Джон Уиллис

Все эти миры — ваши

Научные поиски внеземной жизни

Редактор А. Никольский

Переводчик Т. Китаина

Научный редактор Д. Вибе, д-р физ. — мат. наук

Корректоры М. Ведюшкина, М. Миловидова, М. Савина

Руководитель проекта И. Серёгина

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

Фото на обложке NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

© Jon Willis, 2016

Originally published by Yale University Press

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

© Электронное издание. ООО «Альпина Диджитал», 2018

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека „Династия“». Дмитрий Борисович Зимин — основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека „Династия“», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.

* * *

Розе и Саре.

Спасибо небу за этих девочек

Предисловие

Все эти миры — ваши, кроме Европы. Не пытайтесь высадиться на нее. Используйте их сообща. Используйте их мирно.

Все эти миры — ваши. Назвав так книгу, я хотел показать, что поиски жизни во Вселенной как в практическом плане, так и в плане научных выводов доступны каждому, кто интересуется естествознанием. Цитата взята из романа Артура Кларка «2010: Одиссея Два»[1], и выбор научно-фантастического романа был абсолютно осознанным.

Многие наши предубеждения относительно внеземной жизни сформировались под влиянием книг и кинофильмов. Подобные произведения часто оставляют сильное впечатление, но они куда больше говорят нам о создавших их людях, чем о неведомых инопланетянах. Однако в итоге у нас возникают определенные представления о том, какие формы может принимать инопланетная жизнь и будут ли пришельцы пытаться войти с нами в контакт, начнут нас поедать сразу или же сначала войдут в контакт, а затем начнут поедать.

Возможно, кому-то эти представления покажутся антропоцентричными, но всякий раз, когда я читаю студентам университетов курс, посвященный поиску жизни во Вселенной, меня поражает, как легко они выходят за рамки общеизвестных штампов и с каким воодушевлением узнают, что ученые давно превзошли писателей-фантастов в плане выдвижения новых и смелых идей.

В результате этих размышлений родилась книга, которую вы держите в руках.

Глава 1. Чужие вокруг нас

Существуют ли инопланетяне? Есть ли жизнь за пределами нашей планеты? Думаю, да. И скорее всего, населенных миров великое множество. Откуда у меня такая уверенность? Почему я в этом убежден настолько, что даже решился написать целую книгу для ответа на этот вопрос? Моя уверенность в значительной степени основана на математических выкладках. Вселенная, как мы знаем, огромна, возможно даже бесконечна. Не надо быть знатоком математики, чтобы понять, что бесконечность — это очень много. Настолько много, что, даже если вероятность какого-то события, например возникновение жизни, ничтожно мала, все равно оно когда-нибудь произойдет. Пусть шанс, что выигрыш выпадет на задуманное вами число, мал, но все-таки он не равен нулю, и если вам позволено ставить на него бесконечное количество раз, то рано или поздно вам обязательно повезет. В бесконечной Вселенной возможно все. Однако такая логика в каком-то смысле обескураживает: в соответствии с подобными рассуждениями внеземная жизнь разбросана всюду, даже по самым удаленным уголкам мироздания. Гораздо интереснее размышлять о том, где можно найти инопланетную жизнь, какие формы она принимает, какой у нее обмен веществ и как мы могли бы с ней взаимодействовать. Но, как мы увидим в последующих главах, найти ответы на эти вопросы гораздо трудней, чем уверенно заявить о существовании иной жизни в космосе.

А что, если немного изменить вопрос? Есть ли у нас какие-либо научные доказательства существования жизни во Вселенной за пределами Земли? В настоящий момент ответ на этот вопрос, несомненно, будет отрицательным‹‹1››. Возможно, это объясняется тем, что никакой другой жизни, кроме земной, в космосе действительно не существует. Однако, если вспомнить, что говорилось выше, жизнь во Вселенной определенно есть, просто пока нам не удалось ее обнаружить. Мы недостаточно вглядывались и вслушивались в дальний космос, чтобы различить в нем признаки жизни. Более того, вполне возможно, что у нас уже имеются научные свидетельства существования внеземной жизни, только до сих пор они не признаны в качестве неопровержимых доказательств — мы еще затронем эту тему.

Даже когда вы дочитаете эту книгу, ответ на мой второй вопрос по-прежнему останется отрицательным. В значительной степени это объясняется тем, что при тех возможностях, которыми мы сегодня располагаем, наша задача остается чрезвычайно сложной. Несмотря на утверждения энтузиастов, занимающихся НЛО, внеземная жизнь не возникнет внезапно у нас на пороге. В настоящее время внеземная жизнь находится за пределами досягаемости телескопов и космических зондов. Поскольку наши научные ресурсы ограниченны, чтобы повысить шансы на успех, необходимо заранее определить, где и как следует искать. В этом может помочь астробиология. Эта наука ставит перед собой три основные цели: определить, какие условия необходимы для существования жизни на Земле (и, возможно, для существования жизни в принципе), найти во Вселенной места, которые соответствуют этим условиям, и, наконец, обнаружить в этих местах присутствие жизни. В настоящее время нам известно множество вероятных пристанищ для жизни: это планеты и спутники планет в нашей Солнечной системе, а также планеты, вращающиеся вокруг удаленных звезд. Некоторые из этих новых миров воспроизводят условия, встречающиеся на Земле — единственном месте, про которое нам точно известно, что жизнь здесь существует.

На этом месте въедливый читатель, возможно, возмутится: с какой стати мы рассматриваем жизнь на Земле в качестве шаблона для поиска жизни в других мирах? А что, если земная жизнь — лишь малая часть из огромного набора вариантов жизни вне Земли? Не слишком ли мы сужаем область наших поисков? Не получится ли так, что мы пройдем мимо чуждой формы жизни просто потому, что не сможем ее распознать? На этот вопрос также придется ответить утвердительно. Взяв за основу жизнь на Земле и последовательно расширяя круг поисков, мы действительно рискуем пропустить какие-то неизвестные нам формы жизни. Вполне вероятно, что из поля нашего внимания выпадут свободно перемещающиеся в космическом пространстве разумные существа, внешне похожие на астероиды, и другие невообразимые организмы. Но ведь надо с чего-то начинать! Единственная известная нам форма жизни — земная. Отталкиваясь от имеющихся у нас знаний, мы сможем рассуждать о том, какие процессы жизнедеятельности могут протекать на планетах, схожих с Землей. Под этими планетами я подразумеваю тела, имеющие твердую поверхность, атмосферу того или иного рода и, вероятно, наличие тех или иных химических соединений в жидкой форме. Единственное, за что я могу поручиться, — так это за то, что чем больше мы будем искать, тем больше мы будем узнавать о жизни и ее возможностях. Ну что, возражения снимаются? Тогда продолжим.

И вот наступает момент, когда мы вынуждены задаться вопросом: предполагается ли наличие жизни в каких-то конкретных участках Вселенной? И этот вопрос неизбежно влечет за собой следующий: какие физические эксперименты могут дать полную уверенность в существовании незнакомой нам формы жизни? Какие нужны технологии, чтобы провести эти исследования? Нужно ли нам встречаться с внеземными организмами «лицом к лицу» или мы можем получить сведения о них с помощью дистанционных методов? Вопросы, вопросы, вопросы. Для ответов на них нам придется прибегнуть к таким увлекательным научным дисциплинам, как астрономия, физика, химия, биология, геология, математика, компьютерное моделирование, философия, и это только начало. Хотя диапазон научных понятий, с которыми работают астробиологи, очень широк, идеи, которые они выдвигают, вполне доступны для понимания. Эти идеи нельзя назвать примитивными, но осмыслить их может любой, кто обладает начальными научными познаниями. Так что с учетом всего сказанного я бы хотел начать с очень простой и в то же время очень старой идеи — идеи обитаемых и необитаемых миров.

Новые миры на старый лад

Наш мир — это какое-то определенное место. Мы можем его ощущать, исследовать и каким-то образом на него воздействовать. Это реальный мир, а не абстрактная идея. Большую часть человеческой истории Земля была для людей единственным миром, и нам ничего не оставалось, кроме как исследовать его, открывая новые формы жизни. Астрономы древности считали звезды и планеты, видимые на ночном небосклоне невооруженным глазом, достойным предметом для изучения‹‹2››. Однако для них это были всего лишь яркие светящиеся точки. Чтобы понять природу этих объектов, люди прибегали к абстрактным рассуждениям и всяческим фантазиям, но выдвинутые ими идеи оставались ничем не подтвержденными, умозрительными заключениями. Все изменилось, когда появилась возможность взглянуть на эти объекты поближе. Чем больше мы видели, тем больше понимали, что каждая планета и каждая звезда — материальный мир, управляемый теми же физическими процессами, которые сформировали Землю и наше Солнце. А значит, мы можем исследовать и изучать эти миры. Мы можем посетить их, пройтись по их поверхности и даже вступить в контакт с их обитателями.

Галилео Галилей — человек, который первым дал нам возможность их увидеть. В 1609 г. Галилей попытался убедить венецианских купцов, что созданный им инструмент, состоящий из двух линз, установленных на разных концах деревянной трубки, позволяет разглядеть суда на дальнем расстоянии. Хотя мы с вами, вероятно, назвали бы этот прибор телескопом, сам Галилей использовал для него латинский термин perspicillum. Со своего наблюдательного пункта на колокольне собора Святого Марка Галилей мог разглядеть суда, которым оставался еще день пути до прибытия в венецианский порт. Увеличение, которое давал его телескоп, позволяло опознать каждое приближающееся судно по его флагам и вымпелам. Галилей предлагал судовладельцам покупать у него эту информацию и таким образом получать день форы перед своими конкурентами. Неизвестно, насколько успешным был этот бизнес и удалось ли ему убедить венецианских купцов раскошелиться, но в какой-то момент Галилей решил сменить область деятельности и направить свою трубу в совершенно другом направлении — на объекты ночного неба, такие как Луна, Сатурн и Юпитер. Увиденное в телескоп он просто и без затей описал в своем сочинении «Звездный вестник» (Sidereus Nuncius), вышедшем в 1610 г. и затронувшем буквально каждого.

Оказалось, что Луна — это целый мир с кратерами, высокими зубчатыми скалами и спрятанными в глубокой тени долинами. Ученые XVII в. предположили, что совершенно ровные, гладкие низины — это моря, и мы до сих пор используем этот термин. Примечательно, что все сведения о нашем спутнике Галилей получил из непосредственных наблюдений в телескоп. До этого момента о Луне не было известно почти ничего, кроме того что она вращается вокруг Земли. В классической астрономии Луна представлялась совершенным созданием, как и подобает обитателю небесной сферы. А вместо этого она, почти так же как и Земля, оказалась вся изборождена глубокими отметинами — следами древних катастроф. Но именно в этом несовершенстве Луны и запутанности ее истории и заключался главный интерес для ученых.

Всего 360 лет потребовалось человечеству, чтобы проделать путь от первых наблюдений Галилея до прибытия на место и взятия образцов грунта, а также (что оказалось особенно важно для нашего изучения Вселенной) доставке их на Землю. Наши многочисленные пилотируемые и автоматические миссии позволили нам узнать, что Луна состоит из пород, весьма сходных по составу с теми, из которых состоит земная кора. Насколько мы можем судить, самые древние лунные породы имеют тот же возраст, что и древнейшие породы Земли (не менее 4,4 млрд лет). Это лишь немногим меньше, чем метеориты, которые считаются старейшими обломками пород в Солнечной системе (4,54 млрд лет). Эти наблюдения позволяют сделать вывод, что в самом начале своей истории Земля и Луна были единым куском расплавленного вещества, а затем некое событие (вероятно, столкновение с другим планетоидом в молодой Солнечной системе) раскололо Землю на части, большая из которых стала Землей, а меньшая — Луной.

За те 360 лет, что разделяют Галилея и Нила Армстронга, Луна прошла путь от привычного, однако непонятного странника на нашем небосклоне до твердого тела с длинной геологической историей, неразрывно связанной с историей Земли. Задолго до того, как человек ступил на Луну, она стала для нас планетой — физической частью нашего мира. Далекая, но тем не менее осязаемая и реальная.

Шанс, что Марс обитаем…

Один против миллиона. Так утверждал астроном Оджилви в книге Герберта Уэллса «Война миров»[2]. Опубликованный в 1896 г. роман был предназначен для публики, которая считала, что Марс станет следующей после Земли планетой в нашем познании Вселенной. Человеком, который, как никто другой, способствовал тому, что общество было готово поверить в существование внеземной цивилизации на Марсе, был Персиваль Лоуэлл. Его история важна для поиска жизни во Вселенной, хотя, как мы еще увидим, утверждения Лоуэлла служат для нас хорошим напоминанием о том, на каком конце телескопа эта жизнь расположена.

Фигура Персиваля Лоуэлла не укладывается в рамки короткой биографической справки. Хотя его идеи относительно существования жизни на Марсе были ошибочны, Лоуэлла все-таки следует признать серьезным исследователем. Как астроном-любитель он положил начало традиции, когда богатые люди, имеющие финансовые возможности, становились главными донорами научных исследований в интересующей их области. Его решение расположить свою обсерваторию, оснащенную целым набором телескопов, в пустынной местности в Аризоне, а не где-нибудь поближе к благам цивилизации‹‹3›› предвосхитило современную эпоху профессиональных ученых, когда телескопы устанавливают в отдаленных районах, что позволяет добиться наиболее высокого качества астрономических наблюдений.

Интерес к Марсу возник у Лоуэлла после ознакомления с работами директора миланской обсерватории Джованни Скиапарелли. Скиапарелли наблюдал Марс во время «великого противостояния» в 1877 г. Противостояние наступает, когда Земля и, например, Марс выстраиваются на одной линии по одну сторону от Солнца. Во время противостояния два небесных тела часто оказываются максимально близко друг от друга, и в этот момент складываются наилучшие условия для наблюдения планет.

Если наблюдать Марс в телескоп-рефрактор с такой же апертурой, как у инструментов, которые использовали Скиапарелли и Лоуэлл‹‹4››, планета выглядит бледным розовым диском с несколькими темными пятнами, отчетливо различимыми на его поверхности в районе вулканического нагорья Фарсида. В зависимости от времени года на Марсе можно видеть яркую белизну ледяных полярных шапок, которые испаряются и отступают с наступлением летнего периода. Кроме того, на Марсе периодически случаются пылевые бури такой силы, что они полностью скрывают поверхность планеты, и она выглядит, как мутный диск. Скиапарелли утверждал, что во время своих наблюдений он обнаружил на поверхности Марса длинные темные линии, которые он назвал итальянским словом canali (протоки). Скиапарелли отмечал, что эти линии он мог увидеть в окуляре телескопа лишь в моменты полного атмосферного покоя, когда наблюдениям не мешает движение воздуха земной атмосферы и поверхность Марса перестает быть дрожащей и расплывчатой.

До этого момента все было вполне наукообразно. Скиапарелли честно описал то, что увидел в телескоп. Хоть он и рассуждал о возможной природе этих каналов, но делал это очень взвешенно и осторожно. Тем не менее наблюдения Скиапарелли стали отправным пунктом, от которого Лоуэлл совершил свой роковой переход от фактов к домыслам. Он заявил, что каналы, которые видел Скиапарелли, — реально существующие на поверхности Марса объекты и что они образуют глобальную сеть. Такая сеть прямых линий не могла возникнуть естественным путем, и, по его словам, это явно свидетельствует о существовании на Марсе развитой цивилизации.

Лоуэлл развил работы Скиапарелли, сделав подробные зарисовки марсианской поверхности, пересеченной сетью каналов. Неприятность заключалась в том, что другие астрономы, проводившие независимые исследования поверхности Марса, не могли подтвердить утверждения Лоуэлла. На это он отвечал, что только самые мощные телескопы, установленные в наиболее благоприятных для астрономических наблюдений местах (под этим он подразумевал свою обсерваторию), способны разглядеть такие детали.

Эти смелые, ни на чем не основанные допущения Лоуэлла даже сегодня выглядят впечатляюще. С какой стати марсианской цивилизации затевать строительство столь масштабной сети инженерных сооружений? С учетом того, что, даже если смотреть с поверхности Марса на Землю в современный мощный телескоп, почти невозможно разглядеть на Земле какие-либо следы человеческой цивилизации (если не считать ночной свет городов). По мнению Лоуэлла, лишь жизненная необходимость могла заставить марсиан осуществить строительство такого масштаба. Исходя из того что красный цвет поверхности Марса — признак сухой, пыльной, умирающей планеты, он предположил, что каналы — это акведуки, по которым живительная влага доставляется от ледяных шапок на полюсах к центру марсианской цивилизации на экваторе.

И вот тут от научного подхода уже совсем ничего не осталось. У Лоуэлла не было никаких данных, подтверждающих его гипотезу, кроме расплывчатых темных линий на поверхности Марса, привидевшихся ему в те моменты, когда, как он полагал, земная атмосфера была неподвижна. Что изменилось за эти годы? Усовершенствовались телескопы. Увеличилась их апертура и разрешающая способность. Игра света и тени на марсианской поверхности и размывающий эффект земной атмосферы породили иллюзию геометрической сетки. С появлением более мощных телескопов, позволявших яснее рассмотреть поверхность планеты, марсианские каналы растаяли как сон. И фантастические идеи Лоуэлла о существовании марсианской цивилизации поблекли и умерли вместе с ним в 1916 г.

Но любовь Лоуэлла к астрономии, а также обсерватория, которая носит его имя, оставили свой след. В 1930 г. Клайд Томбо, который работал в лаборатории Лоуэлла, заметил на фотографиях внешней области Солнечной системы маленькое светлое пятнышко, движущееся по орбите вокруг Солнца. Это пятнышко оказалось Плутоном, который долгое время считался (и до сих пор для многих остается) девятой планетой Солнечной системы‹‹5››.

Миллиарды и миллиарды планет?

Существуют ли другие планеты за пределами Солнечной системы? Взгляните в ночное небо невооруженным глазом, и вы увидите около 3000 звезд. Еще 3000 останутся под вами, над другим полушарием Земли. Все эти звезды находятся в галактике Млечный Путь — нашей Галактике. С помощью телескопа можно разглядеть еще больше звезд, которые светят не так ярко. Хотя точно посчитать количество всех звезд в галактике Млечный Путь невозможно (они собраны в скопления, в которых их трудно отделить одну от другой), можно определить общее количество света, испускаемое всеми звездами, и поделить эту величину на величину излучения среднестатистической звезды. Такие подсчеты дают цифру в 400 млрд звезд в нашей Галактике. Каждая звезда очень похожа на наше Солнце. Одни из них ближе к нам, другие дальше. Одни горячее и ярче Солнца, другие, наоборот, холоднее и тусклее. Каждая звезда — это светящийся шар, состоящий из ионизированного газа, в недрах которого происходят реакции термоядерного синтеза. В этом смысле все звезды имеют одинаковую природу.

Вокруг нашего Солнца образована система планет. Есть ли у других звезд Млечного Пути свои планетные системы? Многие астрономы, начиная еще с классических времен, ожидали, что рано или поздно будут обнаружены планеты, вращающиеся вокруг других звезд. По-видимому, в устройстве Солнечной системы, сформированной из пыли и газов, оставшихся после образования звезды, нет ничего необычного. Более того, и у нашего Солнца нет каких-то исключительных особенностей — в нашей Галактике есть множество звезд, подобных ему по массе и по составу.

Однако ожидания — это еще не открытие. Только в 1995 г. астрономы подтвердили существование первой планеты на орбите «обычной» звезды (звезды главной последовательности). Метод, которым они воспользовались, был прост и элегантен: хотя свет от планеты теряется в блеске родительской звезды, значительно превосходящей ее по яркости, вращаясь вокруг звезды, планета заставляет ее немного смещаться под воздействием гравитации. Планета и звезда подобны паре танцоров — большому и маленькому: планета кружится в вальсе вокруг своего звездного партнера, а тот в свою очередь чуть пододвигается ей навстречу, вращаясь по гораздо меньшей орбите. Метод, который позволяет обнаружить такие планеты, известен как спектрометрическое измерение лучевой скорости звезд, или метод Доплера: с Земли можно заметить, как звезда то приближается, то отдаляется под воздействием невидимой планеты.

Планета, обнаруженная в 1995 г., носит название 51 Пегаса b. Ее родительская звезда — 51 Пегаса а — солнцеподобная звезда в созвездии Пегаса — находится на расстоянии 50,1 светового года от Солнца. Планета 51 Пегаса b обращается вокруг материнской звезды за 4,2 суток и придает ей доплеровскую скорость 56 м/с. Для сравнения: в Солнечной системе Юпитер придает Солнцу доплеровскую скорость 12 м/с и обращается вокруг него за 12 лет.

Образовался идеальный логический круг: ученые применили к планетной системе 51 Пегаса те же самые математические законы, которые Иоганн Кеплер — современник Галилея — использовал для описания движения планет Солнечной системы, однако результат получился совершенно неожиданный, чтобы не сказать больше. Оказалось, что 51 Пегаса b принадлежит к новому классу планет, которые мы теперь называем «горячими юпитерами». Масса 51 Пегаса b равна примерно половине массы Юпитера (или чуть больше половины), но ее короткий орбитальный период подразумевает, что расстояние от нее до материнского светила в 20 раз меньше расстояния от Земли до Солнца. Поскольку 51 Пегаса — солнцеподобная звезда, поверхность планеты (или, скорее, верхние слои ее атмосферы) разогреты до температуры 1200 К‹‹6››.

Для нашей истории важно, что в 1995 г. мы впервые обнаружили внесолнечную планету. Хотя мы можем наблюдать лишь косвенные признаки ее существования, это дает нам основания утверждать, что у 51 Пегаса имеется планета и она совершенно не похожа ни на одну из тех планет, с которыми мы сталкивались до сих пор. Метод Доплера позволяет нам рассчитать массу невидимой планеты и расстояние, на котором она вращается вокруг своей материнской звезды. Кроме того, наши наблюдения материнской звезды дают нам возможность определить, насколько сильно разогрета поверхность планеты. Для сравнения можно сказать, что сегодня мы знаем о любой внесолнечной планете почти столько же, сколько знали о внешних планетах нашей Солнечной системы до начала освоения космоса. Каждая из них — это целый мир. Мы можем измерить его физические характеристики. Мы можем оценить, в какой степени он может быть пригоден для жизни. Мы уже очень близки к тому моменту, когда сможем начать поиски признаков жизни в этих внесолнечных мирах.

К 2014 г. было обнаружено свыше 1800 планет[3], вращающихся вокруг своих звезд: одни из них одиночные, другие входят в планетные системы. Это число отражает те системы, существование которых можно считать подтвержденным, как правило, с помощью метода спектрометрического измерения лучевой скорости звезд. Несколько тысяч других, в частности те, которые были обнаружены космическим телескопом «Кеплер», с которым мы познакомимся в главе 8, пока считаются «кандидатами» в планеты, ожидающими подтверждения. На этом месте внимательный читатель может заметить, что данный раздел озаглавлен «Миллиарды и миллиарды планет». Как перейти от 1800 планет к миллиардам? Не все звезды Галактики были обследованы на наличие планет, но из тех, что были исследованы, планетными системами обладает значительный процент. В астрономии принято обозначать долю звезд определенного типа, имеющих свои планетные системы, как fp. Как выяснилось, для обычных звезд или, как их еще называют, звезд главной последовательности, которые составляют большинство звезд Млечного Пути, fp находится в пределах от 0,1 до 1 (1 означает, что каждая такая звезда имеет планеты).

Подождите: но ведь это потрясающе! Астрономы обычно имеют дело с величинами, которые мы привыкли называть… астрономическими! Эти величины так велики, что в нашем языке нет для них даже обозначений (масса Солнца, например, составляет 2×10^30 кг, иначе говоря, это двойка с 30 нулями; средняя плотность вещества и энергии во Вселенной — 9×10–27 кг/м^3, т. е. девятке предшествуют 26 нулей). В астрономии число между 0,1 и 1 можно считать равным 1. Так что с точностью до порядка мы можем считать, что планетной системой обладает каждая звезда‹‹7››.

Если вы не возражали против моего предыдущего утверждения о том, что в нашей Солнечной системе нет ничего необычного, то это открытие тоже не должно вызвать у вас чувство протеста. Поражает лишь то, что, глядя в звездное небо, на все эти видимые невооруженным глазом 3000 звезд Млечного Пути, вы вполне можете ожидать, что у каждой из них есть своя планета. А у многих, возможно, есть и своя планетная система. Ни одна из них не будет точной копией нашей Солнечной системы, но если принимать во внимание планетные массы и физический состав, которые мы рассчитываем найти, то можно вполне рассчитывать на очень близкое сходство. Так что когда вы представляете себе 400 млрд звезд, которые, согласно нашим представлениям, составляют галактику Млечный Путь, вы вправе надеяться, что вас там ждут 400 млрд (или около того) планет.

«Это жизнь, Джим, но не такая, какой мы ее знаем»

Как будут выглядеть инопланетяне? Полагаю, ни для кого не секрет, что инопланетян в кино обычно представляют в виде гуманоидов по двум причинам: так дешевле, и людям более симпатичны антропоморфные инопланетяне. Из этого правила есть много исключений, но вопрос заключается в том, с чего следует начать поиск инопланетной жизни?

Хоть я и не исключаю, что в один прекрасный день какой-нибудь марсоход снимет замедленное видео, на котором крошечный марсианский слизняк будет ползти по пыльной марсианской равнине, но столь прямолинейные методы для наших целей не подходят. Явление, которое мы называем жизнью, — это набор взаимосвязанных химических процессов; переработка энергии, необходимой для поддержания жизни, приводит к выделению различных побочных продуктов (выдохните, и вы поймете, что я имею в виду). Следовательно, в наших поисках жизни имеет смысл учитывать, как присутствие живых организмов меняет состав окружающей среды. Проявление последствий биологических процессов называется биосигнатурой. Наилучшими или наиболее исчерпывающими можно считать те биосигнатуры, которые нельзя получить методами неорганической химии.

Что касается Земли, то присутствие в атмосфере кислорода, производимого растениями в процессе фотосинтеза, — очевидная биосигнатура. Наблюдатели из космоса, заметив, что атмосфера Земли на 20 % состоит из кислорода, возможно, сделают осторожное допущение, что это — следствие какого-то неизвестного процесса небиологической природы. Однако они непременно заметят, что нашу планету отличает множество признаков, которые указывают на присутствие жизни. Мы явно можем рассчитывать на более пристальное внимание. Подобным же образом астрономы определяют биосигнатуры (в данном случае — атмосферный биомаркер).

Так что, возможно, с практической точки зрения имеет смысл сначала определить, что может служить признаком жизни. Но как быть с источником этих изменений — с живыми организмами? Ранее я утверждал, что, столкнувшись с вопросом, как нам организовать поиск жизни во Вселенной, следует начать с того, что мы знаем о жизни на Земле, и потом оценить, в каком направлении имело бы смысл распространить наши знания.

С этой точки зрения нам следует первым делом обратить внимание на земные организмы: одноклеточные бактерии и археи‹‹8››. Как ни посмотри, эти организмы распространены на Земле шире всего. Бактерии и археи, которые сегодня образуют наибольший объем живой материи (биомассы) на нашей планете, существовали непрерывно на протяжении 3,5–4 млрд лет (динозавры просуществовали 165 млн лет, а мы — пока что всего лишь 2 млн).

И тут важно не осложнять дело, особенно если вы работаете в лаборатории, которая занимается разработкой инструментов для дистанционного поиска жизни на отдаленных планетах и их спутниках. Допустим, вы поставите себе целью сконструировать инструмент, который сможет обнаружить биосигнатуру инопланетной жизни. Когда вы решите эту задачу (и соберете целую кучу научных премий), впору будет задуматься: как же на самом деле выглядит инопланетный слизняк и как устроен?

Контакт

Где будет открыта новая жизнь? Может, мы обнаружим признаки жизни в образце бактериальной слизи, взятом на Титане, спутнике Сатурна? Или, наблюдая какую-либо экзопланету, мы получим свидетельства присутствия в ее атмосфере биомаркера? А может, искусственная жизнь будет получена в пробирке? Или мы получим сообщение, посланное нам из глубин космоса какой-то разумной формой жизни? Что ж, возможно всякое. Однако перед ученым, располагающим лишь ограниченным набором инструментов, встает вопрос: куда направить свои поиски внеземной жизни? Другими словами, если у вас есть средства только на один космический аппарат, куда вы его пошлете?

Когда я задаю такие вопросы своим студентам, большинство из них выбирает бактериальную слизь или биомаркеры. Другие рассчитывают на жизнь из пробирки, а один или двое готовы терпеливо ждать у телефона. Такие ответы — результат полученных в процессе обучения естественно-научных знаний. Цель этого вопроса — заставить их задуматься о том, каким может быть точный сценарий контакта и как нам — в научном и в человеческом плане — на него реагировать.

А теперь переходим к самому интересному: когда мы обнаружим новую жизнь? Через 10 лет? Через 100? А может, через 1000? И снова ответ будет зависеть от точки зрения. Через 10 лет — это, вероятно, чересчур оптимистичный подход‹‹9››. Для этого требуется допустить, что жизнь широко распространена в тех местах, где мы ее ищем, и что у нас имеется рабочее оборудование, позволяющее сделать однозначный вывод о существовании жизни. Через 1000 лет — мне представляется довольно пессимистичным взглядом. В соответствии с ним открытие переносится в отдаленное будущее, почти не зависящее от наших сегодняшних усилий, из чего можно сделать вывод, что шансы добиться успеха в ближайшей перспективе равны нулю.

