечивают окружающую воду не только теплом, но и разнообразными химическими элементами, чего достаточно для существования некоторых видов существ, которым не нужна солнечная энергия. Такие организмы-хемосинтетики есть в океанских глубинах на Земле: они живут, расщепляя сложные соединения в окружающей их воде.

Современные технологии не позволяют еще заглянуть так глубоко внутрь Европы, чтобы найти их в подледном океане. Но вот поиск следов таких организмов в тех же выбросах – это уже вполне перспективная идея. Хотя стоит понимать, что на поверхности условия для любого живого организма – несладкие. И не только из-за низкой температуры, но и из-за невероятной радиации. В радиационном поясе Юпитера на орбите Европы живой организм получил бы облучение, в сотни тысяч раз более сильное, чем на Земле.

Маленький, но активный

На орбите вокруг другого газового гиганта, Сатурна, есть своя интригующая луна, обладающая океаном. Это Энцелад. Он в три раза меньше Европы, но имеет не меньше перспектив считаться местом, где может обнаружиться примитивная жизнь. История детального исследования Энцелада тоже начинается с «Вояджера-2», который сделал снимки сияющей ледяной луны в 1981 году.

Но решающий вклад в изучение Энцелада внес зонд «Кассини». В 2005 году он обнаружил гейзеры, выбрасываемые на сотни километров из южных полярных регионов Энцелада. Они явно указывали на наличие океана подо льдом. За время своей работы на орбите Сатурна «Кассини» много раз сближался с Энцеладом, собирая все новые данные. Ему удалось и пролететь через шлейф от выбросов, что позволило обнаружить даже сложные органические соединения среди ледяных частиц. Именно эти частицы формируют внешнее кольцо Сатурна – кольцо Е. В самой плотной его части находится и создатель кольца – Энцелад.

Свое внутреннее тепло, удерживающее подледный океан жидким, Энцелад черпает из приливного взаимодействия с Сатурном, а также из либраций – колебаний на орбите. «Кассини» удалось также провести гравитационные исследования Энцелада, что подтвердило наличие океана как минимум в Южном полушарии. А плотность луны указывает на то, что помимо водяного льда и воды Энцелад имеет силикатные и железные недра.

При этом разогрев и толщина его коры неравномерны. Именно поэтому усеянное кратерами Северное полушарие выглядит гораздо старше, чем Южное, где находятся четыре разлома длиной около 130 километров, из которых и выбрасываются гейзеры. Там толщина ледяной коры составляет около двух-пяти километров, а сама поверхность усеяна крупнозернистым льдом и сформирована совсем недавно – счет идет на сотни и тысячи лет. Тогда как льдам Северного полушария миллионы лет. Но и находящиеся там кратеры подвержены деформации, указывающей на подвижность льда под ними.

Анализ инфракрасных данных показал, что подо льдом Энцелада существуют более теплые участки, вероятно, связанные с течениями в его океане или локальным разогревом ядра.

Ледяное разнообразие

Пример Европы и Энцелада вдохновил ученых в последние годы предполагать наличие подповерхностного океана практически у всех более-менее крупных спутников планет внешней Солнечной системы. Небольшие луны, которые уступают тому же Энцеладу в размере, скорее не располагают водными запасами, а состоят из некой смеси льда и камней. Но есть и крупные тела-исключения.

Особняком в системе Сатурна стоит Титан. Он крупнее Луны почти в полтора раза и внешне больше всех напоминает Землю, располагая плотной азотной атмосферой, озерами (вчетверо плотнее нашей), реками, сменой сезонов, ландшафтными образованиями наподобие дюн. Существенную часть его поверхности составляет водяной лед. А вот все жидкие субстанции – это углеводороды. Место земной воды там заняли метан и другие органические соединения. Но модели показывают, что в недрах Титана должно находиться горячее ядро, тепло которого часть ледяной коры растапливает. Таким образом, на глубине около 100 километров может находиться океан, представляющий собой очень густой рассол. Косвенно на это указывает и уже знакомый нам по Европе ускоренный дрейф коры.

