Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Странные озера Титана

Немало загадок хранят и спутники Сатурна. Один из них – Титан. У громадной планеты и спутник ему под стать. Диаметр Титана – 5150 километров. Эта луна лишь немного уступает Марсу. Средняя плотность Титана, впрочем, невелика. Очевидно, он состоит из каменного ядра и обширной ледяной оболочки толщиной примерно в 80 километров.

Наблюдателю, попавшему на Титан, открылась бы удивительная картина. Высоко над горизонтом светятся огромные кольца Сатурна, рассекающие небо, словно молнии. Колышутся оранжево-красные тучи, отразившиеся в великих озерах из жидкого метана. Вулканы выбрасывают ввысь фонтаны воды и аммиака. Проносятся смерчи, проливаются метановые дожди…

Странным кажется этот мир, но все же он существует – и в последние годы все больше привлекает внимание исследователей.

С тех пор, как в 1655 году Христиан Гюйгенс открыл Титан, о нем мало что было известно. Под завесой облаков скрывалось, по словам астрономов, «самое большое белое пятно на карте Солнечной системы». Титан – единственный спутник в нашей планетной системе, окруженный плотной атмосферой, непроницаемой для оптики телескопов. Она состоит в основном из азота с примесью метана. Ее толщина достигает 300 километров. Близ поверхности Титана ее плотность примерно в 5 раз выше, а давление – в 1,5 раза выше, чем на нашей планете. Пока ученые не могут ответить на вопрос, почему у Титана такая мощная атмосфера, в то время как другие луны ее лишены.

Известный американский астроном Карл Саган после полетов зондов «Вояджер-1 и -2» первым предположил, что эта воздушная оболочка по своему составу весьма похожа на атмосферу нашей планеты в далеком прошлом. Процессы, протекающие на Титане, напоминают то, что происходило на Земле незадолго до того, как там зародилась жизнь. С тех пор разговоры об этом слышатся постоянно, хотя, по мнению ряда астрономов, сама постановка вопроса ошибочна. «Мы не можем точно установить, как выглядела тогда атмосфера Земли. Судя по имеющимся у нас моделям, она состояла в основном из азота и углекислого газа. Метан же в ней стал появляться благодаря бактериям», – отмечает геохимик Джеймс Кастинг из Пенсильванского университета.

Карта Титана

Наблюдения, проведенные в середине 2000-х годов зондами «Кассини» и «Гюйгенс», позволили узнать немало нового о Титане. Так, в июле 2006 года близ его северного полюса были обнаружены обширные темные области: сигналы радиолокатора буквально «тонули» в них. По мнению участника проекта «Кассини» Ларри Содерблома и его коллег, описавших свое открытие на страницах журнала «Nature», зонд обнаружил на Титане настоящий «озерный край». Здесь простирались десятки озер, достигавших в поперечнике от 3 до 70 километров. Они были заполнены очень чистой, прозрачной жидкостью – смесью метана и этана.

Три самых крупных озера, открытых на Титане, назвали «морями»: море Кракена, море Лигеи и море Пунги. Площадь каждого превышает 100 тысяч квадратных километров, а море Кракена можно сравнить с Каспийским морем. Его площадь – около 400 тысяч квадратных километров.

Озера распределены очень неравномерно. Ими покрыта примерно десятая часть всего северного полушария, в то время как в южном полушарии они занимают лишь 0,4 %. Первоначально астрономы полагали, что это объясняется различным составом грунта на Титане – тем, что в южной части планеты жидкость легче просачивается в грунт. Однако анализ его химического состава не выявил предполагаемых различий. Поэтому возникла догадка, что карта Титана разительно меняется в зависимости от сезона. В последние годы дожди шли в основном в северном полушарии, и здесь образовались многочисленные озера, в то время как на юге наступила засуха. Проблема в том, что эта гипотеза может объяснить лишь появление озер глубиной несколько метров. Однако в среднем их глубина на Титане составляет несколько сотен метров. За пятнадцать лет, пока в этой части планеты идут затяжные дожди (год здесь длится 29,5 земных лет), озера такой глубины не могут появиться или полностью высохнуть. Может быть, осадки, выпадающие на Титане, распределены очень неравномерно? Метан, испаряясь в южном полушарии планеты, перетекает на север и там проливается дождями – поэтому там больше озер?

