Экспедиция "Гюйгенс" к Титану, спутнику Сатурна
В астрофизике снова назревают грандиозные открытия. А ее составная часть, планетная астрофизика, за последние десятилетия полностью обновилась благодаря космическим исследованиям и появлению новых технических средств у наземной астрономии. И она снова ставит нас перед вечным вопросом - о нашем месте во Вселенной, о других обитаемых мирах, о возникновении жизни на планетах… В 1995 году удалось наконец обнаружить планетные системы у других звезд, которых сейчас насчитывается уже более 120. Все они подобны Солнцу, однако их планетные системы на нашу Солнечную совсем не похожи. Ничего, подобного Земле, нет и во всей Солнечной системе. Изучение планетных систем, по-видимому, позволяет утверждать, что Земля с ее биосферой - уникальная планета, быть может даже единственная такая в целой Галактике. Именно поэтому исследователи снова и снова возвращаются к поискам возможных, хотя бы в каком-то смысле, островов обитаемости в нашей Солнечной системе.
Первым кандидатом среди них был Марс. Он все еще остается привлекательной целью исследований, хотя с каждой космической миссией надежды обнаружить там жизнь, пусть даже в самой примитивной форме, становятся все меньше. Сейчас ученые чаще говорят о поисках следов жизни на Марсе, которая могла там когда-то существовать в эпохи, более благоприятные в климатическом смысле. Дело в том, что такие эпохи действительно были. Поэтому, если возникновение жизни - процесс закономерный, а не редчайшее исключение, следы жизни на Марсе должны найтись, только вот обнаружить их пока не удается. Следует заметить, что ученые исходят из концепции, которую иногда называют "земным шовинизмом", - они считают, что жизнь неизбежно должна иметь углеродную природу и такие же биохимические механизмы амино-нуклеино-кислотного типа, как земная. Какая-либо другая природа жизни, скажем давно освоенная фантастами жизнь на кремнийорганической основе, скорее всего, невозможна из-за физико-химических природных ограничений. Значит ли это, что вообще никакая другая форма жизни невозможна? Например, жизнь в условиях очень низких температур? Ответ прост: ничего подобного мы не знаем.
МИССИИ "КАССИНИ" И "ГЮЙГЕНС"
После первых разочарований в поисках марсианской жизни внимание ученых привлек спутник Сатурна Титан. В середине 2004 года к гигантской планете, известной каждому по окружающим ее кольцам, приблизился и вышел на орбиту спутника Сатурна аппарат "Кассини", запущенный в 1997 году. На рис. 1 представлен снимок планеты, сделанный с борта аппарата. Проект "Кассини" разработан учеными Европейского космического агентства (ЕКА) при участии американского НАСА. Созданию этого аппарата некоторые из наших европейских коллег посвятили всю свою жизнь. Кроме орбитальной (спутниковой) части в состав "Кассини" входил спускаемый аппарат "Гюйгенс", предназначенный специально для исследований Титана. Аппарат "Кассини" назван в честь французского ученого XVII века Джованни Кассини, "Гюйгенс" - в честь нидерландского ученого XVII века Христиана Гюйгенса. Гюйгенс первым в 1655 году увидел Титан, один из пяти самых крупных спутников Сатурна, а спустя год разглядел кольцо Сатурна. В 1675 году Кассини установил, что кольцо состоит из многих концентрических колец. Первым же телескоп на Сатурн направил Галилео Галилей еще в 1610 году, но из-за несовершенства своего инструмента различить кольца не смог; ему показалось, что планета тройная, и он написал об этом секретным кодом. (Вероятно, здесь уместно заметить, что распространенное утверждение, будто телескоп изобрел Галилей, неверно. Он первым применил его для астрономических наблюдений.)
