Наша уникальная Солнечная система

Не менее, а возможно, еще более экзотическим и загадочным примером может служить вулканическая активность спутника Нептуна - Тритона. Для обозначения этих процессов пришлось ввести специальный экзотический термин - криовулканизм, т.е. вулканизм при низких температурах. Внешние проявления криовулканизма потрясают воображение: из поверхности, покрытой замерзшим азотом и имеющей температуру около 38 К, выбивается гейзер высотой около 8 км при толщине столба выброса от 20 м до 2 км. На снимках, сделанных космическим аппаратом "Вояджер-2" в 1989 г., были зафиксированы два действующих извержения. Выбросы развеивались ветром с востока на запад на значительное расстояние (более 100 км) и, осаждаясь на поверхность, оставляли следы в виде протяженных темных полос-шлейфов. По таким шлейфам в южной полярной области спутника было отождествлено еще около 50 ранее действовавших извержений.

Тритон имеет диаметр около 2700 км и его средняя плотность составляет 2,0 г/см³. По массе спутник состоит на 70% из силикатов и на 30% из льдов, в состав которых входят N₂, CO и CH₄. Для объяснения криовулканизма, наблюдаемого на Тритоне, предложено несколько механизмов, включая и описанный выше приливной разогрев. Предполагают также, что криовулканические процессы имеют приповерхностный источник энергии, когда при многослойной структуре верхних слоев льда в одном из слоев происходит аккумуляция слабого здесь солнечного тепла. Постепенно накапливаясь, внутреннее давление достигает уровня, достаточного для гигантского выброса. Какова природа криовулканизма в действительности, еще предстоит решить.

Жизнь в Солнечной системе

Проблема существования внеземной жизни на телах Солнечной системы остро интересует уже многие поколения не только профессионалов, но и многих жителей Земли. Прежде всего необходимо понять какие тела по условиям естественной среды могут претендовать на роль обители внеземной жизни. После того, как окончательно установилось мнение, что значительная часть кислорода в земной атмосфере (около 21%) является результатом деятельности биомассы, наличие кислорода в среде других тел стало одним из указаний на существование хотя бы примитивных форм живых организмов.

Летом 1995 г. с помощью спектрографа высокого разрешения, установленного на Космическом телескопе им. Хаббла, в ультрафиолетовой части спектра Европы были обнаружены детали, свойственные молекулярному кислороду. На этом основании был сделан вывод о наличии у Европы кислородной атмосферы, простирающейся до высот около 200 км. Конечно, общая масса этой газовой оболочки ничтожна. По оценкам, давление атмосферы у поверхности Европы составляет всего лишь 10^-11 от давления земной атмосферы. С большой вероятностью кислород на Европе имеет небиологическое происхождение. По-видимому, существует процесс испарения незначительного количества водяного льда, которым, как упоминалось выше, покрыта поверхность Европы. Вероятной причиной может быть, например, микрометеоритная бомбардировка с последующим разложением молекул водного пара и потерей более легкого водорода. При температуре поверхности Европы около 130 К тепловые скорости молекул кислорода не столь велики, чтобы привести к быстрой диссипации газа, а постоянная подпитка парами воды способствует сохранению постоянной, хотя и сильно разреженной, атмосферы юпитерианского спутника.

Озон, обнаруженный примерно в то же время и с той же аппаратурой на другом спутнике Юпитера - Ганимеде, скорее всего имеет аналогичное по природе происхождение. Общая масса озона в предполагаемой кислородной атмосфере Ганимеда составляет не более 10% массы этого газа, ежегодно теряемой над южным полюсом Земли в области антарктической озонной дыры.

Пример ледяных спутников Юпитера показывает, что существенным условием развития организмов является соответствующая температура среды. По этому признаку из всех крупных планет может быть выделен только Марс (рис. 14).

Рис. 14 Снимки Марса, полученные Космическим телескопом им. Хаббла. На светлом фоне северной полярной шапки можно видеть зарождение и развитие пылевого вихря (темная деталь)

Температурный режим вблизи экватора этой планеты почти приближается к условиям полярных или высокогорных районов Земли. Давление марсианской атмосферы у поверхности почти такое же, как на высоте 30 км над Землей. Многочисленные структуры, напоминающие русла высохших рек или системы оврагов, возможно, говорят о существовании в прошлом открытых водоемов на поверхности планеты. Наконец, специфические формы выбросов вокруг некоторых ударных кратеров убедительно свидетельствуют в пользу существования криолитосферы, то есть довольно мощных подповерхностных слоев льда (рис. 15).

