Текст книги "Космос. От Солнца до границ неизвестного"

Прошлое Марса также остается для нас загадкой. У Марса есть ледяные шапки и, судя по всему, когда-то не было недостатка в жидкой воде. Глинистые минералы, а также остатки озерных и речных отложений однозначно подтверждают: в период времени, который начался 4 миллиарда лет назад и закончился 3,5 миллиарда лет назад, на Марсе текли полноводные реки и, вероятно, плескался внушительных размеров океан. Сохранились приметы того, что на береговую линию обрушивались гигантские цунами.

Альберто Файрен и его коллеги из Астробиологического центра в Мадриде применили метод тепловой визуализации к изображениям, полученным орбитальным аппаратом НАСА «Марс Одиссей». Они внимательно изучили границу между низменностью, называемой Равнина Хриса (Chryse Planitia), и плоскогорьем Аравийская Земля (Arabian Terra). Лед и булыжники оказались сгруппированы так, словно они взбежали вверх по холмам, чтобы занять на возвышенности пространство в сотни километров. Такую картину трудно объяснить эффектами гравитационного притяжения, но ее вполне могло бы породить цунами. На поверхность Марса, например, мог упасть большой астероид – от этого удара образовался бы 30-километровый кратер – и стать причиной гигантского цунами. Волны от цунами, 50 м высотой, обрушились бы на побережье и погнали вверх скалы, сметая их на своем пути. Такова картина, созданная по результатам одной из компьютерных моделей.

И все же мы не можем понять, как именно вода могла существовать в жидкой форме на Марсе, когда красная планета была еще относительно молода. Ученые не могут разрешить эту загадку уже 40 лет. Она даже получила название «парадокс Марса». Если мы когда-нибудь найдем ответ, возможно, нам придется выкинуть множество учебников.

Проблемы начинаются с того, что условия на Марсе в то время были еще более суровыми. Даже сегодня средняя температура на планете составляет –61 °C, поскольку атмосфера разреженная, да и Солнце не сильно пригревает. Вода сосредоточена в ледяных шапках на полюсах. Миллиарды лет назад Солнце было моложе, оно не успело как следует разогреться, и на Марсе было еще холоднее.

Предположим, что точка замерзания воды на Марсе такая же, что и на Земле. Что могло растопить марсианский лед и заставить жидкую воду течь по поверхности планеты? Одно из правдоподобных объяснений заключается в том, что парниковые газы улавливали марсианское тепло так же, как это происходит на Земле. Газы могли поступать из разных источников, например при извержениях вулканов. Лучшая ловушка для тепла – углекислый газ, но и он не может нагреть планету до температуры, достаточной для жидкой воды. В любом случае, осадочные отложения, сформированные 3,5 миллиарда лет назад, показывают присутствие весьма незначительного количества углекислого газа.

Можно ли спасти ситуацию, добавив в атмосферу Марса немного метана или водорода? Нет. При малом количестве CO₂ для тепловыделения содержание метана или водорода не имеет значения. Требуется плотная атмосфера, только она сможет защитить эти чувствительные парниковые газы от солнечного излучения.

Но, может быть, соли, содержащиеся в воде, способны сохранить ее в жидком состоянии даже при температурах ниже точки замерзания? Тогда много углекислого газа не понадобится. Однако и это объяснение не подходит. Пересоленная вода может сформировать реки и ручьи – по крайней мере, на Земле есть соленые реки, – но по-прежнему трудно объяснить, откуда взялась непроточная вода, следы которой отпечатывались в песчанике и известняке на протяжении миллионов лет. На Марсе с его холодной температурой просто не могло быть достаточного количества осадков, чтобы образовалась стоячая вода.

Видимо, существует некий механизм планетарного масштаба, о котором мы пока не догадываемся. Что это может быть? Новая, необычная смесь парниковых газов? Или свойства воды, которые еще предстоит открыть? Мы вступим на совершенно неизведанную территорию, когда откроем эту тайну.

Интервью. Как я провела год на Марсе

Шейна Гиффорд (Sheyna Gifford) провела целый год, живя в куполе на склоне вулкана. Шейна – главный врач экспедиции, посланной НАСА с целью выяснить, смогут ли первые поселенцы выжить на Марсе. Ниже приведено интервью, взятое у нее корреспондентом журнала New Scientist в 2017 году.

– Как вы и пять других членов команды попали на вулкан на Гавайях?