Ответ «через 100 лет» — гораздо более многообещающий. Это величина того же порядка, что и продолжительность человеческой жизни. За это время можно спроектировать и соорудить беспилотный космический аппарат для полета к Юпитеру или Сатурну, дождаться осуществления его миссии и осмыслить полученные результаты. За это время можно построить следующее поколение гигантских телескопов, которые позволят исследовать состав атмосферы далеких экзопланет (уже сейчас строятся телескопы с диаметром зеркала более 30 м). Через сотню лет эта цель вполне достижима, если мы сумеем выполнить несколько важных условий: первое — мы должны принимать только взвешенные решения, второе — нам необходимо проявлять настойчивость и, наконец, третье — нам должна сопутствовать удача (мы еще увидим, насколько велика ее роль в подобных делах).

Путешествие длиной в триллионы километров

После открытия множества новых планет, обращающихся вокруг далеких звезд, и начала широкомасштабного обследования планет Солнечной системы, в котором задействована целая армия космических зондов, мы оказались на пороге революции, которая сулит нам столь же волнующие открытия, как и начало применения телескопа в астрономии. Наши познания расширяются потрясающими темпами, однако в отсутствие каких-либо убедительных доказательств обнаружения жизни они остаются неполными.

Цель этой книги — убедительно показать, что современной астробиологии следует сконцентрироваться на пяти наиболее правдоподобных сценариях обнаружения внеземной жизни. Почему именно пяти, может последовать вопрос. Главным образом потому, что «правдоподобный» — это не совсем то же самое, что «вероятный». Если бы я старался убедить вас, что существует одно конкретное направление, одна планета или спутник, где мы с наибольшей вероятностью можем обнаружить жизнь, то это было бы скорее пиаром, чем наукой. С другой стороны, если бы я представил исчерпывающий список вариантов поиска внеземной жизни, то это шло бы вразрез с реальной жизнью, поскольку в действительности мы можем финансировать лишь небольшое число научных проектов. Поэтому, сосредоточившись на пяти сценариях обнаружения жизни в космосе, мы сможем соблюсти баланс между этими двумя крайностями.

Тот факт, что сегодня мы способны рассуждать о том, какие типы живых организмов можно обнаружить в тех или иных местах во Вселенной, — свидетельство огромного прогресса, который произошел в астробиологии за последние 20 лет. Имеют ли под собой такие рассуждения какую-либо реальную основу или это просто научная фантастика? Чтобы ответить на эти вопросы, стоит напомнить, что в любом научном эксперименте заключена значительная доля предположений: если вы точно знаете, чего ожидать, то зачем проводить эксперименты?‹‹10›› Предположения, изложенные в данной книге, практически ничем не отличаются от тех, которые выдвигает команда ученых, планирующих космическую экспедицию к другим планетам.

Команда НАСА, которая готовила высадку марсохода «Кьюриосити» на Марс в августе 2012 г., не знала, что́ именно они там найдут. Предыдущие миссии обнаружили множество косвенных признаков того, что геологическое строение поверхности планеты сформировалось под воздействием жидкой воды. «Кьюриосити» был снабжен набором инструментов, которые позволяли проводить дальнейшие расширение наших познаний о Марсе, накопленных ранее. В будущем новые, пока еще не запланированные экспедиции будут искать признаки органической жизни в заранее определенных местах, пригодных для ее обитания. Если миссия будет беспилотной, специалистам придется заранее задуматься над тем, какие формы жизни могут встретиться, чтобы запланировать эксперименты для их обнаружения. Если предположения окажутся обоснованными (и жизнь существует), то шансы на успех могут быть весьма значительны. Если же их рассуждения окажутся ошибочными или жизни не существует (или же им просто не повезет), то им грозит разочарование.

Мы исходим из того, что у нас имеется достаточно (по крайней мере, для пяти сценариев поиска жизни) научного опыта, позволяющего делать обоснованные предположения о том, какую именно жизнь у нас есть шанс обнаружить. При этом, конечно, остается значительная доля неопределенности, но это как раз самое интересное. Мы вольны в своих решениях, какими бы они ни оказались — правильными или ошибочными, обоснованными или непродуманными, но от них зависит, что нас ждет в будущем — успех или поражение. Лучше всего это сформулировали Филип Моррисон и Джузеппе Коккони, которые в 1959 г. призвали научное сообщество начать поиски внеземного разума: «Трудно оценить, какова вероятность успеха, но, если вообще не искать, то эта вероятность заведомо будет равной нулю».

Глава 2. Пригодна ли Вселенная для жизни?

Свойства Вселенной предоставляют нам почти буквально бесконечный простор для рассуждений о возможности существования инопланетной жизни. Как возраст и размер Вселенной влияют на поиски жизни? Откуда взялись на Земле элементы, необходимые для существования живых существ, и встречаются ли эти элементы где-либо еще, кроме нашей планеты? На каком этапе существования Вселенной в ней зародилась жизнь? Если бы Солнечная система сформировалась гораздо раньше, образовалась бы наша Земля? Возникла бы на ней жизнь? И где именно во Вселенной мы можем вести поиски жизни: в ближайшем звездном окружении, в Галактике, во всей Вселенной?

Ночь темна, но с неба светят звезды

Насколько велика Вселенная? Существовала ли она вечно или только определенный промежуток времени? Ответы на эти вопросы можно отыскать в небе над нашими головами. Случалось ли вам, глядя в ночное небо, задумываться не о звездах и галактиках, а о том, почему небо между ними — черное? Вопрос о том, почему ночное небо черное, часто называют парадоксом Ольберса, и, если рассмотреть этот парадокс детально, а потом с помощью современной космологии собрать все его детали вместе, нам откроются основополагающие принципы устройства Вселенной. Если говорить упрощенно, то Вселенная не имеет пределов в пространстве. Она безгранична. Однако она зародилась в определенный момент времени, и, следовательно, у нее есть возраст. С учетом того, что скорость распространения света конечна, все вместе это означает, что в данный момент мы видим лишь ограниченную часть Вселенной, свет из которой успел до нас дойти. Граница, отделяющая ту часть Вселенной, которую можно увидеть, от области, недоступной наблюдателю, называется космологическим горизонтом.

На этом месте читатель вправе потребовать более подробных объяснений, без перескакивания с предмета на предмет. Каким же образом темнота ночного неба может навести на мысль о конечном возрасте существования наблюдаемой Вселенной? Генрих Ольберс (1758–1840) и его современники полагали, что Вселенная бесконечна в пространстве и звезды распределены равномерно по всем ее частям. В каком бы направлении мы ни смотрели на небо, в любой его точке наш взгляд должен встречать звезду. Некоторые из этих звезд будут дальше от нас, некоторые ближе, но, если бы Вселенная существовала бесконечно, мы могли бы увидеть все звезды сразу.

Но ведь более отдаленные звезды должны светить слабее? Совершенно верно. Это важное замечание, и оно поднимает вопрос о том, как астрономы объясняют тот факт, что чем дальше от нас расположен объект, тем он тусклее. Для объяснения этого явления воспользуемся понятием поверхностной яркости звезды, которое можно определить как отношение светимости звезды к ее видимому размеру. Представим, что все звезды имеют ту же поверхностную яркость, что и Солнце. Угловой размер Солнца составляет около половины градуса‹‹1››. Если умножить поверхностную яркость Солнца на его угловой размер, то мы получим суммарную яркость нашего светила. Если мы удалимся от Солнца на значительное расстояние, его яркость останется прежней, но угловой размер уменьшится. Чем дальше от нас находятся предметы, тем меньше они нам кажутся. Очень удаленные звезды обладают такой же поверхностной яркостью, что и ближние, просто они кажутся нам гораздо меньше и поэтому светят тусклее. Но что, если в любом направлении, куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд утыкается в звезду и все эти звезды обладают одинаковой поверхностной яркостью? В этом случае маленький видимый размер удаленных звезд уже не будет иметь значения. Если все маленькие круги, которые представляют собой звездные диски, перекрываются, тогда поверхностная яркость неба в этом направлении будет такая же, как поверхностная яркость каждой отдельной звезды. Небо будет таким же ярким, как одна большая звезда.

Но ведь на самом деле этого не происходит? Значит, где-то в рассуждениях мы допустили ошибку. Если мы проследим ход наших рассуждений, то где нам следует внести исправления? Мы можем сделать Вселенную конечной в пространстве, наметив границу. Мы можем сказать, что звезды располагаются лишь в какой-то одной части Вселенной, а не равномерно (мы можем также допустить, что более удаленные звезды обладают меньшей поверхностной яркостью и т. д., но, я думаю, вы уже догадались, куда я клоню). Мы можем предположить, что Вселенная конечна во времени, так что свет, двигаясь с конечной скоростью, еще не успел до нас добраться, и мы видим не всю Вселенную, а только ее часть. В XIX в., во времена Ольберса, астрономия не могла найти определенного ответа на этот вопрос. Требовалось выработать новый взгляд на Вселенную.

Царство туманностей

В 1929 г. Эдвин Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная расширяется, разлетаясь от нас во всех направлениях с одинаковой скоростью. В сущности, мы находимся в самом центре гигантского взрыва галактик. Хаббл заметил, что существует связь между яркостью эталонных звезд в выбранных для наблюдения галактиках и выявленным сдвигом в их спектрах. Поскольку яркость зависит от расстояния, а удаление объекта приводит к сдвигу спектра в красную сторону, мы говорим, что Хаббл открыл зависимость между расстоянием до галактики и красным смещением в ее спектре. Так что же такого особенного в нашем местоположении, что вся остальная Вселенная разбегается от нас с огромной скоростью? История современной космологии чрезвычайно захватывающая, поскольку принимавшие в ней участие физики-теоретики и астрономы-практики очень редко, если вообще когда-либо, взаимодействовали между собой. Так, в работе, которая почти полностью прошла мимо внимания Хаббла, два европейских космолога успешно перевели общую теорию относительности Эйнштейна на язык, которым можно было описать законы Вселенной‹‹2››.

Во время Первой мировой войны Александр Фридман пошел добровольцем на фронт, где использовал свои математические познания для составления таблиц прицельного бомбометания. Почти сразу после войны, в 1922 г., Фридман опубликовал статью, в которой показал, что уравнения теории Эйнштейна, которыми описывается наша Вселенная, допускают динамические решения, а значит, с течением времени ее физические размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Более того, с точки зрения математики оказалось значительно труднее представить себе Вселенную, находящуюся в статическом состоянии. В 1927 г. Жорж Леметр показал, что в описанной Фридманом расширяющейся Вселенной должна существовать линейная зависимость между расстоянием и красным смещением, которую Хаббл обнаружил двумя годами позже.

Самым трудным для понимания моментом из объяснений Леметра оказалась концепция того, что вся материя Вселенной — то, что мы называем пространством-временем, — равномерно расширяется, увлекая за собой галактики. Наблюдатель, находящийся в одной из галактик, будет видеть, что все остальные от него удаляются. При этом наблюдатель, находящийся в соседней галактике, будет видеть в точности такую же картину. Данная концепция приводит к просто головокружительным последствиям — каждая галактика оказывается в самом центре расширения Вселенной. Более того, Леметр показал, что, если мы в качестве математической гипотезы допустим движение часов в обратную сторону, то галактики начнут сближаться друг с другом и в какой-то момент времени в прошлом они сойдутся в одной точке. В пределах его математической модели эта точка обозначает начало Вселенной, как мы его себе представляем, — то, что впоследствии назовут Большим взрывом. Время между Большим взрывом и настоящим моментом и есть возраст Вселенной.

Хаббл записал соотношение между расстоянием и красным смещением в следующем виде: скорость удаления галактики = H × расстояние до этой галактики. Значение коэффициента H для современной Вселенной астрономы называют постоянной Хаббла. Мы можем воспользоваться формулой Хаббла, чтобы задать один интересный вопрос: если скорость удаления галактик почти не менялась за время существования Вселенной, то на сколько нужно перевести время назад, чтобы галактики слились в некое начальное состояние? С учетом того что время — это расстояние, деленное на скорость, если мы возьмем формулу Хаббла, связующую эти величины, получим, что искомое значение для времени — 1/H. Современное значение постоянной Хаббла приблизительно равно 70 км/с на мегапарсек (это означает, что, если галактика находится от нас на расстоянии одного мегапарсека — 3,26 млн световых лет, она будет удаляться от нас со скоростью 70 км/с). Однако, если учесть, что за время существования Вселенной скорость разбегания галактик немного менялась, возраст Вселенной, определенный с помощью постоянной Хаббла, будет составлять 13,8 млрд лет.

Так что же, получается не 6000 лет? Не совсем. Стоит отметить, что сопоставление результатов Фридмана, Леметра и Хаббла, которое было осуществлено в 1930-х гг., впервые дало возможность научно определить возраст Вселенной. Существовавшая на тот момент неточность в измерениях привела к тому, что этот возраст был определен как 1 млрд лет, что несколько отличается от принятой на данный момент величины. Когда данные астрономов сопоставили c радиометрическими измерениями возраста земных пород и расчетами времени жизни звезд на основе новой для того времени науки — ядерной физики, был получен поразительный, но тем не менее вполне логичный результат: Земля, звезды и Вселенная в целом оказались значительно старше, чем мы могли себе вообразить. Не тысячи или миллионы лет, а в тысячу раз больше.

Если оставить в стороне невероятное потрясение, вызванное в массовом сознании этим открытием, его результатом стало решение парадокса Ольберса: Вселенная зародилась в определенный момент времени. Самый далекий свет, который мы можем наблюдать сегодня, шел до нас 13,8 млрд лет. Это граница наблюдаемой Вселенной. Что лежит за ее пределами? На этот счет есть множество гипотез. Вполне возможно, что наша Вселенная бесконечна — мы просто этого не знаем. С течением времени наблюдаемая Вселенная расширяется, но только лишь со скоростью движущегося к нам света. Надеюсь, вам нравится нынешний вид звездного неба, поскольку в ближайшее время он не изменится!‹‹3››

Время пошло

Так чего же достигла Вселенная за эти 13,8 млрд лет? Как вписывается жизнь в этот колоссальный временной отрезок? Один из наиболее элегантных способов наглядно продемонстрировать масштаб истории Вселенной — представить весь этот промежуток времени в виде одного года и проследить за событиями на космическом календаре. Большой взрыв произошел в первое мгновение 1 января. Вы читаете эту книгу в последние секунды 31 декабря. Какие события мы можем отметить, оглядываясь на прошедший год?

В первые мгновения Вселенная расширялась как чистая энергия, а затем наступил черед элементарных частиц: рой фундаментальных частиц ринулся на свободу, как стая диких животных, вырвавшихся из зоопарка, и устремился на просторы космоса‹‹4››. Материя, из которой мы с вами состоим, зародилась из релятивистского «супа» фундаментальных частиц. По мере того как Вселенная расширялась, «суп» остывал. Из затухающего излучения Большого взрыва стали формироваться атомы химических элементов, более привычных для нас сегодня: водород, гелий, немножко лития и их изотопы. Этот атомный материал впоследствии сконцентрировался в первые космические структуры: медленно остывающие газовые облака.

Первые звезды сформировались в конце первой недели января — через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Вскоре после этого появились первые галактики, но для окончательного формирования нашей галактики Млечный Путь пришлось бы подождать до начала марта, т. е. до 10 млрд лет назад. Август был для нас хорошим месяцем — в это время образовалось Солнце, а вскоре после него — все остальные планеты Солнечной системы. В сентябре, через каких-то несколько сотен миллионов лет после образования Земли, на ней появились едва заметные признаки существования жизни — простейшие одноклеточные организмы.

Только через 2 млрд лет, в ноябре, жизнь преодолела изначальный примитивизм и сделала следующий шаг на пути к более сложным, многоклеточным формам. К началу декабря наивысшей формой жизни на Земле была преимущественно слизь. Затем происходит нечто интересное. По причинам, о которых мы сейчас можем только догадываться, условия на Земле и, по-видимому, жизнь как таковая достигли некой критической точки: взрыв эволюционной активности создал множество разнообразных жизненных форм. Это событие произошло 15 декабря, приблизительно 540 млн лет назад, и получило название кембрийского взрыва в соответствии с названием геологической эпохи, в которую оно имело место.

Жизнь в ту пору находилась на самых первых ступеньках эволюционной лестницы. Динозавры появились в канун Рождества, почти одновременно с нашими далекими предками — первыми млекопитающими. На Рождество динозавры почти полностью захватили Землю, но 29 декабря по нашему календарю (или 65 млн лет назад) они вымерли в результате столкновения Земли с астероидом. Это событие как минимум расчистило эволюционную площадку до такой степени, что какие-то малозначительные млекопитающие могли эволюционировать в освободившихся экологических нишах. И, как это часто случается с людьми, только в канун Нового года группа млекопитающих наконец-то взялась за ум и начала думать о будущем. В 10:15 утра появились первые обезьяны, а к 21:24, после 11 часов (или 17 млн лет) эволюционных усилий, они наконец освоили прямохождение. Мы научились писать 15 секунд назад и всего лишь через 5 секунд после этого ухитрились построить пирамиды, что в принципе совсем неплохо. И вот, как марафонец в последнем финишном рывке, Христофор Колумб открыл Америку всего лишь за секунду до наступления Нового года. Можете отдышаться — вы только что преодолели очень длинную дистанцию.

Прокрути мы всю последовательность космической истории снова, могла бы жизнь зародиться раньше? Могла ли она развиваться быстрее? Или мы и так добились необычайного успеха, поскольку жизнь в целом очень редко принимает такие сложные формы? А что, если немного изменить условия в нашей Вселенной? Могла ли жизнь эволюционировать по-другому?‹‹5›› Стоит ли нам полностью сосредотачиваться на поисках сложной жизни? Кто сказал, что примитивные формы жизни, пусть даже отличные от земных, не заслуживают нашего внимания? Ответ на этот вопрос зависит от того, для чего это вам нужно: обсуждать кинофильмы или изучать процессы развития жизни. Чтобы понимать, при каких условиях жизнь может возникнуть во Вселенной, а при каких — нет, нам важно учитывать, из чего могут состоять живые организмы и откуда они берут строительный материал.

Мы все состоим из звездной пыли

Периодическая таблица Менделеева — настоящее произведение искусства. Это также наиболее удачная из когда-либо созданных научных схем‹‹6››. Она описывает все известные науке химические элементы и демонстрирует с невероятной наглядностью, как свойства вещества зависят от структуры его атомов. Элементы периодической таблицы образуют последовательность: каждый элемент описывается своим атомным числом, которое равно количеству протонов в его ядре. В ядре атома водорода — один протон, у гелия — два (уравновешенные двумя нейтронами), у лития — три и т. д. Это позволяет нам ответить на некоторые основополагающие вопросы мироздания (настолько основополагающие, что вы никогда о них не задумывались): существуют ли химические элементы легче водорода? Может ли существовать неизвестный науке элемент между водородом и гелием? Ответ на оба эти вопроса отрицательный — нельзя составить ядро атома, взяв какую-то часть протона. В периодической таблице нет пробелов: нам известны все существующие в природе элементы от водорода до урана (92 протона). Мы даже знаем последовательность элементов тяжелее урана — так называемые трансурановые элементы. Это короткоживущие, радиоактивные, нестабильные элементы, которые были искусственно получены в ядерных лабораториях.

Откуда взялись все эти элементы? Случайность ли то, что на Земле оказался их полный набор? Давайте вернемся к самому началу: если начать отсчет в момент Большого взрыва, то к тому времени, как вы досчитаете до 200 или около того, наблюдаемая Вселенная будет размером примерно в один световой год в диаметре. Все, что мы считаем «нормальной материей» — протоны, нейтроны, электроны, — находится в состоянии плазмы при температуре несколько миллионов градусов. Только что закончилась фаза первичного нуклеосинтеза, в ходе которой в результате слияния ядер водорода образовывались ядра гелия. Может показаться, что это фаза была не слишком продуктивной: лишь около 25 % от общей массы рассеянного во Вселенной водорода превратилась в гелий. Далее незначительная‹‹7›› часть получившегося гелия трансформировалась в литий. На этом все и закончилось. За последующие 600 млн лет не было создано никаких новых химических элементов.

Разумеется, обидно сознавать, что за кратким периодом бурной деятельности последовал столь долгий перерыв, но для этого имелись веские причины. Ядерный синтез возможен лишь в условиях огромных температур и плотностей‹‹8››. Такие условия существовали лишь в течение нескольких минут на раннем этапе существования Вселенной. В следующий раз они сложатся только после того, как возникнут первые звезды, и в условиях сверхвысоких температур и плотностей в недрах этих звезд вновь запылает огонь термоядерного синтеза.

Звезды — это настоящие ядерные скороварки, где элементы сливаются в термоядерном пламени, производя все более и более тяжелые атомные ядра вплоть до железа (содержащего 26 протонов). Вследствие некоторых особенностей физики элементарных частиц синтез атомных ядер легче железа в условиях высокой температуры и давления приводит к выделению небольшого количества дополнительной энергии. Эта энергия позволяет плазме оставаться горячей и тем самым поддерживает реакцию термоядерного синтеза. Но у атомных ядер тяжелее железа каждое слияние требует дополнительной энергии: в результате температура звезды снижается и ядерное буйство со временем затухает. Вследствие этого звезды, особенно массивные, способны производить элементы с атомным числом меньше железа, и не более того.

Это примерно третья часть всех элементов периодической таблицы. Откуда же взялись все остальные? В конце жизненного цикла звезд, когда огромное давление их внешних оболочек больше не способно поддерживать реакцию термоядерного синтеза в центре звезды, может произойти катаклизм. Звезды с низкой массой — одного порядка с массой Солнца — кончают свой жизненный цикл как белые карлики — тлеющие звездные «угли», которые когда-то были горячим ядром звезды. Термоядерное пламя гаснет, «зола» медленно (очень медленно) остывает и перестает излучать свет.

Совершенно другая судьба ожидает звезды большей массы. В белом карлике силам гравитационного сжатия противостоит принцип запрета Паули, согласно которому количество электронов, которое может находиться в определенном пространственном объеме внутри погасшей звезды, строго ограничено. Это свойство материи называют давлением вырожденного электронного газа. В более массивных звездах эта сила не может противостоять огромному гравитационному давлению. В таком случае коллапс останавливается на стадии нейтронной звезды диаметром всего несколько километров, поддерживаемой в равновесном состоянии давлением уже не электронного, а вырожденного нейтронного газа‹‹9››. Для сравнения можно указать, что радиус Солнца равен 700 000 км, что примерно в 100 000 раз больше радиуса нейтронной звезды. Когда внешние слои умирающей звезды сжимаются под влиянием гравитации, возникающая гигантская температура и плотность материи дают энергию для последнего, всепоглощающего взрыва. В его пламени происходят реакции синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до урана (а возможно, и больших), которые затем выбрасываются энергией взрыва в окружающий космос. Итак, вы только что наблюдали вспышку сверхновой!

Хоть в это трудно поверить, но сверхновые играют фундаментальную роль в истории зарождения жизни во Вселенной: они завершают ядерный синтез элементов периодической таблицы, а также служат механизмом их доставки, выбрасывая в окружающий космос богатое разнообразие новых элементов. Все атомы тяжелее водорода и гелия, которые необходимы для важнейших жизненных процессов (будь то атом железа в гемоглобине у нас в крови или атом магния в центре молекулы хлорофилла), ведут свою историю от термоядерной реакции в недрах звезд или от взрыва сверхновой.

Наше место в космосе

Итак, мы выяснили, что возраст нашей Вселенной составляет 13,8 млрд лет. Она очень велика в объеме и даже, возможно, бесконечна. Множество химических элементов, возникших внутри звезд или при взрывах сверхновых, было распределено по всему космосу. Теперь я бы хотел затронуть вопрос, как наша Земля и Солнце с его Солнечной системой вписываются в этот обширный космический ландшафт. Как они возникли и было ли это редкой удачей или самым заурядным событием?

Мы остановились в истории расширяющейся Вселенной вскоре после образования первых звезд и сверхновых, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Словно бы в ответ на расширение Вселенной, вещество начало сжиматься под воздействием гравитации. Газовые облака коллапсировали и сталкивались, и таким образом начали формироваться ранние предшественники будущих галактик. Освещаемые изнутри первыми звездами, галактики постепенно превратились в огромные скопления огней, которые мы наблюдаем сегодня. Расстояния между галактиками колоссальны, и лишь в исключительно редких случаях они сталкиваются, происходят гигантские космические «крушения поездов». Большую часть своей истории галактики изолированы и замкнуты. Внутри каждого такого звездного скопления из облаков газа и пыли зарождаются новые поколения звезд, каждая из которых проходит стадию термоядерного синтеза, и каждая ядерная реакция заполняет новую ячейку в персональной периодической таблице этой звезды. Наиболее массивные звезды взрываются, обогащая галактику тяжелыми элементами, которые медленно аккумулируются в следующих поколениях звезд.

Наше Солнце зародилось уже после того, как сменилось несколько поколений звезд, но даже тогда тяжелые элементы‹‹10›› составляли не более 2 % от общей массы газового облака, из которого сформировалось наше светило. Вы можете спросить, почему так мало? Почему не 10 %, не 50 % или даже больше? Ответ состоит в том, что большая часть вещества, из которого состоят звезды, не принимает участия в реакции термоядерного синтеза. Роль внешних оболочек звезды, находящихся за пределами ядра, заключается в создании гравитационного давления. Это давление приводит к тому, что температура и плотность внутри ядра непрерывно растут, пока не достигнут величины, достаточной для начала термоядерного синтеза. Со временем, когда в ядре закончится запас легких элементов, служащих топливом для поддержания термоядерной реакции, звезда может либо превратиться в белый карлик, либо вспыхнуть сверхновой. В последнем случае взрыв выбрасывает в окружающее пространство почти весь верхний слой звезды.

Наше Солнце и его планетная система начинали свою жизнь как медленно клубящееся газопылевое облако. По мере того как облако остывало, его материя начинала сжиматься под воздействием гравитации, в нем возникло ускоряющееся вращение вокруг центра, и со временем оно приняло форму уплощенного диска. Большая часть вещества постепенно сосредотачивалась в центре, где в конечном итоге под воздействием высокой плотности и температуры началась реакция термоядерного синтеза. Так зародилось наше Солнце. Солнечное излучение подняло температуру в прилегающих к нему слоях газопылевого диска, и все легкоплавкие летучие вещества просто испарились в пространство. Оставшиеся тяжелые элементы постепенно стали слипаться в микроскопические крупинки. Достаточно большие агрегаты уже могли притягивать мелкие крупинки силой гравитации, а также поглощать другие агрегаты, беспорядочно сталкиваясь с ними, как автомобильчики в парке аттракционов.

Победители этого раунда превратились в планеты, какими мы их знаем сегодня: каждая планета поглощала на своем орбитальном пути вещество, словно прожорливый космический хищник. Внешние планеты, которым посчастливилось достичь больших размеров, захватив огромные количества замерзших газов в холодной части Солнечной системы, превратились в газовые гиганты, такие как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Во внутренней Солнечной системе легкоплавкие летучие вещества просто испаряются в пространство под воздействием солнечного тепла, поэтому ближние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — состоят из относительно плотных веществ. Остальное — просто космические обломки: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера за орбитой Нептуна‹‹11››.

Можно ли утверждать, что история Солнечной системы уникальна? В том, что касается деталей, — да, данное конкретное расположение планет, вероятно, уникально для нашей планетной системы. В том, что касается общих признаков, — нет, вокруг многих молодых звезд можно наблюдать вращающиеся газопылевые облака. Многие из них имеют форму диска, а на некоторых можно даже заметить широкие орбитальные кольца, которые, по-видимому, представляют собой участки роста планет. Согласно современной точке зрения, планеты формируются вместе со своими молодыми звездами из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Астрономы обобщенно называют эти тяжелые элементы металлами. Твердые планеты и ядра газовых гигантов состоят из этих металлов. Подобно строительным материалам, металлы могут стать основой как большего количества, так и большего разнообразия планет. Мы пока этого просто не знаем. Но мы можем предположить, что, поскольку металлы — это материал для создания планет, чем больше их будет, тем лучше. Но на этом наши познания о процессах образования планет практически заканчиваются.

Могла ли Земля возникнуть в более ранний период истории Вселенной? С каждым последующим поколением звезд насыщенность межзвездного газа металлами все больше увеличивается, но мы пока не знаем, существуют ли определенные пороговые значения содержания металлов, необходимые для образования планет. Если исходить из общих соображений, то на более ранних этапах существования Вселенной, когда металлов было мало, собрать в одном месте материал для создания планеты было довольно затруднительно. Но образовавшиеся массивные звезды должны были относительно быстро взорваться и осыпать прилегающие к ним участки космоса дождем тяжелых элементов. Так что на сегодняшний день мы можем только сказать, что с определенной долей вероятности на более ранних этапах существования Вселенной создание планетных систем было затруднено. Однако, учитывая отвратительную привычку ученых избегать категоричных утверждений, мы и это не можем утверждать наверняка. Но в одном мы можем быть твердо уверены: пока будут существовать звезды, будет происходить обогащение Вселенной химическими элементами. Хоть это пока и не органические соединения, но кирпичики для их создания встречаются в галактике Млечный Путь в больших количествах, равно как и в любой другой галактике существующей на данный момент Вселенной.