Вернемся к миссии "Кассини". В середине декабря 2004 года "Гюйгенс" отделился от орбитального аппарата и через месяц, 14 января 2005 года, начал спуск в оранжевой атмосфере Титана. В тот же день он опустился на поверхность спутника. Руководители проекта "Гюйгенс" подчеркивали, что аппарат должен исследовать атмосферу, а что касается поверхности - как получится. Их осторожность можно понять, но успех был полный. Здесь следует напомнить, что впервые необычные свойства Титана были обнаружены в 1980-1981 годах двумя пролетными аппаратами "Вояджер", которые исследовали его в процессе кратковременного сближения с планетой (и спутником). Титан считался самой крупной луной во всей Солнечной системе. По наземным измерениям его диаметр оценивался в 5800 км, что даже больше диаметра планеты Меркурий и гигантского спутника Юпитера Ганимед. Но оказалось, что астрономы видят не его поверхность, а плотную атмосферу Титана (рис. 2а). Это был сюрприз: во всей Солнечной системе ни один спутник не имеет атмосферы; у некоторых есть лишь ее следы. Почему атмосфера существует только у Титана - вопрос сложный. Это довольно массивное тело, вдвое массивнее Луны (и в 50 раз - Реи, следующего крупного спутника планеты). Небесное тело с большой массой легче удерживает атмосферу. Но такую же массу имеет и один из Галилеевых спутников Юпитера, Ганимед, у которого нет атмосферы. Кстати, диаметр Титана по твердой поверхности все же немного меньше, чем Ганимеда (5150 и 5260 км соответственно). Благодаря появлению новых электронных приборов астрономам удалось даже различить неясные контуры крупных деталей поверхности Титана (рис. 2б), несмотря на то, что Сатурн с Титаном находятся в 9,5 раза (в среднем) дальше от нас, чем Солнце. Из-за большого диаметра, в 1,5 раза превышающего лунный, несмотря на массивность, средняя плотность Титана в 2 раза меньше плотности Луны. Еще одно сравнение: Титан находится в 3 раза дальше от Сатурна, чем Луна от Земли, но из-за большой массы Сатурна затрачивает на один оборот всего 15 суток, то есть вдвое меньше, чем Луна.
Так как Сатурн со своей системой спутников находится в 9,5 раза дальше от Солнца, чем Земля, на единицу поверхности там падает в 90 раз меньше солнечной энергии. Температура поверхности безатмосферных спутников Сатурна (их сейчас известно несколько десятков, включая самые мелкие) близка к -170оС. Опять-таки, чем ниже температура атмосферы, тем легче Титану ее удержать. Почему же Титан мог заинтересовать ученых именно в отношении поисков жизни? Дело как раз в атмосфере. Предполагалось, что атмосфера Титана может создавать значительный парниковый эффект, а тогда температура у поверхности будет достаточно высокой. Парниковый эффект - это сложное физическое явление, которое тем не менее легко объяснить. Обычно на вопрос о том, за счет чего существует жизнь на Земле, отвечают - ну конечно, за счет энергии Солнца. Но Земля излучает в космос в точности то же количество энергии, которое она получает от Солнца, - иначе Земля постоянно разогревалась бы или, наоборот, остывала. Солнечная энергия на Земле практически не задерживает ся. Что же тогда приводит в действие атмосферные процессы, штормы и течения в океанах, наконец, что движет метаболизм живых организмов? Здесь работает не энергия, а энтропия. Дело в том, что Земля получает от Солнца энергию главным образом в оптическом диапазоне с эффективной температурой 6000 К, а излучает тепловую (инфракрасную) радиацию с температурой 250 К (-23оС). Именно это различие служит источником энергии и определяет все процессы на нашей планете. Но средняя температура у поверхности Земли заметно выше, чем 250 К, - около 290 К (+17оС). Это следствие парникового эффекта. Он определяется тем, что атмосфера планеты более или менее прозрачна для солнечной радиации и значительно менее прозрачна для теплового (инфракрасного) излучения. Солнечная радиация легко достигает поверхности и нагревает ее. Но чтобы инфракрасное излучение поверхности пробилось обратно, сквозь не вполне прозрачную атмосферу, источник должен быть более разогретым, чем при отсутствии атмосферы. Эффект зависит от состава и плотности атмосферы. На Земле парниковый эффект дополнительно разогревает поверхность почти на 40оС. На Марсе эффект значительно меньше, а на Венере - намного выше, и в результате температура у ее поверхности достигает почти 500оС. Титан излучает инфракрасную радиацию с температурой всего 85 К (-187оС). Однако предполагалось, что в результате парникового эффекта у поверхности Титана может быть настолько тепло, чтобы говорить о поисках жизни.