– Руководство НАСА поставило задачу выяснить, как будет вести себя шесть членов экипажа, какой будет их психологическая совместимость в условиях изоляции, если их послать на другую планету. Сможем ли мы сработаться, как будем отвечать на неизбежные в таких условиях стрессы, как будем проводить сеансы связи с Землей. Это была самая продолжительная программа имитации полета на Марс, предпринятая НАСА, и называлась она так: Гавайская экспедиция по моделированию условий космического полета (Hawaii Space Exploration Analog and Simulation, HI-SEAS)[4]4
  Самым длительным из всех подобных экспериментов по имитации полета на Красную планету считается «Марс-500», проводившийся в России в 2010–2011 годах с участием шестерых добровольцев из России, Франции, Италии и Китая, которые находились в полной изоляции 520 суток.


[Закрыть]. В эксперименте, который занял 366 суток и закончился в августе 2016 года, участвовало 6 человек. Мы жили в металлическом геокуполе.

– Кто входил в состав экспедиции?

– Наша группа состояла из командира, научного работника, инженера, биолога, архитектора и меня – врача экспедиции. На нас постоянно были надеты электронные датчики, позволяющие отслеживать наше взаимодействие друг с другом. По сути, мы были лабораторными крысами. Но это не мешало нам заниматься наукой: мы проводили геологические исследования горной местности, испытывали гидропонные методы выращивания пищи, изучали свой собственный биом.

– На что похожа жизнь на «Марсе»?

– Все наши связи с внешним миром происходили с задержкой в 20 минут – именно столько требуется, чтобы радиосигнал дошел от Земли до Марса (небольшие вариации происходят из-за изменения их взаимного расположения в пространстве). Нам не разрешалось пользоваться телефонами или «Скайпом». Наш «дом» мы покидали только в скафандрах. И в течение года не видели ни одной живой души.

– Люди ссорились друг с другом?

– У нас случались некоторые личностные разногласия, но в самые трудные времена мы вспоминали, что являемся профессионалами. Когда вы думаете о том, что нужно выполнить возложенные на вас обязательства, что миссию нельзя прерывать, это поддерживает единство группы. Для нас всех это был большой урок.

– Какие трудности больше всего вам запомнились?

– Самой трудной была вторая четверть нашего пребывания на станции. У нас стали кончаться запасы энергии и пищи. Из-за административных проблем мы не получили обещанного пополнения запасов – у нас осталось только два вида сушеных овощей, шпинат и кудрявая капуста, и никто не хотел их есть. И было очень холодно. Моральный климат в коллективе оставлял желать лучшего, но в подобных экспедициях всегда следует ожидать какого-нибудь подвоха. Но мы получили хороший урок, преодолев трудный период нашей экспедиции – научились справляться с хандрой, уединяясь в своих комнатах, когда становилось холодно. С тех пор эта привычка помогает нам в жизни.

– Потом дела пошли лучше?

– К Рождеству пришло подкрепление в виде третьей аккумуляторной батареи. Теперь, даже несмотря на то, что дни стали короче, запаса энергии, полученного во время дневной зарядки солнечных батарей, хватало, чтобы работать в течение полутора суток. Все пошло как нельзя лучше – удалось подключить обогреватель, мы стали готовить горячую пищу. На Хануку я приготовила праздничный ужин и научила всех традиционной еврейской игре.

– Как вы отмечали праздники на «Марсе»?

– Это интересный вопрос – действительно, какой смысл имеет праздник Рождества для Марса? Он никак не связан с марсианскими временами года и не соотносится с кем-либо, кто мог жить или умереть на Марсе. Вместо Рождества мы справляли нерелигиозные праздники.

Наш праздничный дебют был посвящен первому урожаю томатов. Астробиолог экспедиции выращивал эти томаты несколько месяцев. Он выращивал их гидропонным способом, в бутылках, потому что почвы у нас было очень мало – мы ведь жили в условиях, максимально приближенных к марсианским. Каждому из нас досталось по одному помидору. Мы расставили тарелки, посыпали на них сушеной петрушки, зажгли свечи и нарядились в честь Дня великого томата – так мы назвали свой праздник. За прошедшие с начала экспедиции четыре месяца – первый свежий помидор!

Я взяла свой помидор и в течение десяти минут просто наслаждалась его запахом – от него исходил такой аромат, как будто я оказалась в оранжерее, заполненной спелыми плодами. Когда я наконец попробовала его, он обжег мне губы. В помидоре не было ничего плохого, это с моими губами было что-то не так. Мы же не ели никакой кислой пищи, томаты присутствовали в нашем рационе только в виде порошка. Мне пришлось есть этот помидор очень осторожно.

– Вы скучали по семье, по друзьям?

