Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Водный мир Европы

Под ледяным панцирем одного из спутников Юпитера – Европы, – очевидно, скрывается самый настоящий океан. Поначалу в это отказывались верить. И все же с каждым витком межпланетного зонда «Галилео», прибывшего к Юпитеру в 1995 году, астрономы убеждались: что-то скрывается под поверхностью Европы.

Диаметр Европы, самой маленькой из четырех больших лун Юпитера, – 3138 километров. Она чуть меньше нашей Луны. Это шестой по величине спутник планет Солнечной системы. Расположена же Европа в пять раз дальше от Солнца, чем Луна. Атмосферы на ней практически нет. Поэтому ее поверхность быстро остывает, не в силах удержать тепло, приносимое солнечными лучами. Температура здесь составляет —150 °C.

Холод хуже, чем в Антарктиде! Вся поверхность Европы выстлана водяным льдом – точно такой же лед покрывает в зимние месяцы наши реки и озера. Но если на реках лед успевает вырасти за зиму на десяток сантиметров, а затем снова тает, то на Европе за миллионы лет его толщина достигла многих километров. Благодаря ледяному покрову Европа является самой яркой из лун Солнечной системы. Ее альбедо равняется 0,64, иными словами, поверхность этого спутника отражает 64 % солнечных лучей, достигших ее. Лишь вмерзшие в лед минеральные вещества придают этой луне характерный красноватый оттенок.

Поверхность Европы покрыта многокилометровым слоем льда

Если бы не близость к Юпитеру – а Европа находится от него в среднем на расстоянии в 670 тысяч километров, – то твердь льда, сковавшая ее, была бы недвижима навеки. Однако сила притяжения Юпитера так велика, что буквально «сминает» соседние луны, разогревая их. По этой причине весь ледяной панцирь, покрывающий Европу, давно пришел в движение. В нем разверзаются многочисленные трещины, напоминающие марсианские каналы, как их рисовали сто лет назад. В этих черточках и полосках – протяженность их порой превышает тысячу километров, а ширина самых крупных достигает 20 километров – для нас проступают очертания трубопроводов, шоссейных и железных дорог. Словно неведомая цивилизация оставила свои следы на этой неприметной, казалось бы, луне. Впрочем, полет фантазии будет немедленно обуздан, стоит лишь вспомнить, что подобным орнаментом покрыты и льды близ нашего Северного полюса. Льдины дрейфуют, надвигаются друг на друга. Очевидно, они плывут, под ними разлита вода – жидкая, теплая вода. Магнитометр зонда «Галилео» зафиксировал в недрах Европы, как и в недрах еще двух спутников Юпитера – Ганимеде и Каллисто – жидкий слой, проводящий электричество. Вероятно, это – соленая вода.

Впервые ученые заподозрили это в 1979 году, когда в окрестности Юпитера побывали межпланетные зонды «Вояджер-1 и -2». На фотографиях, переданных ими на Землю, были видны бескрайние ледяные просторы, изрезанные множеством линий. А вот привычных кратеров почти не было замечено. На Европе обнаружилось очень мало кратеров. Диаметр лишь трех из них превышает 5 километров.

Почему? Ведь метеориты не могли миновать Европу. Они по-прежнему падали на ее поверхность, и тамошняя панорама, как принято было считать, наверняка напоминала лунный пейзаж. Но нет! Как выяснилось, любые шрамы, отметившие Европу, разглаживаются, ведь слои льда, выстилающие ее поверхность, время от времени сдвигаются, стирая все вмятины. Как это похоже на льдины где-нибудь близ Шпицбергена!

Предположительно подо льдами Европы скрывается океан глубиной до 100 километров. Расчеты показывают, что количество воды в нем примерно в два раза превышает объем воды в Мировом океане на нашей планете. Пока астрономы могут лишь приблизительно оценить толщину льда, покрывающего этот океан. Некоторые полагают, что она достигает сотни километров, другие ограничиваются цифрой 10–15 километров.

Ученые пока не могут детально описать процессы, протекающие в недрах Европы. До недавнего времени считалось, что вода здесь не замерзает потому, что под действием приливных сил твердый остов спутника постоянно деформируются, и это приводит к выделению значительного количества тепла.

