Почему Европа?

Джон Келви, сентябрь 2024, Aerospace America

Пока те, кто интересуется вопросом о жизни за пределами Земли, занимались разбором данных с многочисленных космических аппаратов, отправленных на Марс в течение десятилетий, другие ученые выступали за строительство Europa Clipper - орбитального аппарата, ожидающего запуска в рамках миссии, которая может определить, заслуживает ли эта ледяная луна присоединиться к Марсу в поисках жизни. Джон Келви рассматривает научные данные, поставленные на карту, пока NASA взвешивает потенциальный недостаток живучести, который осложнил планы запуска на этот год.

В 1977 году у берегов Южной Америки ученые опустили за борт кабель с приборами в Галапагосский разлом на глубину 2 500 метров. Традиционно считалось, что они будут изучать пустынный морской пейзаж, учитывая, что солнечный свет редко проникает глубже 200 метров и никогда не проникает глубже 1 000. Но, будучи учеными, они все же хотели взглянуть на океанское дно, поэтому включили в список оборудования пленочные камеры.

Когда на борту исследовательского судна Knorr были проявлены первые фотографии, ученые онемели. Перед ними открылся оазис, кишащий жизнью: процветающее сообщество гигантских моллюсков, осьминогов и трубчатых червей, сгруппированных вокруг источника горячей, мерцающей воды. Они обнаружили первое из того, что ученые теперь знают как сотни глубоководных гидротермальных источников. Богатая минералами вода, нагретая подповерхностной магмой, извергается из этих подводных горячих источников обратно в холодные глубины. Вскоре после этого двое ученых спустились на место на глубоководном батискафе Alvin и взяли образцы. Позже биологи установили, что бактерии питались химическим супом, вытекающим из источника, и что вся остальная жизнь, в свою очередь, питалась этими микробами - жизнь в постоянной темноте, без необходимости фотосинтеза.

От морских глубин до луны Юпитера - Европы - почти 400 миллионов километров,, но два года спустя космические аппараты NASA Voyager 1 и 2 пролетели мимо Европы во время своих туров по Солнечной системе. Хотя изображения не были очень подробными, они показали ледяную поверхность с длинными трещинами и заметными ударными кратерами. Ученые опубликовали статьи, в которых утверждали, что поверхность Европы была относительно новой, измененной большим количеством жидкой воды из-под поверхности.

Они начали задаваться вопросом: может ли подо льдом Европы быть океан? И если да, то может ли этот океан нагреваться гидротермальными источниками, подобными тем, что есть на Земле?

Следующее исследование Европы состоялось в 1997 году, когда зонд NASA Galileo обнаружил изменения в ее магнитном поле, которые свидетельствовали о том, что под километрами льда действительно находится большой объем воды неизвестного химического состава. Galileo также показал ледяную, изломанную поверхность еще более четко, что заставило ученых описать ее участки как «хаотичную местность». Совсем недавно, в 2022 году, космический аппарат NASA Juno передал изображения еще более высокого разрешения, которые свидетельствовали о том, что Европа периодически выбрасывает в космос гейзероподобные струи воды.

В этом году Европа может присоединиться к Марсу в качестве главной цели в поисках жизни за пределами Земли. В случае с Европой поиск начнется с оценки наличия на ней компонентов, необходимых для возникновения жизни.

Europa Clipper находится в ожидании запуска и результатов неожиданного исследования надежности, проведенного в последнюю минуту. После заправки топливом, при запуске, он будет весить 6 000 килограммов, как африканский слон, а его солнечные батареи после развертывания размахнутся на 30 метров, что сделает его самым большим планетарным зондом NASA из когда-либо запущенных. Вся эта мощность понадобится ему для управления радаром, предназначенным для проникновения сквозь лед Европы, измерения его толщины, и для управления приборами, предназначенными для сканирования поверхности и захвата частиц пыли и газа. Это должно помочь ученым определить, есть ли на луне химические ингредиенты, необходимые для развития жизни в той или иной форме - другими словами, является ли она обитаемой.

«Почему мы ничего не отправляли раньше? Это никогда не имело никакого научного смысла», - говорит Бритни Шмидт, доцент кафедры астрономии Корнеллского университета и член группы по разработке радиолокационных приборов для миссии стоимостью 5 миллиардов долларов.