За пределами Млечного Пути

Расстояние до ближайшей звездной системы — Альфы Центавра — 4,3 световых года. Расстояние до центра Млечного Пути — 26 000 световых лет. Ближайшая к нам галактика — Туманность Андромеды, и она удалена от Земли на расстояние 2,5 млн световых лет. Если вы выйдете вечером из дома и найдете на ночном небе туманность Андромеды, которая с Земли кажется маленьким тусклым пятнышком, свет, который вы видите, шел до вас 2,5 млн лет. Он покинул туманность Андромеды, когда первые предки людей осваивали каменные орудия. Туманность Андромеды вместе с Млечным Путем и еще несколькими другими галактиками входит в так называемую местную группу. Расстояние до других галактик, не входящих в это объединение, составляет порядка 15 млн световых лет.

Расстояния между галактиками непостижимо огромны. Даже если когда-нибудь мы сможем отправить наши первые космические зонды к соседним звездам, идея путешествия к соседним галактикам будет оставаться чем-то из области научной фантастики. Кроме того, все наши попытки обнаружения планет, о которых пойдет речь в следующих главах, будь то спектроскопический метод Доплера или визуальные наблюдения повторяющихся транзитов, на таких огромных расстояниях бессмысленны. Мы узнаем о поисках внеземного разума (SETI) и попытках пообщаться с обитателями далеких звезд. Но, даже если говорить о том времени, за которое свет достигает других звезд нашей Галактики, 15 млн лет — это слишком уж долго, чтобы ждать, пока на другом конце снимут трубку.

Если мы сравним нашу Солнечную систему с улицей, на которой мы живем, расположенной в «городе» Млечный Путь, то наши поиски жизни во Вселенной ограничиваются лишь отправками зондов по дороге перед нашим домом и наблюдениями за тем, что происходит в близлежащих звездных кварталах. Другие галактики, на самом деле, очень, очень далеко.

В бесконечность и далее

Надеюсь, теперь вы осознали правоту того замечания, которое я сделал в начале первой главы: в бесконечной Вселенной все, включая жизнь, не только возможно, но и неизбежно. Каждая галактика содержит сотни миллиардов звезд. Каждая из них может обладать своей планетной системой. Всего в наблюдаемой Вселенной могут обитать сотни миллиардов галактик. В результате мы имеем приблизительно 10^22 планет. Но если допустить возможность существования за пределами космологического горизонта бесконечной Вселенной, то тогда количество мест, где возможно существование жизни, становится не просто громадным, а, строго говоря, неисчислимым. Но не будем забывать, что такая числовая гимнастика никак не приближает нас к возможным примерам внеземной жизни. Нам надо с чего-то начинать. Так давайте же начнем с нашей Солнечной системы.

Глава 3. Что такое жизнь?

Что такое внеземная жизнь? А что такое жизнь земная? На сегодняшний момент эти два вопроса неразрывно связаны. Единственная жизнь, которую мы знаем, — жизнь на Земле. Это определяет все наши познания о жизни — по крайней мере те, которые можно проверить опытным путем. Единственный возможный способ глубже проникнуть в природу жизни — это либо самим создать жизнь в лаборатории, либо обнаружить ее за пределами Земли. Однако в одном мы можем быть уверены наверняка: возникновение и эволюция жизни на нашей планете неразрывно связаны с образованием и эволюцией самой Земли. С самых ранних пор ее существования изменения физических условий на нашей планете влияли на характер жизни и наоборот.

В этой главе нам предстоит разобраться со следующими вопросами: можем ли мы выработать определение жизни? Каковы были условия, приведшие к зарождению жизни на Земле? Какую информацию мы можем получить, исследуя ископаемые останки и проводя геохимический анализ древних пород? И наконец, как развитие жизни повлияло на физические условия Земли и как наша планета поддерживает и регулирует существующую на ней жизнь?

Но в более широком аспекте, как астробиологи, мы должны спросить себя, насколько это все применимо к нашим поискам жизни за пределами Земли. Какие должны быть при этом основополагающие принципы? Какие научные прозрения дадут нам возможность целенаправленного поиска? Было ли возникновение жизни закономерным следствием физических условий, сложившихся на раннем этапе существования Земли? И если это так, то имеет ли смысл ожидать, что жизнь возникнет на всех планетах, обладающих аналогичными природными свойствами, как то: умеренной атмосферой, твердой поверхностью и наличием впадин, заполненных жидкостями с богатым содержанием органических веществ? В случае если жизнь зародилась, какие свойства планеты определяют, сохранится она или нет? Какие планеты предоставляют жизни лишь кратковременное пристанище, а какие могут предложить стабильные условия?

Время на размышление

Если бы я попросил вас взглянуть в зеркало, а потом описать себя, с чего бы вы начали свой ответ? Стали бы вы утверждать, что являетесь живым существом и обладаете целым рядом свойств и признаков, характерных для всех обитающих на Земле живых организмов? Взгляните на себя с этой точки зрения: ваше тело имеет клеточное строение, вы продукт длительного эволюционного развития и воспроизводства, вы росли и изменялись в течение всей своей жизни. К тому же вы ежедневно осуществляете достаточно гибкий обмен веществ, преобразуя топливо в энергию, которая приводит ваше тело в движение, в то время как основные системы вашего организма функционируют в рамках строго определенных параметров. Допускаю, что этот портрет не отразил какие-то ваши индивидуальные особенности, но, если вы попробуете описать жизнь в наиболее обобщенном виде, вам, скорее всего, придется ограничиться схожим описанием.

Такой многословный ответ на простой на первый взгляд вопрос «Что такое жизнь?» — отражение того факта, что жизнь — это явление, а не просто физическая величина. Я могу описать себя как некое существо с определенным ростом и весом. Однако я не могу сказать, что во мне, например, 1,73 единицы жизни. С другой стороны, я мог бы сказать, что состою приблизительно из 10 трлн клеток, хотя различные живые существа обладают клетками разного уровня сложности и функционирования. Думаю, что вы уже поняли, к чему я клоню: жизнь — это целая последовательность связанных явлений, не поддающаяся простому измерению.

Все это, конечно, дает вам полное право чувствовать себя достойной частью космоса, но приближает ли это нас к главной цели астробиологии — подтверждению наличия жизни? Вы можете возразить, что изложенные выше идеи очень полезны. Если у нас есть образец, который обладает упорядоченной структурой, демонстрирует химические признаки энергетического цикла, а также содержит механизм, который не только кодирует химический состав органических веществ, но и позволяет им самовоспроизводиться, то в таком случае многие ученые согласятся, что наша находка имеет так много общих черт с земной жизнью, что и ее саму можно смело признать жизнью‹‹1››.

К этой теме мы еще вернемся в последующих главах, когда перенесемся на другие планеты Солнечной системы и обсудим, какие научные эксперименты необходимо осуществить, чтобы однозначно ответить на все вопросы, связанные с поисками жизни.

Этот остров Земля

Нашу планету можно сравнить с самым лучшим космическим кораблем: она несет на борту огромные запасы сырья, ее системы жизнеобеспечения преобразуют солнечную энергию в разнообразное топливо, она защищает нас от враждебного космоса. Жизнь существует на Земле почти 4 млрд лет, и стабильность условий на ее поверхности в течение всего этого периода играла критически важную роль в поддержании непрерывного процесса эволюции. Имеет смысл поговорить о том, как физические условия на нашей планете — ее геология — обеспечивали нам благоприятную среду обитания и защищали от негативных воздействий.

Земная атмосфера появилась и даже сегодня пополняется благодаря вулканическому газообразованию. Химический состав атмосферы обеспечивает незначительный парниковый эффект — теплоизоляционное покрытие, которое улавливает солнечную радиацию, — и нагревает поверхность‹‹2››. Помимо тепла наша атмосфера создает давление, которое позволяет воде существовать в жидком состоянии на всей поверхности планеты. Чтобы представить, какие условия существовали бы на Земле в отсутствие атмосферы, достаточно посмотреть на Луну. Уберите тепло — и вода замерзнет, понизьте давление — она закипит. В любом случае наличие атмосферы — ключевое условие существования жизни на поверхности Земли.

Атмосферу защищает от космоса (в частности, от исходящего от Солнца потока заряженных частиц, которые образуют солнечный ветер) магнитное поле Земли. Отражаемый магнитным полем, солнечный ветер обтекает нашу планету, проникая только в самые верхние слои атмосферы у полюсов, где заряженные частицы вызывают полярные сияния. Без защиты магнитного поля наша атмосфера постоянно подвергалась бы ионизации, выветриванию и испарению под воздействием энергии солнечного ветра и в конечном итоге просто улетучилась бы в космическое пространство.

Прослушивая эхо землетрясений в теле нашей планеты, мы можем выявить источник магнитного поля Земли. Согласно данным сейсмологов, земное ядро состоит из жидкого внешнего слоя с высоким содержанием железа и никеля и твердого внутреннего ядра. Горячее внешнее ядро подобно огромному бьющемуся сердцу, в котором циркулируют гигантские конвекционные потоки расплавленных металлов. Эти потоки вызывают перенос электронов в ядре нашей планеты — в буквальном смысле электрический ток. Ко всему прочему, наша планета вращается, порождая вокруг циркулирующих в ее сердцевине электрических токов обширное магнитное поле. Комбинация жидкого металлического ядра и вращения Земли приводит в действие генератор планетарного масштаба и создает наше магнитное поле. Оба эти фактора имеют принципиальное значение: если бы частота вращения была меньше (как на Венере) или ядро было холодным и твердым (как на Марсе), результирующее магнитное поле было бы значительно слабее.

Все это приводится в движение геологическими процессами, происходящими в расплавленных недрах Земли. Как ни удивительно это осознавать, но твердая порода, которая служит основанием для жизни на нашей планете, лишь тоненькая корочка, плавающая на поверхности кипящего шара из расплавленной магмы и металла. Пламя, пылающее в глубине Земли, все еще не остывший жар множества яростных столкновений, которые создали нашу планету 4,5 млрд лет назад‹‹3››. Подобно гигантскому тепловому двигателю, горячее ядро Земли приводит в движение геологические процессы, которые поддерживают «космический корабль» под названием Земля в рабочем состоянии.

Поскольку мы как начинающие астробиологи стараемся придерживаться непредвзятой точки зрения, я не буду утверждать, что геологическая активность на планете имеет решающее значение для возможности существования жизни за пределами Земли. Описанные выше взаимоотношения между геологическими процессами и жизнью не означают, что мы должны в наших поисках жизни ограничиться исключительно планетами, на которых присутствует геологическая активность. Но они помогают нам понять — в очень широком смысле, — как геология Земли создает и поддерживает условия, при которых жизнь развилась и продолжает существовать. Представим, что мы открыли за пределами Солнечной системы планеты и спутники, на которых протекают сходные с земными геологические процессы. Теперь мы можем порассуждать, каким образом они могут привести к возникновению или поддержанию жизни. Но, как обычно, мы не исключаем, что однажды наткнемся на новые миры, где оазисы жизни существуют в геологической пустыне, лишенной какой-либо активности.

Триумф Дарвина

В результате эволюционного развития на Земле возникло множество сложных и разнообразных жизненных форм. Мы видим примеры невероятной специализации и приспособляемости: если проиллюстрировать это утверждение примерами из фильмов о живой природе, то на экране замелькали бы в замедленной съемке колибри, львы, антилопы, древесные лягушки и другие невероятные существа.

Если немного изменить угол зрения и взглянуть на жизнь как на последовательность связанных между собой биохимических процессов, мы увидим, что все — действительно все без исключения — формы жизни на Земле обладают одним и тем же небольшим набором фундаментальных характеристик. Основная единица, из которой состоят все живые существа, — это клетка, небольшая капелька солоноватой воды, напичканная таким количеством органической химии, что для ее описания нужно несколько толстенных учебников. Что особенно удивительно, так это то, что каждая клетка повторяет фундаментальный набор общих правил, взятых из учебника биохимии для первого курса.

Все живое кодирует свою генетическую информацию, используя дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК — это не что иное, как длинная цепочка из нуклеотидов, обозначаемых четырьмя буквами (C, A, G, T), связанных между собой в элегантную двойную спираль. Последовательность этих букв служит своеобразной молекулярной базой данных, содержащей всю информацию, с помощью которой кодируются все химические процессы в организме, а также обеспечивающей механизм передачи информации следующим поколениям. Аналогичным образом один и тот же универсальный элемент служит основным источником энергии для всех химических процессов в клетке: в процессе переноса задействованы молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые способны накапливать энергию и отдавать ее в ходе реакции.

Язык белковой биохимии живой материи использует алфавит, состоящий из 20 аминокислот. Однако заметим, что в природе существует гораздо больше аминокислот — около 500. В связи с этим возникает вопрос, почему жизнь использует только эту фундаментальную, но все же ограниченную выборку? Еще одно общее свойство живой материи заключается в единой хиральности — оптической изометрии молекул — аминокислот (и сахаров). С учетом огромного разнообразия современных форм жизни, каким образом получилось, что такой простой набор строительных материалов наложил отпечаток на всю земную жизнь?

Чтобы примирить эти две противоположные друг другу характеристики жизни — разнообразие внешних форм и сходное биохимическое строение, природа придумала два механизма: деление клеток и эволюцию. Клетка воспроизводится делением на две почти идентичные копии. Естественный отбор закрепляет небольшие различия в генетических свойствах и отделяет наиболее приспособленные к внешней среде организмы как зерна от плевел. Сложность и многообразие форм жизни — следствие эволюционного развития, в ходе которого животные и растения приспосабливаются к различным условиям окружающей среды, существующим на Земле‹‹4››.

Но что, если мы отмотаем наш фильм назад? Мы увидим, как сложная жизнь постепенно лишается своих последних достижений. Вот перед нами древние одноклеточные организмы. Их биохимическая архитектура довольно проста, но в то же время устойчива: генетический алфавит, основанный на ДНК, обмен веществ, осуществляемый за счет АТФ, и белковое строение, в котором задействован набор из 20 аминокислот. Общие биохимические характеристики современной жизни дают нам возможность составить общую картину отдаленного предка всех существующих на сегодня живых организмов. Это удивительное и очень важное открытие: мы связаны — эволюцией и непрерывной последовательностью клеточных делений — с самыми ранними моментами зарождения жизни на Земле. Неизменность основных биохимических принципов строения жизни указывает на то, что с самого раннего времени жизнь сделала правильный выбор и в дальнейшем строго его придерживалась.

Еще в 1871 г. Чарльз Дарвин в письме своему другу Джозефу Хукеру рассуждал о том, как могла зародиться жизнь: «…в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и т. д. возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям». Это мощное научное прозрение, позволившее заглянуть в глубины времени и рассмотреть там момент зарождения жизни, лишь одно из множества достижений Дарвина. Нам потребовалось 140 лет непрерывных научных изысканий, чтобы убедиться в его правоте. Однако мы можем ухватиться за нить развития жизни и с помощью палеонтологической летописи и радиометрического датирования горных пород отмотать ее назад, до самых ранних эпох в истории Земли.

Царство Аида

Геология повествует о физической истории планеты Земля, и во многом ее можно рассматривать как старшую сестру эволюции. В 1830 г. Чарльз Лайель опубликовал свой основополагающий труд «Основные начала геологии»[4]. В этой книге Лайель утверждал, что геологическая история Земли складывается на протяжении невероятно долгих интервалов времени в результате медленного и непрерывного воздействия ряда сил, работу которых можно увидеть и сегодня, если внимательно присмотреться. Молодой Чарльз Дарвин взял с собой первый том «Основных начал», когда в 1831 г. отправился в путешествие на корабле «Бигль» (второй том ему должны были доставить по почте), и подход Лайеля оставил глубокий отпечаток на его собственных научных взглядах. Получалось, что эволюция и геологическое развитие шли параллельно: геология описывала долгую историю Земли и предусматривала временны́е интервалы, за которые небольшие эволюционные изменения могут закрепиться в поколениях живых организмов и привести к тому биоразнообразию, которое существует на сегодняшний день.

Современная геология делит историю Земли на четыре основных эона: катархей (самый ранний), архей, протерозой и фанерозой (самый поздний). О тесной связи между геологической историей Земли и историей существования на ней жизни свидетельствует тот факт, что геологическое развитие нашей планеты подразделяется на этапы в соответствии с характеристиками (или отсутствием) органического мира, определяемым по горным породам каждого периода.

Катархейский эон охватывает самые ранние эпохи истории Земли. Древнейшие доступные нам геологические данные содержатся в крошечных кристаллах циркона, возраст которых, определенный с помощью радиометрических методов, составляет 4,4 млрд лет‹‹5››. Эти крошечные кристаллы, представляющие собой не что иное, как фрагменты поверхности ранней Земли, обычно встречаются в виде мелких вкраплений в других, также древних, но значительно более молодых горных породах. В катархей наша планета была молода: ее тонкая кора только-только начала затвердевать над расплавленными недрами. Изнутри поверхность Земли разрывала буйная вулканическая деятельность, а сверху поливал беспрерывный поток планетных обломков — астероидов и комет, согласно современной терминологии.

Следы этих древних бомбардировок были стерты с лица Земли за 4 млрд лет геологической активности (вулканизм, тектоника плит и старая добрая эрозия). Однако бурная история тех давних времен запечатлелась во всей своей красе на неровной поверхности Луны. Наибольшая плотность кратеров наблюдается на самых старых возвышенностях, возраст которых был установлен радиометрическим методом по горным породам, доставленным «Аполлоном-16 и 17», а наименьшая — на относительно более молодых участках лунных морей («Аполлон-11, 12, 14 и 15»). На основании этих данных мы можем сделать вывод, что бомбардировка прекратилась примерно 3,9 млрд лет назад, причем большинство столкновений произошло в последний, относительно короткий интервал времени. На этом завершился катархейский эон истории Земли — катастрофический, бурный и губительный для любой формы жизни.

Архей: отголоски древней жизни

Архейский эон начался 3,9 млрд лет назад: на смену тяжелой бомбардировке пришел период относительного спокойствия. Самые древние горные породы на Земле датируются чуть более ранним периодом и служат надежным подтверждением существования твердой коры. Самые ранние признаки жизни спрятаны в глубине архейских пород: в древних микрофоссилиях возрастом 3,5 млрд лет можно усмотреть отдаленное сходство с живыми клетками. Одиночные микрофоссилии неизменно находят в слоистых окаменелостях, замечательно именуемых также криптозоонами (т. е. «скрытоживыми»). Эти минерализованные колонии древних микроорганизмов удивительно похожи на современные строматолиты — примитивные сообщества архей и бактерий, образующие небольшие, размером с табуретку, каменные холмики на мелководье соленых лагун.

Такие микрофоссилии — единственное материальное подтверждение существования архейской жизни. Колонии простейших одноклеточных организмов были единственными живыми обитателями нашей планеты в то время. Эти клетки не обладали ядром, и молекула ДНК с их генетическим кодом свободно плавала внутри клеточной структуры.

Характерная и повсеместно распространенная особенность земной жизни позволяет нам провести остроумный геохимический эксперимент, с помощью которого мы можем удостовериться, что в ранние геологические эпохи на нашей планете уже присутствовали живые организмы. Вся современная жизнь зависит от проникновения углерода сквозь клеточную мембрану и реакций, в которые он вступает, находясь во внутриклеточной жидкости. В природе существует два стабильных изотопа углерода: углерод-12 (12C — содержащий 6 протонов и 6 нейтронов), который составляет приблизительно 99 % от всего встречающегося в природе углерода, и углерод-13 (13C — 6 протонов и 7 нейтронов)‹‹6››. Более тяжелый изотоп 13C не может проникнуть через клеточную мембрану так же легко, как 12C, и поэтому его содержание в живых организмах существенно ниже, чем в природе. Таким образом, живая материя служит хорошим фильтром для изотопов углерода, а умирая, древние живые существа откладывались на дне океана в виде осадочных пород. Следовательно, если сравнить процентное содержание изотопов углерода в различных осадочных породах, то можно определить, какие из них образовались в результате процессов жизнедеятельности, а какие состоят из минеральных отложений‹‹7››.

Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.

И стала Земля зеленой на триллионный день

Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона — эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру — клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.

Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза — процесса преобразования углекислого газа (CO_2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород‹‹8››. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.

Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.

Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации — толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.

Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций — прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кислорода, произведенного в результате оксигенного фотосинтеза. Как только все доступное железо прореагировало с кислородом, резервуар заполнился; лишний кислород стал выделяться из океанов и накапливаться в атмосфере.

Дополнительные сведения относительно обмена веществ первых форм жизни можно получить, изучая современные метаногены — примитивные археи, которые преобразуют CO_2 в метан (CH_4) как побочный продукт жизнедеятельности. Прямых методов определения уровня метана в древней атмосфере, подобных тем, что используются для определения уровней кислорода, не существует. Но метаногенная жизнь позволяет нам строить предположения о том, как могли осуществляться другие возможные сценарии развития. В результате бурной вулканической деятельности атмосфера древней Земли, вероятно, была насыщена углекислым газом. При этом стоит отметить, что в ней практически не было молекулярного кислорода. Современные метаногены — это исключительно археи, простейшие одноклеточные организмы, сходные по своему строению с ранними прокариотами, о строении которых можем судить по их окаменелым остаткам. Сегодня они могут существовать только в бескислородных средах, которые, по-видимому, были широко распространены на Земле до возникновения фотосинтеза.

Однако следует отметить, что «вероятно» — не совсем то же самое, что «достоверно установлено». Ископаемые архея не содержат никаких признаков того или иного типа обмена веществ. Нам точно известно только то, что современные метаногены не переносят контакта с кислородом. Как химический элемент кислород слишком активен. Он заявился в мир метаногенных архей с повадкой запоздалого пьяного гостя, пришедшего на вашу милую вечеринку, и всякая жизнедеятельность сразу же затихла. Если в начале архея жизнь состояла из метаногенных микробов, то возникновение фотосинтеза и дальнейшее появление на Земле кислорода стало причиной первого и, вероятно, величайшего вымирания в истории нашей планеты‹‹9››.

Но какое отношение это все имеет к астробиологии? Появление кислорода в земной атмосфере — отчетливое свидетельство того, что жизнь становится важным фактором, способным коренным образом изменить физические условия на планете, и проницательный инопланетный разум, наблюдающий за Солнечной системой, вполне способен распознать его влияние. В этом плане Земля сформировалась как интересный объект для астробиолога примерно 2,4 млрд лет назад. Справедливости ради надо отметить, что метаногенные археи могли настолько повысить уровень метана в атмосфере, что наш инопланетный астроном мог заинтересоваться происходящим на Земле на миллиард лет раньше. Но, поскольку у нас нет никаких геологических данных относительно присутствия в древней атмосфере метана, мы можем только строить догадки.

Приближаясь к окончанию протерозойского эона, не стоит упускать из виду, что фотосинтез возник главным образом в результате эволюции хлорофилла, который, как известно, имеет характерный голубовато-зеленый цвет. Следовательно, рост содержания кислорода в земной атмосфере сопровождался позеленением океанов. Поверхность суши была по-прежнему лишена какой-либо жизни. Но появление в атмосфере молекулярного кислорода сопровождалось дополнительным бонусом — озоном (O_3). До тех пор океаны, вероятно, были единственным прибежищем жизни, поскольку вода поглощает ультрафиолетовое излучение, одновременно необходимое и губительное для всего живого. Следовательно, накапливаясь в атмосфере на протяжении всего протерозойского эона, озон со временем прикрыл нашу планету от разрушительного солнечного излучения. Если говорить о более тонких материях, то кислород обеспечил «биохимический турбонаддув» метаболизма глюкозы — по крайней мере у тех организмов, которые предусмотрительно выработали механизм, позволяющий его использовать. Таким образом, благодаря увеличению содержания кислорода в атмосфере в конце протерозоя открылись величайшие за всю историю Земли возможности освоения новых территорий как в географическом, так и в эволюционном плане.

Эволюционная вечеринка

Начало фанерозойского эона — один из ярко выраженных геологических переходных периодов. В горных породах, отложенных 540 млн лет назад — в относительно короткий геологический период, — наблюдалось резкое увеличение количества остатков разнообразных живых существ, получившее название кембрийского взрыва. Появление новых, более сложно организованных живых организмов, очевидно, зависело как от особенностей окружающей среды, к которым они приспосабливались, так и от различных случайных факторов, как, например, падение гигантского метеорита, которое произошло 65 млн лет назад и вызвало вымирание динозавров (расчистив таким образом место для эволюционно более совершенных млекопитающих). В связи с этим попытки выработать какие-то общие правила развития сложных форм жизни на примере эволюции организмов, которые населяли Землю сразу после кембрийского взрыва, не слишком подходят для наших поисков. Мне бы не хотелось принижать значение фанерозойского эона: нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что подобное сочетание механизмов приспособления и случайных факторов влияло на формирование жизни на протяжении всей ее истории. Однако резонно предположить, что примитивная жизнь приспосабливалась к условиям существования, которые были одинаковы на всей планете, тогда как более сложные организмы вынуждены вырабатывать механизмы приспособления к широкому спектру местных условий, существующих на современной Земле.

Такова наша история развития жизни. В конечном итоге вы сидите и читаете эту книгу. Возможно, теперь вы прониклись еще большим уважением к прозорливости Дарвина, когда он мысленным взором рассмотрел в глубинах времен маленькую теплую лужицу, положившую начало истории жизни на Земле. Наше биохимическое строение несет в себе память об этом событии, и если мы хотим найти истоки жизни как таковой, то нам ничего не остается, кроме как отправиться в то время и на то место.

Под грузом чисел

После краткого экскурса в историю жизни на Земле я хотел бы на мгновение остановиться и задать себе простой вопрос: допустим, вы — занятый поисками жизни астробиолог-инопланетянин, которого занесло на Землю в какой-то случайный момент ее истории. Какого рода организмы вы тут обнаружите?

Скорее всего, вы наткнетесь на примитивную микробную жизнь. Ведь если задуматься, бактерии и археи существовали на Земле непрерывно с момента зарождения жизни. На самом деле они были единственной формой жизни почти 3 млрд лет. Нет, я ничего не имею против высших форм жизни, но микробы и сегодня остаются доминирующей формой жизни на Земле: даже если мы ограничимся одноклеточными организмами, обитающими в Мировом океане, биомасса микроорганизмов и архей в 3000 раз превысит общую биомассу человечества. Оглянитесь вокруг себя: на каждого человека приходится 3000 его микробных копий, незаметно управляющих экосистемами Земли. Вам может показаться, что я излишне драматизирую ситуацию, но именно бактерии победили пришельцев с Марса в «Войне миров», когда человечество оказалось бессильно.

Бактерии и археи способны быстро приспосабливаться к изменениям среды, это одни из самых жизнестойких организмов на Земле. Бактерии могут существовать в безводных горных породах на границе вечных льдов Антарктиды, они прекрасно себя чувствуют в жерлах подводных вулканов, где температура воды превышает точку кипения, они живут даже в земных недрах — их находили в большом количестве в образцах пород, взятых с больших глубин. Эти микробы, способные жить и размножаться в совершенно невыносимых для высших форм жизни условиях, получили название экстремофилов. Они подразделяются на классы в зависимости от их экологической ниши, отличающейся от комфортных для всей остальной жизни условий. Термофилы обитают в горячих источниках и жерлах подводных вулканов, галофилы и алкалифилы — в содовых озерах, психрофилы способны расти и размножаться при отрицательных температурах. Мой любимый микроорганизм — Deinococcus radiodurans — полиэкстремофил, который одинаково хорошо переносит низкую температуру, кислотную и безводную среды и даже вакуум‹‹10››. Мы еще вернемся к обсуждению экстремофилов в следующих главах главным образом потому, что я хочу поговорить о них в контексте неблагоприятных (но в принципе пригодных для жизни) условий окружающей среды в пределах Солнечной системы. Но, чувствую, вы уже поняли, к чему я клоню: какие бы биохимические процессы вы ни проводили, на свете существует микроб, у которого это получается лучше, чем у вас.

Искра жизни?

Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея — 3,8 млрд лет назад — до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?

Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).

История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез — очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников — либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.

В последующие 30 лет в истории древней Земли ничего не менялось, пока наконец любознательный студент-старшекурсник Стэнли Миллер не решил проверить рассуждения Опарина и Холдейна на практике. В 1953 г. он сконструировал необычайно простую, но в то же время эффектную модель химической активности на раннем этапе развития Земли. Научным руководителем Миллера был Гарольд Юри, получивший в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие изотопа водорода — дейтерия. Их совместная работа получила известность как эксперимент Миллера — Юри.

Экспериментальная установка являла собой замкнутую систему стеклянных трубок и колбу с водой, представляющую земные океаны. В первоначальном варианте вода при нагревании испарялась и по трубке поступала в колбу, в которую была закачана смесь аммиака (NH_3), метана (CH_4) и водорода (H_2), выполнявшая роль древней атмосферы. Впоследствии Миллер несколько изменил свой эксперимент, добавив электрический разряд (в других вариантах он использовал ультрафиолетовое излучение, а также иные источники энергии). Газы из колбы, служившей атмосферой, поступали в охлаждаемую трубку, где конденсировались и снова стекали в «океан». Эксперимент Миллера, во многих смыслах революционный, был невероятно простым, но, как ни удивительно, прошло почти 30 лет, прежде чем экспериментаторы обратили внимание на идеи, высказанные Опариным и Холдейном.