Однако в 2008 году Роберт Тайлер из Вашингтонского университета показал, что за счет процессов, протекающих в глубинах самого океана, может вырабатываться примерно в 2000 раз больше тепла, чем считалось ранее. Благодаря приливным силам, создаваемым Юпитером, в океане Европы могут возникать особого рода волны, и это приводит к выделению огромного количества кинетической энергии. За счет этих волн Европа разогревается гораздо эффективнее, чем за счет любых других факторов.

Возможно, в этом океане имеются даже такие образования, как «черные курильщики» – своего рода оазисы подводной жизни. На нашей планете в окрестностях этих гидротермальных источников, расположенных на дне океана, можно встретить популяции микроорганизмов, приспособленных к самым суровым условиям и готовых жить в вечной темноте. Там даже обитают трубчатые черви метровой длины и креветки. Они беззаботно плещутся в воде, поедая микроорганизмы, которых там видимо-невидимо.

А почему бы подобному сообществу не прижиться и на Европе? Не раз высказывались предположения, что в здешнем океане могла бы существовать жизнь. Почему бы там не оказаться архебактериям – древнейшей форме микроорганизмов? Ученые полагают, что на дне тамошнего океана тоже имеются гейзеры или вулканы, выбрасывающие ледяную массу. Под действием притяжения Юпитера каменная мантия спутника деформируется, растрескивается, смещается. В этих зонах активной тектонической деятельности вполне могли бы поселиться бактерии. Ведь вода, тепло и органические молекулы, как подчеркивают астрономы, «это основные составляющие жизни».

Сообщество бактерий могло зародиться еще миллиарды лет назад, когда Юпитер напоминал второе Солнце. Он светился раскаленным газовым шаром, и потому на соседних с ним лунах было сравнительно тепло. Впоследствии Юпитер остыл, Европа покрылась льдом, но жизнь могла приспособиться и к этим изменившимся условиям. По крайней мере некоторые организмы, населяющие Землю, умеют претерпевать, казалось бы, самые неподходящие для них условия.

Люди давно задаются вопросом: «Есть ли жизнь во Вселенной?» Быть может, ответ на этот важнейший вопрос, одолевающий человечество, таится буквально «у порога Земли». Если это так, то наши представления о Вселенной во многом изменятся. Неужели космос и впрямь изобилует жизнью? В последние десятилетия мы как-то отвыкли от этой мысли. Вселенная стала казаться нам безжизненной ледяной пустыней. Пример Европы убеждает в том, что даже подо льдом может теплиться жизнь.

Впрочем, по сообщению журнала «New Scientist», ученые НАСА еще несколько лет назад, оценивая результаты экспедиции «Галилео», пришли к выводу, что условия, существующие на Европе, гораздо враждебнее всему живому, чем считалось прежде. Например, на поверхности спутника обнаружены участки, покрытые концентрированной серной кислотой. Предположительно она проникла сюда из недр планеты – из простирающегося там океана. Источником серы могут являться подводные вулканы.

Никаких следов существования жизни на Европе пока не найдено. Ясность должны внести последующие экспедиции. Давно говорится о доставке на Европу «криобота» – зонда, который совершит посадку на этой планете, расплавит участок льда, а затем спустит под лед миниатюрную подводную лодку. Пока же следует завершить рассказ о Европе словами, которые произнес писатель Артур Кларк: «Я надеюсь, что там есть жизнь».

Огненный мир Ио

Еще в начале 1979 года, когда межпланетный зонд «Вояджер-1» находился на пути к Юпитеру, теоретики рассчитали, что, очевидно, Ио окажется «наиболее разогретым объектом Солнечной системы». Как можно предположить, на поверхности Ио «периодически возобновляются извержения вулканов».

Эти пророческие слова содержались в статье, написанной тремя американскими учеными и опубликованной в «Science» в канун прибытия «Вояджера» к цели. Там действительно обнаружились вулканы. Еще эффектнее было случайное открытие, сделанное 8 мая 1979 года, когда «Вояджер» уже взял курс на Сатурн. Его фотокамера зафиксировала на обратной стороне Ио громадные фонтаны. Этот спутник проявлял активность!

Теперь мы знаем, что Ио – вероятно, единственная, помимо Земли, планета Солнечной системы, где есть действующие вулканы. Однако если на Земле они расположены в зонах геологической активности, прежде всего, вдоль границ литосферных плит (пример тому – Тихоокеанское огненное кольцо), то на поверхности Ио вулканы распределены почти равномерно. При этом они выбрасывают примерно в сто раз больше лавы, чем земные вулканы, и лава эта необычайно раскалена.