Рис. 15 Область марсианской поверхности с ударными кратерами различного возраста. В области кратера с вытянутыми очертаниями видны характерные "наплывы", возникающие в случае, когда происходит ударное расплавление подповерхностных льдов

Вывод о возможном существовании жизни на Марсе, как известно, далеко не нов и широко пропагандировался еще во времена Дж. Скаипарелли и П. Лоувелла. Но столь очевидное свидетельство, как окаменелые бактерии, появилось впервые.

Если посещение окрестностей Земли гипотетическими транснептуновыми телами пока требует дополнительного подтверждения, то обмен веществом между Луной и Землей, а также между Марсом и Землей является уже свершившимся фактом. Помимо образцов лунных пород, доставленных на Землю с поверхности Луны автоматическими станциями и космическими кораблями, насчитывается 15 фрагментов лунного вещества общей массой 2074 г., попавших на нашу планету естественным путем в виде метеоритов. Лунное происхождение их подтверждается тем, что по структурным, минералогическим, геохимическим и изотопным характеристикам данные метеориты идентичны хорошо изученным в земных лабораториях лунным породам. Невероятно, но факт.

Еще более невероятным выглядит присутствие на Земле 78,3 кг марсианского вещества также в виде отдельных осколков, выпавших на Землю. Некоторые из этих 12 метеоритов были найдены в разных частях земного шара еще в прошлом веке. По своим необычным характеристикам некоторые осколки - шерготтиты, наклиты и шассиньиты, получившие названия по местам первых находок, были отнесены к особой группе. В частности, все они имеют необычно поздний возраст кристаллизации - от 0,65 до 1,4 млрд. лет. Однако, настоящую известность эти космические пришельцы приобрели сравнительно недавно, когда было установлено, что типичный только для них изотопный состав редких газов с большой вероятностью указывает на их марсианское происхождение. Изотопные отношения являются очень стабильной характеристикой вещества и надежным указателем на его происхождение. А в августе 1996 г. достоянием научного мира стала сенсация, получившая небывало сильный общественный резонанс: Д. Мак-Кей с группой сотрудников Космического центра им. Джонсона объявил о наличии в одном из марсианских метеоритов окаменелых остатков древних микроорганизмов внеземного происхождения.

Метеорит ALH84001 весом 1930,9 г был найден в Антарктиде в 1984 г. По данным предварительных исследований сильное ударное воздействие этот фрагмент претерпел 16 млн. лет назад. По-видимому, эта временная отметка соответствует времени выброса камня за пределы Марса и началу его космического путешествия. В земную среду метеорит попал 13000 лет назад.

С помощью сканирующего электронного микроскопа удалось получить изображения внутренней структуры метеорита, на которых обнаружены детали характерной формы с размерами от 2х10^-6 до 10х10^-6 см. На рис. 16 показано изображение единичной окаменелости, а на рис. 17 - целой "колонии" древних марсианских бактерий.

Рис. 16 Изображение предполагаемой окаменелости марсианского микроорганизма, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

Рис. 17 Группа микроокаменелостей, обнаруженных внутри марсианского метеорита

Для доказательства биологического происхождения обнаруженных реликтов исследователи выстроили целую систему сопутствующих аргументов. В частности, они обратили внимание, что все эти структуры располагаются внутри карбонатовых глобул (отложений карбонатов, окислов, сульфидов и сульфатов железа), возраст которых составляет 3,6 млрд. лет, то есть несомненно относится ко времени пребывания метеорита в марсианской среде. Кроме того, изотопный состав кислорода и углерода, образующих минералы глобул, однозначно соответствует изотопным характеристикам марсианских аналогов этих газов, определенных непосредственно на Марсе приборами космических аппаратов "Викинг" в 1976 г. Наконец, в земных условиях органические соединения, подобные тем, что обнаружены вокруг микроокаменелостей, являются продуктами жизнедеятельности и последующего разложения погибших древних бактерий. Обращающим на себя внимание отличием земных и марсианских бактерий являются их сравнительные размеры. Бактерии Земли в 100 - 1000 раз крупнее своих марсианских аналогов. Это обстоятельство является существенным с точки зрения микробиологии, поскольку в таком малом объеме не могут поместиться все клеточные механизмы, необходимые с земной точки зрения для нормальной жизнедеятельности, в частности, структура ДНК. Удовлетворительного объяснения этому не найдено и пока приходится довольствоваться тем соображением, что у древних марсианских бактерий могли быть свои понятия о нормальной жизнедеятельности.