Но самое удивительное — полученные результаты. После нескольких дней непрерывного цикла Миллер заметил, что первоначально прозрачная вода океанов постепенно стала окрашиваться в различные оттенки — от розового до коричневого. Вскоре колба, представляющая океан, покрылась черной смолой — его модель ранней Земли работала. Анализируя содержимое колбы, Миллер обнаружил густой бульон из органических соединений. Самое главное, что в коричневой слизи оказались аминокислоты. Аминокислоты — это кирпичики белковых молекул, фундаментальной основы нашей биохимии.

Эксперимент Миллера — Юри много раз повторяли с различными модификациями. Подобно поварам, экспериментирующим с классическим рецептом, ученые добавляли в первоначальную атмосферу новые ингредиенты: одни — сложные и разнообразные, другие — простые и незатейливые. Среди молекул, находящихся в итоговом смолоподобном веществе, всегда обнаруживались сложные сахара и нуклеотидные основания, присутствующие в нашей ДНК.

Чей рецепт был самым правильным, т. е. наиболее полно описывающим ранние условия существования Земли? Согласно последним представлениям, атмосфера древней Земли состояла из углекислого газа и молекулярного азота, а не аммиака и метана, как это было у Миллера — Юри. Повторение их эксперимента по современному рецепту дает меньше аминокислот, чем получалось раньше (главным образом потому, что такие молекулы, как CO и N_2, гораздо труднее расщепить, чем CH_4 и NH_3). Второй момент, вызывающий жаркие споры, — присутствие в атмосфере Протоземли молекулярного водорода. В присутствии водорода многие реакции, ведущие к созданию сложных органических молекул, протекали бы совсем по-другому. Но поскольку водород — самый легкий из всех газов и легко утекает из планетной атмосферы в космос, специалисты до сих пор жарко спорят о его возможном наличии (при почти полном отсутствии каких-либо надежных данных на этот счет).

Со всех точек зрения состав газовой смеси в эксперименте Миллера — Юри не так важен, как экспериментальное подтверждение того факта, что условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад, могли привести к образованию относительно сложных органических молекул. Такие молекулы очень важны для жизни, но все же надо отметить, что сами по себе они не составляют живую материю. Эксперимент Миллера — Юри лишь показывал возможную последовательность шагов на пути к зарождению жизни. Но эксперимент не может с абсолютной точностью сказать, какие именно реакции происходили на Земле 4 млрд лет назад‹‹11››. В этом смысле эксперимент Миллера — Юри указывает на то, что догадки Опарина и Холдейна действительно имели под собой веские основания, но, как ни обидно, большего от него требовать нельзя. Мы можем удостовериться, что наши идеи вполне разумны, но не можем доказать, что на самом деле все так и было.

Однако стоит отметить: ничто не мешает нам допустить реализацию идей Миллера — Юри. Предположим, у нас есть планета, на которой существуют те же условия и ингредиенты, тогда мы можем ожидать того же результата, а именно среду, богатую сложными органическими молекулами, балансирующими на грани жизни.

Они пришли из открытого космоса

Удивитесь ли вы, если вам скажут, что в течение последних 13 млрд лет во Вселенной происходит эксперимент, подобный эксперименту Миллера — Юри, и что на рассыпанных в космосе частичках межзвездной пыли можно найти органические молекулы, подобные тем, что обнаружил в своей колбе Стэнли Миллер? Думаю, это и впрямь удивительно, поскольку доказывает, что химический набор, который использует природа, гораздо более разнообразен и гибок, чем можно себе представить.

Иногда самые неожиданные сюрпризы падают к нам прямо с неба и служат напоминанием о том, что Вселенная гораздо умнее нас. Одно из таких событий произошло в маленьком городке Мерчисон в Австралии. Большой метеорит упал рядом с городом в 1969 г., и в руки ученых попало около 100 кг его фрагментов. Мерчисонский метеорит относится к типу углистых хондритов и состоял из слабо сцепленных между собой частично оплавленных пород. Сюрпризом стало обнаружение в метеорите вкраплений сложных органических молекул, в том числе аминокислот и нуклеотидных оснований, радиометрический анализ которых показал, что встречающиеся в них изотопы, вероятно, имеют космическое, а не земное происхождение. Доля этих молекул в общем составе метеорита Мерчисон невысока: их относительное содержание измеряется в миллионных долях процента.

Воодушевленное подобными открытиями, НАСА в 2004 г. решилось сделать еще один решительный шаг в исследовании исходных материалов, из которых состоит Солнечная система. С этой целью был создан и запущен космический аппарат «Стардаст», который должен был пролететь через хвост кометы Вильда 2 и доставить собранные образцы кометного вещества на Землю. И снова среди частичек льда и пыли, попавших в ловушки аппарата, оказались органические молекулы — и снова это была аминокислота глицин. Мы по-прежнему точно не знаем, как образуются такие молекулы, хотя существует гипотеза, что химические реакции происходят на микроскопических гранулах космической пыли под воздействием ультрафиолетового излучения‹‹12››. Но так или иначе такие молекулы образуются и в Солнечной системе, и в облаках межзвездной пыли, которые мы наблюдаем в нашей галактике Млечный Путь.

Потоки метеоритов интенсивно бомбардировали Землю в ранний период ее истории — и отсюда возникает вопрос: так ли нам необходима гипотеза, что на ранней Земле происходило нечто подобное эксперименту Миллера — Юри, если Солнечная система исправно снабжала нас сложными органическими молекулами? Такие молекулы, вероятнее всего, появились на Земле двумя путями: были занесены метеоритами из космоса и произведены на месте в результате природного синтеза, как в опыте Миллера — Юри. Их относительный вклад в органическую диету Земли в значительной степени зависел от того, насколько эффективно шел здесь процесс Миллера — Юри: если в атмосфере присутствовали все необходимые ингредиенты, тогда вполне возможно, что на отдельных участках обилие сложных органических соединений в целом соответствовало бы тому, что мы видели в современных экспериментах. Важное дополнительное следствие воссозданной Миллером — Юри картины: достаточно высокая для осуществления дальнейших реакций концентрация сложных молекул. Эти реакции совершенно необходимы — без них невозможно перейти грань между живой и неживой материей. Наш эксперимент подвел нас к границе возникновения жизни, а дальше мы ступаем в неизведанную область.

Неизведанные земли

Трудно путешествовать по незнакомым местам без хорошей карты. Однако, чтобы ее составить, кто-то должен пройти этим путем до вас и произвести тщательные измерения, чтобы достоверно воспроизвести все топографические особенности местности. Существует ли такая карта, которая могла бы помочь нам в путешествии через загадочный протомир Миллера — Юри к началу жизни на Земле?

К сожалению, нет. Наша карта в лучшем случае будет неполной. У нас есть определенные знания о периоде, предшествующем возникновению жизни, — мире Миллера — Юри. Мы знаем, где находимся сейчас, а также нашу ближайшую историю, равно как и свойства современной жизни на Земле. Но мы только в самых общих чертах наметили этапы пути между этими двумя точками, и каждый этап соответствует отдельной стадии в процессе зарождения жизни. Нам остается только ждать, пока не придет новое поколение картографов, которое сможет связать эти этапы в целостную картину зарождения и развития ранней жизни.

Прежде в этой главе мы, немного подумав, определили жизнь как совокупность связанных между собой физических процессов. Я хочу распространить эти идеи на царства простейших организмов, которые находятся на границе между живым и неживым. Американский ученый Стивен Беннер предложил простое и эффектное определение жизни: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновскому отбору». Это утверждение сводит жизнь к явлениям упорядоченности, метаболизма и (приблизительного) самовоспроизводства. Может ли подобный взгляд на жизнь в самом фундаментальном смысле оказаться полезен в размышлении об ее истоках?

Как из случайных реакций, протекающих в мире Миллера — Юри, может возникнуть порядок? Природа гораздо больше структурирована, чем может показаться на первый взгляд. Так, например, структура периодической таблицы строится на количестве протонов и электронов в каждом атоме. Взаимоотношения между атомами — сколько у них общих электронов и как прочно они связаны — определяют строение более сложных молекул. Для иллюстрации этой мысли можно, например, рассмотреть, как смешение простого химического соединения с водой может приводить к образованию мембран наподобие клеточных: когда будете мыть посуду, обратите внимание, как моющая жидкость в сочетании с водой образует пузыри. В вашей моющей жидкости содержится молекула, состоящая из двух частей: гидрофильной и гидрофобной. Гидрофильная часть притягивается к воде, а гидрофобная отталкивается, и в результате между ними образуется тонкая пленка — в нашем случае довольно неплохое подобие протоклетки.

Не хочу сказать, что Стэнли Миллеру надо было только добавить в свой эксперимент немного мыла и — вуаля! — у него получилась бы первая живая клетка. Встречающиеся в природе органические молекулы — жирные кислоты в данном случае — могут в сочетании с водой произвести клеткоподобные липидные пузыри, соответствующие нашим представлениям о спонтанном зарождении первых клеток, поскольку наши собственные клеточные мембраны представляют собой двойной слой липидных молекул.

Говоря об обмене веществ, мы должны помнить, что жизнедеятельность любого организма основана на реакции расщепления химического соединения с высвобождением энергии. В нашем случае мы называем это химическое соединение завтраком, обедом либо ужином или на клеточном уровне — глюкозой. Простые сахара могут возникать по схеме Миллера — Юри и спонтанно расщепляться с высвобождением энергии. Если в какой-то момент такая реакция будет встроена в клетку, ваша клетка сможет вырабатывать энергию: правда, спустя какое-то время она проголодается и ей потребуется следующая порция топлива. И это лишь один пример из множества возможных вариантов первой метаболической реакции.

Как могли эти реакции сохраниться в других, менее благоприятных для них условиях? Чтобы приводить их в действие, необходимы как набор команд, так и механизм. В современных клетках такая «инструкция» закодирована в последовательности генов, которые составляют нашу ДНК. Но ДНК — очень сложная молекула. Ее биохимическая родственница — рибонуклеиновая кислота (РНК) — проще, но тем не менее она также выполняет двойную функцию хранилища информации и самовоспроизводства. Мы не знаем, были ли первые организмы основаны на РНК или на какой-либо другой, более примитивной молекуле.

Ричард Докинз выдвинул гипотезу, что на самом начальном этапе зарождения жизни образовался «репликатор» — простая молекула, обладавшая одним замечательным свойством: она могла собирать фрагменты других молекул и создавать из них копию самой себя. Мы можем дальше рассуждать, не требовало ли возникновение такой специализированной органической молекулы небиологического каркаса или толчка на первую ступеньку лестницы жизни. Могла ли кристаллическая структура влажной глины или железного колчедана стать своеобразным каркасом, который позволил бы прикрепившимся к нему органическим молекулам приобрести свойства репликатора?

Ступая на территорию неизведанного, скрывающую в своих глубинах тайну зарождения жизни, мы можем различить в туманной дали очертания порядка, метаболизма и самовоспроизводства. Потом мы можем вернуться в наши лаборатории и сделать приблизительные наброски их биохимических контуров. Но все наши эксперименты будут не чем иным, как проверкой физической возможности осуществления того или иного события, а вовсе не доказательством того, что оно имело место в действительности. В конце концов мы сможем продемонстрировать, что последовательность каких-то физических процессов может привести к образованию примитивных организмов, похожих на те, как, согласно нашим представлениям, выглядели древнейшие обитатели Земли. Но даже в этом случае необходимо помнить, что наши представления основаны на знаниях о дальнейшей, более сложной жизни, но на деле одного и того же результата можно добиться разными путями. Поэтому пока не ясно, как наука сумеет перейти от правдоподобных гипотез относительно возникновения жизни к точному выяснению того, каким микробиологическим путем шли наши древнейшие предки.

Вторая попытка?

Возможно ли, что жизнь возникала на Земле неоднократно? И могла ли в таком случае существовать независимая форма жизни с отличной от современной биохимической организацией? Сохранились ли ископаемые останки таких организмов? А может, они скрытно существуют на Земле в настоящее время — эдакая незаметная, теневая биосфера? Может показаться, что этот вопрос больше подходит для книги, посвященной жизни на Земле, а не поискам жизни на других планетах, однако было бы непростительной оплошностью сосредоточить свое внимание на дальних мирах и не разглядеть чужую жизнь «у себя под ногами».

Так возможно ли, что жизнь возникала на Земле несколько раз? На сегодняшний день у нас нет никаких достоверных данных в пользу такой гипотезы. Если другая жизнь действительно существовала, то в палеонтологической летописи могли сохраниться ее следы. Однако распознать их — непростая задача. Утверждения, что древние ископаемые останки принадлежат нашим эволюционным предкам, подвергаются тщательному научному анализу и принимаются или отвергаются на основе клеточного сравнения с современными организмами. Но как распознать совершенно иную ветвь древней жизни по окаменелым останкам, когда все наши методы основаны на поиске общих черт с современной жизнью? Такой «иголке» древних окаменелостей ничего не стоит затеряться в «стоге сена» палеонтологической летописи, и, как ни обидно, мы, скорее всего, не можем ее распознать.

Может такой изолированный тип жизни существовать сегодня на Земле? И снова я вынужден сказать твердое «да»: до тех пор пока на нашей планете имеются обширные неизведанные области — под этим я подразумеваю геохимическое строение земной коры, — есть возможность обнаружить изолированные (но, вполне возможно, процветающие) природные среды, пригодные для иных форм жизни.

Кроме того, остается интересный, но, к сожалению, не имеющий ответа вопрос: если допустить, что независимые формы примитивной жизни возникали на нашей планете в разное время и в разных местах (каждая из них — результат удачно выпавшей молекулярной комбинации), то почему выжила и сохранилась до наших дней только одна?‹‹13››

Астробиологическая дорожная карта

Мы начали эту главу парой связанных между собой вопросов: что такое внеземная жизнь и что такое жизнь земная? Мы затронули немало проблем и можем подвести некоторые итоги.

Жизнь — это совокупность связанных между собой явлений, которые мы на биохимическом уровне упростили до порядка, метаболизма и самовоспроизводства. Как астробиологам нам бы стоило направить свои усилия на поиски примитивной жизни, подобной бактериям или археям, которые преобладали в истории жизни на Земле и доминируют по массе живой материи в наше время. Наши поиски жизни в значительной степени будут основываться на идентификации биологических процессов и циклов и на исключении экзотических реакций, явно небиологических, которые могут внешне выглядеть как проявления живых существ. Возможно, нам придется последовать примеру охотников за окаменелостями, которые углубляются в архейские породы, разыскивая в них остатки ранней жизни, и сосредоточиться на поиске микроскопического клеточного порядка. Разумеется, мы понимаем, что не существует научного определителя, по которому можно было бы идентифицировать внеземную жизнь. Если мы представим себе физический образец, аккуратно изъятый из инопланетной среды дистанционным зондом или человеком, каждый новый кусок породы или горсть грунта будут становиться объектом пристального исследования для тех, кто будет искать в них следы жизни.

Жизнь на Земле возникла в результате последовательности сложных химических реакций, которым способствовали сложившиеся на ранней Земле условия: наличие жидкой воды, органических соединений и энергии. Это случилось очень рано в истории нашей планеты, в конце катархея — фактически сразу, как только на ее поверхности сложились условия, пригодные для существования живых организмов. Хотя мы до сих пор точно не знаем, как именно зародилась жизнь, пробелы в наших познаниях не так велики, чтобы вместо науки обращаться к вере. Подобно Дарвину, мы можем вообразить небольшой теплый водоем на другой планете или спутнике — в Солнечной системе или за ее пределами, — где жизнь возникла по таким же принципам. Из нашей собственной истории мы знаем, что жизнь микроорганизмов превратилась в фактор планетарного масштаба и создала химически неравновесную атмосферу, богатую кислородом, присутствие которого может служить биомаркером для отдаленных наблюдателей. В последующих главах мы обсудим, насколько приблизились к тому, чтобы самим стать этими отдаленными наблюдателями, ищущими признаки жизни на планетах за пределами Солнечной системы.

Наконец, мы зададимся вопросом, что из этого должно иметь значение для астробиолога, занимающегося поисками жизни на других планетах. Мы узнали некие принципы, характеризующие, скорее, жизнь как таковую, а не какие-то особенности земной жизни. В наших поисках мы не обязаны сосредотачиваться на жизни, похожей на земную, но теперь мы можем осознанно выбирать, что достойно стать объектом нашего внимания. И значит, нам пора оставить Землю — разумеется, с благодарностью за полученный багаж знаний — и обратить свой взгляд на Солнечную систему, теперь уже в качестве астробиологов, ищущих новые места обитания для жизни.

Глава 4. Биологическая экскурсия по Солнечной системе

До возникновения астробиологии мы не задумывались, есть ли в Солнечной системе места обитания, пригодные для жизни. На сегодняшний день мы знаем только о существовании жизни на Земле, третьей планете от Солнца. Но мы выяснили, что условия, которые привели к возникновению жизни на Земле, не такие уж исключительные, как нам казалось. На ранней Земле присутствовали три основных ингредиента: энергия, вода в жидкой форме и сложные органические соединения. Четвертая особенность, благоприятствовавшая жизни, — относительная стабильность окружающей среды. Все три ингредиента присутствовали более-менее постоянно на протяжении нескольких эонов земной истории, что сделало возможным не только зарождение жизни, но и ее дальнейшее распространение и развитие.

Во время нашей экскурсии по Солнечной системе мы увидим, что эти условия встречаются не только на Земле: энергия присутствует (хотя временами в очень малых количествах) даже на большом отдалении от Солнца. Признаки жидкой воды — и достаточно убедительные — наблюдались в нескольких местах, а настоящие жидкости (в данном случае — этан и метан) были найдены непосредственно на спутнике Сатурна — Титане. И наконец, сложные органические соединения были обнаружены в разных краях Солнечной системы — на спутниках Юпитера и Сатурна, а также во время запусков зондов к кометам и астероидам.

Так можем ли мы предположить, что жизнь широко распространена в Солнечной системе и c нетерпением ожидает нашего прибытия? Это ведь «вопрос на миллион», не правда ли?‹‹1›› Нам по-прежнему мало что известно о том, как природа переходит от списка заманчивых ингредиентов к жизни как таковой — даже если речь идет о Земле. Наше сегодняшнее предчувствие, что жизнь ожидает нас где-то в Солнечной системе, основывается на доскональном изучении физических условий на планетах и спутниках. Кроме того, после открытия бактерий-экстремофилов, которые существуют в условиях, ранее считавшихся непригодными для жизни, мы убедились (и находим все новые и новые подтверждения), что жизнь обладает гораздо большей выносливостью и приспособляемостью, чем нам казалось до сих пор.

В этой главе я хочу наметить план дальнейшего рассмотрения Солнечной системы. Из чего состоит Солнечная система в географическом плане, если можно так выразиться? Какие объекты могут представлять для нас особый интерес? А какие можно сразу исключить из нашего списка, поскольку жизнь там заведомо невозможна? Мы вспомним почти 60-летнюю историю освоения космоса, в ходе которой смогли поближе познакомиться с планетами и спутниками Солнечной системы. Какие сведения нам дали космические проекты? Как они достигали своих целей? На каком принципе строилась их работа? Кто за все это платит? Надеюсь, ответы на эти вопросы подготовят нас к дальнейшему продвижению в Солнечную систему. Мы определим цели для наших будущих полетов и оценим их шансы на успех.

Солнце — это раскаленный газовый шар

Во многих аспектах Солнце — это и есть наша Солнечная система. Чтобы в этом убедиться, нужно взять листок миллиметровой бумаги и нарисовать прямоугольник 10 клеточек на 100. Из 1000 клеток его площади 999 будут представлять массу Солнца. Одна оставшаяся клетка будет демонстрировать преимущественно массу Юпитера и Сатурна. Мы заслуживаем в лучшем случае маленькой точечки.

Такой рисунок наглядно демонстрирует, насколько масса Солнца преобладает над массой всей остальной Солнечной системы. Термоядерный синтез в ядре Солнца высвобождает энергию в форме фотонов и их более пронырливых родственников — нейтрино. Эти фотоны обладают чрезвычайно высокой энергией, и на данном этапе мы будем называть их рентгеновскими и гамма-лучами. Вылетая из ядра, они попадают в зону лучистого переноса, где подвергаются поглощению и повторному излучению. К тому моменту, когда они достигают внешней атмосферы Солнца, фотоны теряют значительную часть своей энергии и покидают дымку фотосферы как солнечный свет, который мы с вами можем видеть.

Солнце служит источником энергии практически для всего живого на Земле, начиная с фотосинтезирующих организмов и далее для всех последующих звеньев пищевой цепочки. Для нас как астробиологов наибольший интерес представляют исключения из этого правила, а именно: экстремофильные бактерии, обитающие рядом с жерлами подводных вулканов, и железобактерии, живущие в глубинах земной коры. Эти существа заслуживают отдельного рассмотрения, так что держите их в уме!

Загородная экскурсия

Оставляя позади Солнце, мы оказываемся в царстве планет. В недалеком прошлом, когда мы не знали о существовании никаких других планетных систем, кроме нашей собственной, Солнечная система нам очень нравилась. Она казалась нам упорядоченной и к тому же полностью соответствовала нашим теориям о том, какой ей надлежит быть. Позднее мы узнаем, как открытие новых планетных систем вокруг отдаленных звезд перевернуло наши представления о том, как они должны выглядеть. Но сейчас я бы хотел внимательно рассмотреть нашу собственную Солнечную систему.

Ближе всего к Солнцу в горячей внутренней области расположены планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Хотя они отличаются друг от друга размерами и условиями на поверхности, все они, в сущности, состоят из горных пород, содержащих железо и силикаты. У планет земной группы очень мало спутников: кроме нашей Луны это Деймос и Фобос, вращающиеся вокруг Марса. За орбитой Марса расположен пояс астероидов — скопление сохранившихся со времен формирования Солнечной системы обломков, попавших в гравитационное поле Юпитера, которое препятствовало их слипанию в планету.

На пути к Юпитеру мы пересечем одну важную границу — снеговую линию. На таком отдалении от Солнца его излучение слабеет настолько, что простые летучие соединения (такие, как вода, аммиак, метан) конденсируются, образуя твердые ледяные частицы. В результате за снеговой линией не только твердые породы, но и лед может участвовать в слипании, и в этом случае формируются газовые гиганты, которые преобладают во внешней области Солнечной системы. Юпитер идет первым, за ним следуют Сатурн, Уран и Нептун‹‹2››.

В отличие от планет земной группы, внешние планеты обладают множеством спутников: у Юпитера в данный момент известно 67, а у Сатурна больше 150. Самые большие из этих спутников превосходят по размеру Меркурий и нашу Луну. Это целые миры, заслуживающие внимательного изучения. Диспропорция в количестве спутников между газовыми гигантами и планетами земной группы объясняется разницей в массе. Во вращающемся диске из газа и пыли, который представляла собой зарождающаяся Солнечная система, газовые гиганты становились все больше и массивней. Со временем они обзаводились собственными миниатюрными дисками из газов и камней, из которых впоследствии сформировалась их многочисленная свита из спутников.

Когда мы удалимся за орбиту Нептуна, яркость Солнца будет в 1000 раз меньше, чем на Земле. Мы вступаем в темное царство Плутона — планеты, впервые обнаруженной Клайдом Томбо в 1930 г. В конце 1990-х — начале 2000-х гг. с помощью больших современных телескопов нового поколения удалось обнаружить еще несколько похожих на Плутон каменистых небесных тел: одни побольше, другие поменьше, но все вместе они составляли рассеянный диск, состоящий из материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, и получивший название пояса Койпера. Плутон оказался одним из множества таких же, как он, небесных тел, и тогда встал вопрос: либо все эти объекты следовало признать планетами, либо не признавать ни один из них. В 2006 г. Международный астрономический союз пришел к заключению, что Плутон нельзя считать обычной планетой, и причислил его наряду с еще несколькими крупными астероидами к новой категории карликовых планет. Там они и останутся, если, конечно, наши взгляды на Солнечную систему не изменятся.

Легче всего представить масштабы Солнечной системы, если посмотреть, какое время требуется фотону света, чтобы добраться от поверхности Солнца до каждой из планет. Фотон преодолевает расстояние до Земли за 8 минут. Солнце, которое вы видите в настоящий момент, — то, каким оно было 8 минут назад. Настоящее Солнце скрыто от нас завесой времени, через которую фотон, обладающий конечной скоростью, проникнуть не может. Чтобы продолжить путь от Земли до Марса, фотону потребуется еще 4 минуты. Если задуматься, то радиосвязь — всего лишь поток фотонов низкой энергии, поэтому радиосообщение или телевизионный сигнал смогут преодолеть расстояние от Земли до Марса и обратно за 8 минут. Этим объясняется, почему марсоходы управляются при помощи коротких последовательностей простых команд, а не при помощи джойстика. Из-за восьмиминутной задержки ваш аппарат застрянет или разобьется раньше, чем вы узнаете о том, что ему грозит опасность. Путешествие от Солнца до Юпитера займет у фотона 42 минуты, а до Нептуна, последнего из газовых гигантов, — больше 4 часов. Если мы будем считать орбиту Плутона границей Солнечной системы, фотону потребуется 5 часов 20 минут, чтобы оставить позади пояс Койпера и устремиться к темным глубинам Вселенной.

Теперь вы лучше понимаете свое место в Солнечной системе и ее масштабы. Остается только просмотреть заставку фильма «Контакт» и отметить допущенные неточности.

Длинные руки Солнца

Мы уже знаем, что Солнце — это энергостанция всей Солнечной системы. От него зависит вся жизнь на Земле. Но как далеко простираются возможности Солнца? Когда его влияние ослабнет настолько, что не сможет поддерживать существование жизни?

На верхний слой земной атмосферы приходится примерно 1370 Вт/м^2 солнечной энергии‹‹3››. Сумма этой энергии, получаемой изо дня в день, обеспечивает существование всей жизни на Земле и полностью управляет погодой. Количество солнечного света, получаемое каждой планетой и спутником в Солнечной системе, можно рассматривать как базовые средства для жизни — по крайней мере для низших ее форм, таких как фотосинтезирующие бактерии, преобразующие солнечную энергию в питательные вещества.

Так сколько солнечного света получают планеты? Орбита Меркурия расположена ближе к Солнцу, и он получает в шесть раз больше солнечной энергии, чем Земля. Марс находится дальше от Солнца, и ему достается всего 40 % энергии, получаемой Землей. По мере продвижения во внешнюю область Солнечной системы влияние Солнца резко снижается: Юпитер получает лишь 3 % от земной дозы солнечного света. На холодной орбите Плутона солнечного света еще меньше: всего 1 %.

Думаю, нам было бы интересно узнать, сколько света нужно для существования жизни. И снова земной опыт говорит нам, что жизнь обладает удивительной стойкостью. Фотосинтезирующие бактерии были обнаружены на глубине 100 м в Черном море. Однако их метаболизм основан на аноксигенном (бескислородном) фотосинтезе, в результате которого вырабатываются соединения серы, а не молекулярный кислород. Такие бактерии — живые реликты древних фотосинтезирующих организмов. На такие глубины с поверхности проникает только 0,05 % света, т. е. уровень освещенности там почти такой же, как на поверхности Плутона. Но даже на таком низком уровне свет остается биологически продуктивным, поскольку каждая бактерия раз в несколько часов аккуратно ловит фотон и использует его энергию для поддержания метаболизма.

Поэтому, если взглянуть на Солнечную систему, то в ней нет границы, за которой мы могли бы с уверенностью сказать, что света Солнца недостаточно для поддержания фотосинтеза. Свет, пусть даже значительно ослабленный, достигает самых дальних уголков Солнечной системы и вполне может служить источником энергии для жизни, если таковая там найдется.

Живительная влага

Получается, что в Солнечной системе нет недостатка в свете и, как мы уже выяснили, простые органические соединения также имеются в избытке. А как насчет воды или — если смотреть шире — жидкости? В этой главе мы намерены сосредоточить свое внимание — и ограниченные ресурсы — на самых многообещающих местах обитания жизни в Солнечной системе. Пора решаться на дерзкий шаг!

Меркурий — атмосферы нет, нечему прикрыть вас от губительного солнечного ветра, дневная температура на поверхности достигает 427 °C — исключается. Венера — плотная атмосфера меня не пугает, но температура на поверхности еще выше, чем на Меркурии (464 °C). Хотя жизнь может существовать в формах, отличных от земных, белки, которые лежат в основе нашей биохимии, разрушаются при температуре 126 °C. Вы находитесь в сухой, раскаленной духовке. Спутников нет, жидкой воды тоже нет. Неплохо бы заглянуть на несколько дней, но мы направляемся в другое место. Планеты, подобные Юпитеру? Их не зря называют газовыми гигантами. В 1995 г. космический аппарат «Галилео» сбросил в атмосферу Юпитера спускаемый зонд, которому удалось проникнуть на 156 км вглубь атмосферы прежде, чем растущая температура вывела его системы из строя. Атмосфера Юпитера и других внешних газовых гигантов допускает существование необычных жидких слоев. Не имея данных, трудно рассуждать о том, какая на них может быть жизнь, а добраться туда очень тяжело (запущенный с «Галилео» зонд сгорел гораздо выше этого места). Как насчет Плутона и пояса Койпера? Далековато, и к тому же, когда мы туда доберемся, у нас не будет ни малейшего шанса найти там какую-нибудь жидкость.