До сих пор поиски жизни и ее компонентов NASA были сосредоточены почти исключительно на Марсе - более близком соседе, до которого не нужно лететь пять лет или больше, чтобы добраться и провести научные исследования. Начиная с попытки пролета Mariner 3 в 1964 году, агентство отправило около 30 космических аппаратов, чтобы пролететь мимо, выйти на орбиту, приземлиться или побродить по Марсу - часто отправляя несколько космических аппаратов одновременно.

NASA по-прежнему указывает, что окно запуска Europa Clipper открывается 10 октября. Эта статья была написана в середине августа, когда ученые ждали результатов исследования, которое должно было быть завершено к концу месяца - в последнюю минуту была обнаружена возможная уязвимость к радиации в полупроводниковых транзисторах, которые управляют потоком энергии к электронике космического корабля. Эта электроника должна пережить 50 близких пролетов у ледяной луны, когда космический аппарат, двигаясь по орбите Юпитера, будет погружаться в нижние слои атмосферы луны, а затем быстро выйдет из-под воздействия карающей радиации.

Если все пойдет так, как планируют ученые, то за четыре года они смогут сделать для изучения Европы то, на что у NASA ушло шесть десятилетий и более десятка миссий для изучения Марса: охарактеризовать неизвестные на данный момент геологические процессы, формирующие ее поверхность и внутреннюю часть, проанализировать геохимию луны, чтобы выяснить, присутствует ли на ней необходимый набор химических веществ, позволяющий предположить, что она пригодна для жизни.

«Мы находимся в фазе Маринера - это мое сравнение», - говорит Натали Каброль, астробиолог и директор Центра исследований Карла Сагана в Институте SETI, имея в виду программу планетарных зондов NASA 1960-х и начала 70-х годов, которым удалось выйти на орбиту или пролететь мимо Марса в четырех из шести попыток. С Europa Clipper «мы получим данные, которые помогут нам построить мысленную карту того, что там есть. Но разница в том, что теперь мы знаем, как сделать это лучше, быстрее».

В контексте этой миссии, «обитаемый» означает поиск признаков трех вещей, которые считаются необходимыми для формирования жизни, на основе того, что известно о ней на Земле: эти вещи - «жидкая вода, энергия и что-то съедобное», - говорит Бонни Буратти, заместитель научного сотрудника проекта Clipper, которая в июле прочитала лекцию о миссии во время конференции AIAA ASCEND в Лас-Вегасе. (Ученый проекта Роберт Паппалардо сказал по электронной почте, что Буратти - нужный человек для разговора, поскольку она была занята подготовкой миссии.) Когда-то считалось, что на Земле жизнь должна была зародиться только в мелководных морях, где такие элементы, как углерод, азот, кислород и сера, подпитываемые солнцем и, возможно, молниями - объединялись, образуя аминокислоты, строительные блоки ДНК и всей земной жизни. Но открытие гидротермальных источников представило альтернативный или дополнительный путь, по которому жизнь могла укорениться, используя тепловую, а не солнечную энергию и питаясь химически богатыми потоками из источников.

И если жизнь могла зародиться в глубоком море на Земле, говорит Буратти, возможно, она могла зародиться на Европе или на ледяном спутнике Сатурна Энцеладе, где, как подтвердил зонд NASA «Кассини» в 2015 году, под поверхностью есть океан.

«В этом и заключается вся научная основа миссии Europa Clipper: поиск пригодной для жизни среды в океаническом мире», - говорит она.

Clipper может подтвердить существование океана Европы, обнаружить и проанализировать воду и химикаты, поднятые на поверхность, что предполагает наличие на луне гидротермальных источников и пригодных для жизни условий. Но обнаружение инопланетных микробов или аминокислот станет задачей последующей миссии - возможно, посадочного модуля, который возьмет пробы океанской воды, просачивающейся на поверхность, или каким-то образом расплавит лед, чтобы напрямую добраться до океана. На Европе окончательно обнаружить инопланетную жизнь будет непросто, говорит Каброль, потому что биология может сильно отличаться от жизни на Земле. Единственным простым случаем было бы открытие сложных организмов, животных, подобных тем, что обнаружены вокруг гидротермальных источников Земли.