Таким образом, в настоящий момент реально известная нам внеземная жизнь представлена лишь единственным свидетельством - окаменевшими реликтами бактерий с возрастом более 3 млрд. лет.

Планетные системы во Вселенной

В данном случае речь не пойдет о проблеме существования жизни за пределами Солнечной системы. Вопрос подразумевает возможность существования планетных систем, подобных нашей, около других звезд. Конечно, общий интерес к происхождению и развитию жизни во Вселенной стимулирует поиски планет у других звезд. Но есть и другая сторона проблемы. Располагая лишь одним, к тому же плохо изученным примером - нашей Солнечной системой, нельзя в достаточной степени понять общие закономерности происхождения и эволюции планетных систем в целом, в том числе и нашей собственной.

Поиски планет рядом с другими звездами осложнены естественными обстоятельствами: необходимо обнаружить слабый несамосветящийся объект вблизи яркой звезды. Первые намеки на реальное существование пылевой материи вблизи звезд были получены с помощью инфракрасных наблюдений. Инфракрасный телескоп с высокой чувствительностью, установленный на спутнике "IRAS", обнаружил слабые избытки ИК-излучения у ряда звезд, которые можно было интерпретировать, как излучения протопланетных дисков.

Первое изображение облака околозвездной пыли удалось получить с помощью своеобразного "внезатменного коронографа" на 2,5-метровом телескопе ESO Б.Смиту и Р.Террилу в 1984 г. Размеры диска, окружающего звезду ? Живописца, оказались гораздо больше диаметра Солнечной системы - около 400 а. е.

Внеатмосферные наблюдения значительно расширили возможности поиска. Были получены изображения начальной стадии формирования планетных систем из газо-пылевых околозвездных туманностей. На рис. 18 приведено изображение небольшой части (поперечником всего лишь около 0,14 световых лет) туманности Ориона, полученное Космическим телескопом им. Хаббла в 1993 г. В поле зрения оказались пять молодых звезд, вокруг четырех из которых были обнаружены протопланетные диски. Яркими выглядят образования, которые расположены близко к родительской звезде. Если основная масса пылевой материи удалена на более значительное расстояние, протопланетный диск выглядит темным (в правой части снимка). Крупномасштабное изображение подобной структуры показано на рис. 19.

Рис. 18 Протопланетные диски, обнаруженные около молодых звезд в Туманности Ориона. Изображение получено Космическим телескопом им. Хаббла

Рис. 19 Изображение одного из протопланетных дисков, полученное Космическим телескопом им. Хаббла

Увидеть следующую стадию эволюции планетных систем - формирование отдельных планет пока еще сложно. Для обнаружения спутников звезд приходится использовать в основном косвенные методы. Можно измерить небольшие периодические изменения блеска родительской звезды, полагая, что в эти моменты она частично затеняется крупным спутником-планетой. Если удается уверенно измерить ничтожные вариации в скорости собственного движения звезды, это может служить указанием на ее движение вокруг общего с крупными планетами центра масс. Такие данные позволяют оценить параметры предполагаемых спутников.

В настоящее время насчитывается около десяти случаев обнаружения около звезд отдельных спутников, параметры которых удалось оценить. Но прямое изображение получено лишь в одном случае. На рис. 20 представлен снимок спутника, обращающегося вокруг красного карлика Gliese 229.