Мы наблюдаем на этой луне настоящий круговорот метана – подобно круговороту воды на Земле. Он встречается в жидком, газообразном и твердом состояниях – все зависит от температуры и атмосферного давления. В зимний период метан конденсируется, а затем в виде осадков выпадает на поверхность, где скапливается в ложбинах или испаряется, чтобы вновь просыпаться снегом или пролиться дождем. В летнее время он стремительно испаряется; озера мелеют или полностью пересыхают. Нигде в Солнечной системе мы не встречаем ничего подобного.

А не могут ли эту планету населять микроорганизмы, выделяющие метан? Некоторые исследователи уже высказывали догадку, что на Титане могла бы возникнуть жизнь в виде бактерий, питающихся «углеводородным снегом» и выделяющих метан.

По мнению французского химика Даниэля Кордье, микроорганизмы, обитающие в озерах и морях метана, могли бы использовать энергию, которая получается при реакции водорода и ацетилена. Впрочем, его коллеги настроены скептично. Ведь для выживания микробов важно не столько наличие ацетилена в озерах, сколько постоянное перемешивание углеводородов. Только благодаря этому ацетилен и водород могут вступать в реакцию.

Энтузиастов разочаровали и данные, собранные зондом «Гюйгенс»: метан поступает в атмосферу главным образом из глубин планеты, а не с ее поверхности. «Этот метан не биологического происхождения, а геологического: он высвобождается из недр Титана, где скопился еще в пору его формирования», – отмечает американский астроном Хассо Ниманн.

Новости с Титана продолжают прибывать. По словам астрономов, его поверхность похожа на калейдоскоп, и никогда не знаешь, что увидишь в следующий раз. Так, на радиолокационных снимках обнаружились темные дюны высотой от 100 до 150 метров – наподобие тех, что можно увидеть у нас в Намибии или Сахаре. Возможно, на Титане имеются и особые вулканы – «льдодышащие горы», которые выбрасывают замерзшую лаву, а также клубы газов.

Пейзажи Титана порой удивительно напоминают что-то родное, земное. Вот длинный ряд заснеженных вершин высотой до 2000 метров – еще один знакомый, прямо-таки альпийский образ. Этот горный хребет, похожий на складчатые горы у нас на Земле, сложен из пористого водяного льда. Его вершины покрывает необычный снег – россыпь кристалликов метана или других органических веществ.

Наличие такой особенности рельефа побуждает строить догадки о том, что ландшафты Титана могут быть порождены привычными для Земли грозными силами – перемещениями литосферных плит. Или же эти горы образовались потому, что на протяжении всей своей истории Титан постепенно сжимался, и на его поверхности возникали «складки»? По расчетам Джузеппе Митри из Калифорнийского технологического института, за 4,5 миллиарда лет радиус Титана уменьшился на 7 километров. Эта «усушка» и может вызвать появление складчатых гор. Впрочем, подобная гипотеза отнюдь не нова. Еще в XIX веке геологи объясняли возникновение таких гор, как Гималаи и Альпы, тем, что Земля сжималась. Лишь в 1960-е годы возобладала теория глобальной тектоники плит.

Пока мы только начинаем понимать природу Титана. Нас ждет еще немало открытий.

Грандиозные фонтаны Энцелада

Один из шестидесяти спутников Сатурна, Энцелад, если чем и запомнился астрономам прежде, то своей слепящей белизной. Ведь его отражательная способность – альбедо – приближалась к 100 процентам. У Энцелада самый высокий показатель альбедо среди планет Солнечной системы. Для сравнения: Луна отражает лишь 11 % света, и потому наши ночи так темны.

Плотность Энцелада – 1,29 граммов на кубический сантиметр – лишь немного превосходит плотность воды, так что спутник, очевидно, в основном состоит из водяного льда. Сравнительно небольшой ледяной ком, достигающий в поперечнике лишь 500 километров, – таков Энцелад, еще одна мертвая глыба, витающая в космосе. На поверку глыба оказалась «громокипящей». Это – одно из самых геологически активных тел Солнечной системы.

Ослепительно белый Энцелад залит льдом, как бескрайний каток. В северном полушарии эту равнину еще прорезают частые рытвины кратеров, но чем ближе к южному полюсу, тем тщательнее отполирован лед. Ямки затянуло им, будто откуда-то, шутили ученые, из шланга, замаскированного на полюсе, миллионы лет хлещет вода, мигом выстуживаясь и стирая неровности ландшафта.