Если перед спускаемым аппаратом не выпрыгнет европейский эквивалент «белого кролика» [отсылка к роману «Алиса в Стране Чудес»], «мы не сможем понять, является ли то, что мы видим, жизнью или нет», - предсказывает Каброль. Хотя она и не рассматривает всерьез возможность обитания животных на Европе, она говорит, что если будущей миссии удастся опустить камеру под лед и удивить ученых снимками европейских рыб, «я бы с удовольствием это сделала».

По словам Буратти, на данный момент теории о сложных организмах на других планетах могут быть только предположениями. «У нас нет достаточных доказательств, потому что мы не нашли жизнь нигде за пределами Земли. Поэтому у нас нет никаких данных, на которых мы могли бы основывать свои идеи», - говорит она. На Европе, как мы полагаем, «мы ищем примитивную жизнь».

«Европа — сложная цель», — говорит астробиолог из Принстона Кристофер Чиба. Чтобы определить пригодные для жизни условия, ученые в идеале хотели бы измерить и взять образцы из океана, но «океан находится под километрами льда, и все, что поднялось на поверхность, было подвергается облучению радиацией Юпитера». Это означает, что большинство сложных органических молекул не живут долго, если они достигают поверхности, и Clipper должен будет обнаружить их до того, как их буквально разорвут на куски высокоэнергетические электроны, высекаемые мощным магнитным полем Юпитера.

«Если вы положите туда пластиковую бутылку с водой, она, вероятно, исчезнет через пару дней», - говорит Михаил Золотов, планетарный геохимик из Университета Аризоны, который является соисследователем в нескольких группах по работе с приборами Clipper. «Поверхность определенно непригодна для жизни, потому что она похожа на Чернобыль».

С учетом траектории полета Clipper, направленной на снижение уровня радиации, ему необходимо получить как можно больше информации во время каждого пролета. Приборы космического аппарата сконструированы таким образом, чтобы действовать согласованно и параллельно, что позволит им зафиксировать любые изменения поверхности, которые могут указывать на области, где подземный океан выходит на поверхность через трещины во льду.

«У нас есть 10 различных научных исследований, и все они направлены на изучение одного и того же места на Европе в одно и то же время», - говорит Ингрид Добар, научный сотрудник проекта Clipper и планетолог из Университета Брауна.

Например, в то время как система визуализации Europa Imaging System (пара оптических камер Clipper) совместными усилиями снимает 90% поверхности Европы с разрешением 100 метров на пиксель, что в пять раз превышает разрешение Galileo, спектрометр картографической визуализации для Европы определит химический состав этой же местности, запечатленной на снимках.

Одной неизвестной переменной, которая может помочь или помешать миссии Clipper, является структура и глубина ледяной коры Европы. Инструмент REASON, сокращенно от Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface, будет посылать два радиосигнала в лед. Сигнал с длиной волны 5 метров должен проникнуть на несколько километров в лед, чтобы исследовать его структуру и обнаружить любые скрытые карманы растаявшего льда, в то время как сигнал с длиной волны 33,3 метра попытается проникнуть на глубину до 30 километров и, возможно, подтвердить существование подповерхностного океана.

Но если ледяной панцирь слишком глубок, отмечает Добар, радар может не проникнуть достаточно глубоко, чтобы обнаружить океан. Различные модели льда Европы расходятся по этому вопросу.

Ученые Europa Clipper, включая руководителя проекта Паппалардо, давно утверждают, что лед, вероятно, имеет глубину не менее десятков километров, возможно, даже глубже. Ричард Гринберг, планетолог, работавший в команде по визуализации миссии Galileo, утверждает, что лед может быть намного тоньше.

«Наиболее правдоподобная интерпретация особенностей, наблюдаемых на поверхности Европы (тектоника и зоны протаивания), заключается в том, что лед достаточно тонкий для прямых связей между океаном и поверхностью, - сообщил Гринберг по электронной почте, - то есть менее 10 километров».

Более тонкая кора с прямыми связями с подповерхностным океаном может увеличить шансы просачивания воды на поверхность, где спектрометр Clipper смог бы проанализировать ее на предмет химических признаков обитаемости. Тем временем система тепловизионной визуализации Europa Thermal Emission Imaging System будет искать относительно горячие точки, «где, возможно, есть теплый, рыхлый лед или даже подъем глубинных вод снизу», говорит Добар. Такие места были бы главными целями для любой будущей миссии со спускаемым аппаратом, который мог бы взять пробы и проанализировать жидкость на предмет признаков обитаемости или даже наличия жизни.