Из соседей Европы в системе Юпитера подозрения на наличие океанов вызывают Ганимед и Каллисто. На поверхности Ганимеда, крупнейшего спутника в Солнечной системе, замечены похожие рельефные образования, такие же полосы, следы разломов, но их возраст гораздо больше, чем у Европы. Следовательно, если он и был когда-то геологически активным, то эти процессы угасли. Толщина ледяного слоя достигает 200 километров. Только под ним может находиться жидкая вода, которая не проникает на поверхность. В целом условия в предполагаемом океане Ганимеда не позволяют предполагать наличие какой-то жизни на основе хемосинтеза.

То же касается и Каллисто – второго по величине спутника Юпитера. Он находится дальше от планеты, чем Ио, Европа и Ганимед. При его формировании из силикатных и ледяных компонентов их разделение не было четким, хотя гипотезы предполагают, что на более поздних стадиях в недрах Каллисто сформировалась прослойка из водяного льда. Но она располагается глубоко и не проявляет себя на поверхности, которая усыпана кратерами и выглядит гораздо более древней, чем у Европы и Ганимеда.

Ледяными являются и многие спутники Нептуна, чья система мало изучена. Только Тритон – крупнейший из них, чуть меньше Европы, демонстрирует признаки геологической активности. Модели предполагают, что вряд ли под поверхностью сохранился водный океан, – слишком уж низкая температура даже для рассолов, а орбита не предполагает сильного разогрева приливным воздействием Нептуна. В то же время поверхность его достаточно молода.

Это скорее благодаря криовулканизму, чем внутреннему океану. Криовулканизм можно сравнить с земным вулканизмом, однако вместо расплавленных силикатных пород на поверхность вытекают – в виде своеобразной холодной лавы – азотные соединения, иногда водные растворы. Однако они могут быть не связаны с какими-то большими запасами жидкости под поверхностью, а представлять собой локально расплавленные низкотемпературные массы. Застывая, они формируют обновленный ландшафт.

Именно криовулканизм обеспечивает и обновление рельефа Плутона, некогда девятой планеты нашей системы, а теперь просто карликовой планеты (каких в системе очень много). Его покрытые застывшим азотным «снегом» и льдом равнины и возвышенности, которые представляют собой те самые криовулканы, образованы как раз извержениями «холодной лавы» из этих же вулканов. Подробную картину всего этого показал миру зонд «Новые горизонты». Эта геологическая активность, казалось бы, совершенно мертвого далекого от Солнца тела может быть обусловлена взаимодействием со спутником Хароном, который также имеет признаки криовулканизма, но в его случае спектральные данные говорят о покрытии водяным льдом, а не азотным.

Снимок поверхности Плутона, сделанный космическим зондом «Новые горизонты» в 2015 году. Видны следы криовулканизма на поверхности планеты (выделены голубым). Фото: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Isaac, Herrera/Kelsi Singer, space.com

Водяной криовулканизм характерен и для Цереры – карликовой планеты в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Ее природа и структура были хорошо изучены не только с помощью наземных телескопов, но и благодаря зонду «Доун». Массы этой более чем 900-километровой карликовой планеты оказалось достаточно, чтобы произошла дифференциация на тяжелое ядро и мантию, состоящую в значительной мере из водяного льда. Процесс радиоактивного распада в ядре мог какое-то время поддерживать прослойку жидкой воды под поверхностью. «Доун» обнаружил выход криовулканов на поверхность, причем достаточно молодых, чтобы появились утверждения, будто Церера геологически активна и сейчас. С уверенностью можно лишь говорить, что почти вся ее внешняя оболочка – это водяной лед с примесью силикатных материалов. И воды в ней больше, чем все пресноводные запасы на Земле.

Как видим, на сегодняшний день объектами, которые достоверно имеют подповерхностные океаны, доступные для изучения, с перспективой поддерживать примитивную жизнь, остаются Европа и Энцелад. В ближайшие годы как минимум о Европе мы получим больше любопытных сведений. Сейчас ее вместе с Ганимедом и Ио изучает зонд «Юнона», которому продлили работу в системе Юпитера как раз для этих целей.

В 2024 году NASA отправит для исследования Европы аппарат «Европа Клиппер» с большим запасом разнообразных научных инструментов, а ESA уже в 2023 году запустит зонд JUICE, который изучит Европу, Ганимед и Каллисто. Возможно, именно один из них первым даст ответ на вопрос – есть ли жизнь за пределами Земли.