Рис. 20 Снимок спутника звезды Gliese 229. Изображение получено Космическим телескопом им. Хаббла

Снимок сделан Космическим телескопом им. Хаббла в ноябре 1995 г. На снимке изображение самой звезды отсутствует. Светлый ореол в левой части кадра является лишь засветкой части площади приемника телескопа. Спутник звезды, обозначенный как Gliese 229 B, обращается на среднем расстоянии 44 а. е. Его масса оценивается в 20 - 60 масс Юпитера. Планетой назвать этот объект нельзя - он относится к коричневым карликам и, следовательно, более правильно было бы назвать его звездой-спутником. Но в то же время, коричневые карлики являются объектами, сформировавшимися тем же путем, что и звезды, но с малой массой, которая не может обеспечить нормальное протекание ядерных реакций в их недрах. Границей, разделяющей типичные звезды и коричневые карлики, считается масса, равная 75 - 80 массам Юпитера. В связи с этим возникла новая проблема. Часть обнаруженных объектов по массе предположительно больше, чем Юпитер, а где проходит граница между планетами - газовыми гигантами и коричневыми карликами пока достоверно не установлено, потому что в этом случае основным критерием является не масса объекта, а механизм его формирования. Расчетами установлено, что нижней границей массы тела, при которой работает механизм формирования именно звезды, а не газового гиганта, является величина, равная 10 - 20 массам Юпитера. Но более точных критериев, по которым можно было бы корректно отделить спутник-планету от спутника - коричневого карлика, пока нет. И можно ли говорить о наличии планетной системы, если у звезды обнаружен лишь один спутник?

Модельные расчеты и пример нашей собственной Солнечной системы показывают одно: признать существование планетной системы можно лишь в случае, когда звезда имеет больше двух спутников, заведомо не являющихся коричневыми карликами, то есть по массе существенно не превышающими Юпитер. Из известных в настоящее время систем этому условию отвечает лишь одна - спутниковая система пульсара PSR 1257+12 в созвездии Девы, отдаленном от нас на расстояние около 1000 световых лет. Три достоверно установленных спутника пульсара образуют систему, по размерам почти не превышающую орбиту Меркурия вокруг Солнца, с полуосями орбит соответственно: 0,19, 0,36 и 0,47 а.е. Периоды обращения спутников также близки к меркурианскому: 23, 66 и 95 земных суток. По массе ближайший к пульсару спутник предположительно равен Плутону. Средний спутник в 3 раза более массивен, чем Земля. Самый удаленный объект превышает по массе нашу планету в 1,6 раза. Таким образом, планетная система пульсара PSR 1257+12 - единственная достоверно известная в настоящее время - по природе центральной звезды (нейтронная звезда) и по характеристикам спутников резко отличается от нашей собственной и, следовательно, не может ничего сообщить о типичных механизмах формирования планет и спутников. Пока мы по-прежнему остаемся одинокими во Вселенной.

В качестве иллюстраций к статье использованы изображения астрономических объектов, переданные на Землю космическими аппаратами "Галилео", "Клементина" и Космическим телескопом им. Хаббла, и распространенные НАСА США по сети "Интернет". Автор выражает благодарность сотрудникам Университетской ассоциации по астрономическим исследованиям и НАСА, подготовившим упомянутые материалы.

Литература

1. М.Я.Маров. Планеты Солнечной системы. М.: Наука, 1986.

2. В.Н.Жарков, В.П.Трубицин. Физика планетных недр. М.: Наука, 1980.

3. В.А.Бронштэн. Планеты и их наблюдения. М.: Наука, 1979.

4. Л.В.Ксанфомалити. Планеты, открытые заново. М.: Наука, 1978.

5. У. Кауфман. Планеты и луны. М.: Мир, 1982.

6. Ф.Л.Уипл. Семья Cолнца. М.: Мир, 1984.

7. Л.В.Ксанфомалити. Планета Венера. М.: Наука, 1985.

8. В.И.Мороз. Физика планеты Марс. М.: Наука, 1978.

9. В.В.Шевченко, Ж.Ф.Родионова. Глобус Марса - еще одна планета у вас на столе. М.: ГАИШ, 1993.

10. В.В.Шевченко. Современная селенография. М.: Наука, 1980.

11. В.В.Шевченко. Луна и ее наблюдение. М.: Наука, 1983.

12. Спутники планет. Сб. М.: Мир, 1980.

13. К.И.Чурюмов. Кометы и их наблюдение. М.: Наука, 1980.

14. А.Н.Симоненко. Астероиды. М.: Наука, 1985.

15. Г.Голдсмит, Т.Оуэн. Поиски жизни во Вселенной. М.: Мир, 1983.

16. Л.В.Ксанфомалити. Парад планет. М.: Наука..Физматлит, 1997.

Размещено на Allbest.ru