Если ученым очень повезет, Clipper сможет задокументировать струи воды, извергающиеся с Европы, как это сделал Cassini на Энцеладе. Clipper оснащен двумя приборами, которые могут улавливать и анализировать химический состав материала, если космический аппарат пролетит через них.

И если океан Европы существует, он, вероятно, может быть странным по сравнению с земным. Есть много возможностей, помимо соленого океана, которые соответствуют тому, что ученые знают о Европе на данный момент, говорит Золотов, например, содовый океан, в котором преобладает растворенный бикарбонат натрия. Или это может оказаться тем, что Золотов описывает как «вареную комету» - густая масса органических соединений, больше похожая на блестящее масло или восковой парафин.

«Это будет такая каша: много соли, много газировки, много органики», - говорит он - консистенция куриного супа. Сверху это будет похоже на органическую слизь и воду».

Липкий океан может соответствовать другим неоднозначным признакам обитаемости, которые обнаружит Clipper. С другой стороны, говорит Золотов, Clipper может сделать открытия, которые окончательно исключат пригодность Европы для жизни. Например, если наблюдения и измерения атмосферы и любых шлейфов покажут, что океан в основном состоит из серной кислоты или содержит большое количество фторида ртути или перекиси водорода, эти химикаты «стерилизуют любую клетку», говорит он. Перекись водорода уже известна тем, что существует на поверхности Европы, добавляет он, в результате бомбардировки воды радиацией Юпитера.

Даст ли Clipper окончательные ответы относительно обитаемости Европы, зависит от того, какие сюрпризы преподнесет нам луна. Если Буратти пришлось бы гадать, она сказала бы: «Результаты, скорее всего, будут неоднозначными». Ее прогноз: «Мы найдем все эти элементы и скажем: «Да, там есть пригодная для жизни среда, но это сомнительно».

Но есть некоторые вещи, которые Clipper должен быть способен обнаружить, что делает обитаемость чрезвычайно вероятной, говорит она. Если Clipper обнаружит соленый океан со следами химикатов, которые предполагают наличие гидротермальных источников, а также органические молекулы, такие как полициклические ароматические углеводороды, длинные цепочки молекул, богатых углеродом, «я думаю, это решит вопрос».

Подобное открытие - на Европе, Марсе или где-либо еще - наверняка вызовет споры о том, как расставить приоритеты в последующих исследованиях.

Марс более доступен, и, если говорить оптимистично, люди могли бы посетить его в течение десятилетия, что могло бы дать окончательный ответ на вопрос, существовала ли там когда-либо жизнь. Но марсианская жизнь может быть менее интересной, отмечает планетолог Чиба, поскольку она могла возникнуть аналогичным образом, как и жизнь на Земле, или даже была засеяна земной жизнью в результате древнего обмена метеоритами.

«Если на Европе или Энцеладе есть жизнь, то, вероятно, она имеет иное происхождение», - говорит он, даже если там есть источники, имеющие некоторое сходство с земными. «С научной точки зрения это имеет большее значение».

В то же время сходство между древним Марсом и Землей дает возможность, которой нет у Европы. На Земле тектоника плит загнала большую часть самой ранней коры планеты в ее горячую мантию посредством субдукции плит на протяжении миллиардов лет, унося с собой любые записи о самой ранней биохимии Земли, по словам Каброль. В то время как на Марсе - почти мертвой планете геологически - следы происхождения любой жизни могли бы сохраниться, говорит она. Поэтому любое открытие жизни на Европе не должно означать отказ от поисков на Марсе.

«Марс все еще может стать для нас Розеттским камнем, помогающим понять, кто мы и как все произошло», - говорит Каброль.

Открытие инопланетной жизни на Красной планете или Европе потребовало бы от NASA провести тот же анализ рисков и выгод, который оно всегда делает для новых миссий, пытаясь сделать все возможное с имеющимися ресурсами. Но это, безусловно, не остановит астробиологов от поиска признаков жизни по всему космосу, считает Шмидт, профессор Корнелла.

«Если мы найдем жизнь на Марсе, я буду рада просто выспаться на следующий день, а затем вернуться к работе. То же самое, если мы найдем жизнь на Европе - я устрою вечеринку и, возможно, возьму неделю отпуска, - говорит она. - А потом я вернусь к работе, потому что это все еще интересно, и нам нужно это понять».