Увы и ах! Мне жаль, если это вас расстроило, но надо смотреть на вещи объективно. Означает ли это, что я исключаю существование жизни на планетах и спутниках, с которыми я обошелся так сурово? Вовсе нет. Так может, они даже входят в число приоритетных направлений для будущих поисков жизни? Угадали. Но что же тогда остается? Содержание книги не оставляет места для неожиданностей: основное внимание мы уделим рассмотрению возможности открытия жизни на Марсе, спутнике Юпитера Европе и спутниках Сатурна Энцеладе и Титане.

Я решил сосредоточиться на этих возможных местах обитания жизни за счет других мест в Солнечной системе в основном из-за того, что мы выяснили в предыдущих главах относительно условий существования жизни на Земле. Мы еще увидим, что Марс, Европа, Энцелад и Титан позволяют если не со стопроцентной уверенностью говорить о присутствии жизни, то располагают достаточным количеством таких косвенных признаков, как наличие жидких сред, органики, энергии и стабильности, которые делают их наиболее интересными для нашего поиска объектами в Солнечной системе. Теперь мы определились с ближайшими целями.

Златовласка и три планеты

Из истории про Златовласку[5] и трех медведей мы знаем, как маленькая девочка искала кашу, кресло и кровать, которые пришлись бы ей «как раз впору», когда она без приглашения заявилась в гости к медвежьему семейству, пострадавшему в результате визита. Как ни странно, метод, который использовала Златовласка для поиска условий, которые «как раз впору» для жизни, вполне применим и в астробиологии, где этот принцип получил название «зона обитаемости». Под зоной обитаемости подразумевается диапазон орбитальных расстояний до звезды, на которых температура на поверхности планет «как раз впору» для существования жизни, т. е. между точками замерзания (0 °C) и кипения (100 °C) воды. Думаю, мне не нужно повторять свои обычные предостережения касательно того, что нам не следует излишне ориентироваться на земную жизнь, поскольку вы и так прекрасно понимаете, что к концепции зоны обитаемости следует подходить осмотрительно.

Опасность ошибки преимущественно связана с неизвестными нам свойствами планетных атмосфер. Во-первых, — и это самое главное — нужно, чтобы атмосфера в принципе была. Земля расположена в самой середине зоны обитаемости, и тем не менее, если убрать давление на поверхности, создаваемое атмосферой, вода бы закипела и испарилась в космос. Во-вторых, хотя температура на поверхности планеты в значительной степени определяется температурой родительской звезды и орбитальным расстоянием до нее, любая атмосфера может существенно влиять на возможный диапазон температур на поверхности планеты.

Возьмем для сравнения три планеты земной группы Солнечной системы: Венеру, Землю и Марс. В течение многих лет сравнительная планетология на примере этих планет пыталась выяснить, как небольшие изменения в основных свойствах планеты (массе, скорости вращения, орбитальном радиусе) могут привести к столь разным условиям на ее поверхности. Они также расположены близко к приблизительным границам зоны обитания Солнечной системы и служат нам предупреждением о том, что может случиться с простой идеей из-за незначительных различий в свойствах планет.

Венера очень похожа на Землю — ее масса составляет примерно 4/5 массы Земли, а орбита немного ближе к Солнцу (примерно 0,7 от земной орбиты). В отсутствие атмосферы теоретически температура‹‹4›› на поверхности Венеры должна была бы составлять около –13 °C. Но, поскольку Венера обладает сверхплотной, насыщенной углекислым газом атмосферой, которая создает сильный парниковый эффект, температура на ее поверхности поднимается до 464 °C. Любая жидкая вода, которая могла когда-то существовать на Венере, давно испарилась в атмосферу (где внесла свой вклад в парниковый эффект), и даже вода в структуре минералов на поверхности планеты также превратилась в пар.

Марс меньше Земли — только 1/10 от ее массы — и обращается в 1,5 раза дальше от Солнца. Его разреженная атмосфера, состоящая из углекислого газа, создает на поверхности давление, составляющее лишь 1 % земного. Для абсолютно черного тела, помещенного на орбиту Марса, температура составляет –63 °C, а реально измеренная температура на поверхности лишь на несколько градусов выше — результат исключительно слабого парникового эффекта. Вследствие низких температур вся вода и углекислый газ на Марсе остаются в замороженном виде в полярных ледяных шапках и подпочвенном ледяном слое, присутствующем на большей части поверхности планеты.

Давайте попробуем сыграть в увлекательную игру: мысленно перетасуем планетную колоду и постараемся угадать, как изменение положения планеты повлияло бы на ее свойства. Что будет, если мы поменяем местами Марс и Венеру? С Марсом все просто, как мне кажется. Если бы его атмосфера оставалась такой же, как сейчас, тогда температура на поверхности Марса была бы примерно 43 °C. Это вызвало бы таяние ледяных шапок (состоящих из углекислого газа и воды), породив обширную, хоть и короткоживущую, атмосферу (как мы помним, на Марсе нет магнитного поля и вулканизма).

Что было бы с Венерой, предсказать немного сложнее: наличие плотной атмосферы приводит к тому, что температура на поверхности планеты на 400 °C выше теоретического расчета. Поместите Венеру на орбиту Марса, и ее температура будет по-прежнему превышать 326 °C (если атмосфера не обрушится под собственной тяжестью). Такие высокие температуры отчасти объясняются тем, что в начале своей истории планета пережила необратимый парниковый эффект. Она слишком рано и слишком сильно разогрелась. Все океаны испарились, и водяной пар смешался в атмосфере с углекислым газом. В свою очередь это усилило парниковый эффект, образовав катастрофический цикл обратной связи.

Произошло бы нечто подобное, если бы Венера находилась на орбите Марса? Короткий ответ — мы этого не знаем, хотя подобная постановка вопроса вызывает у тех, кто занимается компьютерным моделированием планетных атмосфер, приступы воодушевления и отчаяния одновременно.

Поэтому не стоит делать поспешных выводов на основании пресс-релизов или новых статей, в которых говорится, что только что открытая планета находится в зоне обитания своей родительской звезды. При отсутствии точных данных о составе атмосферы любой расчет температуры на поверхности планеты всего лишь умозрительные рассуждения (а если исключить из рассмотрения атмосферу, то как можно строить предположения о присутствии на планете жидкой воды?). Совсем как у Златовласки: без дополнительной информации нельзя заранее сказать, будет ли кроватка (или в нашем случае планета) как раз впору для жизни.

Панспермия: теория, которая себя назвать не смеет

В начале этой главы я предложил задуматься над тем, есть ли в Солнечной системе места обитания, пригодные для жизни. Но не был ли этот вопрос в некоторой степени неискренним? До сих пор мы касались только мест обитания, расположенных на Земле. И лес, и пруд, и река, и равнина связаны в единое, всеобъемлющее место обитания — планету Земля. Виды могут перемещаться между местами обитания иногда свободно, иногда преодолевая препятствия, но тем не менее миграция всегда возможна. Теперь давайте расширим идею места обитания до всей Солнечной системы: можно ли утверждать, что каждая планета представляет собой изолированный остров или возможны межпланетные миграции? Можно задать вопрос по-другому: может ли примитивная жизнь возникнуть на одной планете или спутнике, а потом естественным путем переместиться на другое тело?

Гипотеза, согласно которой жизнь может вести себя подобным образом, получила название панспермии‹‹5››. По самому простому сценарию, примитивный организм, мирно живущий на своей планете, вдруг грубо выбрасывается в космос в результате метеоритного удара и сам превращается в небесное тело. Наш отважный микроб-астронавт может несколько миллионов лет носиться в открытом космосе на своем обломке до того, как упадет на какую-то другую планету или спутник в качестве метеорита. Нам известно, что подобные вещи случаются в Солнечной системе: незначительная часть метеоритов, обнаруженных на Земле, были когда-то выброшены с поверхности Марса и Луны, а потом упали на Землю. Единственный недостающий компонент — наличие на таких метеоритах примитивных форм жизни‹‹6››.

Если честно, то сама идея выглядит немного безумной, но это вовсе не означает, что такое в принципе невозможно. Разумеется, на этом пути нас ждет немало трудностей: допустим, наш микроб-астронавт пережил первоначальный взрыв, выбросивший его в космос. Теперь ему предстоял долгий-долгий полет в межпланетном вакууме, во время которого на него бы обрушивались потоки безжалостного ионизирующего излучения. Под словом «долгий» надо понимать миллионы и миллионы лет — именно столько должен продлиться период анабиоза. И в конце наступает черед огненного метеорного спуска на поверхность планеты и сокрушительный удар по прибытии.

Наука учит нас, что подтвердить или опровергнуть какую-либо гипотезу можно, лишь проверив ее на практике. К чести ученых, они попытались воспроизвести условия, в которых оказались бы примитивные организмы, если бы отправились в путешествие по Солнечной системе. Различные виды бактерий, архей, грибов и лишайников путешествовали в космос на ракетах и на космических челноках и даже жили в течение 18 месяцев с 2008 по 2009 г. на Международной космической станции (МКС), а точнее, в открытом контейнере, закрепленном в передней части научного модуля «Коламбус». Этот модуль служил испытательным стендом: биологические образцы — как живые, так и неживые — выставлялись в открытый космос, чтобы посмотреть, как это на них подействует.

Стало ли воздействие вакуума, экстремальных температур и космических лучей смертельным для примитивных микроорганизмов? Ответ определенно отрицательный. Сразу несколько видов земной жизни продемонстрировали прекрасные способности к выживанию в подобных условиях. Рост и обмен веществ полностью останавливаются. Многие клетки умирают, многие получают повреждения, но неизменно остаются выжившие, которым удается продержаться в суровых условиях космоса.

Так какое значение это имеет для идеи панспермии? Тут мы снова наталкиваемся на непреодолимое препятствие в виде продолжительности путешествия: полет лишайников на борту космической станции длился всего 18 месяцев. Это очень интересный эксперимент, но он ничего не говорит нам о том, способны ли живые организмы выживать в космосе на протяжении миллионов лет. Гипотеза, что организм способен так долго существовать в состоянии, близком к смерти, представляется невероятной. Если мы когда-нибудь найдем организм, способный расти и поддерживать обмен веществ в открытом космосе — или по крайней мере глубоко внутри небесного тела, — то, возможно, это заставит скептически настроенных ученых снова вернуться к такой мысли. А пока я надеюсь, что кто-нибудь уговорит космическое агентство сбросить с орбиты на Землю заселенный микроорганизмами камень и посмотреть, что из этого получится.

Смело ступать…

Мы обрисовали «географию» Солнечной системы и наметили основные места наших поисков, так что теперь пришла пора навестить их. Поиски жизни в Солнечной системе необычайно увлекательны, поскольку мы можем физически побывать в интересующих нас местах обитания, взять пробы, проанализировать их на месте и доставить на Землю для более подробного изучения. Сегодня десятки космических зондов бороздят Солнечную систему вдоль и поперек. Самое сложное — оторваться от Земли: вывести космический аппарат, оснащенный запасом топлива, на околоземную орбиту. Но когда вы туда доберетесь, перед вами откроется весь космос. Путешествия по Солнечной системе требуют относительно мало топлива, особенно если вы проявите благоразумие и воспользуетесь гравитацией, пролетая мимо планет. Несмотря на разнообразие научных программ, все экспедиции делятся на четыре основных типа: пролет, выход на орбиту, посадка и доставка проб на Землю.

Пролет: беглое знакомство с планетой

Если в космической экспедиции запланирован только пролет, это означает, что космический аппарат сближается с планетой — обычно на большой скорости, — поворачивает к ней свои камеры и измерительные приборы и записывает все, что удается зафиксировать во время прохождения рядом с планетой. Межпланетная космическая станция «Пионер-10» — классический пример экспедиции, предназначенной для пролета. Запущенная в 1979 г., станция стала первым космическим аппаратом, пересекшим пояс астероидов. Через 20 месяцев космический аппарат «Пионер-10» достиг системы Юпитера. Он стремительно приближался к цели, двигаясь со скоростью 130 000 км/ч. Можете мне поверить — это очень быстро.

Главная часть программы началась 3 декабря 1973 г., в 12:26, когда «Пионер-10» пролетел мимо спутника Каллисто и вошел во внутреннюю систему Юпитера. Все камеры и приборы дистанционного зондирования, установленные на «Пионере», заработали одновременно, пытаясь зафиксировать все возможные виды Юпитера и его спутников, мимо которых проносился космический аппарат. Это краткое, но близкое свидание длилось 16 часов, а потом «Пионер» вышел из «тени Юпитера» и направился дальше, во тьму внешней Солнечной системы.

После такого бурного дня программа экспедиции была в основном завершена. Какие новые сведения мы получили за эти несколько часов пролета? Несомненно, самое важное открытие — огромное магнитное поле Юпитера, которое оказалось в 10 раз больше земного. Кроме того, мы увидели — с помощью самых передовых камер и датчиков — слои движущихся облаков и чудовищное по своим масштабам Большое красное пятно. А еще мы смогли бросить беглый взгляд на большие спутники Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто.

Можно сказать, что после наблюдений Галилея в 1609 г. мы убедились в том, что Луна — новый, неизвестный нам мир, и точно так же Юпитер и его спутники стали новыми мирами 3 декабря 1973 г. «Пионер-10» продолжал передавать сигналы на Землю до 3 декабря 2003 г., когда радиоизотопный термоэлектрический генератор — атомная батарейка, если хотите, — уже не мог дать достаточно энергии для отправки сигнала на Землю. «Пионер-10» позволил нам в первый раз взглянуть на Юпитер с такого близкого расстояния. «Пионер-11» пошел дальше и во время своей краткой экскурсии к планетам-гигантам Солнечной системы смог навестить не только Юпитер, но и Сатурн. Обе эти экспедиции стали предшественниками дальнейших крупных проектов НАСА — «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которым я планирую уделить внимание отдельно.

Орбитальная миссия: ухватиться за пролетающую планету

Задачи, стоящие перед орбитальными станциями, во многом похожи на те, что выполняют пролетающие космические аппараты, за одним исключением: им требуется затормозить. Поэтому им нужно иметь на борту достаточно топлива, чтобы сбросить скорость и направить космический аппарат на стационарную орбиту вокруг интересующей нас планеты или спутника. Как только космический аппарат достигнет цели, работа двигателя будет нужна только для периодической корректировки или смены орбиты. По сравнению с пролетом такой вариант дает гораздо больше времени для изучения объекта. Как искусственные спутники, находящиеся на околоземной орбите, могут в свое удовольствие заниматься картированием и изучением земной поверхности, так же и орбитальные космические аппараты имеют те же возможности у других планет: ничто не мешает им достаточно продолжительное время заниматься съемкой поверхности далеких планет и даже пролетать над одним и тем же местом по нескольку раз, чтобы проследить за происходящими изменениями.

Когда в 1971 г. «Маринер-9» достиг Марса, он стал первым искусственным спутником другой планеты. Чуть позже один из его дальних родственников, «Марс Реконессанс Орбитер» (MRO), сделал потрясающие фотоснимки с высоты 3 км над марсианской поверхностью. По сути своей MRO — спутник-шпион: он выполняет те же задачи, что и множество спутников — как гражданских, так и военных — выполняют на земной орбите. Камера HiRISE — сердце космического аппарата. Это цифровая камера, оснащенная телескопом-рефлектором с апертурой 50 см. На ее создание потрачено $40 млн. Каждый снимок «весит» от 3 до 5 Гбайт и позволяет различить на поверхности Марса объекты размером до 1 м в поперечнике.

Основное предназначение MRO — изучение поверхности планеты и помощь в планировании будущих экспедиций, чем он и занимался с 2006 г. практически без перерывов. Полученные с его помощью снимки высокого разрешения имели определяющие значение при планировании зоны посадки марсохода «Кьюриосити». Кроме того, MRO выполнил собственный план научных мероприятий: заснял последствия падения на Марс метеорита, который обнажил скрытые под слоем грунта залежи льда; сход каменных лавин; фонтанчики пыли и катящиеся по склону камни; и, вероятно, самое важное и загадочное явление — таяние подпочвенных льдов во время марсианской весны‹‹7››.

Еще один важный аспект миссии MRO заключается в том, что все полученные им изображения — наряду со снимками, сделанными другими аппаратами, — находятся в открытом доступе и ждут вашего внимательного взгляда. В духе похвальной традиции «народной науки» НАСА создало веб-сайт «Be a Martian!» («Стань марсианином!»), где все желающие могут принять участие в обработке огромного количества данных спутниковых наблюдений поверхности Марса. Цель этого проекта — создать единую всеобъемлющую карту поверхности. Так что дерзайте, и пусть вам повезет напасть на свежий след!

Посадка: один небольшой шаг

Допустим, вы оказались на орбите удаленной планеты или спутника. Чтобы добраться туда, вам пришлось преодолеть огромные расстояния, и теперь поверхность кажется вам соблазнительно близкой. Но постойте — подумайте о том, сколько энергии вы израсходовали на то, чтобы добраться до земной орбиты. Примерно такое же количество энергии вернется к вам при спуске на другую планету или спутник, поэтому все должно быть под контролем. А поскольку сигнал до Земли и обратно идет слишком долго, спускаемый аппарат должен работать без вмешательства человека: нам придется предусмотреть все заранее и составить компьютерную программу так, чтобы она сама принимала все важные решения.

Спускаемый модуль обычно доставляется к планете одновременно с орбитальным аппаратом. Так, например, автоматический космический аппарат «Кассини», созданный НАСА для полета к Сатурну, захватил с собой автоматическую станцию «Гюйгенс» Европейского космического агентства (ЕКА). В конечном итоге в 2005 г. «Гюйгенс» произвел мягкую посадку на поверхность Титана. После благополучного спуска посадочный модуль начал передавать данные об условиях на поверхности и о том, как они меняются с течением времени. На его борту имелись приборы для анализа состава грунта и атмосферы, а также для фотографической съемки.

Физические измерения на поверхности других планет могут подарить много неожиданных открытий. В 1976 г. автоматические марсианские станции «Викинг-1» и «Викинг-2» совершили посадку на Марсе, взяли первые пробы «воздуха» и определили его изотопный состав. Вскоре газы с таким же содержанием изотопов были обнаружены в редкой разновидности метеоритов, найденных на Земле‹‹8››. Когда в середине 1980-х гг. факты сопоставили, стало понятно, что эти метеориты имеют марсианское происхождение: они были выброшены с поверхности Марса, а потом упали на Землю (фактически — бесплатная доставка образцов, но об этом позднее).

Планетоход: странствующий ученый

Планетоход — это спускаемый аппарат, который может перемещаться по поверхности планеты, что дает ему возможность исследовать различные типы рельефа. Широко известны марсоходы, которые успешно исследуют красную планету начиная с 1997 г., когда «Соджорнер» приземлился на Марсе. Но я бы хотел особо упомянуть две поистине первопроходческие экспедиции начала 1970-х гг. — «Луноход-1» и «Луноход-2», — которые исследовали поверхность Луны в 1971 и 1973 гг. Потерявшиеся в тени американской пилотируемой программы луноходы скромно делали свое дело: исследовали лунную поверхность, брали пробы грунта, измеряли магнитное поле и вели наблюдения «космической погоды» — измеряли интенсивность солнечного ветра.

Приводимые в движение комбинацией энергии солнечных батарей и радиоизотопного термоэлектрического генератора, эти луноходы предвосхитили многие конструкторские решения, знакомые нам по более поздним планетоходам: многоколесное шасси, установленное в передней части исследовательское оборудование и приподнятые навигационные камеры. Поскольку сигнал от Луны до Земли идет меньше трех секунд, «Луноходы», в отличие от своих марсианских родственников, управлялись непосредственно с Земли. Советским планетоходам есть чем гордиться, они могут высоко нести свои навигационные камеры: лишь к середине 2014 г. созданному НАСА марсоходу «Оппортьюнити» удалось наконец превзойти «Луноход-2» по длине пройденного пути, составившего более 40 км по одометру (по сравнению с 39 км «Лунохода-2»).

Доставка образцов: берем камни и улетаем

Для доставки образцов нужно выполнить все вышеперечисленное, а затем забросить материалы с поверхности (породы, почву, тараканов) в возвращаемый аппарат, который взлетит с планеты, состыкуется со спутником на орбите и полетит домой на остатках топлива, которых должно хватить на долгий обратный путь.

К чему эти дополнительные усилия? Спускаемый аппарат — будь то планетоход или просто автоматический посадочный модуль — несет на своем борту все необходимые приборы для анализа условий на поверхности планеты. Однако набор экспериментов, которые можно осуществить на месте, очень ограничен по сравнению с возможностями земной лаборатории (больше приборов, выше их точность и т. д.). Наверно, самое важное свойство, которого не хватает автоматической станции, — это возможность поменять набор и последовательность экспериментов: после того как программа утверждена, в нее уже нельзя внести никаких изменений. Вы не можете провести никаких новых опытов в зависимости от вновь полученной информации — вы не можете просверлить в образце дырку поглубже и выяснить то, что вас заинтересовало.

Наиболее честолюбивые планы по доставке образцов были у российской программы «Фобос-Грунт», которая стартовала в ноябре 2011 г. Это была дерзкая попытка получить физические образцы Марса, приземлившись не на саму планету, а на ее маленький спутник — Фобос. Суть идеи сводилась к тому, что со спутника легче стартовать, чем с большой планеты (и топлива для этого надо меньше). Планировалось, что эти 200 г грунта, собранные на Фобосе, станут первым достаточно крупным внеземным образцом, доставленным на Землю после лунных миссий 1970-х гг. К несчастью, «Фобос-Грунт» вернулась немного раньше, чем планировалось: на низкой околоземной орбите произошел сбой бортовых систем, и станция еще несколько недель беспомощно вращалась с выключенными двигателями, пока наконец не приблизилась к Земле и не сгорела в плотных слоях атмосферы.

Следы на реголите

А где же специальный раздел, превозносящий пилотируемые космические полеты? Вынужден вас разочаровать, но пилотируемые полеты я объединил с доставкой образцов, потому что эти экспедиции, в сущности, выполняют одни и те же задачи: приземлиться, проделать опыты, установить флаг, загрузить образцы и вернуться домой. С одной только разницей, что в случае автоматической миссии не стоит вопрос заботы о пассажирах. Не поймите меня превратно, я считаю, что пилотируемые экспедиции в пределах Солнечной системы исключительно важны. Они призваны проложить путь к дальнейшему развитию человечества, а также поддерживать интерес к космонавтике у молодых ученых и инженеров на нашей планете. Но в том, что касается поисков живых организмов в Солнечной системе, я не горю желанием добраться до них лично и первым пожать им руку. По сравнению с теми рисками и затратами, которые необходимы для отправки пилотируемой миссии, доставка образцов при помощи автоматических зондов обойдется в несколько раз дешевле и позволит получить значительно больше информации.

Внесем ясность

Я уже говорил, что имеет смысл сосредоточить наши ограниченные ресурсы на наиболее вероятных местах обитания жизни в Солнечной системе. Так насколько же ограничены наши ресурсы (под ресурсами я понимаю деньги: мои деньги, ваши деньги, деньги налогоплательщиков)?

Сколько стоит межпланетный перелет? Программа «Викинг», включавшая запуск к Марсу двух одинаковых аппаратов, в 1976 г. стоила около $1 млрд (приблизительно $4 млрд в современных ценах). В эту стоимость входили две орбитальные станции, состоявшие из искусственного спутника и оснащенного по последнему слову техники спускаемого аппарата с набором научных инструментов. Общий бюджет Марсианской научной лаборатории, действующей сейчас на Красной планете, также известной как марсоход «Кьюриосити», составил $2,5 млрд. За эти деньги можно себе позволить полуавтономный планетоход размером с автомобиль, приводимый в движение радиоизотопным источником энергии. С прицелом на будущее ЕКА разрабатывает JUICE (аппарат для изучения ледяных спутников Юпитера), который отправят на экскурсию вокруг самых больших из них — Европы, Ганимеда и Каллисто, — заплатив за билет €900 млн.

Итак, допустим, я дам вам $4 млрд на поиски жизни в Солнечной системе. Как вы распорядитесь этими деньгами? Вложите ли вы все, что у вас есть, в одну сверхмиссию, чтобы тщательно исследовать какое-то конкретное место? Предпочтете подстраховаться и пошлете две большие экспедиции (стоимостью примерно по одному миллиарду каждая) к двум наиболее вероятным кандидатам, оставив $2 млрд на пять мелких, чтобы точно ничего не пропустить? Или вы сочтете, что Солнечная система еще недостаточно изучена, и потратите все деньги на небольшие, относительно дешевые миссии, чтобы больше узнать о планетах и их спутниках перед тем, как организовывать что-нибудь большое и серьезное?

Не стоит расстраиваться, если у вас нет ответа на этот вопрос. У национальных космических агентств его тоже нет, хотя по долгу службы им приходится решать такие задачи. Поэтому они довольно часто просят присылать им идеи для предстоящих экспедиций на другие планеты. Различные команды ученых разрабатывают подробные планы экспериментов, которые должны дать ответы на четко поставленные вопросы. Затем эти планы сравнивают между собой, отсеивая наименее интересные, и в конце концов победитель получает право приступить к созданию, запуску и осуществлению миссии.

Запущенная НАСА автоматическая межпланетная станция «Кассини» до сих пор остается на орбите и передает данные наблюдений, из которых ученые узнали много неожиданного. Среди самых выдающихся достижений «Кассини» — открытие на Титане озер из жидкого этана и метана, а также обнаружение фонтанов водяного пара и кристаллов льда на крошечном спутнике Энцеладе.

Станция «Кассини» прибыла к Сатурну в 2005 г. после восьмилетнего путешествия. Она двигалась кружным путем: сначала совершила гравитационный маневр рядом с Венерой, потом снова приблизилась к Земле и затем пролетела мимо Юпитера перед долгим путешествием к Сатурну. Когда автоматическая станция добралась до Сатурна и самого большого из его спутников, Титана, зонд ЕКА «Гюйгенс», который «Кассини» несла на борту, совершил посадку на Титан, ознаменовав таким образом выдающееся научное достижение — первую успешную посадку во внешней Солнечной системе. Стоит отметить, что переговоры между НАСА и ЕКА относительного этого грандиозного совместного предприятия начались в 1982 г. От начала подготовки до успешного осуществления замысла прошло 23 года, и даже теперь, спустя 10 лет, мы все еще пожинаем научные плоды этой экспедиции‹‹9››.

Помните, в первой главе я спрашивал, когда, по вашему мнению, будет найдена внеземная жизнь? Если вы ответили, что это должно случиться в ближайшие 100 лет, я бы посоветовал вам начинать обдумывать предстоящую экспедицию и готовить свои предложения уже сегодня.

«Вояджер-2»: большое путешествие

Большинство космических экспедиций посвящено исследованию какой-то одной планеты или спутника. Тщательно спланированным миссиям, таким как «Пионер-11», удается посетить сразу два объекта — в данном случае Юпитер и Сатурн. Но лишь одной экспедиции удалось посетить по очереди все гигантские планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники.

Миссия «Вояджеров» была задумана в 1964 г. студентом-старшекурсником Гэри Фландро, который в своих расчетах пользовался только логарифмической линейкой. Идея гравитационного маневра, т. е. сильного разгона космического аппарата под воздействием гравитационного поля планет, применялась еще при запусках первых лунных зондов. Во время летней студенческой практики в Лаборатории реактивного движения НАСА Фландро обнаружил, что в конце 1970-х — начале 1980-х гг. сразу несколько гигантских планет выстроятся в одну линию, а в следующий раз такое случится более чем через полтора века. Открывалась возможность послать несколько зондов к внешним планетам Солнечной системы, а скорость, необходимую для достижения каждой следующей планеты, можно будет получать за счет гравитационного маневра вблизи предыдущей.

Такая перспектива вдохновила НАСА на создание сразу нескольких зондов, которые впоследствии стали известны как «Большое межпланетное путешествие». В 1973 г. космический зонд «Пионер-10» впервые опробовал новую конструкцию космического аппарата, совершив межпланетный перелет к Юпитеру. Его точная копия, «Пионер-11», разогнавшись на «гравитационных горках», добрался до Юпитера в 1974 г., но на этом не остановился и помчался дальше на свидание с Сатурном, которое состоялось в 1979 г. Следом за этими зондами, в 1977 г., НАСА запустило еще два космических аппарата. «Вояджер-1» посетил Юпитер и Сатурн, однако не воспользовался возможностью посетить наиболее удаленные области Солнечной системы, предпочтя пролететь рядом со спутником Сатурна Титаном. В результате в наследство от этой экспедиции нам достались загадочные изображения огромного, закутанного облаками спутника с плотной атмосферой, богатой органическими молекулами.