Ио – это поистине огненная планета. Здесь постоянно происходят извержения вулканов. Всего за четыре месяца, разделивших визиты к этой планете зондов «Вояджер-1 и 2», в одних регионах Ио извержения прекратились, в других, наоборот, начались. По этой причине карта спутника все время обновляется, в чем убедился зонд «Галилео», прибывший к Ио двадцать лет спустя.

Ио, вероятно, единственная, помимо Земли, планета Солнечной системы, где есть действующие вулканы

Наиболее примечательная особенность рельефа Ио – сотни вулканических кальдер, диаметр которых достигает 400 километров, а глубина – нескольких километров. Есть здесь и многочисленные озера из расплавленной серы. Поверхность планеты переливается самыми разными цветами. Эту окраску ей придают отложения серы и различных сернистых соединений. Обширные участки покрыты потоками лавы, растянувшимися подчас на несколько сотен километров. Обнаружены здесь и «горячие точки». Их температура достигает почти 2000 кельвинов. Возможно, это – потоки расплавленных силикатов. Недавние наблюдения, проделанные Космическим телескопом имени Хаббла, показали, что этот материал насыщен натрием.

Происходящее на Ио напоминает процессы, наблюдавшиеся на Земле свыше трех миллиардов лет назад. До первой экспедиции межпланетного зонда к Юпитеру большинство астрономов было уверено в том, что поверхность его спутников, в том числе Ио, усеяна метеоритными кратерами, как и поверхность Луны. Ожидания не оправдались. Возраст поверхности Ио – всего несколько миллионов лет. Здесь почти нет кратеров – растекающаяся лава быстро сглаживает их.

По мнению астрономов, вулканические извержения продолжаются на Ио уже миллиарды лет. Они начались вскоре после того, как Юпитер и его крупнейшие луны образовались из протопланетного облака. Этим буйством огненной стихии спутник обязан своей близостью к Юпитеру. Он расположен от него на расстоянии всего 420 тысяч километров. Орбита Ио пролегает там, где пересекаются гравитационные поля Юпитера и соседних спутников, Европы и Ганимеда. Они буквально растягивают эту луну в разные стороны. Это ведет к возникновению мощных приливных сил, которые сминают недра Ио, словно тесто. На Ио действие этих сил ощущается в 6000 раз сильнее, чем на Луне. За счет внутреннего трения планета разогревается – вот так можно накалить проволоку, перегибая ее из стороны в сторону. Именно этот перегрев и стал причиной бурного вулканизма на Ио.

Поначалу химический состав всех четырех крупных лун Юпитера был схож, однако за миллиарды лет Ио совершенно преобразилась. За одно столетие здешние вулканы выбрасывают такое количество лавы, что ее хватило бы на то, чтобы покрыть всю планету слоем толщиной в один сантиметр. Из-за постоянного разогрева все содержавшиеся на этой планете легкоплавкие, летучие вещества испарились. Давно исчезла вода, и теперь поверхность Ио усеяна серой, в то время как остальные три луны покрыты в основном водяным льдом. Впрочем, когда-нибудь с поверхности Ио улетучится и сера, но там станет только жарче. Лишь через два-три миллиарда лет, по оценке астрономов, Ио вырвется из своей «приливной ловушки» и начнет остывать.

Пока же на Ио зафиксирован рекордный для планет Солнечной системы перепад температур. Поистине здесь сошлись лед и пламень. В районе вулканов Ио температура достигает 1700 °C, там же, где их нет она равна 190 градусам ниже нуля. Это заставляет переосмыслить природу вулканизма на Ио. Если бы все сводилось лишь к выбросам серы, то температура в районе вулканов не превышала бы 1000 °C. Здесь же, вероятно, имеет место еще и выброс раскаленных базальтовых лав. Фонтаны, взметнувшиеся на полтысячи километров ввысь, образуются, когда диоксид серы проникает в базальтовый расплав.

В феврале 2001 года на Ио произошло крупнейшее извержение вулкана, которое когда-либо наблюдалось в нашей планетной системе. Площадь, охваченная им, составила около 1900 квадратных километров. Как показали измерения, проведенные зондом «Галилео», во время этого события вулкан Сурт выделил такое же количество тепла, как вся остальная поверхность Ио, включая все другие вулканы, действующие на этой луне.

Зонд «Галилео» обнаружил на Ио и горы высотой до 9 километров. Они не вулканического происхождения; они образовались в результате каких-то тектонических процессов. Очевидно, Ио обладает прочной корой – иначе бы планета не выдержала подобной «тяжести».