Когда у Клипера почти появился компаньон

Сегодняшний план Europa Clipper знаменует собой возвращение к поэтапному подходу к изучению этой ледяной луны Юпитера после провала недолговечного плана отправить спускаемый аппарат вместе с ним. Истоки этого более смелого плана можно проследить до 2014 года, когда тогдашний конгрессмен Джон Калберсон (республиканец от Техаса) стал председателем подкомитета Палаты представителей, который рекомендует ассигнования для NASA. Его округ охватывал части Хьюстона и его пригородов, где проживает множество специалистов и энтузиастов космоса. В то время Лаборатория реактивного движения NASA в Калифорнии осуществляла базовый план по отправке космического корабля на орбиту вокруг Юпитера, который неоднократно пролетал бы мимо Европы. Этот космический корабль должен был продолжить изучение ошеломляющего открытия зонда Galileo почти 15 лет назад: его магнитометр обнаружил изменения в магнитном поле Европы, которые указывали на то, что под поверхностью залегают огромные количества электропроводящего материала, то есть жидкой воды.

Без более тщательных измерений Европы было невозможно подтвердить существование этого подземного океана. «Но доказательства были весьма убедительными», - сказала в 2016 году Маргарет Кивельсон, которая была главным исследователем магнитометра Галилея.

По мнению Калбертсона, сканирование такого захватывающего мира на расстоянии не является способом продемонстрировать лидерство США в науке. Он выразил свою точку зрения с юмором: «В этом замерзшем снегу могут быть замороженные креветки или замороженный криль, или кто знает, что еще».

Возможность жизни в какой-либо форме остается нешуточной. Калберсону удалось провести законопроект, который предписывал NASA отправить «орбитальный аппарат с посадочным модулем» к Европе и запустить их «не позднее 2022 года». Чтобы получить одобрение Сената, NASA необходимо было запустить посадочный модуль и орбитальный модуль на ракете Space Launch System. Строительство SLS велось в Центре космических полетов имени Маршалла в Алабаме, где проживал сенатор-республиканец Ричард Шелби, тогда влиятельный член Комитета по ассигнованиям Сената, а затем его председатель. Еще больше причин для научного волнения появилось в сентябре 2016 года, когда NASA сообщило, что космический телескоп «Хаббл» обнаружил то, что может быть струями воды, поднимающимися на 200 километров в космос из трещин на поверхности Европы.

Однако за кулисами оставались некоторые реалисты, которые задавались вопросом о целесообразности строительства орбитального и посадочного модуля одновременно. «Я беспокоюсь, что мы снова там, где были, с неподъемной миссией», - сказал мне тогда один ученый, попросивший не называть его имени, комментируя внутренние обсуждения. Первоначальная концепция миссии на Европу 2009 года не получила поддержки из-за своей многомиллиардной стоимости. Что касается более смелого плана, в 2016 году Счетная палата правительства подсчитала, что только орбитальная часть обойдется в 3–4 миллиарда долларов. Другие задавались вопросом, как можно надлежащим образом спроектировать посадочный модуль, прежде чем кто-либо узнает в деталях, какой будет посадочная поверхность.

План посадочного модуля и орбитального модуля просуществовал недолго. Первый удар был нанесен в 2018 году, когда Калберсон проиграл свою переизбрание. Затем посадочный модуль был отклонен, когда Конгресс не выделил на него финансирование в бюджете на 2021 год. Пока сторонникам придется довольствоваться текущим исследованием посадочного модуля NASA и предстоящим запуском Clipper. Этот запуск, возможно, в октябре, зависит от результатов последнего исследования уязвимости Clipper к радиации и того, можно ли что-то сделать, если риск окажется неприемлемым. Сейчас предполагаемая стоимость миссии составляет 5 миллиардов долларов, а директива о запуске SLS давно отменена. Clipper будет запущен на Falcon Heavy. — комментарий Дебры Вернер.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Why Europa?

Оригинал: Why Europa?

Aerospace America - журнал Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), охватывающий около 25 000 профессионалов аэрокосмической отрасли, включая всех членов AIAA и сотни инженерных и аэрокосмических библиотек. В журнале представлена самая свежая информация и анализ отраслевых проблем и технологий. Представленный в привлекательном и интересном формате, он заслужил репутацию издания, предоставляющего актуальную и достоверную информацию.