На Плутоне, оказывается, есть древний океан воды. Ужасно интересно, что там происходит, — но для начала придется изучить океаны Энцелада и Европы

Недавний анализ снимков автоматической межпланетной станции New Horizons, сделанный учеными из Университета Калифорнии, показал, что сразу после формирования Плутон мог быть настолько теплым, что на его поверхности существовал океан из жидкой воды. Мало того, подобные океаны могли вполне существовать и на других карликовых планетах, расположенных за орбитой Нептуна, утверждают авторы статьи. Подледные океаны — одни из самых интересных мест в Солнечной системе с точки зрения существования условий для жизни, однако о том, как они сформировались и что происходит в них под многокилометровым панцирем, известно пока очень и очень мало.

Еще пару десятилетий назад Плутон считался девятой планетой Солнечной системы, а все наши знания о нем умещались, по сути, в нескольких параметрах орбиты и нескольких пикселях изображения, когда-то полученных «Хабблом».

Все изменилось в 2015 году, когда автоматическая межпланетная станция New Horizons прислала лучшие за всю историю изображения его поверхности, сделанные во время сближения с небесным телом, — эти снимки до сих пор являются главным источником данных о бывшей планете. Результаты съемок оказались настоящей неожиданностью для ученых: никто не предполагал, что далекий Плутон окажется вовсе не похож на гладкий бильярдный шар, а будет обладателем весьма сложного рельефа, отражающего историю его возникновения. На снимках New Horizons Плутон оказался покрыт молодыми горами, ледяными равнинами, метановыми дюнами и даже дрейфующими по азоту айсбергами.

Кроме того, астрономы заметили, что ледяная кора небесного тела усыпана многочисленными трещинами, которые выглядели как следы недавней тектонической активности. Они стали первым намеком на существование на карликовой планете гигантского подповерхностного океана. Вскоре появились и другие свидетельства, говорящие в пользу наличия жидкой воды под ледяной корой планеты, но как и когда она возникла на Плутоне — до сих пор оставалось загадкой. 

Вообще, стоит заметить, что вода в космосе вовсе не редкое явление. Ее молекулы присутствуют уже в газопылевом диске вокруг молодых звезд, из которого формируются планетные системы, причем со временем под давлением солнечного ветра вода вместе с легкими газами оттесняется к периферии звездной системы — именно поэтому газовые гиганты расположены от Солнца гораздо дальше, чем небольшие каменистые планеты вроде Меркурия или Земли.

Таким образом, обнаружение воды на Плутоне вполне ожидаемое событие. Но важно в данном случае то, что в глобальном масштабе в Солнечной системе вода почти всегда существует в виде льда, а не привычной нам жидкости. Она, например, составляет основную долю вещества в кометах и спрятана в холодных ловушках на Луне и карликовой планете Церере. Открытие именно жидкого океана на далеком Плутоне в этом смысле вовсе не тривиально.

Однако помимо самого факта его существования, очень важно знать, как именно это океан сформировался и насколько долго он мог быть активным — это ключевые параметры для понимания того, мог ли такой океан обеспечить возникновение жизни. Чтобы выяснить, когда именно на Плутоне мог появиться глобальный океан, авторы новой статьи в Nature Geoscience, Алан Стерн из Юго-Западного исследовательского института и Карвер Бирсон и Френсис Ниммо из Университета Калифорнии, Санта-Круз, рассмотрели две основные гипотезы формирования Плутона.

Первая из них предполагает, что Плутон изначально был «холодным». Это значит, что он рос, медленно накапливая ледяной материал из внешней Солнечной системы, и сначала океана на нем не было. Вода в жидком виде на Плутоне появилась лишь после того, как ядро карликовой планеты разогрелось в результате радиоактивного распада алюминия-26 и гравитационных взаимодействий со своим спутником Хароном.

В этом сценарии геологические разломы на небесном теле должны были бы сохранить признаки сжатия поверхности. Почему именно сжатия? Дело в том, что тепло, исходящее из недр планеты, растопило бы нижние слои льда, превратив их в жидкую воду, а она, как известно, занимает меньший объем. Как следствие, ледяная кора Плутона начала бы сжиматься, что привело бы к образованию характерных геологических следов.

Другая гипотеза говорит о том, что Плутон изначально мог быть «горячим». Согласно этой версии, карликовая планета сформировалась за счет столкновения небольших камней, или гальки, которые слипались между собой, постепенно образуя все больший и больший ком. Этот процесс был достаточно энергичным и привел к быстрому таянию нижнего слоя льда. Когда верхняя «скорлупка» Плутона стабилизировалась, она, вместо того чтобы сжаться, наоборот, расширилась, так как жидкая вода начала примерзать к основанию коры карликовой планеты. Если в прошлом основную роль играл такой механизм, то на небесном теле остались бы соответствующие следы.