ОЖИДАНИЯ
Еще шестьдесят лет назад в атмосфере Титана методами спектроскопии был обнаружен метан CH4. Метан и другие органические компоненты, найденные уже в ходе современных исследований, стимулировали интерес к более сложным органическим соединениям, вероятно присутствующим на поверхности спутника под толстым слоем его атмосферы. Как ни странно, главная составляющая атмосферы Титана та же, что и на Земле, - молекулярный азот, причем его около 85%. Остальные 15% - это аргон, метан и малые составляющие. Оценки показывали, что азота в столбе его атмосферы в 15 раз больше, чем на Земле. Но из-за малой силы тяжести (в 7 раз меньше земной) давление у поверхности Титана лишь на 60% больше земного. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что парниковый эффект в его атмосфере практически отсутствует. Средняя температура поверхности составляет -178оС и близка к "тройной" точке состояния метана (газ-жидкость-твердая фаза). Были обнаружены возникающие скопления туч, проливающихся, по-видимому, метановыми дождями. Предполагалось, что в метеорологии Титана метан выполняет ту же роль, что вода на Земле. Большой интерес представляли непосредственные исследования поверхности Титана, состоящей из водяного льда с примесью горных пород (на это указывает низкая средняя плотность спутника, около 1,9 г/см3). Недавно удалось провести наземные наблюдения Титана в инфракрасном диапазоне (рис. 2б). Они смутно показали светлые континенты и темные низины. Но не только метановые облака, туманы и тучи затрудняют видимость поверхности: в атмосфере, на большой высоте, висит оранжевая мгла, состоящая из каких-то мельчайших частиц (рис. 2а). Природа этого вещества оставалась непонятной, но потом его удалось синтезировать в земных лабораториях из смеси метана и азота под действием электрических разрядов. Оно оказалось состоящим из сложной цепи гидридов соединений углерода и получило название "солин", от греческого слова "грязь".
Не исключено, что наряду с метаном в состав озер (или даже морей) входит этан С2Н6, причем его может быть даже больше, чем метана. По некоторым оценкам, глубина таких морей на Титане превышает километр, а под ними находится еще слой жидкого ацетилена C2H2. Предполагаемое обилие органических материалов на поверхности Титана вызвало даже предположение о возможной - разумеется, в отдаленном будущем - их промышленной разработке. Как ни скудна солнечная радиация, достигающая Титана, ее хватает, чтобы за миллиарды лет под действием фотохимических реакций на спутнике возникли и благодаря низким температурам сохранились огромные запасы органических материалов.
В октябре 2004 года аппарат "Кассини" передал более четкие инфракрасные снимки Титана (рис. 3). На них видны белые облака у Южного полюса, большая светлая область, получившая предварительное название "континент Ксанаду", и темный район, окаймляющий ее с запада. Снимок все еще недостаточно четок, чтобы понять, что именно мы видим. Если Ксанаду - действительно континент, то он простирается почти на всю видимую часть спутника. Предполагалось, что если с миссией "Гюйгенс" все будет нормально, то подробности мы увидим на экранах мониторов. Кроме того, после завершения миссии "Гюйгенс" аппарат "Кассини" пройдет вблизи Титана еще 44 раза и передаст на Землю другие научные данные.
НОВОГОДНИЕ ОТКРЫТКИ С ТИТАНА
14 января 2005 года в 9 ч 06 мин по Гринвичу, после 7,5 лет полета вместе с "Кассини" и месяца в автономном полете, 320-килограммовый аппарат "Гюйгенс" со сверхзвуковой скоростью 6,3 км/с и ревом сверхзвукового самолета вошел в атмосферу Титана. Едва уловимый сигнал его радиопередатчика достиг Земли лишь через 67 мин: столько времени нужно было свету и радиоволнам, чтобы при нынешнем взаимном расположении планет дойти от Сатурна до Земли. Последователь но раскрывавшиеся три парашюта замедлили скорость падения аппарата до 4,5 м/с в момент контакта с поверхностью спутника. Несмотря на все опасения, "Гюйгенс" нормально перенес посадку. Спуск в атмосфере продолжался 2 ч 28 мин, несколько дольше, чем ожидалось, и проходил одновременно с научными измерениями и съемкой поверхности (рис. 4). Снимки черно-белые; мы добавили здесь оранжевый тон, чтобы показать оттенок освещенности, который увидел бы глаз человека.