– Очень скучала. Их сообщения по электронной почте были важным подспорьем для меня. Я видела, как страдали члены экипажа, у которых не было такой поддержки. Если вам кто-то посылает письма, значит, вы еще живы и кто-то в вас заинтересован.

– Основываясь на вашем опыте, что вы можете сказать об ощущениях, которые возникнут у первых колонистов на Марсе?

– Если взять марсианина – который и родился, и вырос на Марсе – и перенести его на Таймс-сквер, он будет потрясен, увидев, сколько электрической энергии тратится совершенно бесцельно. Все электричество, которое мы вырабатывали за день, в рекламной подсветке сгорело бы за считанные секунды. Земные мусорные баки заполнены вещами, которые мы, «марсиане», никогда бы не выкинули. Мы либо продолжали бы ими пользоваться, либо расплавили отходы и напечатали из полученной массы что-то полезное на 3D-принтере. На Марсе, видите ли, начинаешь ценить вещи с точки зрения их реальной пользы. Деньги, например, совершенно бесполезны; единственное, что имеет значение – ваша сообразительность, адекватность и ваши способности.

– Каково это – быть главным врачом экспедиции?

– Врачебная практика принимает другой оттенок. Вы вновь приобретаете повадки искушенного, бывалого городского доктора, типа семейного врача, который беседует с людьми об их здоровье, пытаясь уберечь их от заболеваний. Если они реально заболеют, ваши возможности помочь им весьма ограничены.

Первое ощущение, с которым просыпается врач в космосе, – страстное желание, чтобы ему сегодня не пришлось выполнять свою работу по специальности. Нам повезло – во время миссии серьезно пострадал только один человек, и это была я. Во время изыскательских работ на местности на меня свалилась лавовая трубка и повредила колено.

– Вы проводили эксперименты с виртуальной реальностью. Поясните, что это значит.

– Ученые НАСА поставили задачу выяснить, как создание виртуальной реальности может помочь справиться с одиночеством и скукой, посещающими нас вдали от дома. Они сконструировали для нас уголок земной панорамы с помощью 360-градусной камеры и записали звук. Оборудование в куполе воссоздавало для нас эту панораму в ее детальном исполнении. Я попала в Бостон. Надела очки и внезапно оказалась на знакомой улице. Люди смотрели на меня, жестикулировали. Все было очень реально, я чувствовала себя как на Земле. Думаю, это отличная идея – применить ВР на Марсе.

В тот день, когда я принимала участие в этом эксперименте, как раз скончалась моя бабушка. Она была старенькая, этого следовало ожидать. Но я узнала об этом с запозданием, потому что по правилам экспедиции нельзя было отключать задержку связи – ситуация не относилась к категории кризисных. Видео пришло позже, я попрощалась с ней, когда ее уже не было – тяжелая ситуация, потом я сильно переживала.

– Кто-то может сказать, что в космос лучше посылать людей, которым нечего – или почти нечего – терять. Вы согласны?

– Вопрос стоит немного по-другому: лучше посылать общительных или замкнутых людей? Я – за то, чтобы посылать людей, у которых много земных привязанностей, по нескольким причинам. Во-первых, если отношения между членами команды испортятся, они смогут получить поддержку от своих родных и друзей. Во-вторых, они сделают все от них зависящее, чтобы вернуться; они сохранят корабль и выполнят миссию. И наконец, возможно, самая веская причина: люди, которые остаются на Земле, тоже хотели бы полететь, но не могут. И они хотели бы видеть в космосе очень контактных граждан, которые постоянно общались бы с Землей. Мы должны посылать людей из разных стран, исповедующих разные религии, легко приспосабливающихся к разным ситуациям. В конце концов, вы будете находиться там, в космосе, не ради себя и своих амбиций, а ради Земли.

Планета, окруженная астероидами

Самый большой астероид в Солнечной системе и одновременно самая маленькая карликовая планета – такова Церера, своеобразный форпост Земли на краю между планетами земной группы и планетами-гигантами. Автоматическая межпланетная станция Dawn («Рассвет»), запущенная НАСА, достигла Цереры в апреле 2015 года и немедленно приступила к работе. Первое, что сразу же озадачило, – белые пятна на этой маленькой планетке. Исследование их природы может дать ключ к разгадке внутреннего устройства Цереры.