Спутник Сатурна Энцелад и его ледяные гейзеры

В самом деле, на фотографиях, присланных зондом «Кассини», – а в 2008 году он приблизился к Энцеладу на расстояние 25 километров, – отчетливо были видны гейзеры близ его южного полюса. Время от времени здесь взлетают фонтаны водяного пара и замерзающих тут же капель воды, взмывая на высоту до 750 километров. Кристаллики льда мчатся с поразительной скоростью – до 2180 километров в час, а затем просыпаются инеем на поверхность луны, стирая щербины древних кратеров, или, отдалившись от нее, притягиваются Сатурном и, долетев до ближайшего кольца, опоясавшего планету, ввиваются в густую череду катышков льда. Каждую секунду с поверхности Энцелада уносится в космос до килограмма ледяной крупы, пополняющей кольцо Е.

С этого спутника взметывается столько вещества, что меняется даже магнитное поле Сатурна. Оно заметно деформировано близ южного полюса Энцелада. Это обусловлено тем, что Энцелад окутан облаком ионизованных частиц – у него есть своя атмосфера. Она состоит, прежде всего, из водяных паров, а также содержит углекислый газ, азот, водород и моноксид углерода. Почему такой крохотный спутник обладает воздушной оболочкой, ведь его массы недостаточно, чтобы удерживать атмосферу, пусть и очень разреженную? Окрестности Сатурна изобилуют атомами водорода и кислорода. Они образуются вследствие разложения молекул воды, покидающих Энцелад. Очевидно, воздушная оболочка спутника постоянно пополняется этими газообразными веществами. Гейзеры, словно сердце человека, пульсируют, продлевают ей жизнь.

По признанию астрономов, открытие гейзеров на Энцеладе явилось для них полной неожиданностью. До сих пор было известно, что действующие вулканы или гейзеры имеются лишь на трех планетах Солнечной системы – Земле, Ио и Тритоне, спутнике Нептуна. Что же до Энцелада, то ледяная пыль, как полагали, взлетает над ним после падений микрометеоритов.

Но раз есть гейзеры, имеются, наверное, и скопления воды, питающие их? Очевидно, подо льдом, покрывшим Энцелад, простирается незамерзающий океан. Вода там, по-видимому, соленая. В ней должен быть растворен хлорид натрия, то есть поваренная соль, ведь в струях, выбрасываемых из недр Энцелада, астрономы обнаружили натрий.

На фотографиях, сделанных в окрестности южного полюса, хорошо видны зеленоватые «тигровые полосы» – протянувшиеся параллельно разломы в толще льда. Их длина достигает 130 километров, а температура на пару градусов выше, чем окружающей местности. Предположительно, отсюда вырываются струи разогретой воды. В окрестности «тигровых полос» лед очень молод. По некоторым оценкам, его возраст составляет от 10 до 1000 лет.

В само существование океана здесь не верилось, ведь спутник находится в полутора миллиардах километров от Солнца и получает в сто раз меньше солнечного тепла, чем Земля. Поэтому вся жидкая вода здесь должна была давно заледенеть. Очевидно, недра спутника разогреваются под действием мощных приливных сил, буквально сминающих его, ведь с одной стороны, его притягивает к себе Сатурн, а с другой – соседние спутники – Мимас, Тефия и Диона.

Вот только почему разогревается лишь одна из областей спутника? Так, если на экваторе Энцелада температура равна всего 80 кельвинам (–193 °C), то на южном полюсе, который менее всего освещен солнечными лучами и где, как ожидалось, будет еще холоднее, – 110 кельвинам.

Лишь в 2007 году появилась убедительная модель, объясняющая особенности геологии Энцелада. Спутник движется по очень вытянутой траектории, расстояние от него до Сатурна, вокруг которого он обращается всего за 33 часа, периодически меняется. Поэтому сила притяжения Сатурна по-разному действует на него в различных точках его орбиты. Все зависит от того, как близко Энцелад поворачивается той или иной частью к соседней планете. Эти неравномерные нагрузки приводят к тому, что недра спутника то сжимаются, то растягиваются. Ввиду этих деформаций края ледяных разломов сдвигаются примерно на полметра – вперед, назад. Возникающего при этом трения достаточно, чтобы разогреть и даже растопить лед – при условии, что толщина ледяного щита составляет не менее пяти километров.

Исследователи из Германского центра авиации и космонавтики также опубликовали на страницах журнала «Icarus» модель процессов, протекающих в недрах Энцелада. Согласно их выводам, в районе южного полюса к поверхности планеты поднимается теплый лед, в то время как в другой области планеты наблюдается, наоборот, погружение холодного льда в глубь Энцелада. Вероятно, это происходит на северном полюсе. По оценке ученых, мощность, которая необходима, чтобы приводить в движение эти потоки, соответствует мощности двух крупных атомных электростанций. По-видимому, их заменяют в этом случае приливные силы, действующие на планету. Впрочем, пока не доказано, что эти силы могли пробудить в недрах Энцелада такого рода геологическую активность. Для ученых остается также загадкой, почему на соседней луне – Мимасе – не наблюдается никаких признаков подобной активности, хотя эта планета еще в большей степени подвергается воздействию приливных сил?