Пока опубликованы лишь самые предварительные результаты и необработанные снимки, но некоторые выводы уже сделаны. На Титане есть и континенты, и, возможно, значительные площади жидкой поверхности. В верхней части снимков (рис. 4 и 5), несомненно, угадывается горная страна. Сразу возник вопрос: а что видно на первом плане, в нижней их части? Жидкая ли это среда или ровная темная поверхность? На панорамном изображении (рис. 6), составленном из снимков, сделанных с высоты 8 км, можно видеть, что аппарат садился в геологически сложном районе. Место посадки находится в крайней правой части панорамы, внизу. Опять-таки легко угадываются горные районы, но природу других частей изображения объяснить труднее. Расходящиеся светлые полосы неправильной формы - это, вероятнее всего, облака конденсированного метана. На его конденсацию указывает также метановый туман, который наблюдался при спуске "Гюйгенса". С высоты 25 км поверхность была видна еще плохо. Туман пропал только на высоте 19 км, но появились довольно плотные облака. Ниже 18 км видимость вообще стала отличной.
Температура у поверхности оказалась в точности такой, как указывали наземные и космические измерения, -179оС (94 К). Теоретические модели предсказывали минимум температуры высоко в атмосфере. И действительно, на высоте 50 км температура была минимальной, -203оC (70 К). Сообщений, касающихся определения природы солина, независимого от наземного лабораторного моделирования, о котором говорилось выше, пока нет.
Разумеется, не только солин интересует ученых. Сам состав атмосферы Титана, если найти соответствующие ключи, расскажет об особенностях происхождения этого странного небесного тела. Один из таких ключей - изотопный состав азота в атмосфере Титана. Он резко отличается от изотопного состава земного азота. Соотношение изотопов рассказывает гораздо больше, чем просто присутствие того или иного газа. Так, подозревалось, что выпавшие на Землю метеориты группы SNC прилетели с Марса. Но только совпадение изотопного состава газовых включений в метеоритах и газов атмосферы Марса позволило доказать, что они действительно "марсиане". Что же касается азота в атмосфере Титана, загадкой остается трехкратное превышение, по сравнению с Землей, содержания изотопа азот-15 по отношению к азоту-14. А по сравнению с Юпитером, у которого изотопы сохранились в почти изначальном состоянии, превышение составляет 6 раз. Что касается Земли, объяснение лежит в значительных потерях, которые испытала земная атмосфера. Но тогда потери атмосферы Титана должны были быть намного большими, почти катастрофическими. Откуда же у него такая плотная азотная атмосфера?
Метановые дожди на Титане, по-видимому, намного интенсивнее, чем предполагалось. На снимке рис. 7а поверхность "суши" прорезана многочисленными извилистыми каналами, а на некоторых снимках видны даже следы выхода рек из берегов, следы "наводнений" в мире жидкого метана. Извилистые каналы направлены к ровной темной части снимка. Естественно было предположить, что это берег моря или озера. На рис. 7б представлен весь окружающий район. Темные области имеют большую протяженность, а в прибрежных метановых "водах" как будто даже видны острова. Но обработка изображений и изучение результатов других экспериментов приводят к несколько иным выводам. Темные участки - это, скорее, равнина, покрытая выпадающими из атмосферы темными осадками неизвестного состава. Русла рек лишь иногда наполняются жидким метаном, который затем заполняет обширные бассейны. В отличие от земной воды метан сравнительно быстро испаряется и снова переходит в атмосферу. Следующий сезон ливней и наводнений смывает темные осадки и выносит их в низины. Вероятнее всего, это связано с сезонными явлениями. Жителю Земли трудно представить себе, что при очень низких температурах, близких к тем, что на Земле называют "температурой жидкого азота", снова появляются дожди, наводнения и моря. Но теперь снимки "Гюйгенса" не оставляют в этом сомнений. Снимки, приведенные на рис. 7, ясно показывают работу текущей жидкости. Что же касается обычного на Земле водяного льда, то при таких температурах это просто камень, обыкновенная горная порода.
НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА
На первой пресс-конференции журналистам предложили прослушать шум ветра при спуске аппарата в микрофоне, установленном на "Гюйгенсе". Но это было, скорее, утешением: существование ветра, причем довольно сильного, установлено по косвенным признакам, а прямые измерения задерживались. Хотя появление сигнала "Гюйгенса" на Земле заметили, прямая радиосвязь аппарата с Землей была практически невозможна: слишком он далеко и слишком слаб его передатчик. Поэтому все данные с помощью ненаправленной антенны "Гюйгенса" передавались на орбитальный аппарат "Кассини" с мощной направленной антенной для связи с Землей. Эта же антенна принимала сигнал "Гюйгенса". Такая схема связи постоянно используется в космосе; например, так мы получали данные с аппаратов "Венера". Недостатком этой схемы в случае "Гюйгенса" было ограниченное время видимости (точнее - радиовидимости) аппарата "Кассини" над горизонтом Титана. Аппарат "Кассини" ушел и радиосвязь прекратилась, когда в батареях "Гюйгенса" еще был запас энергии и он продолжал посылать свои научные данные.
К сожалению, не все прошло гладко. В целях надежности на аппарате были установлены два полукомплекта радиолинии, "А" и "В". Радиосистема "В" работала нормально, но, как сообщалось, полукомплект "А" отказал. Это привело к потере половины снимков и данных о силе и направлении ветра в атмосфере. Обе потери не совсем фатальны; передача данных была построена так, что отказ одной из двух радиосистем приводил только к потере четкости изображений, а сведения о ветре можно, в принципе, восстановить из доплеровских измерений линии связи "Гюйгенс"-"Кассини". Четкость в какой-то мере тоже можно восстановить компьютерными методами, особенно для снимков на поверхности, где один и тот же ландшафт (рис. 8) снят многократно. Пока ученые анализировали первые научные результаты, руководители искали виноватых. Вскоре выяснилось, что радиолиния "А" на "Гюйгенсе" все-таки работала нормально. Причина потери данных, как сообщил сайт BBC News за 21 января 2005 года, была на орбитальном аппарате "Кассини". Оказалось, что приемник радиолинии "А", через который принимались данные "Гюйгенса", по-видимому, просто забыли включить. Во всяком случае, команды включения приемника в пакете заранее поданных на него команд не оказалось.
Несмотря на значительную скорость, около 5 м/с, аппарат опустился на поверхность довольно мягко. Проект предусматривал сохранение работоспособности "Гюйгенса" даже при посадке на жидкую поверхность. Но этого не понадобилось: по своим механическим свойствам поверхность равнины, где сел аппарат (рис. 8), напоминает мокрый песок или влажную глину, покрытые какой-то тонкой коркой. Инфракрасная спектрометрия указывает на водный лед как на основной компонент поверхности и на углеводородные соединения. Затем выяснилось, что на поверхности в момент посадки стояли лужи жидкого метана: по заключению экспериментаторов, там недавно прошел дождь. Авторам космических экспериментов по исследованию Венеры, выполнявшихся в нашей стране, было приятно услышать, что специалисты группы "Гюйгенса" сравнивают качество снимка, приведенного на рис. 8, с нашими снимками поверхности Венеры. Действительно, снимки Венеры были очень хороши. Они нелегко дались нашим исследователям: аппарат работал при температуре почти 500оС, что технически гораздо сложнее работы в условиях Титана. Но снимок (рис. 8), пожалуй, больше напоминает каменистую поверхность Марса. Качество снимка будет значительно улучшено дальнейшей обработкой. А сходство с Марсом заключается еще и в том, что равнина на нем могла когда-то быть дном большого бассейна, заполненного жидкостью. Как уже говорилось, метановые "наводнения" на Титане могут быть сезонными явлениями. И еще один эксперимент напоминает наши исследования Венеры. На борту "Гюйгенса" имелся прибор для регистрации электрических разрядов (молний) в атмосфере Титана. Такой эксперимент впервые поставил автор настоящей статьи на аппаратах "Венера" 11-14 в 1978-1982 годах. Он позволил обнаружить высокую электрическую активность атмосферы Венеры. Но в эксперименте на Титане молнии не обнаружены. Может быть, для них там слишком холодно? Из других результатов сообщается о проведении измерений обоими спектрометрами, данные которых обрабатываются.