В 2016 году космический аппарат Dawn сделал детальные снимки самой большой яркой области, находящейся в кратере Оккатор (диаметр кратера 92 км). Разрешение зонда позволило увидеть центральный холм и вариации оттенков цвета на поверхности яркой области, для человеческого глаза незаметные. Возможно, они отражают различия в химическом составе вещества. О происхождении этого загадочного образования остается только гадать. Оно могло, например, появиться от удара метеорита, который обнажил ледяной слой на Церере на глубине 40 км под поверхностью и одновременно разогрел лед. Потом этот лед опустился в образовавшийся кратер Оккатор, вода испарилась, а яркая соль и минералы остались.

Дно кратера Оккатор пронизано трещинами и разломами, которые кажутся старше самого кратера. Возможно, они и обеспечили выход веществу из-под поверхности – это вещество было выдавлено снизу в момент образования кратера.

Более того, зонд Dawn обнаружил водяной лед, скрывающийся в 10-километровом кратере Оксо. Вода – либо в виде обычного льда, либо в связанном состоянии внутри гидратированных минералов – сконцентрирована у края кратера. Согласно моделям, разработанным для Цереры с учетом белых пятен на ее поверхности, – таких, как в кратере Оккатор, – под поверхностью этой карликовой планетки есть ледяной субстрат, перемешанный с солью и скальными породами. Лед в кратере Оксо мог выступить на поверхность после оползня или удара метеорита. В кратере Оккатор такой лед сублимировал и оставил после себя соли, проступившие на ярких участках; в кратере Оксо, напротив, умеренно холодный климат, и лед мог сохраниться там.

В 2017 года планетологи обнаружили на поверхности Цереры вкрапления органических соединений на основе углерода, входящие в состав смолоподобных минералов. Точный их состав определить не удается, но полученные спектры соответствуют смолоподобным минералам керниту или асфальтиту. Судя по составу и концентрации этих органических веществ, вряд ли они прибыли на Цереру с другой планеты.

Они бы не пережили тепло, выделившееся в результате столкновения. Кроме того, если бы они добирались попутным космическим транспортом, то были бы рассеяны повсюду, а не сосредоточены в отдельных вкраплениях. Скорее всего, они образовались на самой Церере.

Открытие водяного льда и ярких участков минеральных отложений на Церере сбивают с толку – эта карликовая планета совсем не так проста, как казалось ранее. Непонятно, что именно может происходить внутри астероида, но наличие органических веществ на его поверхности указывает на то, что внутри Цереры идут процессы с участием воды, регулируемые теплообменом.

Могут ли астронавтам угрожать сильные песчаные бури?

В фильме «Марсианин» (2015) показано, как чудовищная песчаная буря обрушивается на ракету, на которой астронавты должны возвращаться на Землю. Вряд ли такое может произойти на самом деле – атмосфера Марса слишком разреженная, ее плотность составляет всего лишь 1 % от земной. Самый сильный марсианский ветер будет сродни легкому ветерку на Земле.

Но пылевые бури на Марсе все-таки могут быть опасны: они ухудшают видимость, из-за них становится гораздо труднее накапливать солнечную энергию. С такими проблемами столкнулись марсоходы «Спирит» (Spirit) и «Оппортьюнити» (Opportunity).

Немалый вред могут нанести и пыльные песчаные вихри под названием «пылевые дьяволы». Частицы пыли оседают на скафандрах, на ангарах, на контейнерах – на чем угодно – и трутся друг о друга в сухих песчаных вихрях. Возникающее вследствие этого статическое электричество может причинить немало неприятностей.

Пылевые дьяволы – нередкое явление на Марсе. В 2017 году группа ученых под руководством Брайана Джексона из Университета штата Айдахо в Бойсе (США) проанализировала барометрические данные с марсианской поверхности и показала, что пылевые дьяволы – гораздо более распространенное явление, чем полагали еще не так давно. В среднем пылевой дьявол, как чертик из табакерки, неожиданно выскакивает каждый день на одном квадратном километре поверхности. Ширина такого вихря обычно достигает около 13 метров. Астронавт может одновременно увидеть десятки пылевых дьяволов, скользящих по поверхности, они могут достигать километровой высоты.

История исследования небес

Астрономия – самая древняя наука. На протяжении многих тысяч лет она служила подспорьем в навигации и времяисчислении. При строительстве многих памятников, дошедших до нас с древних времен, применяли астрономические знания.

– 3500 до н. э.

Данные астрономических наблюдений впервые зафиксированы в письменных источниках шумеров, которые придумали 60-ричную систему счисления. Эта система счисления легла в основу измерения углов, которой мы до сих пор пользуемся при определении координат на небе.

– 3000 до н. э.

Китайские астрономы разрабатывают свои собственные методы наблюдений, составляют детальные звездные каталоги и наблюдают такие астрономические явления, как затмения, пятна на Солнце и новые звезды.