Под корой же Ио простирается мощный слой частично расплавленной магмы, который начинается уже на глубине 30 километров. К такому выводу пришли в 2011 году исследователи, проанализировав сведения, собранные почти десять лет назад зондом «Галилео».

«Поразительная вулканическая активность и очень высокая температура лавы свидетельствуют, что на Ио имеется глобальный резервуар магмы, однако доказать это долго не удавалось», – сообщает со страниц журнала «Science» Кришан Хурана из Калифорнийского университета. Тогда ученые заглянули внутрь Ио с помощью… Юпитера..

Эта планета обладает мощным магнитным полем, сквозь которое движется Ио. Поэтому в атмосфере спутника возбуждаются электрические токи. Потенциал создаваемого напряжения достигает 400 тысяч вольт. В таких условиях атомы ионизуются и улетучиваются в космическое пространство. Каждую секунду Ио теряет несколько тонн вещества, которое в виде плазмы перетекает к Юпитеру, образуя вокруг него кольцо. Пересекая это месиво плазмы, Ио вызывает возмущения в магнитосфере Юпитера. В его сторону устремляются волны заряженных частиц, заставляя его воздушную оболочку светиться. Наблюдаются вспышки – такие же яркие, как сполохи полярного сияния. Но, по оценке ученых, Ио может оказывать такое влияние на магнитосферу Юпитера только в том случае, если располагает слоем магмы толщиной не менее полусотни километров, причем более 20 % магмы должно пребывать в жидком состоянии.

Наблюдения за Ио в телескопы также дали любопытные результаты. Так, Джон Спенсер из обсерватории Ловелла в Аризоне определил, что там наблюдаются резкие перепады плотности атмосферы: этот показатель разнится примерно в десять раз. Аномалии обусловлены активностью здешних вулканов. На полюсах же Ио воздушная оболочка и вовсе по непонятной причине отсутствует.

А что еще любопытного приберегла для исследователей эта огненная луна?

Тайна происхождения колец Сатурна

В 1655 году нидерландский ученый Христиан Гюйгенс первым распознал кольцо в загадочных выступах, сопровождавших Сатурн. Но лишь четыре года спустя, убедившись в своей правоте, он объявил со страниц книги «Система Сатурна», что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

В 1675 году директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (позднее ее назвали «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их стали именовать кольцами А и В. Он же первым предположил, что кольца состоят из отдельных частиц.

Отныне гипотезы следовали одна за другой. На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов. Чем совершеннее становились телескопы, тем сложнее казалась структура колец. Сегодня – благодаря межпланетным зондам, побывавшим близ Сатурна, – мы знаем о них очень много. Астрономы насчитывают уже более 100 тысяч отдельных колец, окружающих планету. Они различаются по своему химическому составу и окраске. История их возникновения по-прежнему вызывает немало вопросов. Ученые продолжают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие природу колец.

На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов

В XIX веке французский астроном Эдуард Альбер Рош предположил, что один из спутников Сатурна настолько сблизился с планетой, что был разорван приливными силами, и из его обломков возникли кольца, окружающие теперь Сатурн. Ни один спутник, преодолевший так называемый «предел Роша», не может уцелеть; рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое со времени осядет на планету. В любом случае, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в ту эпоху, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.

По другой гипотезе, кольца образовались после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Многочисленные осколки, усеявшие окрестности планеты после коллизии, и послужили материалом, из которого формировались кольца. Расчеты показывают, что их возраст не превышает 100 миллионов лет.

Теперь известно, что кольца Сатурна на 90–95 % состоят из водяного льда. А вот небесные тела, которые могли бы послужить материалом для них, хотя бы наполовину состоят из различных силикатов и металлов. Поэтому кольца Сатурна тоже должны были бы содержать хотя бы несколько десятков процентов этих материалов. Разрешить это противоречие могут только новые гипотезы.

А что если кольца Сатурна, как и ближайшие к нему спутники, образовались вследствие одной и той же катастрофы? Такую догадку выдвинула в 2010 году американский астрофизик Робин Кануп. По ее предположению, в далеком прошлом вокруг Сатурна обращался еще один такой же крупный спутник, как Титан. Его ядро состояло из силикатов и железа, и он был покрыт мощным ледяным панцирем. Приблизившись к планете на расстояние, равное пределу Роша, он под действием приливных сил сбросил с себя эту ледяную оболочку, и та, постепенно распадаясь на все более мелкие части, стала кружить возле Сатурна, образовав многочисленные кольца. Что же касается железокаменного ядра спутника, оно рухнуло на Сатурн.