О ГЛАВНОЙ ЗАДАЧЕ
В начале статьи говорилось о том, что одной из главных задач исследований Титана ученые называют изучение присутствующих там органических соединений и их возможной естественной эволюции. Но в том, что касается перспектив поиска внеземной жизни в космосе, следует четко отделить научные данные от довольно многочисленных и шумных журналистских комментариев к пресс-релизам исследователей. В них часто приходится слышать заявления о сходстве физических условий на Титане и на ранней Земле. Мягко говоря, это не так. Прежде всего, на Земле среда, в которой, как предполагается, возникла жизнь, - мелкие теплые водоемы - отличалась достаточно высокой температурой, выше замерзания, но ниже кипения воды. Таких условий на Титане нет. Далее, вода - уникальный растворитель и среда для накопления органических соединений. На Титане жидкая вода как растворитель из химических реакций исключена. Ее на Титане нет. Химические реакции в условиях Земли протекают быстро. Но особенности природы Титана заключаются именно в низкой температуре его поверхности и атмосферы, когда скорость реакций, по сравнению с земными условиями, замедляется на много порядков. Биофизики считают, что, создавая клеточные механизмы, природа в условиях ранней Земли перебирала бесчисленное множество химических реакций. В низкотемпературных условиях Титана для создания подобным образом биологических механизмов земного типа природе понадобилось бы время, превосходящее любые космологические масштабы. В таком случае, откуда же взялись предположения ученых о жизни на Титане? Два обстоятельства позволяют строить такие гипотезы.
Первое: метан постепенно разрушается под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Плотность этой радиации на Титане невелика, но примерно за 10 миллионов лет она могла бы разрушить все имеющиеся там запасы метана. Если этого не произошло, значит, какой-то процесс пополняет его запасы. Отсюда один шаг до предположения, что метан может возникать в биологических процессах, как это происходит на Земле. В ответ критики биологической гипотезы не только приводят соображения о низкой температуре, ленивых химических реакциях и отсутствии воды. Они говорят об известных геологических явлениях, например о так называемом процессе серпентизации, в котором также возникает метан, но без всякого участия бактерий. Тогда на сцену выходит второе, опять-таки гипотетическое обстоятельство - возможное существование глубокого холодного водного океана под 300-километровой ледяной корой спутника. Экспериментальных указаний на существование океана нет; выводы сделаны только на основе компьютерных моделей, согласно которым океан должен содержать до 15% растворенного аммиака и много органических соединений. Вот видите, говорят сторонники биологической гипотезы, здесь есть все необходимое для возникновения жизни…
В заключение следует сказать, что российские ученые гордятся великолепным научным достижением европейских коллег, которые своим многолетним трудом обеспечили полный успех уникальной научной миссии "Кассини-Гюйгенс", и поздравляют их. Европейское космическое агентство своими миссиями "Марс-экспресс", "Кассини-Гюйгенс" и запускаемым в 2005 году новым аппаратом "Венера-экспресс" показало серьезность своих научных проектов.
Создание аппаратов и реализация миссии "Кассини"-"Гюйгенс" обошлись в 3,3 млрд долларов. Сумма огромная. Примерно во столько же, учитывая инфляцию, обошлась миссия "Викинг", которую НАСА отправило на Марс в 1976 году. Научных проектов таких масштабов мало. Но… В интернет-издании CONCORD MONITOR on line, за 18 января 2005 года в статье "Titan unmasked" приводится такая оценка: стоимость миссии 3,3 млрд долларов соответствует расходам США за 19 дней войны в Ираке…
Иллюстрация " Рис. 7. ".
Рис. 7. Темные извилистые узкие образования в левой части рисунка (а) - это, по-видимому, реки, сливающиеся вместе. Темная часть справа может быть морем или озером жидкой среды; но возможно, это такая же равнина, как на рис. 8. Ширина участка 5 км. Этот же участок находится в центре мозаики (б) (черно-белые снимки ЕКА).