В последние годы астрономы много говорят о том, что среди мертвой космической бездны Энцелад, как и Европа, – эти луны, где плещется, теплится вода, – могут стать оазисами жизни, такими, как у нас на Земле «черные курильщики».

Планеты-гиганты – Сатурн и Юпитер – до сих пор излучают больше энергии, чем получают ее от Солнца. По мнению ряда астрономов, моря и океаны, покрывавшие спутники этих планет, долгое время не замерзали. Эти небольшие луны были настоящими водными мирами, где могла зародиться или найти приют жизнь, где сложились благоприятные условия для того, чтобы жизнь развивалась.

Вот и на Энцеладе есть вода, мощные воздушные потоки и простые органические соединения (в районе «тигровых полос» нашли метан и пропан). «За четыре с половиной миллиарда лет из этих компонентов могли возникнуть простейшие кирпичики жизни. Пока не ясно, случилось ли это, но теперь уже нельзя не принимать в расчет, что, наряду с Марсом и Европой, жизнь можно искать и здесь, на этом крохотном спутнике», – отмечает один из руководителей программы «Кассини», Роберт Браун. Однако пока ученые могут лишь фантазировать об этом.

Уран, спящий на боку

В самом названии – «Уран, спящий на боку» – таится одна из главных его загадок. Он движется совсем не так, как остальные планеты. Он не вращается юлой, он… «лежит на боку». Так говорят, потому что ось вращения Урана находится едва ли не в плоскости его орбиты, тогда как у остальных крупных планет она почти перпендикулярна ей. Причина такого сильного наклона оси не ясна. Чаще всего полагают, что на ранней стадии своего существования Уран столкнулся с крупным небесным телом и «опрокинулся».

Откуда взялся этот объект, преградивший Урану путь? А откуда, вообще, там появился Уран? Существование таких планет, как Уран и Нептун, расположенных далеко на периферии Солнечной системы, не вписывается в современные теории ее происхождения. Они слишком велики, чтобы сформироваться из вещества, которое оставалось на окраине протопланетного облака. Возможно, полагают некоторые ученые, они возникли гораздо ближе к Солнцу, но из-за гравитационных возмущений, вызываемых Юпитером, постепенно переместились на очень отдаленные орбиты. Впрочем, компьютерные модели показывают, что Уран и Нептун все-таки могли возникнуть близ своих нынешних орбит.

Все гигантские планеты, кроме Урана, обогреваются собственным теплом. Им помогают их внутренние «электростанции».

Ось вращения Урана находится едва ли не в плоскости его орбиты

Вот, например, из недр Юпитера постоянно притекает тепло. Откуда оно берется? Возможны три источника. Во-первых, эта планета оказалась великолепным аккумулятором. Она накопила очень много тепла во время своего формирования и теперь медленно расстается с ним, постепенно остывая. Во-вторых, тепло выделяется за счет перемешивания вещества в недрах Юпитера. Более плотный гелий погружается к центру планеты, а водород всплывает. От движения этих газовых потоков планета разогревается, одновременно сжимаясь. В-третьих, в атмосферу Юпитера то и дело на огромной скорости врываются метеориты. Это также подогревает планету.

На Уране этот механизм почему-то не работает. Он не обогревается изнутри. Он, единственный, «живет по средствам». Если все другие газовые гиганты излучают больше тепла, чем получают его от Солнца, то с Ураном – наоборот. Он излучает меньше тепла, чем приносят солнечные лучи. Почему?

Возможно, во время той страшной катастрофы, которая опрокинула эту планету набок, почти весь запас ее тепла улетучился. По другой гипотезе, в верхних слоях Урана имеются некие барьеры, которые препятствуют переносу тепла из недр планеты к поверхности. Единственным источником энергии Урана остается солнечный свет.

Не случайно на фотографиях, присланных зондом «Вояджер-2» в 1986 году, на Уране почти не видно ни облаков, ни бурь, как на других газовых планетах. Здесь удивительно спокойно. Возможно, причина этого штиля в том, что из недр Урана почти не выделяется тепло. Впрочем, в 2004 году наземные наблюдения показали, что на Уране в течение нескольких месяцев не прекращаются бури. Кроме того, в северном полушарии планеты обнаружилось скопление облаков, протянувшееся на 29 тысяч километров, – это самый крупный объект, когда-либо наблюдавшийся на Уране. Через месяц он, впрочем, исчез.