Расчеты показали, что кольца Сатурна когда-то весили в тысячи раз больше, чем теперь. Однако астероиды и кометы, иногда врезавшиеся в них, выбивали часть материала. Из него могли сформироваться внутренние спутники Сатурна – например, Тефия. В то же время силикаты и металлы, которые содержались в астероидах, пополняли материал колец – так появились те 5—10 % примесей, которые там обнаруживают.

Впрочем, у этой гипотезы, как и у других, о которых мы говорили, есть одни и те же недостатки. Например, после разрушения спутника возникают обломки самых разных размеров – от кубиков льда до ледяных гор, протянувшихся на десятки километров. На деле же ни одна из льдин, образовавших кольца, не превышает в длину 10 метров. Другое дело, если кольца Сатурна возникли одновременно с планетой! Тогда – из-за мощного противодействия гравитации – мелкие льдинки не могли бы сбиться даже в комья размером с дом. Кроме того, разрушение спутника, – это чистая случайность, а кольцами окружены все планеты-гиганты, поэтому в случайность не очень-то верится. Многие астрономы склонны теперь считать, что кольца вокруг планет сформировались одновременно с ними.

Значит, эти кольца состоят из вещества, сохранившегося со времен возникновения Солнечной системы? В ту пору вокруг Солнца обращался громадный газопылевой диск, из материала которого одна за другой рождались планеты. Остатки же космических заготовок – все эти ледышки и пылинки – теперь вращались среди новоиспеченных планет, постепенно скатываясь в комья спутников. Однако те могут возникнуть только в некотором отдалении от планеты, иначе быстро разрушатся. Поэтому близ планет-гигантов некоторое время сохранялись фрагменты газопылевого диска, образовавшие затем отдельные кольца. Из-за частых столкновений друг с другом, а также действия мощных приливных сил все эти крупицы и комья так и не составили один-единственный спутник. В случае если эта гипотеза верна, материал колец постоянно пополняется веществом с поверхности спутников Сатурна – иначе бы кольца испарились за несколько сотен миллионов лет.

Тем временем астрономы обнаруживают все новые кольца Сатурна. Так, несколько лет назад было замечено неизвестное прежде громадное кольцо. В принципе, системы колец планет-гигантов довольно малы по сравнению с самими планетами. По оценке астрономов, их радиус не превышает 5—10 радиусов планеты. Так, радиус самого большого из известных до недавнего времени колец Сатурна – кольца E – не превышал 10 радиусов Сатурна (его экваториальный радиус – 60 тысяч километров).

Как показывают наблюдения, внешние кольца Сатурна постоянно подпитываются пылью, вылетающей с поверхности его спутников после столкновений с микрометеоритами. Именно из нее и состоит кольцо, обнаруженное только в 2009 году. Его радиус составляет от 100 до 200 радиусов Сатурна, и сформировано оно из пыли, выброшенной с поверхности Фебы, самого далекого и темного спутника планеты. Обнаружить новое кольцо удалось благодаря инфракрасному излучению, которое оно испускает. В отличие от других колец Сатурна оно располагается не в экваториальной плоскости планеты, а в плоскости орбиты, по которой та обращается вокруг Солнца. Угол между двумя плоскостями составляет около 27 градусов.

Плотность этого кольца – всего 20 частиц на кубический километр (!). По словам астронома Энн Вербискер из Виргинского университета, руководившей исследованием, «частицы кольца располагаются так далеко друг от друга, что, если оказаться внутри него, сразу даже не заметишь этого». Тем более, что размер частиц зачастую не превышает нескольких микрометров.

Похоже, что пылинки, вылетающие из этого кольца, оседают на обращенную к нему поверхность еще одного спутника Сатурна, Япета. Это объясняет странный облик этой луны. Она отчетливо делится на две половины, светлую и темную. По оценке ученых, высота слоя пыли, покрывающего одну из ее сторон, составляет от 20 сантиметров до нескольких метров.

Возможно, тайну колец Сатурна прояснит зонд «Кассини». Окончание его миссии намечено на 2017 год, но прежде чем он сгорит в атмосфере Сатурна, он исследует его кольца, определит количество примесей, которые те содержат, и оценит массу колец.