«Вояджер-2» попал в «десятку» гравитационной мишени и, разогнавшись, пронесся в 1979 г. мимо Юпитера, в 1981 г. — мимо Сатурна, в 1986 г. — мимо Урана и, наконец, мимо Нептуна в 1989 г. Космический аппарат только недавно посетил Юпитер и Сатурн, и там для нас было припасено еще немало сюрпризов. Пролетая над Ио, самым близким к планете из всех четырех крупных спутников Юпитера, «Вояджер-2» сфотографировал силуэт вулканических газов, поднимающихся от поверхности планеты. В тот же момент все присутствующие в зале астрономы и планетологи неожиданно для себя осознали, что Ио — это первое после Земли небесное тело, на котором присутствует геологическая активность. Эта активность обусловлена тем, что в результате гравитационного воздействия со стороны родительской планеты в недрах спутника возникают гигантские силы трения, вызывающие его разогрев.

Пролетая со стороны Солнца мимо Титана — крупнейшего спутника Сатурна, «Вояджер-2» сфотографировал его атмосферу. Судя по этим снимкам, протекающие в ней сложные химические процессы делают ее больше похожей на установку низкотемпературного крекинга нефти, чем на какую-либо из ранее известных нам атмосфер. За орбитой Сатурна все было для нас ново: Уран и Нептун казались ледяными царствами из газа и облаков, но данные телеметрии показывали, что у них есть горячие недра, состоящие из горных пород, и магнитное поле сложной пространственной конфигурации. Каждая из планет предстала перед «Вояджером» в сопровождении свиты из ледяных спутников, часть из которых была открыта впервые. Это подтвердило предположение, что все газовые гиганты должны обладать большим числом подобных спутников.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» и сегодня, спустя 40 лет после запуска, остаются в рабочем состоянии. Расстояние от них до Солнца почти в 140 раз превышает расстояние от Солнца до Земли: радиосигналу требуется 19 часов, чтобы преодолеть расстояние от их радиоантенн диаметром 3,7 м до приемников сети дальней космической связи НАСА. Их научная миссия продолжается: они исследуют неизвестную границу, где солнечный ветер уравновешивается встречным потоком межзвездного газа. По всей видимости, «Вояджер-1» пересек эту границу и теперь находится в межзвездном пространстве, а «Вояджер-2» еще приближается к плохо изученной границе. В будущем оба аппарата продолжат удаляться от Солнечной системы. Их радиоизотопные термоэлектрические генераторы будут производить энергию, необходимую для функционирования бортовых систем максимум еще 10 лет. Их предполагаемая траектория не проходит вблизи какой-либо конкретной звезды. В конце концов мощности генераторов будет уже недостаточно для поддержания связи с Землей, и они в мертвом молчании продолжат свой полет во тьму межзвездной ночи.

Мысли о доме из-за границы

Уже покидая нашу родную планетную систему, станции-близнецы «Вояджер» бросили на нее взгляд издалека: у них получился фотографический портрет нашей семьи планет, столпившихся вокруг тусклого Солнца. Этот снимок заставляет задуматься о хрупкости и единстве нашей Солнечной системы, далеком рое небесных тел, кружащемся вокруг маленького огонька на фоне темнейшей из ночей. Вне зависимости от того, существует ли жизнь за пределами голубой планеты Земля, после 60 лет освоения космоса мы можем восхищаться разнообразием планет нашей Солнечной системы и с интересом ждать новых научных открытий, которые предстоит совершить следующим экспедициям. Мы узнали, что в Солнечной системе есть несколько мест — планета Марс и спутники Европа, Энцелад и Титан, — где теоретически возможно возникновение жизни. Ими мы теперь займемся вплотную.

Глава 5. Марс: загадка в песках

Марс приоткрыл нам свои тайны 20 июля 1976 г. после прибытия автоматической станции «Викинг-1». Этот день начался с яркой вспышки, блеснувшей высоко в марсианском небе, когда спускаемый аппарат, укрытый теплозащитной оболочкой, пронесся через разреженный верхний слой марсианской атмосферы. На высоте 6 км над поверхностью, двигаясь со скоростью 900 км/ч, спускаемый модуль выпустил парашют с куполом диаметром 16 м. Рывок от открывшегося парашюта был не такой резкий, как вы могли подумать: плотность марсианской атмосферы составляет лишь 1 % от земной. Торможение спускаемого модуля с 900 до 200 км/ч заняло около 45 с. В этот момент были выдвинуты посадочные опоры и запущены тормозные ракетные двигатели, обеспечившие аппарату мягкую посадку на поверхность Марса. Касание произошло около полудня по земному времени‹‹1››.

Едва только осела пыль, «Викинг» сделал свой первый снимок марсианской поверхности и 25 с спустя передал его на Землю. Перед глазами ученых, с нетерпением следивших за тем, как на экране строчка за строчкой возникает изображение, предстала пыльная каменистая равнина. Блестящий корпус аппарата и яркие краски американского флага резко контрастировали с тусклыми, красноватыми тонами марсианской почвы и камней. Карл Саган был научным советником миссии «Викинг» и вместе с другими рассматривал первые снимки Марса. Его впечатления, которые он изложил в своей книге «Космос»[6], заслуживают того, чтобы быть процитированными полностью: «Я помню, как меня потрясли снимки марсианского горизонта, сделанные первым посадочным модулем. Неужели это другой мир, подумал я. Камни и песчаные барханы, небольшая возвышенность на горизонте — все выглядело так же просто и естественно, как любой земной пейзаж. Марс казался обычной местностью. Я бы, конечно, удивился, если бы из-за песчаного бархана появился седой геолог, ведущий на поводу мула, но в то же время сам пейзаж к этому располагал»‹‹2››.

За четыре десятилетия, прошедшие после прибытия «Викинга-1» на Марс, исследование поверхности планеты с использованием автоматических посадочных станций и планетоходов развивалось бурными темпами. Но никто не смог ухватить суть нового мира лучше, чем Саган с его седым геологом, обследующим местность, запечатленную на фотографии «Викинга». Если мы перенесемся вперед, в 2012 г., можем повстречаться с этим персонажем лицом к лицу. Недавно прибывший на красную планету марсоход «Кьюриосити» снял потрясающий автопортрет с помощью автоматической камеры MAHLI, установленной на конце его «роботизированной» руки. На нем мы видим «Кьюриосити», весь покрытый грязью и пылью после трех месяцев блуждания по Марсу: он смотрит прямо на нас своими навигационными камерами и лазерными системами, отчего нам кажется, что он обладает лицом и характером. Изображение действительно потрясающее, отчасти благодаря высокому разрешению: следы колес, выветренный пыльный грунт, блеклые холмы на горизонте — все передано с удивительной четкостью. А первые лучи марсианского солнца так похожи на наши земные рассветы.

Людям еще предстоит ступить на Марс. Но марсианские миссии от «Викинга» до «Кьюриосити» позволили создать эффект присутствия. Благодаря научным данным, передаваемым на Землю орбитальными станциями, посадочными модулями и марсоходами, нам открылся мир с непростым прошлым и загадочным настоящим. Это увлекательная история, тем более что ее еще предстоит дописать: Марс расположен на переднем крае наших поисков жизни во Вселенной, и здесь можно увидеть все радости и горести, связанные с занятиями астробиологией. Так что снаряжайте своего мула, берите лопату — и вперед! Пора заняться геологоразведкой!

Водный мир

Благодаря успехам марсианских автоматических зондов мы сегодня уверены, что Марс, от которого теперь остались лишь высохшие останки, некогда обладал теплым и влажным климатом. Так какие же доказательства мы можем разглядеть с орбиты и собрать с поверхности планеты, чтобы убедиться в превратностях постигшей Марс судьбы?

Все началось в 1971 г., когда «Маринер-9» впервые в истории совершил облет другой планеты и передал изображения на Землю. На снимках «Маринера» отчетливо видна сеть каналов и эрозионных оврагов. Каналы на этих фотографиях не имели ничего общего с теми, что привиделись Лоуэллу. С каждым новым поколением орбитальных станций — «Викинг» (1976), «Марс Глобал Сервейор» (1997) и «Марс Реконессанс Орбитер» (2006) — мы узнавали все больше особенностей строения поверхности Марса, как, например, конусы выноса и сухие русла рек, удивительно похожие на земные геологические образования, возникшие под воздействием воды.

Однако самой воды там не оказалось. Ни капли. Кроме того, поверхность Марса очень древняя: плотность ударных кратеров, наряду с радиометрической датировкой пород, осуществленной лабораторией «Кьюриосити», указывает на то, что поверхность Марса сформировалась более 3 млрд лет назад. В целом тот факт, что на фотоснимках, сделанных с орбиты Марса, можно увидеть множество форм рельефа, связанных с деятельностью воды, указывает на ее важную роль в формировании древней поверхности Марса. Однако подтверждается ли то, что мы видим на снимках, данными наземных изысканий, выполненных роботами-геологами, работающими на поверхности планеты?

Работавшие на Марсе планетоходы — «Соджорнер» (1997), «Спирит» и «Оппортьюнити» (2004) и «Кьюриосити» (2012) — занимались этим на протяжении почти 20 лет. Они представляют собой самоходные геологические платформы, созданные для исследования структуры и химического состава горных пород. Все они имели на борту постоянно совершенствовавшийся набор увеличительных стекол, дробилок, сверл (вот только молотков, к сожалению, не было) и компактные мобильные лаборатории для выполнения химических анализов прямо на месте‹‹3››.

Планетоходы позволили рассмотреть с близкого расстояния, буквально под микроскопом, поверхность Марса и исследовать ее химический состав. Единственное ограничение состояло в том, что у них не было возможности копать — «Кьюриосити» был оснащен лишь небольшим буром — и им приходилось искать интересные материалы только на поверхности. Как и орбитальные станции, марсоходы обнаружили следы воздействия воды: отчетливую волновую рябь на осадочных породах, а также два характерных для Земли образования, возникающих при отложении осадков на дне водоемов: слои глины и россыпи гранул гематита (минерала, одной из основных железных руд).

В то же время реальных доказательств того, что на Марсе когда-либо присутствовала вода в жидкой форме, не существует. Все орбитальные снимки и поверхностная геология дают довольно убедительные, хотя и косвенные признаки влажного климата на Марсе в далеком прошлом. Гипотеза о наличии жидкой воды служит связующим звеном между множеством наблюдений марсианской поверхности. Но все же надо быть осторожным, чтобы раньше времени не поверить в то, во что нам так хочется верить, и не выбирать из всех вариантов только те научные объяснения, которые нам больше всего по душе.

2001 г.: Новая космическая одиссея

Допустим, когда-то давно Марс был покрыт водой. Куда же, в таком случае, эта вода подевалась? На мой взгляд, орбитальная станция «Марс Одиссей», запущенная в 2001 г., выполнила одно из наиболее элегантных наблюдений Марса. «Одиссей» — орбитальная станция, названная в честь романа Артура Кларка «2001 год: Космическая одиссея»[7]. На ее борту не было сверхразумных компьютеров для исследования внеземных артефактов, а ее главное предназначение заключалось в составлении точной карты Марса и изучении состава его поверхности с помощью детектора нейтронов высоких энергий.

Чтобы понять, почему поверхность Марса испускает такие нейтроны, нужно несколько отступить от повествования. Космические лучи — это элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокой энергией в межгалактическом пространстве. Они образуют фоновое радиационное излучение низкого уровня, заполняющее всю Вселенную. Попадая в верхние слои атмосферы, космические лучи сталкиваются с атомами и теряют энергию до того, как достигнут поверхности Земли. Но, если атмосфера отсутствует, тогда эти лучи бомбардируют верхние несколько метров поверхности планеты или спутника. Сталкиваясь с атомами поверхностных горных пород и реголита‹‹4››, космические лучи вступают с ними в реакцию, в результате чего возникает поток вылетающих наружу нейтронов.

Атомные реакторы на Земле производят такие нейтроны постоянно. На самом деле, научившись контролировать истечение быстрых нейтронов, мы получили возможность регулировать выходную мощность ядерных реакторов. Для этой цели быстрые нейтроны в реакторе в буквальном смысле замедляются при помощи так называемых поглотителей — материалов, атомы которых способны замедлять нейтроны посредством многочисленных столкновений. Это, как правило, либо графитовые (углеродные) стрежни, опущенные в активную зону реактора, либо вода (водород), пропущенная между зоной реакции и корпусом. «Одиссей» измерял уровни энергии этого потока замедленных нейтронов. И не забудьте — то, что замедлило поток нейтронов, должно располагаться на глубине не более 2 м от поверхности планеты.

Два наиболее вероятных кандидата на роль замедлителей на Марсе — это в равной степени углерод и водород: углерод в форме углекислого газа и водород в форме воды. Углекислый газ присутствует на поверхности Марса в твердом виде — это так называемый сухой лед (твердый CO_2), но он локализован в районе нетающих полярных шапок. Для остальной поверхности планеты самое лучшее (а не просто самое удобное) объяснение проведенных «Одиссеем» измерений — это наличие водорода, заключенного в молекуле воды. Выводы поражают: под 30-сантиметровым слоем марсианского грунта расположены залежи водного льда. В среднем масса воды в верхнем слое грунта (толщиной до 2 м) составляет около 14 %. Этого достаточно, чтобы покрыть поверхность Марса слоем жидкой воды толщиной 14 см. Добавьте сюда огромные резервуары воды на полюсах, и у вас получится покрывающий всю планету океан глубиной 30 м‹‹5››.

Все это звучит впечатляюще, но пока это только догадки. Одно дело — предположить наличие больших запасов подповерхностного льда на основе наблюдений из космоса, и совсем другое — держать эту воду в руках (или в руке робота). Двум «Викингам» не удалось обнаружить ничего, хотя оба аппарата оснащены механической рукой с совком, позволявшей собирать марсианский грунт для экспериментов. Но они могли только слегка поковырять поверхность, выкопав ямку глубиной от 5 до 10 см. Более того, оба аппарата совершили посадку чуть ниже 50-й марсианской широты — относительно близко к экватору — в регионе, где, как показали позднейшие наблюдения, концентрация подпочвенного льда была достаточно низкой.

Спас положение посадочный модуль HACA «Феникс», прибывший на Марс в 2008 г. Перед «Фениксом» стояла задача провести анализ химического состава марсианского грунта. Участок для посадки аппарата «Феникс», который не мог самостоятельно передвигаться по поверхности планеты, был выбран с учетом результатов, полученных экспедицией «Одиссея». Поскольку НАСА не хотело в очередной раз упустить возможность обнаружить лед под грунтом, оно наметило для посадки район на 68° к северу от экватора, рядом с ледяной полярной шапкой планеты. Именно там «Фениксу» удалось сфотографировать ярко-белый лед под слоем грунта после того, как он выкопал небольшую пробную траншею. Через несколько дней лед исчез, сублимировал в атмосферу в точности так же, как это должно было произойти с водяным льдом‹‹6››. Позднее приборы, находившиеся на борту «Феникса», определили присутствие водяного пара, поднимающегося от образца марсианского грунта при нагревании.

В дальнейшем, когда ученые уже знали, что именно надо искать, обнаружить лед стало гораздо легче. Периодические падения метеоритов обнажали яркий свежий лед, который на протяжении нескольких дней, недель или месяцев исчезал, сублимируя в атмосферу. «Марс Реконессанс Орбитер» делает снимки таких следов от падения метеоритов в среднем раз в год. Такое показательное повторение случайных событий — еще один пример того, что покадровая съемка Марса может принести нам множество неожиданных открытий.

Марс: мертвая планета

Прежде чем затронуть волнующий всех вопрос — существовала ли когда-либо на Марсе жизнь или существует до сих пор, я хочу, чтобы вы прониклись масштабом нашей задачи. Все, что ни возьми, будь то химический состав грунта или свойства и состав марсианской атмосферы, — все, что мы видим на поверхности или прямо под ней, — говорит о том, что Марс мертв, окончательно и бесповоротно.

На поверхности планеты остались несомненные геологические признаки того, что Марс пережил богатую водой молодость. Хотя сегодня воды на Марсе хватило бы на глобальный океан глубиной 30 м, орбитальные снимки древней поверхности планеты позволили ученым предположить, что на Марсе когда-то существовали океаны глубиной до 500 м‹‹7››. Параллельно с геологическими признаками, говорящими о наличии на древнем Марсе жидкой воды, пришло понимание, что когда-то температура на поверхности планеты была значительно выше благодаря наличию более плотной атмосферы: чтобы вода оставалась в жидкой форме, должны соблюдаться определенные соотношения температуры и давления. Так что же случилось? Куда подевались вся вода и атмосфера?

Мы приходим к выводу, что утрата Марсом воды и атмосферы обусловлена медленной геологической смертью планеты. Марс меньше Земли, и по законам физики чем меньше планета, тем быстрее она теряет внутреннее тепло. На Марсе найдено множество следов вулканической деятельности: древний вулкан Олимп на огромном вулканическом нагорье Фарсида можно разглядеть с Земли даже в любительский телескоп. Это самый большой вулкан во всей Солнечной системе. Вулканы позволяют заключенным в недрах планеты газам прорываться на поверхность, пополняя таким образом атмосферу. Однако наши геологические данные показывают, что извержения вулканов на Марсе, сопровождавшиеся истечением лавы и выбросами газов, прекратились более 3 млрд лет назад. Почему? Потому что недра Марса остыли и затвердели. С окончанием вулканической активности закрылся «кран», через который газы поступали в атмосферу.

И что еще важнее — вместе с охлаждением марсианских недр ослабело планетное магнитное поле, которое прикрывало атмосферу от воздействия солнечного ветра. Лишившись защиты, атмосфера буквально испарилась в космос в результате столкновений атомов атмосферных газов с частицами солнечного ветра, обладающими высокой кинетической энергией. С ослаблением атмосферы уменьшается парниковый эффект. Поверхность планеты остывает, и оставшаяся в атмосфере вода конденсируется и замерзает, создавая полярные ледяные шапки и подповерхностные слои льда, обнаруженные «Одиссеем».

Новости от «Викинга»

Никогда за всю историю исследования космоса НАСА не ставило перед собой таких далеко идущих планов, как в случае с экспедициями «Викингов». Каждый аппарат имел на своем борту комплект инструментов, предназначенный для поиска биологических следов жизнедеятельности марсианских микробов и выявления органических веществ в пробах грунта. Если бы спускаемые аппараты «Викинг» в 1976 г. обнаружили бы на Марсе живые микроорганизмы, можете не сомневаться, я бы не стал от вас это скрывать.

В итоге никаких признаков жизни на Марсе обнаружено не было. Не было замечено никаких отличий от простерилизованного контрольного образца. В лучшем случае оставалось место для сомнений: один из опытов дал результат, не исключавший существования жизни. Это был эксперимент по внесению меченых веществ, в ходе которого образец грунта полили жидкой водой, содержащей смесь органических питательных веществ, которые были помечены радиоактивным углеродом-14. Идея заключалась в том, что присутствовавшие в почве живые организмы должны были с благодарностью использовать питательную смесь для своего метаболизма и выработать в качестве побочного продукта помеченный радиоактивным углеродом углекислый газ. Именно это и произошло. Более того, в стерилизованном путем нагрева образце не было обнаружено никакого CO_2 — в точности как если бы высокая температура убила все живые организмы. Но, когда неделей позже в тот образец, который дал положительный результат, добавили следующую порцию питательных веществ, никакого углекислого газа в нем не возникло. Может, микробы были уже сыты после незапланированного ужина? Или первоначальная реакция была вызвана наличием в почве окисляющего вещества, которое было израсходовано во время первого опыта, и дальнейшей реакции не последовало? Результат получился в лучшем случае противоречивый. Поскольку остальные эксперименты не увенчались успехом, появилось сразу несколько небиологических трактовок результатов эксперимента. В итоге было объявлено, что аппараты «Викинг» не обнаружили никаких признаков жизни в верхнем слое марсианского грунта в обоих местах посадки.

Тем не менее этот отрицательный результат во многом сформировал отношение НАСА к исследованиям Марса на 1990-е гг. и вплоть до сегодняшнего дня. На смену большим и амбициозным программам, подобным «Викингу», пришел более взвешенный и поэтапный подход. В СМИ стали писать не о «поисках жизни», а о «наличии благоприятных для жизни условий в прошлом». Выбранная НАСА стратегия небольших миссий, сформулированная как «быстрее, лучше, дешевле», оказалась в высшей степени разумной, а также не менее интересной и продуктивной в плане научных результатов. НАСА не оставило попыток обнаружить жизнь на Марсе. Но, как показала практика, нельзя просто посадить спускаемый аппарат в случайном месте и ждать, что «жизнь» сама заползет в твой совок. Надо заранее все обдумать и понять, где могли сложиться условия, способные противостоять холодному и сухому климату, царящему на всей поверхности Марса. А также нам нужно сохранять свои запасы оптимизма — поскольку я еще не успел рассказать все плохие новости.

Современные изыскания: метан, Лавлок и Лоуэлл

Если вы решили, что поверхность Марса — мертвая пустыня, придется признать, что в атмосфере жизни и того меньше. Что это означает на практике? Это означает, что состав марсианской атмосферы в точности такой, каким он должен быть с учетом химического состава поверхности (которая содержит основные ингредиенты — CO_2 и водяной лед) и воздействия солнечного света (который вызывает химические реакции в атмосфере). На Марсе не зафиксировано никаких химических аномалий, которые могли бы указывать на существование жизни.

Мысль о том, что в атмосфере планеты должны быть химические признаки, указывающие на присутствие жизни, активно продвигалась Джеймсом Лавлоком, создателем гипотезы Геи, в которой вся планета Земля рассматривалась как единый взаимосвязанный сверхорганизм. Самый простой пример такой взаимосвязи — преобразование углекислого газа атмосферы и океанов в кислород в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов. В этом смысле присутствие в атмосфере больших количеств кислорода — это биомаркер, который говорит о наличии жизни, поскольку очень трудно найти какие-то другие, небиологические объяснения этому явлению.

Если бы вся жизнь на Земле была сегодня уничтожена, кислород оставался бы в атмосфере на протяжении приблизительно 2 млн лет, пока постепенно не израсходовался бы на окисление поверхностных горных пород. Атмосферный метан — почти весь этот газ имеет биологическое происхождение — был бы израсходован всего за 12 лет в результате химической реакции с гидроксильными радикалами (ОН —) в атмосфере. Во многих отношениях присутствие в атмосфере Земли метана на уровне нескольких частей на миллион — это еще более отчетливый биомаркер, выдающий наличие жизни на Земле.

Что бы вы ответили, если бы я сказал вам, что в атмосфере Марса был обнаружен метан в небольших, но химически значимых количествах — несколько десятков частей на миллиард? И что особенно важно, эта оценка была получена по трем независимым измерениям, сделанным спектрографом автоматической межпланетной станции «Марс Экспресс» в 2004 г., телескопом с Земли в 2009 г. и, наконец, марсианской научной лабораторией «Кьюриосити» в 2014 г. Наблюдения показали, что концентрация метана может значительно меняться на протяжении нескольких месяцев — вот он есть, и вот его уже нет.

Теоретически какое-то количество метана должно было присутствовать в марсианской атмосфере в концентрации несколько частей на миллиард. Он возникает в результате взаимодействия солнечного света и ничтожно малого количества органических веществ, занесенных метеоритами. Если пробы подтвердят присутствие более высоких концентраций метана, это будет означать, что либо там существует жизнь, либо марсианские вулканы не такие уж потухшие, как мы о них думаем. С учетом марсианской геологии активный вулканизм почти такое же поразительное открытие, как и существование жизни (которое к тому же должно оказывать влияние на возможную жизнь на Марсе). Наверное, наиболее существенный вопрос — это не то, откуда берется метан, а то, куда он девается. Каким образом атмосфера полностью очищается от метана за несколько месяцев? Если там действительно присутствует метан, то можно гарантировать одно — Марс таит еще очень много неожиданностей.

История с метаном на Марсе может вовремя предостеречь нас от попыток выдать желаемое за действительное. Она удивительно напоминает эпизод с Персивалем Лоуэллом и его наблюдениями марсианских каналов. Вследствие ограниченных возможностей своего телескопа и турбулентности земной атмосферы, размывающей мелкие детали, Лоуэлл был убежден, что видит искусственные каналы. В то же время надо признать, что во всех заявленных случаях наблюдения метана имеются настораживающие моменты. Сообщение об атмосферном метане, обнаруженном орбитальными спутниками, основано на комбинации нескольких отдельных наблюдений, и даже в этом случае спектральные признаки были едва различимы‹‹8››. Возможности земных телескопов ограниченны, поскольку мы смотрим на Марс сквозь нашу атмосферу, концентрация метана в которой в тысячу раз больше, чем на Марсе. Настораживает, что наблюдения с Земли якобы показывали присутствие метана только тогда, когда движение Марса относительно Земли сдвигало спектральные признаки следа метана на сильную линию этого газа, возникающую в земной атмосфере. В таких обстоятельствах точность любого измерения для Марса существенно снижается. Когда Марс движется прочь от Земли и линия метана смещается в свободную часть электромагнитного спектра, никаких следов марсианского метана не наблюдается.

Даже результаты, полученные «Кьюриосити», дают повод для сомнений. С декабря 2013 г. по январь 2014 г. приборы Марсианской научной лаборатории регистрировали резкий рост уровня метана в атмосфере. Хотя концентрацию десять частей на миллиард не назовешь высокой (прямо скажем, это совсем немного), удивительно было то, что эти значения значительно превышали результаты предыдущих измерений. Повышенные уровни метана наблюдались в течение примерно двух месяцев, а потом резко пошли на спад. Получается, что «Кьюриосити» зафиксировала момент бурного размножения марсианских метаногенных микробов? Или это был выброс метана из кратера какого-то неизвестного вулкана?

Прежде чем пуститься в пространные рассуждения, возможно, стоит прислушаться к голосу разума и осторожности. К сожалению, в автоматически подстраиваемом лазерном спектрометре, который использует лаборатория «Кьюриосити» для определения концентрации метана в марсианской атмосфере, всегда присутствует незначительное загрязнение. Метан мог попасть туда из земной атмосферы перед запуском, а также незначительное его количество могло возникнуть в результате медленного разложения химических реактивов, находящихся на борту марсианской лаборатории. Насколько много? Несколько частей на миллион — это уже существенно, если вы измеряете количество марсианского метана, составляющее несколько частей на миллиард. Специалисты, разрабатывавшие инструменты анализа проб марсианского грунта и атмосферы, конечно же, заранее знали об этих проблемах и постарались устранить все источники загрязнений, искажающих результаты измерений. Фоновый уровень концентрации метана, определенный на уровне несколько частей на миллиард, выглядит достаточно достоверно. Но источник кратковременного десятикратного повышения концентрации метана по-прежнему требует самого тщательного расследования.

Вопрос остается открытым. Для окончательного решения нам не хватает данных. «Кьюриосити» продолжит «принюхиваться» к ветру и проводить эксперименты с определением концентраций метана с помощью более чувствительной измерительной аппаратуры. В то же время на место прибыли два новых спутника, которые могут помочь с решением этой проблемы. Два новых зонда: запущенный HACA искусственный спутник MAVEN[8] и автоматическая межпланетная станция «Мангальян» (MOM) Индийской организации космических исследований достигли Красной планеты в конце 2014 г. Цель обеих миссий — выявить наличие в атмосфере Марса незначительных составляющих метана. Еще один космический аппарат — «Трейс Гас Орбитер», входящий в программу «Экзомарс» ЕКА — отправился на Марс в марте 2016 г. Все это потребовало значительных вложений, но зато теперь мы сможем точно ответить на вопрос, есть ли на Марсе метан или нет, а значит, оно того стоило.

Так как же быть с имеющимися сегодня в нашем распоряжении измерениями метана на Марсе? Если данные получены в трех независимых экспериментах — это достаточно убедительно. Но если рассматривать каждый результат отдельно, то, как мы видели, каждый раз у нас есть повод усомниться в его достоверности. Следовательно, до тех пор, пока у нас не будет какого-то одного убедительного эксперимента, который мог бы прояснить столь важный для потенциальной биологии Марса вопрос, я лично настроен скептически. По крайней мере на сегодняшний день астробиологи не видят на Марсе никаких признаков повсеместного распространения жизни, способной влиять на химический состав атмосферы.

Ну вот, я дошел до последней черты и погрузился в пучины пессимизма. В самом деле, как мы можем опровергнуть все имеющиеся у нас данные и старую добрую физику, которую я тут изложил? Разве эта унылая картина оставляет хоть какие-то лазейки для существования жизни?‹‹9›› Когда я брался за эту книгу, мне хотелось исследовать пять наиболее возможных сценариев открытия инопланетной жизни во Вселенной. Как вы могли заметить, у меня не очень-то получается представить Марс возможной средой обитания. Так как же нам обмануть систему и найти на мертвой планете место для жизни? Тут возможны два подхода. Во-первых, нам стоит попробовать ответить на чуть более легкий вопрос: может ли земная жизнь выжить на Марсе? Если да, то что это нам дает в плане поисков марсианской жизни? А во-вторых, мы можем попытаться обнаружить глубоко запрятанные экологические ниши, которые, несмотря на то что Марс считается мертвой планетой, дают скрытый или временный приют живым организмам.

Может ли земная жизнь выжить на Марсе?

Сегодня Марс — это пустынный, холодный и безводный мир. Он, безусловно, не благоприятен для жизни, но вот смертелен ли? Давайте разберемся. Жизни на поверхности Марса угрожает множество факторов: низкие ночные температуры, опускающиеся до –90 °C; крайне низкое давление на поверхности, примерно соответствующее давлению в 50 км от поверхности Земли (по сравнению с этим восхождение на Эверест просто приятная прогулка); атмосфера, состоящая преимущественно из углекислого газа; интенсивное ультрафиолетовое излучение; космические лучи и совершенно никакой влаги или органических соединений в почве во всех местах, где брались пробы. Пусть так, но насколько это все губительно для жизни? Как отличить угрожающие жизни условия от тех, что всего лишь создают для нее определенные неудобства?