Вот еще один непонятный факт, замеченный «Вояджером». Во время его полета Солнце располагалось над южным полюсом Урана. Однако по непонятным причинам на экваторе Урана было теплее, чем на полюсе, освещаемом Солнцем. По расчетам ученых, даже на северном полюсе, находившемся в тени, было теплее, чем на южном. Опять, почему?

Как и все другие газовые гиганты, Уран окружен множеством небольших комьев и крупиц, обращающихся вокруг него в виде колец. Большая часть колец располагается в экваториальной плоскости Урана, главным образом внутри предела Роша.

Система колец Урана была открыта только 10 марта 1977 года. Астрономы из обсерватории имени Койпера Джеймс Эллиот, Эдвард Данхем и Дуглас Минк планировали понаблюдать за тем, как Уран покрывает одну из ярких звезд, чтобы оценить его диаметр и исследовать его атмосферу. По результатам наблюдений выяснилось, что еще до того, как Уран заслонил звезду, она пять раз на короткое время исчезала. То же самое произошло после того, как Уран миновал звезду. Ученые сделали вывод, что Уран окружен пятью кольцами. Это подтвердилось после полета зонда «Вояджер-2».

Кольца Урана, как и открытые впоследствии кольца Юпитера, очень тонкие и темные. Они состоят отчасти из крупных глыб диаметром до 10 метров, отчасти из пыли. В совокупности их масса значительно меньше, чем масса колец Сатурна.

Все ли кольца Урана нам известны? В декабре 2005 года телескоп «Хаббл» обнаружил два новых кольца. Они располагаются вдалеке от остальных одиннадцати, открытых к тому времени, и значительно шире их. Примечательная особенность самого дальнего кольца Урана – его голубая окраска (внутренние кольца планеты окрашены в серые тона). Этим оно напоминает кольцо E Сатурна, которое состоит в основном из ледяных крупиц, выброшенных гейзерами Энцелада. По-видимому, крохотные кристаллики льда размером менее 0,0001 миллиметра, из которых сформировано это кольцо Урана, выброшены в космос с поверхности одного из спутников Урана – Маба, покрытого льдами, – после падения на него метеоритов. Из этого ледяного крошева, не удержанного планеткой, и слепилось еще одно кольцо Урана. Эта гипотеза довольно правдоподобна.

Кольца Урана сравнительно молоды. Возможно, они образовались, когда один из спутников этой планеты был разорван под действием приливных сил или раскололся на мелкие части после столкновения с метеоритом.

Всего известно 27 спутников Урана. Их диаметр составляет от 10 до 1600 километров. Орбиты некоторых лун скрещиваются. Как показал расчет, опубликованный на страницах журнала «Science», в ближайшие несколько миллионов лет некоторые из них, возможно, столкнутся друг с другом.

Среди спутников Урана внимание ученых привлекает Миранда. На этой планете зияет громадный каньон глубиной 20 километров, а ее поверхность словно составлена из лоскутьев – из слоев самого разного состава и возраста. Астрономы предположили, что после падения крупного метеорита Миранда попросту рассыпалась на отдельные части, которые затем под действием взаимного притяжения беспорядочно слепились в одно целое, образовав планету, собранную буквально наспех, тяп-ляп.

В последние годы были открыты несколько новых спутников Урана. По-видимому, некоторые из них – это всего лишь обломки других спутников, уцелевшие после столкновения с кометами или друг с другом. Так ли это?

Пока астрономы могут лишь строить гипотезы. Исследовать Уран с Земли очень сложно: при наблюдении в телескоп даже его диск едва различим, не говоря уж о более мелких деталях. Его спутники можно разглядеть лишь с помощью самых мощных телескопов, да и то они кажутся крохотными светящимися точками. Новые экспедиции к Урану не планируются. Лишь в середине XXII века расположение планет будет таким же благоприятным, как и во времена экспедиции зондов «Вояджер-1 и -2». До этого не придется рассчитывать на помощь других планет-гигантов во время полета к Урану. По мнению многих ученых, «только тогда, наверное, и состоится третье – после тех, что были сделаны в XVIII и XX веках астрономом Гершелем и космическим роботом “Вояджером”, – открытие самой таинственной из планет Солнечной системы», как пишет на страницах журнала «Вокруг света» Георгий Бурба.