– 250 до н. э.

Эратосфен измеряет длину окружности Земли.

– 140 н. э.

Птолемей из Александрии уточняет геоцентрическую модель Солнечной системы, добавляя к движению планет эпициклы.

499

Индийский математик Ариабхата публикует большой труд по астрономии, в котором, помимо прочего, объясняет причину затмений и указывает точную продолжительность земного года.

– 800

Начинается золотой век астрономии исламского Средневековья.

1054

Китайские астрономы наблюдают Сверхновую, после взрыва которой возникла Крабовидная туманность.

1543

Николай Коперник публикует свою гелиоцентрическую модель Солнечной системы.

– 1570–1601

Тихо Браге проводит точные наблюдения планет и других небесных объектов. Он доказывает, что кометы и новые звезды являются удаленными объектами, а не атмосферными явлениями, тем самым бросая вызов господствующим представлениям о незыблемой небесной сфере, на которой ничего не меняется.

1609

Иоганн Кеплер публикует два первых закона движения планет, выводы которых базируются на наблюдениях Тихо Браге и его собственных. Первый закон об эллиптических орбитах переворачивает представления древних астрономов, считавших, что планеты двигаются по идеальным окружностям.

1610

Галилео Галилей наводит телескоп на Юпитер и наблюдает его четыре спутника. Таким образом, он увеличивает количество известных спутников сразу в пять раз и доказывает, что небесные тела вовсе не обязаны вращаться вокруг Земли, подтверждая гелиоцентрическую модель Коперника. Галилей провел много астрономических наблюдений, в числе прочего он открыл кольца у Сатурна.

1687

Исаак Ньютон закладывает теоретические основы движения небесных тел. Его уравнения, описывающие силу тяготения и результат ее действия, способны объяснить и точно предсказать движение планет, их спутников и других тел в пространстве – эта наука называется небесной механикой.

1705

Эдмунд Галлей на основании теории тяготения Ньютона доказывает, что наблюдения ярких комет в предыдущие столетия на самом деле относятся к одной и той же комете. Двигаясь вокруг Солнца по длинной и сильно вытянутой орбите, она возвращается и становится видна каждые 76 лет.

1781

Вильям Гершель открывает Уран, первую новую планету со времен Античности.

1814

Йозеф фон Фраунгфер наблюдает в изобретенный им спектроскоп темные линии в спектре солнечного света. И только через несколько десятков лет выясняется, что эти линии выдают присутствие разных атомов. Сейчас с помощью спектроскопии астрономы определяют химический состав звезд, планет и межзвездных облаков.

1821

Алексис Бувар высказывает предположение, что на положение Урана своим гравитационным полем влияет неизвестная планета.

1846

Иоганн Галле первым наблюдает планету, существование которой предсказал Бувар. Он находит ее с помощью расчетов Урбена Леверье. Планета получает название Нептун.

– 1910

Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел наносят характеристики звезд на диаграмму цвет – светимость. Звезды группируются на этой диаграмме в соответствии со своими спектральными классами и классами светимости, что намекает на их эволюцию.

1924

Артур Эддингтон создает теорию внутреннего строения звезд и на основе своей модели рассчитывает зависимость между массой и светимостью звезды. Из модели следует, что температура внутри звездных ядер достигает миллионов градусов.

1924

Эдвин Хаббл доказывает, что далекие туманности (каковыми их считали многие астрономы) на самом деле являются другими галактиками за пределами Млечного Пути. Это открытие чрезвычайно расширяет представление о Вселенной. Несколько лет спустя Хаббл выводит закон расширения Вселенной.

1938

Ханс Бете показывает, что термоядерный синтез является основным источником энергии у большинства звезд, подтвердив предположение Эддингтона.

1967

Джоселин Белл и Энтони Хьюиш открывают пульсары – сверхплотные вращающиеся нейтронные звезды, рожденные во взрывах сверхновых.

1970-е и 1980-е

Два космических аппарата «Вояджер» впервые снимают крупным планом Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также некоторые их спутники.

1994

Комета Шумейкер – Леви 9 сталкивается с Юпитером.

1995

Мишель Майор и Дидье Келос обнаруживают планету, вращающуюся вокруг звезды главной последовательности 51 Пегаса. За этим следуетт шквал открытий экзопланет.

2005

Зонд «Гюйгенс» совершает посадку на Титане и делает первые снимки поверхности этого гигантского, окутанного смогом спутника Сатурна.

2016

Коллаборация LIGO сообщает о первом прямом наблюдении гравитационных волн, возникших в результате столкновения двух черных дыр.