Чтобы выяснить, какой из сценариев больше соответствует действительности, Стерн, Бирсон и Ниммо сопоставили данные, полученные камерами и инструментами New Horizons, с результатами моделирования.

Анализ показал, что поверхность Плутона покрыта трещинами разных возрастов — в том числе и теми, которые предположительно сформировались около 4,5 миллиарда лет назад, на заре существования Солнечной системы. Но главное, что в основном это были трещины, образовавшиеся именно в результате расширения, а почти никаких свидетельств сжатия ученые не нашли. Таким образом, судя по всему, Плутон действительно был изначально «горячим» — не в бытовом смысле, конечно, а в том, что обладал достаточной температурой, чтобы растопить воду.

Помимо прочего, такой сценарий предполагает, что карликовая планета должна была сформироваться очень быстро, чтобы не успеть потерять свое тепло. Финальная стадия роста, согласно расчетам планетологов, должна была продлиться меньше 30 тысяч лет, что по космическим меркам крайне мало. Подобным же образом могли сформироваться и другие карликовые планеты на окраинах Солнечной системы, включая карликовую планету Макемаке, однако для проверки этой гипотезы, конечно, потребуется подробное исследование их поверхности.

Плутон далеко не первый в клубе миров-океанов. И речь не про Марс: гигантские скопления жидкой воды астрономы надеются исследовать на спутниках Сатурна и Юпитера

Надо сказать, что Плутон далеко не единственное небесное тело в Солнечной системе, которое должно иметь жидкий подповерхностный океан. Многие косвенные признаки указывают на то, что океаны существуют и на других карликовых планетах, а также на спутниках газовых гигантов.

Пожалуй, самым известным из них является Энцелад, одна из лун Сатурна. В 2004 году межпланетная станция «Кассини» обнаружила над его южным полюсом огромные водяные гейзеры высотой до 250 километров, которые стали важным свидетельством существования под твердой поверхностью тела глобального океана. По современным оценкам, его глубина достигает 45 километров, что в четыре раза глубже Марианской впадины. Толщина ледяного слоя, под которым скрыт этот океан, — от 18 до 22 километров (хотя на южном полюсе лед, как считается, должен быть значительно тоньше, от двух до пяти километров).

Еще один океан Солнечной системы должен существовать на Титане, крупнейшей луне Сатурна. Считается, что по солености он может сравниться с Мертвым морем. Проверить это будет непросто: он спрятан под еще более толстым слоем льда, чем океан Энцелада, — толщина верхней ледяной корки, по оценкам ученых, достигает 50 километров. Зато на его поверхности встречаются озера — правда, не из воды, а из метана и этана.

Другим знаменитым примером мира-океана может служить Европа, небольшой спутник Юпитера с радиусом в четыре раза меньше земного (кстати, это самая маленькая из открытых Галилеем лун планеты). Ученые предполагают, что под ее ледяной поверхностью скрыт соленый океан, глубина которого должна составлять десятую часть всего радиуса небесного тела. Объем воды в «европейском океане» в два-три раза больше, чем в Мировом океане на Земле, и в жидком виде она сохраняется за счет приливных сил.

Этот довольно распространенный механизм разогрева небесных тел без использования энергии Солнца или внутренней радиоактивности работает так: когда спутник, вращающийся вокруг Юпитера, подходит близко к газовому гиганту, гравитация последнего его слегка сплющивает и он слегка вытягивается вдоль направления на планету. Затем, когда небесное тело удаляется от Юпитера, Европа снова принимает шарообразную форму. Такие регулярные деформации способствуют перемешиванию и нагреву недр, что не дает подледному океану замерзнуть, а также создает частично расплавленные «карманы» по всей внешней оболочке Европы.

В число оставшихся ледяных небесных тел с возможным подледным океаном также входят две другие луны Юпитера, Ганимед и Каллисто, спутники Сатурна Мимас и Диона, а также Тритон, вращающийся вокруг Нептуна. Кроме того, океан мог существовать и на другом интересном объекте — карликовой планете Церере, — но сейчас он, как считают астрономы, представляет собой остаточную смесь льда, соли и камней.

Теплые глубинные океаны — главная надежда искателей внеземной жизни в Солнечной системе

Почему же астрономов так сильно интересуют океаны? Ответ довольно очевиден — гипотетически, там может существовать или когда-то существовала жизнь, подобная земной. Несмотря на то, что ледяные миры совсем не похожи на нашу планету, они считаются неплохими кандидатами на роль «колыбели» для примитивных организмов.