Как ни странно, температура не такой критичный фактор, как можно было бы предположить, главным образом потому, что на Марсе бывают и вполне теплые дни — все зависит от времени и места. Во время аномальных морозов в Северном полушарии в 2014 г. средства массовой информации, подчеркивая суровость погодных условий, указывали, что в такой-то день температура в Северной Америке была ниже, чем на Марсе. И на самом деле, в паре мест в Соединенных Штатах и Канаде температура с учетом ветра опускалась ниже средней температуры на поверхности Марса –63 °C. Но с другой стороны, во время своих блужданий по Марсу автоматические станции зафиксировали максимальную температуру атмосферы около 0 °C, а максимальную температуру поверхности — около 20 °C‹‹10››.

Причина такого очевидного несоответствия заключается в разнице между средними и локальными температурами. Средняя температура на всей поверхности Земли приблизительно равна 15 °C в течение всего года. Чем ближе к экватору вы живете, тем у вас жарче, чем дальше — тем холоднее. Амплитуды колебаний температур (разница между максимальными и минимальными значениями) на Земле меньше, чем на Марсе, главным образом вследствие большой теплоемкости океанов и нижних слоев атмосферы. На Марсе колебания температур огромны даже в самые теплые дни — как только Солнце садится, температура сразу же опускается до –90 °C. Но каждый день в течение короткого промежутка времени Солнце может создать вполне пригодные для жизни условия.

Самый быстрый способ проверить, могут ли какие-либо земные организмы выжить в суровых марсианских условиях — это отправить их в экспедицию на Красную планету. Как мы еще увидим, Марс обладает богатым разнообразием местных условий, которые могут оказаться более-менее благоприятными для пришельцев, так что для полноты картины вы можете рассадить земные семена по всей планете. Но при планировании подобного эксперимента необходимо не упускать из виду один важный вопрос: как только мы выпустим земных микробов на Марс, возникнет опасность заражения почвы новой жизнью, и тогда все дальнейшие поиски местных марсианских организмов будут обесценены.

Этот момент настолько важен, что космические агентства, такие как НАСА и ЕКА, тратят огромные средства, чтобы предотвратить подобное заражение. Все марсианские космические аппараты стерилизуют и хранят в специальных чистых помещениях, где не должно быть даже мельчайших спор или волокон живых организмов. По иронии судьбы некий вид устойчивых бактерий — как оказалось, один и тот же в обоих случаях — был найден в чистых помещениях НАСА и ЕКА. Очевидно, природа не терпит чистоты и твердо намерена попасть на Марс. Можно ли воспроизвести марсианские условия, не покидая Землю? Что ж, для этого есть два пути: забронировать тур в Антарктиду или подружиться с учеными, которые создали симулятор, имитирующий условия Марса.

Жизнь в холодном климате

Туристические буклеты уверяют, что климатические условия в сухих долинах Антарктиды наиболее приближены к марсианским. И реальность не обманывает ожиданий: бесплодные, усыпанные камнями долины — настоящие низкотемпературные пустыни. Незначительное количество осадков выпадает здесь в виде снега, который быстро сдувается сильными ветрами. Жалкие клочки земли практически безжизненны. Небольшие, покрытые льдом озера питаются за счет периодического таяния местных ледников.

Но даже в такой холодной, сухой и в целом враждебной среде присутствует пусть не буйство жизни, но несколько существующих длительное время живых сообществ. Вероятно, наибольший интерес для тех, кто ищет марсианскую жизнь, представляют колонии фотосинтезирующих криптоэндолитных бактерий, которые обитают внутри песчаников, на глубине от 1 до 10 мм‹‹11››. Они образуют сообщества в пустотах горных пород, которые защищают их от суровых ветров, прикрывают от губительного ультрафиолетового излучения и в то же время позволяют в течение нескольких летних месяцев получить достаточно солнечной энергии, чтобы с помощью фотосинтеза создать себе запас питательных веществ перед долгой зимней спячкой. Камни нагреваются быстрее, чем окружающий воздух, и это создает что-то вроде парника, где бактерии могут выжить.

Мы до сих пор не знаем, откуда подобные организмы берут воду. Возможно, в те редкие моменты, когда снег накапливается и тает, эти бактерии могут получить какой-то минимум влаги, который они собирают и хранят в утолщающихся стенках клеток. Более того, поскольку питательных веществ здесь практически нет, выдвигались предположения, что бактерии получают фосфор, серу и прочие необходимые им элементы из занесенных ветром мелких частичек почвы, которые время от времени застревают в порах песчаника.

Конечно, даже по сравнению с относительно теплыми экваториальными районами Марса антарктические сухие равнины кажутся влажным тропическим раем. Но их пример показывает, что там, где есть хоть малейшая возможность поддерживать жизнь, всегда обнаруживаются живые организмы, способные приспосабливаться к самым неблагоприятным внешним условиям.

Жизнь в морозильнике

Другой путь на Марс — воссоздать марсианскую среду в лабораторных условиях где-нибудь поближе к дому. Вам понадобится барокамера, в которой давление составляет 1 % от земного, а состав газов соответствует атмосфере Марса. Внутреннее пространство камеры нужно охлаждать жидким азотом, чтобы имитировать холод марсианской поверхности, а солнечный свет заменить дуговой лампой полного спектра. Во всем мире есть несколько лабораторий, в которых можно воспроизвести условия Красной планеты и, поместив туда земные организмы — преимущественно микробы, — измерить параметры их метаболизма, проследить за ростом и размножением.

Так что же выяснилось? Как оказалось, некоторые виды земных микробов могут выживать и даже расти в условиях марсианских температур, давления, состава атмосферы и солнечного излучения. Как ни странно, не все победители игры «Выживший на Марсе» классические экстремофилы. Несколько видов бактерий рода Carnobacterium довольно сносно чувствовали себя в ходе эксперимента. Эти бактерии чаще всего находят в контейнерах с замороженными мясными продуктами в вакуумной упаковке, и, как выяснилось впоследствии, их природная среда обитания — вечная мерзлота Сибири на глубине нескольких метров, где почти нет кислорода. Более того, определенная группа видов в условиях, приближенных к Марсу, чувствовала себя лучше, чем при нормальной земной температуре и давлении. Очевидно, эти «ребята» — первые кандидаты для полета на Марс.

Однако земные микроорганизмы так или иначе должны иметь доступ к воде, хотя бы в самых незначительных количествах. Без этого им не выжить. Живущие в камнях антарктических сухих равнин бактериальные колонии наглядно демонстрируют нам, как важно для жизни наличие хотя бы небольшого количества воды и питательных веществ. Бактериям нужно немного, но совсем без воды и пищи жить невозможно. Поскольку у меня нет уверенности в том, что на Марсе это фундаментальное требование может быть выполнено, я не возьмусь утверждать, что жизнь сможет выжить на Марсе. Но, если нам удастся обнаружить хотя бы изолированный или кратковременный источник жидкой воды — допустим, ничтожно малое количество растаявшего подповерхностного льда, — тогда есть вероятность, что земная жизнь сумеет этим воспользоваться. А если это получится у земной жизни, то почему не могло бы получиться у марсианской? Но каковы шансы обнаружить такое редкое, в высшей степени локализованное и сезонное явление на поверхности Марса (или под ней) с помощью наших орбитальных дозоров или в пределах ограниченной досягаемости планетоходов?

Новая надежда

Марс изрыт оврагами. Каждое новое поколение автоматических станций на орбите Марса демонстрирует нам все новые и новые овраги, вымоины и сухие русла и каждый раз во все более крупном масштабе и разрешении. Но никто не рассчитывал увидеть на стенках оврагов сезонные потоки, набирающие силу марсианской весной и иссякающие осенью. Но это еще можно было предположить. Настоящей сенсацией стало то, что эти потоки возникают в одних и тех же местах регулярно, из года в год. Оказалось, что поверхность Марса пребывает в постоянном движении: чтобы это обнаружить, нам просто нужна была на орбите камера с достаточным разрешением, а также терпеливые и усидчивые исследователи. И вот, установленная на аппарате «Марс Реконессанс Орбитер» камера HiRISE, обладающая высоким оптическим разрешением, позволила добиться качественно нового уровня детализации марсианской поверхности.

Сами эти следы потоков получили название «возобновляющихся линий на склонах». Это хорошо различимые темные полосы, которые спускаются вниз по склонам марсианских оврагов (от 1 до 20 м шириной). Первыми внимание на эти структуры обратили ученые из Лаборатории Луны и планет Аризонского университета (где была разработана камера HiRISE) в своей статье, вышедшей в 2011 г. Затем последовало более детальное исследование, опубликованное в 2013 г. Эти темные пятна появлялись и медленно разрастались в теплое время года с наступлением весны и лета в каждом из полушарий, и их легко отличить от сходящих по склонам лавин из камней и пыли, которые также случаются (хотя, как правило, в других местах).

Чаще всего такие структуры возникают под отчетливыми слоями коренных пород, которые обнажаются по краям более обширных долин и кратеров. Также важно, что они возникают на довольно крутых склонах с уклоном более 30°. Такой рельеф практически непроходим для нынешнего поколения марсоходов (стоит напомнить, что доблестный «Спирит» пал жертвой одной лишь маленькой песчаной дюны). И это очень досадное обстоятельство, поскольку подобные склоны, на которых образуются повторяющиеся сезонные потоки, — наша главная надежда в поисках современной жизни на Марсе.

Почему? Потому что подобные явления лучше всего можно объяснить присутствием воды — вероятнее всего, это соленая вода в жидком состоянии. Когда вы летом поливаете свой сад, обнаженная почва намокает и темнеет, точно так же темные полосы на склонах марсианских оврагов мы можем считать признаком течения жидкой воды, оставляющей влажный след в почве. Большинство сезонных потоков возникает в чуть более темных каменистых ландшафтах южного полушария, где наблюдаются высокие температуры на поверхности — хотя в данном случае «высокие» означает выше –23 °C — и где вода, содержащая высокую концентрацию солей, может оставаться жидкой. Более того, в силу своей повторяющейся природы эти потоки могут обеспечить среду обитания для живых организмов: как бы ни был ничтожен источник воды и питательных веществ, если он возобновляется год от года, марсианская жизнь сможет существовать и даже воспроизводиться рядом с ним‹‹12››.

Ранее я уже предупреждал, что, говоря о метане на Марсе, мы рискуем принять желаемое за подтвержденный научными данными факт. Не можем ли мы здесь попасться в ту же ловушку? Да, возобновляющиеся линии на склонах вполне реальны и, насколько мы можем судить, отличаются от других изменчивых явлений, открытых нами на Марсе. Но точно ли это вода? Нет, конечно. На автоматической станции «Марс Реконессанс Орбитер» установлен спектрограф, способный распознать спектральные признаки воды, но до сих пор в этих темных полосках никакой воды обнаружено не было (хотя на этих склонах были обнаружены следы солевых отложений). И по-прежнему неизвестно, о каком количестве воды идет речь — даже тончайшего слоя соленой воды может быть достаточно, чтобы создать эффект темных полос.

Также остается парочка трудных вопросов относительно того, откуда берется вода на участках с возобновляющимися линиями на склонах. По всей видимости, это явление наблюдается в низких широтах, где поверхность сильно нагревается Солнцем. Но, согласно данным «Одиссея», в этих широтах водяной лед в марсианском грунте почти полностью отсутствует. Можно ли и в этом случае предположить, что лишь для возникновения данного явления достаточно очень небольшого количества талой воды? Еще более настораживает тот факт, что возобновляющиеся линии на склонах наблюдаются в одних и тех же местах на протяжении нескольких лет. Если мы действительно наблюдаем сезонное таяние водного льда, то откуда берутся его запасы? Если учесть древний возраст марсианской поверхности, то тот факт, что мы сегодня можем наблюдать темные подтеки на склонах, означает одно из двух: либо это явление никак не связано с водой, либо ее резервуар каким-то образом пополняется. Как именно это может происходить, нам остается только гадать: возможно, источником служит водяной пар в атмосфере, вступающий в реакцию с каким-то веществом в почве. Еще более интригующее предположение — эти участки таяния льда лишь вершина айсберга‹‹13››, один из элементов более сложной системы подземных водоносных слоев, в которой жидкая вода стекает в подземные резервуары, направляемая напластованием непроницаемых пород. Имеет ли значение тот факт, что возобновляющиеся линии на склонах появляются лишь вместе с обнажениями коренных пород? Пока мы этого не знаем.

И наконец, мы должны обсудить вопрос о том, насколько такое место обитания, как возобновляющиеся линии на склонах, согласуется с нашими общими представлениями о наличии жизни на поверхности Марса. «Викинг» показал, что никакой современной жизни на Марсе нет, ну или по крайней мере мы ничего о ней не знаем. Однако посадочные модули станции приземлялись в холмисто-равнинной местности, более подходящей для безопасного автоматического спуска, а не там, где есть овраги и кратеры, на склонах которых встречаются возобновляющиеся линии. Как мы уже убедились на примере антарктических сухих равнин, в экстремальных условиях существование живых организмов напрямую зависит от возможности получить хотя бы малое количество жидкой воды.

Мы также пришли к заключению, что химический состав марсианской атмосферы не позволяет сделать вывод о существовании на поверхности планеты (или на небольшой глубине под поверхностью) широко распространенной жизни, которая либо получает из атмосферы питательные вещества, либо вносит вклад в ее состав. Словосочетание «широко распространенной», возможно, ключевое для понимания: общее количество мест с необходимым геологическим строением и климатическими условиями составляет менее 1 % от всей поверхности планеты. Локальные условия окружающей среды могут накладывать строгие ограничения на распространение жизни, не позволяя ей размножиться до такого уровня, который оказывал бы влияние на состав атмосферы.

Очевидно, что открытие возобновляющихся линий на склонах поднимает больше вопросов, чем дает ответов. Несомненно, ученые, работающие с данными HiRISE, очень довольны такой ситуацией: им выпало открывать новые, пока еще не известные человечеству факты и, следовательно, находиться на передовом крае научного познания.

И еще мне хотелось бы сказать: если мы действительно наблюдаем сезонное таяние слоя соленого льда и последующее формирование периодических влажных полосок на склонах марсианских оврагов, тогда мы обнаружили именно то потенциальное место обитания для жизни, которое искали. Мы изучили примеры земных организмов, которые могут выживать и расти в марсианских условиях. На данный момент жидкая вода остается ключевым элементом, которого нам пока что не хватает. После открытия возобновляющихся линий на склонах мы определили на поверхности Марса несколько мест, где присутствуют достаточно убедительные признаки наличия жидкой воды.

В начале книги я дал вам краткое резюме — у нас нет никаких научных доказательств существования жизни за пределами Земли. Однако с открытием возобновляющихся линий на склонах на Марсе у нас появился шанс реализовать первый из пяти наиболее правдоподобных сценариев обнаружения внеземной жизни. Но мне хотелось бы чего-то большего, чем просто намека на жизнь. Как мы туда доберемся, какую форму может принимать такая жизнь и какие научные эксперименты могут подтвердить ее существование?

ALH84001

Хороший совет на все случаи жизни — нужно быть осторожным в своих желаниях. Астробиологи всегда мечтали об экспедиции на Марс, которая привезет изрядное количество образцов грунта, чтобы потом их можно было изучать в земных лабораториях. В 1984 г. эта мечта осуществилась — с далеко идущими последствиями. В тот год в горах Алан Хиллс в Антарктиде был найден темный каменный метеорит, получивший идентификационный код ALH84001. По целому ряду объективных причин Антарктида — самое лучшее место для начинающего охотника за метеоритами: большая часть континента покрыта белым льдом, на котором хорошо заметны черные метеориты‹‹14››.

ALH84001 принадлежит к классу SNC-метеоритов, которые имеют марсианское происхождение (некоторые из этих метеоритов сохранили в минералах газовые включения, совпадающие по составу с марсианской атмосферой). Он весит около 2 кг, и, если продать его по современной рыночной цене $1000 за грамм, он может принести вам около $2 млн для финансирования программы исследования Марса.

Во многих отношениях ALH84001 бесценен. Он уникален по сравнению с другими марсианскими метеоритами и сам по себе образует отдельную группу внутри класса SNC. ALH84001 — каменный метеорит, самый древний из известных нам обломков Марса, возраст которого, согласно данным радиометрического анализа, составляет более 4 млрд лет‹‹15››. Это означает, что горные породы, из которых состоит ALH84001, сформировались в самый ранний период истории Марса, когда на его поверхности было много жидкой воды — в период «мокрого» Марса. Более того, в его минеральной массе обнаружены включения карбонатов, которые, по крайней мере на Земле, осаждаются из теплой воды. К несчастью для ALH84001 и к счастью для нас, эти горные породы не остались на Марсе — примерно 15 млн лет назад метеоритный удар выбросил их с поверхности планеты в космос. Наши пути пересеклись 13 000 лет назад, когда ALH84001 огненной вспышкой пронесся через атмосферу и упал на антарктический лед, вместе с которым ему предстояло еще долго дрейфовать через весь континент.

Через 10 лет после открытия ALH84001 неожиданно стал сенсацией. Команда ученых из НАСА, которой было поручено провести исследование метеорита, закончила долгую и тщательную работу. Итоговый доклад был озаглавлен «Поиск исчезнувшей жизни: возможность обнаружения следов биологической активности на марсианском метеорите ALH84001» и опубликован в журнале Science. Если даже такой заголовок не заставил ваши астробиологические «усики» трепетать, то НАСА специально организовало пресс-конференцию, чтобы вы случайно не остались в неведении о таком потрясающем открытии, которое будет иметь далеко идущие последствия‹‹16››.

Давайте сосредоточим свое внимание на научной стороне вопроса, а не на шумихе, которая за этим последовала. Какие тайны ALH84001 удалось раскрыть ученым? Все признаки биологической активности связаны с карбонатами, найденными в трещинах и пустотах вулканической породы. Первый аргумент — присутствие заметных следов особых органических соединений — полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Ученые пришли к заключению, что ПАУ преимущественно располагались внутри метеорита и не были просто загрязнением, попавшим на него в течение тех тысяч лет, что метеорит находился на Земле‹‹17››. В земных окаменелостях эти составляющие обычно (но не обязательно) связаны с разложением биологических организмов. Второй момент — карбонаты содержат отложения специфических минералов железа и серы, и зональность этих отложений близка к характерной для земных железобактерий. Третье доказательство действительно выглядит убедительно — это обнаруженные на кромках карбонатов упорядоченные скопления крохотных кристаллов магнетита (Fe_3O_4). По своей форме, размерам и прочим особенностям строения они очень похожи на те, что создаются магнитотактическими бактериями на Земле. И наконец, самое фотогеничное из всех свидетельств внеземной жизни на ALH84001 — на трещинах внутри метеорита обнаружены образования, похожие по форме на колонии земных бактерий. Эти крохотные наноокаменелости внешне очень похожи на окаменелые останки земных бактерий, если не считать того, что они значительно меньше по размеру. В целом группа ученых, исследовавших ALH84001, пришла к заключению, что в совокупности все эти четыре находки можно объяснить только одним — присутствием биогенного фактора, т. е. древних марсианских бактерий.

Далее последовали жаркие споры. Астробиологи любят повторять одну из самых известных максим Карла Сагана: «Экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств»[9]. Другими словами, если вы заявляете, что совершили исключительно важное научное открытие, то ваши экспериментальные данные и сделанные на их основе выводы должны содержать убедительные ответы на все возможные возражения. А в том, что эти возражения последуют, можно не сомневаться.

Для оценки справедливости утверждений об открытии древней жизни на Марсе директор НАСА Дэн Голдин привлек независимого эксперта Билла Шопфа. Это был мудрый выбор: Шопф считался признанным авторитетом в палеобиологии и был автором множества статей, посвященных древним окаменелостям, найденным в архейских и протерозойских горных породах‹‹18››. Предполагалось, что Шопф не будет проводить собственные исследования, а просто оценит опубликованные данные и выводы, а затем изложит свою точку зрения. Его первоначальное заключение — в какой-то степени задвинутое на задний план, поскольку все стремились к эффектным газетным заголовкам, — выдержало проверку временем. Шопф высказал мнение, что все четыре момента, которые, как утверждалось, доказывали наличие в ALH8400 древних ископаемых бактерий, могут быть объяснены небиологическими явлениями или загрязнением, которое могло иметь место в течение тех 13 000 лет, что метеорит пролежал в Антарктиде. Марсианская биология остается возможным объяснением наблюдаемых в ALH84001 явлений. Это объяснение не единственное, и качество данных не позволяет однозначно сделать вывод в пользу какой-то одной теории.

После всего сказанного, я полагаю, мы должны вынести из истории с ALH84001 один важный урок: научный анализ метеорита был проведен на самом высоком уровне как в первый раз, так и в последующих исследованиях, осуществленных различными группами ученых. Оглядываясь назад, я не вижу чего-то, что можно было бы сделать по-другому (хотя, возможно, следовало бы поменьше контактировать с прессой). Полагаю, эта история послужит образцом для исследований горных пород и почв, которые будущие экспедиции доставят с Марса. В этом смысле ALH84001 и примененные к нему методы научного анализа сохранят свою исключительную ценность. Он также служит нам предостережением, что будущая экспедиция по доставке образцов на Землю, возможно, не даст нам ясных ответов, которые мы наивно ожидаем получить. Пока не попробуем, мы ничего не узнаем наверняка. Единственное, чего мы можем хотеть в настоящий момент, — получить в свое распоряжение образцы марсианских горных пород, желательно добытых в тщательно контролируемых условиях и непосредственно с поверхности Марса.

Далекоидущие планы

Вот уже почти 20 лет прошло тех пор, как серьезные исследования Марса возобновились после долгой паузы, последовавшей за экспедициями «Викингов». За это время мы выяснили, что на Марсе когда-то существовала гидросфера и что под поверхностью планеты находится слой водяного льда, проанализировали химический состав грунта и зафиксировали сезонные изменения поверхности планеты. Что еще более важно, мы научились формулировать новые вопросы: действительно ли в древних отложениях сохранились окаменелости архейского типа? Можно ли утверждать, что возобновляющиеся линии на склонах объясняются присутствием жидкой воды? Могут ли живые организмы существовать в слое подповерхностного льда? И, вероятно, самое важное из всего, что мы узнали: на все эти вопросы можно ответить, только отправив на Марс экспедицию, которая доставит обратно на Землю образцы горных пород.

Доставка на Землю образцов марсианских пород даст возможность осуществить прорыв в понимании жизни на Марсе — как древней, так и современной, — который так необходим для развития астробилогии. Это не только моя точка зрения. В 2013 г. Национальный исследовательский совет США выпустил очередной доклад, выходящий раз в 10 лет, в котором изложил свое видение национальных задач в области изучения Солнечной системы на ближайшее десятилетие. Приоритетной целью была названа подготовка экспедиции на Марс, предназначенной для доставки образцов, которая стала бы наиболее эффективным средством получения исчерпывающих сведений об условиях на поверхности Марса и возможности существования жизни. Этот доклад был востребован как НАСА, так и Национальным научным фондом (источником правительственного финансирования для многих научных программ в США), и поэтому он имеет большое влияние. Но, как мы увидим в дальнейшем, хорошие пожелания — это одно, а решения (которые принимаются с учетом ограниченного финансирования) — совсем другое.

Как найти жизнь на Марсе?

Мы много говорили о Марсе и возможностях для жизни на этой планете. Теперь пришла пора обсудить, где конкретно эта жизнь может обитать и какие эксперименты мы должны провести, чтобы подтвердить ее наличие. Цель номер один — отыскать древние ископаемые внутри осадочных пород. Возможно, это не так интересно, как поиски современной жизни, но такой подход имеет под собой твердое научное обоснование, а практические задачи вполне осуществимы.

«Кьюриосити» в настоящее время исследует как раз такую местность, какой мы интересуемся, — обнажения древних пород (того же возраста, что и ALH84001), которые, судя по их геологическому окружению, в далеком прошлом были погружены в воды теплого моря. Я также должен упомянуть, что «Кьюриосити» оказался в этом районе не случайно. Место его посадки было выбрано на основании детальных снимков, сделанных «Марс Реконессанс Орбитер», чтобы понять, какой именно тип ландшафта предстоит изучать марсоходу. «Кьюриосити» оснащен инструментами, позволяющими брать буровые пробы горных пород глубиной до 5 см. Вероятно, в дальнейшем ученые захотят пробурить более глубокие скважины, а также возвращать сами буровые пробы, а не измельченные в порошок горные породы, однако на сегодняшний день «Кьюриосити» не хватает только одного — возможности доставить образцы на Землю.

Та эпоха в ранней истории Марса, когда на нем существовала вода в жидком виде, совпадает по времени с зарождением жизни на Земле — где-то между 3,5 и 4 млрд лет, сразу после окончания «тяжелой бомбардировки». Для проверки этой гипотезы мы воспользуемся теми же методами, которые используем при поиске древних окаменелостей на Земле: микроскопические исследования, позволяющие обнаружить клеточный порядок в сочетании с биохимическими тестами на наличие продуктов метаболизма и остатки органического разложения. Чтобы иметь возможность провести такие исследования, нам надо получить образцы пород, в которых чаще всего встречаются ископаемые останки, т. е. древних осадочных пород, образовавшихся в благоприятной для жизни среде при наличии жидкой воды, и доставить их на Землю.

С учетом этой задачи мы можем рассматривать экспедиции марсоходов применительно к астробиологии: медленно, но последовательно мы выявляем участки, где, согласно нашим представлениям, примерно 3,5 млрд лет тому назад существовали условия для возникновения жизни. На самом деле, если принять во внимание, насколько большая доля марсианской поверхности составлена из таких древних пород, вполне возможно, что когда-нибудь мы будем больше знать о происхождении жизни на Марсе, чем мы сегодня знаем о происхождении жизни на Земле.

Нашей следующей целью станет сбор и доставка на Землю образцов из районов, где наблюдались загадочные линии на склонах. Здесь нас будут интересовать признаки существования живой экосистемы, а не окаменелых останков. Возможно, не стоит особо надеяться, что живые организмы благополучно перенесут путешествие до Земли. В доставленных образцах будут искать лишь элементы биологической организации и следы каких-либо химических соединений, которые могут либо служить питательными веществами, либо содержать продукты метаболизма. Однако склоны, на которых наблюдается сезонное таяние (если это не окажется чем-то иным), совершенно непроходимы для наших бравых марсоходов — это крутые осыпи под скальными обрывами. Опять же очень важно попасть в нужное время — кто знает, как долго длятся эти сезонные явления? Повторяются ли они периодически или больше не возобновляются?

Очевидно, что, хотя такая перспектива выглядит заманчиво, доставка образцов с Марса остается очень трудной задачей даже с учетом самых передовых технических достижений НАСА. Можно ограничиться более практичным вариантом — пробурить марсианскую поверхность на несколько десятков сантиметров в глубину до слоя водного льда и посмотреть, что там есть. Но если вы будете просто копать наугад, нужно заранее быть готовым к разочарованию — в этом месте может не оказаться ни таяния, ни скопления органических материалов, ни жизни. С другой стороны, подповерхностный лед встречается почти повсеместно и добраться до него несложно, так что в любом случае имеет смысл положить в контейнер, предназначенный для отправки на Землю, хотя бы парочку образцов такого льда.

Пришел, увидел, улетел

Как должна проходить экспедиция по доставке на Землю образцов с Марса? Во многих аспектах она будет походить на эстафетную гонку: каждая новая техническая задача, стоящая перед экспедицией, будет осуществляться независимым аппаратом — орбитальным спутником, марсоходом, взлетным модулем и кораблем, который доставит образцы на Землю, — а контейнер с драгоценными марсианскими образцами должен будет передаваться от одного участника к другому, как эстафетная палочка. Мы уже могли наблюдать за отдельными этапами экспедиции — отправкой орбитальной станции и посадочного модуля, которые совместно исследовали поверхность планеты. Марсоход, аналогичный по конструкции «Кьюриосити», может распознавать и хранить образцы, собранные на различных по типу рельефа участках. Экспедиция займет несколько лет, во время которых будут совершаться долгие переходы по поверхности планеты, для которых автоматический передвижной модуль потребуется оснастить множеством приборов и оборудования. Другими словами, это должен быть большой, полноценный аппарат.

Так как же образцы вернутся на Землю? Вероятно, это будет двухступенчатый процесс. Сначала взлетный модуль доставит образцы с поверхности Марса на околопланетную орбиту. В действительности транспортировка образцов с поверхности на орбиту — ключевое звено во всей последовательности действий. Гравитация против вас, и вам придется заплатить за каждый поднятый килограмм. И 20 кг — это, вероятно, самый минимальный вес груза, который вы хотите доставить на Землю (не забудьте, однако, что сюда также входит вес контейнера, сделанного из высокопрочного материала). Чтобы поднять эту массу на орбиту, вам надо разогнать модуль до скорости почти 5 км/с — это вторая космическая скорость для Марса‹‹19››. Для 20 кг груза вам не потребуется огромная ракета: современные конструкции позволяют обойтись аппаратом весом 400 кг, длиной около 4 м и диаметром около 0,5 м. Отдельная задача — убедиться в том, что после шести месяцев в глубоком космосе, посадки на каменистый грунт и примерно года стоянки на Марсе все системы ракеты функционируют нормально. У вас будет только одна попытка, и надо не растратить ее впустую.