На Земле в качестве щита, укрывающего ее жителей от вредоносного космического излучения, выступает атмосфера. Однако на большинстве ледяных миров-океанов ее нет (за исключением разве что Титана), но зато есть толстая ледяная корка, которая способна служить вполне адекватной заменой. С одной стороны, она задерживает радиацию и защищает океан от астероидов, но с другой — блокирует большую часть тепла, поступающего от Солнца. Поэтому на ледяных небесных телах на первый план в энергетическом балансе выходит не Солнце, а нагрев за счет приливных сил и процессов радиоактивного распада.

Сегодня ученые определили несколько наиболее удачных кандидатов для поисков жизни, в число которых входят прежде всего Европа и Энцелад. Так, известно, что по крайней мере на Европе есть все необходимые для зарождения примитивных организмов компоненты: жидкая вода, органические молекулы и энергия химических реакций. На Энцеладе, помимо воды, углекислого газа, метана, метанола и аммиака, было обнаружено (в струях гейзеров) большое количество водорода, что может указывать на активные гидротермальные процессы на дне океана.

Безусловно, из-за специфических условий обитатели внеземных подповерхностных океанов вряд ли будут похожи на монстров из фантастических книг. Когда астробиологи думают о жизни внутри подледных океанов, они скорее представляют кого-то вроде обитателей земных горячих источников — а это прежде всего одноклеточные архебактерии (археи), которые, несмотря на свою примитивность, представляют огромный интерес для биологов. Именно поэтому сегодня существует несколько проектов исследовательских миссий, с помощью которых ученые надеются определить пригодность подледных океанов для жизни.

Ни один из ледяных миров толком не изучен, но у астрономов уже много конкретных планов исследовательских миссий

На сегодняшний день запланировано несколько миссий к спутникам газовых гигантов. Ближайшая из них должна стартовать уже в июне 2022 года. Космический аппарат Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) отправится к Европе, Ганимеду и Каллисто, чтобы сделать снимки их поверхности, посмотреть, как взаимодействуют атмосферы лун с Юпитером, и просканировать их с помощью радара на глубину до девяти метров. Кроме того, JUICE проведет дистанционные наблюдения Ио, самого близкого к Юпитеру спутника — в частности, проанализирует его вулканическую активность. Все это поможет планетологам получить убедительные доказательства существования океанов на лунах газового гиганта, а также определить их схожесть с земным океаном. 

Другой важный проект — автоматическая межпланетная станция Europa Clipper, которая не только несколько раз пролетит над поверхностью Европы, но и отправит к ней спускаемый модуль. Вместе аппараты, запуск которых намечен на 2023 год, определят толщину ледяной коры поверхности Европы, глубину океана и его соленость, что проверит его способность к поддержанию жизни.

Также астрономы планируют отправить исследовательские станции к Титану. Летом прошлого года NASA объявило об астробиологической миссии Dragonfly, предполагающей посадку на поверхность спутника винтокрылого летательного аппарата. Фактически это огромный квадрокоптер с двойными винтами, который сможет летать со скоростью порядка 36 километров в час и подниматься на высоту до четырех километров (на Титане летать проще, потому что атмосфера там плотнее, а сила гравитации — меньше). Основной целью миссии станет поиск веществ, способных стать основой для возникновения жизни, а также анализ жизнепригодности различных областей Титана. Старт программы запланирован на 2026 год, но гигантский дрон достигнет окрестностей Сатурна лишь через восемь лет после начала полета.

Однако огромный космический квадрокоптер даже не самый грандиозный проект миссии к Титану, который имеется в планах NASA. В аэрокосмическом агентстве исследуют и более амбициозную возможность отправки на Титан автономной субмарины, с помощью которой ученые надеются исследовать море Кракена. И хотя моря на Титане состоят вовсе не из воды и жизни в них обнаружить надежды нет, все равно происходящие в них процессы очень интересны. По задумкам авторов, роботизированный аппарат изучит химический состав «водоема», поверхностные и внутренние течения, приливы, ветер и волны, соберет батиметрические данные (подводный аналог топографических) и проведет анализ морского дна. Пока, правда, проект нельзя назвать подробно разработанным, и его судьба, в том числе и конкретный набор научных инструментов на борту, не определена. Однако из сегодняшнего дня, когда сведения о Титане пока ограничиваются только анализом снимков его поверхности, отправка абсолютно любого, даже минимально функционально оснащенного зонда станет большим шагом для исследования экзотичного метанового мира.