Возможно, вы лелеете мечту о грузе большей массы, скажем, о 200 кг марсианских пород. Но для этого потребуется не ракета, а просто чудовище — до 1500 кг весом и 6 м в длину. Это очень много да плюс еще наземный модуль. Масса «Кьюриосити» — 900 кг, и перед вами стоит сложная задача — доставить большую ракету с возвратным модулем на поверхность планеты. Так что, наверно, 20 кг — предел мечтаний. В этот окончательный вариант могут входить образцы, собранные из разных мест с разными формами рельефа, чтобы ученые получили больше материала для исследований.

Выйдя на орбиту, взлетный модуль должен выполнить автоматическую стыковку и передать на борт космического корабля ценный груз, после чего корабль отправится в обратный путь. Ему придется воспользоваться ракетным двигателем, чтобы добраться до Земли, выйти на орбиту и доставить контейнер с образцами на поверхность нашей планеты. Это тоже непросто: когда запущенный НАСА аппарат «Стардаст» или космический аппарат «Хаябуса» Японского агентства аэрокосмических исследований доставляли образцы астероидного грунта и кометной пыли на Землю, они входили в атмосферу на очень высокой скорости — 12 км/с. Такая скорость грозит перегревом и создает риск потери образцов. Если парашют не выдержит и капсула расколется, тогда — «Хьюстон, у нас проблемы!»

Существует бюджетный вариант доставки образцов на Землю, не связанный с высокими рисками. Это частный космический корабль многократного использования «Драгон», который может применяться в качестве грузового корабля для возврата контейнера на Землю. Те из вас, кто читал роман «Штамм Андромеды»[10], помнят о целом ряде проблем, связанных с попаданием инопланетного материала на Землю, особенно образцов, которые могут содержать биологический материал. Думаю, нет смысла напоминать о том, что марсианские материалы не должны вступать в контакт с земной средой: вам придется прибегнуть ко множеству ухищрений, чтобы сохранить образцы в первозданном виде, и сразу после их прибытия на Землю расслабляться еще рано. Образцы должны закончить свой путь в специально подготовленной аналитической лаборатории, и тогда уже начнется их изучение.

Суровая правда жизни

На первый взгляд все это выглядит заманчиво, но произойдет ли это в действительности? В 2005 г. НАСА и ЕКА осознали, что задача доставки образцов на Землю не по силам какому-то одному космическому агентству. В самом деле, каждый компонент предполагаемой экспедиции — орбитальный спутник, планетоход и марсианский взлетный модуль — сам по себе флагманская миссия с бюджетом, значительно превышающим $1 млрд. Если добавить сюда еще и потребность в специализированной лаборатории для обработки образцов на Земле, общий бюджет проекта может превысить $7 млрд. Но то, что начиналось как многообещающее партнерство по осуществлению многокомпонентной совместной миссии по доставке на Землю марсианских образцов, было загублено 20 %-ным сокращением бюджета НАСА на автоматические полеты в 2011 г., не оставлявшем никаких перспектив.

Финансовые проблемы вынудили HАСА отложить осуществление экспедиции по доставке образцов. Наука никуда не делась, равно как и ученые, которые верят, что такая экспедиция откроет перед нами новые горизонты познания. И НАСА, и ЕКА планируют до 2020 г., каждое по отдельности, послать на Марс планетоход класса «Кьюриосити». Учитывая ограниченный объем средств, выделяемый на исследование Солнечной системы, такое дублирование представляется исключительно неэффективным расходованием денег‹‹20››.

Поскольку моих $4 млрд не хватает для доставки на Землю образцов марсианского грунта, как мне разумнее потратить эти средства? Можно ли рассчитывать на то, что экспедиции марсоходов проложат дорогу к обнаружению инопланетной жизни в Солнечной системе? Если честно, то нет (справедливости ради надо сказать, что поиски жизни — это не единственная цель автоматических миссий HACA). Если бы речь шла о совместных усилиях для того, чтобы действительно осуществить доставку на Землю образцов с Марса и решить проблему раз и навсегда, я бы согласился рискнуть. Более мелкая цель не достойна моей флагманской астробиологической миссии, особенно с учетом того, какие сюрпризы для нас таят дальние окраины Солнечной системы.

Первоначально я дал вам $4 млрд на финансирование своего астробиологического проекта — хотя это было скорее шутливое предложение, чем выверенная смета, — и теперь, я полагаю, вы видите, какой баланс необходимо подбить ученым и тем, кто дает деньги на научные проекты. Попытаетесь ли вы найти еще одного читателя этой книги (европейского издания), чтобы объединить имеющиеся у вас средства (все до последнего) и фактически cложить все яйца в одну корзину — экспедицию по доставке образцов марсианского грунта на Землю? К счастью, вам предстоит прочесть еще несколько глав, прежде чем принять окончательное решение, поскольку это нечестно — задавать вам подобный вопрос, пока вы не изучили все имеющиеся у вас возможности.

Люди на Марсе

Прежде чем проститься с Марсом, я хочу предложить вам напоследок подумать над тем, что такое пилотируемые полеты на Марс. Всего лишь рекламный трюк — ну, сделали мы один маленький шаг и потренировались в водружении флага — или гигантский скачок, который поможет устранить все препятствия, стоящие перед автоматическими исследованиями космоса?

Существует две точки зрения. Одна заключается в том, что робот может справиться с любой научной задачей не хуже, а зачастую и лучше, чем человек, не требуя при этом еды и морального поощрения. Роботы в буквальном смысле слова позволяют обойтись меньшим количеством багажа — эмоционального и физического. Они не потребляют ничего, кроме электричества, и не производят биологических отходов. Роботы, если не считать ЭАЛ 9000[11], не расстраиваются, не теряют костную массу при уменьшении силы тяжести и не страдают от последствий лучевой болезни, вызванной космическими лучами и солнечным ветром‹‹21››. Если для автоматической экспедиции достаточно посадочного модуля весом около 2 т и 20 кг максимального полезного груза, который надо вернуть на Землю, то для пилотируемой миссии потребуется доставить на поверхность планеты минимум 40 т оборудования. Даже не хочется считать, во что это обойдется.

Но существует и альтернативная точка зрения. В 1972 г. Харрисон Шмитт стал первым ученым, побывавшим на Луне в составе экспедиции «Аполлон-17». Он вместе с другим астронавтом, Юджином Сернаном, высадился на Луне в долине Тавр-Литтров, окруженной древними лунными горами со следами вулканической активности. Во время последней прогулки по поверхности планеты Шмитт, геолог по образованию, заметил странный камень — кусок магматической породы, который не соответствовал окружающему ландшафту. Камень, получивший название Троктолит 76 535, считается самым интересным образцом из всех, доставленных с Луны, поскольку содержит массу интересной геологической информации. В связи с этим открытием возникает вопрос: как передать роботу опыт полевой работы, который был у Шмитта, и его способность выбирать один необычный камень из тысячи или как по крайней мере обеспечить оператору на Земле такой же обзор, как у астронавта на Марсе?

В определенной степени все эти вопросы чисто риторические. Если людям надо побывать на Марсе — они там будут, и не только ради науки, как в случае с высадкой на Луну. Единственное, в чем можно не сомневаться, — моих $4 млрд на это точно не хватит.

Глава 6. Европа и Энцелад: водная жизнь?

Возможно, через 100 лет люди будут задаваться вопросом, почему астробиологи начали поиски жизни в Солнечной системе с пыльного, мертвого Марса, а не с соленых океанов жидкой воды, спрятанных под поверхностью закованных льдом спутников Юпитера и Сатурна. Подождите минутку, скажете вы. Получается, мы ковырялись в марсианском реголите, искали редкие капельки влаги, в то время как во внешней Солнечной системе существуют обширные океаны на спутниках? Ну да… И вы имеете полное право спросить, почему мы так долго туда добирались. Хотя надо заметить, что вы не одиноки в своем негодовании, поскольку есть множество ученых-планетологов, которые уже много лет отстаивают гипотезу об обитаемости спутников Юпитера.

Галилеевы спутники

Одно из самых увлекательных астрономических впечатлений для любого наблюдателя ночного неба — взрослого или юного — это смотреть, как гигантская планета Юпитер величественно движется по Солнечной системе. Если небо темное и время выбрано удачно, рядом с Юпитером можно даже в небольшой телескоп увидеть четыре слабые звездочки, растянувшиеся вереницей одна за другой. Эти объекты впервые заметил Галилей в январе 1610 г. Его телескоп был недостаточно мощным, и поэтому Галилей мог разглядеть только их расположение. Но за два месяца внимательных наблюдений он заметил, что они обращаются вокруг Юпитера. Выводы, которые Галилей опубликовал в своем сочинении «Звездный вестник» (Starry Messenger), вышедшем в 1610 г., были поразительны: у Юпитера существовало четыре спутника. Эти выводы бросали дерзкий вызов существовавшей в то время астрономической (и теологической) доктрине: спутники преспокойно обращались вокруг Юпитера, а не Земли. Хотя Галилей назвал вновь открытые миры Звездами Козимо в честь своего покровителя Козимо Медичи, это название со временем уступило место другим наименованиям, предложенным Кеплером: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. В будущем этим четырем спутникам была уготована важная роль как в науке, так и в человеческом воображении.

Когда же мы ближе познакомились со спутниками Галилея? Наши первые мимолетные встречи произошли в 1970-х гг., когда сначала «Пионер-10» и «Пионер-11», а потом «Вояджер-1» и «Вояджер-2» на огромной скорости пронеслись мимо Юпитера и его спутников. И вынужденный выбор траекторий, и сделанные мимоходом снимки Галилеевых спутников лишь еще больше раздразнили аппетиты ученых. Зонды «Пионер» пролетели на относительно большом расстоянии от спутников и передали только снимки низкого разрешения — загадочные изображения, которые почти не отличались от снимков, сделанных телескопами с Земли. Зондам «Вояджер» удалось пролететь на близком расстоянии от Ио и Европы‹‹1››. На снимках «Вояджера» Ио предстает молодым и беспокойным вулканическим миром, чья каменистая поверхность покрыта богатыми серой лавовыми полями. В первый раз мы увидали султан вулканического выброса газов, сфотографированный у самого лимба планеты на фоне темного неба, — свидетельство того, что вулканы существуют не только на Земле. По сравнению с Ио, кипящей, как огненный котел, Европа — ее полная противоположность. Поверхность этого спутника покрыта гладкой ровной коркой из водного льда, под которым расположена внутренняя часть, состоящая из твердых пород.

За орбитой Европы располагаются Ганимед и Каллисто — гиганты спутниковой системы Юпитера. Ганимед — крупнейший спутник во всей Солнечной системе, размерами немного превышающий планету Меркурий, хотя стоит отметить, что его масса составляет менее 50 % массы Меркурия, поскольку он почти наполовину состоит из водяного льда. Каллисто часто несправедливо именовали «скучной луной» среди Галилеевых спутников. Чуть меньше по размерам и менее массивная, чем Ганимед, имеющая больше кратеров и меньше следов преобразования поверхности, Каллисто полностью соответствует нашим представлениям о системе спутников Юпитера: чем дальше вы удаляетесь от Юпитера, тем более неизменными и застывшими выглядят его спутники.

На каждом из ледяных спутников — Европе, Ганимеде и Каллисто — можно видеть розовато-коричневатый слой пыли. Из какого вещества состоит эта пыль, до сих пор неясно. Возможно, это соли и минералы, которые попадают на поверхность со льдом, поднимающимся через трещины. Это могут быть небольшие крупинки органической материи, занесенные на поверхность Европы с вулканической пылью. Это может быть и то и другое одновременно либо что-то третье. Астрономы рассматривали ее очень внимательно, но материал не имеет четких спектральных признаков, что полностью соответствует обоим приведенным выше объяснениям. Так что пока мы не попадем туда и не соберем немного пыли для анализа, мы, скорее всего, не получим убедительного ответа на этот вопрос.

Ловкость рук

Возможно, вы обратили внимание на то, что я лишь бегло коснулся вопроса о загадочных наблюдениях. Почему поверхность Европы такая гладкая? Даже сегодня Солнечная система завалена крохотными обломками, которые мы называем кометами и астероидами — остатками тех давно минувших дней, когда зарождались планеты. Обломки эти постоянно падают на поверхность лишенных атмосферы миров, и с течением времени на каждой планете появляется все больше и больше кратеров в местах падений. Единственный способ стереть эти кратеры — создать новую поверхность (в случае Ио — путем активного вулканизма и распространения лавовых полей). Но почему в таком случае Европа обладает молодой, не испещренной кратерами поверхностью, возраст которой составляет каких-то 50 млн лет — просто мгновение для большинства обитателей Солнечной системы? Даже на снимках, сделанных во время непродолжительного пролета «Пионера» и «Вояджера», астрономы и планетологи могли видеть, что, хотя на поверхности нет заметных кратеров, она покрыта трещинами и неровностями, вызванными, по всей видимости, воздействием геологических сил.

Но слово «геология» не совсем подходит для данных условий. Для описания ледяного аналога Земли, где вода играет такую же геологическую роль, как и горные породы, правильнее бы было применять термин «криогеология». При таком подходе Европа представляется криогеологическим миром, где водяной лед заменяет твердые горные породы, образующие поверхность планеты, а подо льдом находится «магма», состоящая либо из более теплого льда, либо из жидкой воды. Поверхность планеты преобразуется в результате действия тектонических сил и подъема воды по трещинам. Это была удивительная гипотеза, и в конечном итоге она оказалась правильной. Предположение о существовании на Европе воды в жидкой форме, нашедшее подтверждение в ходе последующих экспедиций к Галилеевым спутникам, сразу ставит вопрос о предпосылках возникновения жизни.

Новый Галилей

В 1989 г. был дан старт дерзкой экспедиции во внешнюю Солнечную систему. «Галилео» стал первым автоматическим зондом, вышедшим на орбиту Юпитера. Этому предшествовал долгий и извилистый путь через внутреннюю Солнечную систему, длившийся шесть лет. Накопив гравитационную энергию, зонд миновал пояс астероидов и устремился к своей цели. Траектория «Галилео» получила название VEEGA[12]. Как и в случае с траекториями «Вояджеров», каждое сближение с планетами увеличивало скорость космического аппарата за счет бесконечно малого количества орбитальной энергии каждой планеты.

Космическому аппарату «Галилео» выпал, вероятно, самый интересный в научном плане начальный этап миссии за всю нашу короткую историю исследования планет Солнечной системы. По завету Карла Сагана, «Галилео» включил находящиеся у него на борту приборы во время гравитационного маневра рядом с Землей в 1990 г. и выполнил ряд наблюдений, которые можно назвать первым астробиологическим обследованием Земли с целью обнаружения жизни (мы еще вернемся к этой идее в главе 8).

Далее путь экспедиции «Галилео» проходил через пояс астероидов, где космический зонд обнаружил астероид, обладающий собственным спутником, — было замечено, что крошечный каменный астероид Дактиль обращался вокруг другого каменного астероида, Иды, немного превосходящего его размерами. Это открытие, а также полученные аппаратом снимки общего плана столкновения кометы Шумейкера — Леви с Юпитером, сделанные в 1994 г., позволяют говорить, что миссия «Галилео» стала успешной еще до того, как аппарат прибыл к Юпитеру в декабре 1995 г.

Ближе, ближе, ближе к делу

«Галилео» нес на борту спускаемый зонд, который должен был отделиться от основного аппарата и совершить ультразвуковой прыжок в неизвестные глубины юпитерианской атмосферы. Зонд отделился от «Галилео» в июле 1995 г., а 7 декабря началась стадия снижения. Вход в атмосферу происходил на сумасшедшей скорости — 47 км/с (приблизительно 170 000 км/ч). Однако за первые две минуты вхождения аппарата в атмосферу планеты сопротивление ее верхних слоев уменьшило его скорость до нескольких сотен метров в секунду. При этом спускаемый аппарат испытывал почти запредельные, достигавшие 230 g перегрузки‹‹2››, а примерно половина теплозащитного экрана, весившего 150 кг, полностью сгорела и испарилась.

На этом этапе миссия едва не закончилось катастрофой. Предполагалось, что спускаемый аппарат выпустит парашют, который должен был затормозить зонд до скорости 160 км/ч, что позволило бы приступить к измерениям параметров атмосферы. Но парашют раскрылся на минуту позже, чем планировалось, заставив ученых изрядно понервничать. Вообще-то парашют мог и вовсе не сработать, поскольку акселерометр, который должен был активировать открытие парашюта, был установлен задом наперед, и что именно заставило парашют в конечном итоге открыться, остается загадкой. После открытия парашюта зонд спустился еще на 156 км в атмосферу Юпитера. В течение часа он передавал на Землю данные телеметрии, которые дают нам картину химически разнообразного, неспокойного, пребывающего в постоянном движении мира.

В конце концов зонд погрузился во внутренние области атмосферы и разрушился под воздействием высокой температуры и давления: сначала расплавился парашют, затем началось свободное падение в глубины планеты. Поскольку у Юпитера нет твердой поверхности, части аппарата одна за другой постепенно плавились и испарялись, пока наконец его отдельные атомы не смешались со слоем жидкого металлического водорода в ядре Юпитера.

Юпитер по курсу!

«Галилео» вышел на орбиту Юпитера 8 декабря, на следующий день после героического самопожертвования спускаемого аппарата. Хотя «Галилео» находился на орбите Юпитера, близость к Ио, Европе, Ганимеду и Каллисто позволила ему несколько раз проходить на рекордно малом расстоянии от спутников. За восемь лет «Галилео» 35 раз облетел вокруг Юпитера и 11 раз сближался с Европой (и это еще очень немного, если учесть, сколько всего нового мы узнали). Вероятно, самым важным инструментом из всех, имевшихся на борту «Галилео», был магнитометр — два набора детекторов, расположенных на 11-метровой выносной ферме, чтобы изолировать их от магнитного поля самого аппарата‹‹3››. Этот прибор был создан для исследования обширного магнитного поля Юпитера — второго по величине после солнечного, — которое генерируется циркуляцией металлического водорода в его внешнем ядре.

Однако никто не ожидал, что магнитное поле Юпитера будет в свою очередь создавать (правильнее было бы говорить «индуцировать») магнитное поле внутри самих Галилеевых спутников. Больше всех удивила Европа. Хотя она относительно велика для спутника (чуть меньше Луны), ее недра должны были давно застыть, превратившись в камень. Открытие «Галилео» было в равной степени неожиданно и эффектно: Европа обладает слабым магнитным полем. Если сопоставить следующие три факта — магнитное поле Европы меняет свое направление каждые 11 часов; Юпитер совершает оборот вокруг оси за 11 часов; и сама Европа совершает оборот вокруг своей оси за 3,55 земных суток, — то можно прийти к однозначному выводу, что магнитное поле не присуще самой Европе, а индуцировано Юпитером. Это означает, что на Европе есть слой с хорошей электропроводностью. В случае планет таким электропроводным слоем может быть жидкое металлическое ядро. Но что может служить проводником на Европе, на что оказывает воздействие магнитное поле Юпитера? Оказалось, что там есть жидкая вода.

Гладкая ледяная кора Европы стала первым намеком, заставившим ученых заподозрить наличие на спутнике невидимых резервуаров жидкой воды, которые могут играть важную роль в формировании поверхности планеты. Измерения, выполненные с помощью магнитометра «Галилео», предоставили ученым беспрецедентную возможность заглянуть под ледяную кору и обнаружить там глобальный океан глубиной до 100 км. Более того, ученым известно, что вода, не содержащая примесей, относительно плохо проводит электрический ток, и для генерации магнитного поля наблюдаемой величины необходимо, чтобы вода была соленой. В свою очередь, соленость океана зависит от типа растворенных в воде солей. У нас есть все основания полагать, что океан на Европе такой же соленый, как на Земле, или даже более того.

О каком количестве жидкой воды мы говорим, когда речь идет о Европе? Если ее океан действительно такой глубокий, как показывают измерения магнитометра «Галилео», общий объем воды на Европе приблизительно в два раза больше, чем на Земле. Удивительно сознавать, что один небольшой спутник, меньший, чем Луна, содержит больше воды, чем вся наша планета. Если какое-либо открытие и должно заставить нас задуматься, так это то, что это ледяное тело и его дальние родственники, обращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна, возможно, содержат главные запасы жидкой воды в Солнечной системе.

Но, прежде чем мы начнем рассуждать о перспективах существования жизни на этих спутниках, полагаю, нам стоило бы остановиться и проверить, не помутился ли наш разум. Мы знаем, что поверхность Европы состоит из воды — мы можем судить об этом на основании отчетливых линий поглощения, свойственных воде в спектре отраженного солнечного света. Однако средняя температура на поверхности Европы на экваторе составляет –160 °C, а на полюсах и вовсе –220 °C. Как может на Европе образовываться жидкая вода — не забудьте, что для этого нужна температура между 0 и 100 °C при «нормальном» давлении? Откуда берется энергия, чтобы произвести это тепло в ледяных глубинах внешней Солнечной системы?

Приливы, резонанс и энергия

В наше время, когда мы стремимся максимально использовать возобновляемые источники энергии, задумывались ли вы когда-нибудь, откуда берется энергия приливов? Приливы возникают потому, что гравитационное воздействие, которое оказывают на Землю Луна и Солнце, немного больше на обращенной к ним стороне планеты. Это, в свою очередь, вызывает еле заметную деформацию Земли, и она принимает форму эллипсоида. Поскольку вода пластичнее камня, водная оболочка вытягивается немного сильнее. Два прилива, которые мы наблюдаем каждый день, связаны с тем, что вращение Земли буквально заносит нас под ближайший к Луне и противоположный от нее горб океанской воды, которые следуют за движением Луны вокруг Земли.

Энергия, за счет которой образуются приливные горбы, — гравитационная, она возникает за счет движения Земли по орбите вокруг Солнца и движения Луны по орбите вокруг Земли. В результате радиусы орбит и Земли вокруг Солнца, и Луны вокруг Земли с течением времени увеличиваются на очень малую величину. Так что электрическая энергия, которой вы пользуетесь у себя дома и которая генерируется приливной электростанцией (если, скажем, вы живете рядом с устьем реки Ранс во Франции), в конечном итоге образуется за счет движения Земли и Луны.

Но какое отношение это имеет к Юпитеру и Галилеевым спутникам? В данном случае мы наблюдаем абсолютно тот же самый эффект: энергия приливов разогревает недра всех спутников. Ио, Европа и в меньшей степени Ганимед и Каллисто деформируются под воздействием гравитационного поля Юпитера. Существенное различие заключается в том, что орбиты Галилеевых спутников гораздо более вытянуты, чем орбита Луны. Это приводит к тому, что в каких-то точках своей орбиты они находятся ближе к Юпитеру, а в каких-то — дальше. Возникающие вследствие этого приливные деформации заставляют Ио сплющиваться и растягиваться, так что значение его экваториального диаметра изменяется почти на 100 м в течение тех 42 часов, за которые спутник совершает оборот вокруг Юпитера.

Чтобы проиллюстрировать этот процесс более наглядно, вообразите себе мяч для игры в сквош. Перед началом матча игроки специально сжимают мяч, чтобы увеличить его упругость. Энергия, затраченная на деформацию мяча, создает тепло, возникающее от трения между молекулами, входящими в состав резины. Точно так же периодическая деформация Галилеевых спутников Юпитера приводит к разогреву их твердых ядер. Но есть еще один момент, исключительно важный для поддержания приливного эффекта.

В системе, где у планеты есть один-единственный спутник, его орбита быстро становится круговой, поскольку гравитационные взаимодействия ее выравнивают. Но Галилеевы спутники находятся в орбитальном резонансе, и это означает, что под воздействием гравитационных сил их орбиты синхронизировались: за то время, что Ио совершает четыре оборота, Европа совершает два, а Ганимед — всего один‹‹4››. Время от времени эти небесные тела сближаются друг с другом, находясь в определенных точках своих орбит, и в этот момент система получает небольшой гравитационный толчок, благодаря которому сохраняется эллиптическая форма их орбит.

Откуда берется энергия? Как и Земля, Юпитер под действием приливных явлений замедляет вращение вокруг своей оси, а радиусы орбит Галилеевых спутников, как и орбита Луны, очень медленно увеличиваются. На что эта энергия расходуется? На работу приливных сил, которые разогревают недра Ио. В среднем на 1 м^2 поверхности Ио выделяется такое же количество теплоты, что и во всем Йеллоустонском национальном парке. Фактически Ио — горячая вулканическая зона размером с целый спутник.

Приливная энергия разогревает этот огненный котел, равно как и недра Европы и Ганимеда. Убывание геологической активности на спутниках с увеличением радиуса их орбит можно объяснить с помощью расчетов их приливных взаимодействий: величина силы тяготения, вызывающей приливы, уменьшается по мере увеличения расстояния до Юпитера. Каждый следующий спутник в свою очередь испытывает все меньший нагрев от приливных воздействий, и на его поверхности остается меньше следов внутренней геологической активности. Мы уже видели, что на Ио внутреннее трение превратило весь спутник в одну горячую зону, так что в таком случае мы можем ожидать на Европе? По всей видимости, тепловой энергии, сгенерированной приливным трением, на Европе достаточно, чтобы согреть целый океан, занимающий всю поверхность спутника. И только его внешние слои, наиболее удаленные от горячего ядра, лютый холод межпланетного пространства сковал толстым ледяным панцирем. Но, если на Ио приливной вулканизм провоцирует непрекращающуюся вулканическую деятельность, должны ли мы ожидать, что подобное же явление в немного смягченной форме присутствует на Европе? Можно ли предсказать там наличие подводных вулканов, разогреваемых гравитационной хваткой Юпитера, и какое это имеет значение для возможности существования жизни на этом удаленном спутнике?

Пламя в пучине

Вечером 15 февраля 1977 г. исследовательское судно «Кнорр» находилось в Тихом океане, приблизительно на полпути от побережья Эквадора до Галапагосских островов. Ученые на его борту стояли на пороге одного из самых важных открытий, имеющих отношение к жизни на Земле. Под ними на глубине 2,5 км под водой автоматический глубоководный аппарат ANGUS[13] осторожно перемещался у самого дна океана.

Геологи и океанографы надеялись отыскать глубоководный гидротермальный источник — место, где океанская вода проникает в океаническую кору, нагревается мантийным теплом, а затем выбрасывается на поверхность в виде струй перегретой воды. Хотя ранее предполагалось наличие таких образований в вулканически активных областях срединно-океанических хребтов, у ученых имелись только косвенные свидетельства их существования. Поздно вечером глубоководный аппарат передал данные об аномально высокой температуре в зоне абиссальных глубин. С первыми лучами солнца ANGUS спешно подняли на поверхность, и пленки с сериями по 300 кадров, сделанными во время 16-километрового ночного путешествия, были проявлены и изучены. Боб Баллард, участник многих океанографических экспедиций, в своей статье, опубликованной вскоре после этих событий, рассказывает, что было дальше: «На фотографии, сделанной всего за несколько секунд до температурной аномалии, видно лишь голую, свежую по виду лаву, но на следующих 13 кадрах (в течение которых продолжалась аномалия) потоки лавы усыпаны сотнями белых двустворчатых моллюсков. Это скопление — мне никогда раньше не случалось видеть такого количества моллюсков на большой глубине — быстро появилось из облака мутной синей воды и тут же исчезло из виду. На оставшихся 1500 фотографий дно опять было совершенно безжизненно».

В последующие два дня ученые предприняли несколько погружений на глубоководном обитаемом аппарате «Алвин», чтобы увидеть это место своими глазами. Сквозь трещины в морском дне к поверхности поднимались бурлящие струи черной воды. Вокруг этих поднимающихся вверх колонн воды рассыпано удивительное многообразие глубоководной жизни, прекрасно себя чувствующей там, где, в соответствии с догматами науки, должна быть безжизненная пустыня. Несомненно, в этот момент члены экспедиции пожалели, что среди них нет биологов. Через два года была организована биологическая экспедиция к глубоководному гидротермальному источнику. Именно там, столкнувшись с совершенно нам чуждой, хоть и, безусловно, земной окружающей средой, биологи начали понимать, насколько важны окажутся в будущем эти уникальные экосистемы. Хольгер Яннаш, участник экспедиции 1979 г., одним из первых сформулировал главные выводы из этого открытия: «Нас ошеломила мысль, что солнечная энергия, которая так важна для существования жизни на нашей планете, может быть заменена энергией земной — бактерии-хемолитотрофы выполняют функцию зеленых растений. Это совершенно новая концепция и, на мой взгляд, одно из главных биологических открытий XX в.».

Экстремофильные бактерии, обитающие в стенках гидротермальных источников, живут за счет химических реакций, извлекая энергию — в данном случае геохимическую, а не солнечную — из растворенных в горячей воде минералов. Бактериями питаются крохотные креветки, огромные двустворчатые моллюски и гигантские кроваво-красные кольчатые черви, а их, в свою очередь, поедают более крупные хищники, крабы и рыбы, обитающие на периферии, — и все это при полном отсутствии солнечного света. Тонкая нить, связывающая жизнь на Земле с энергией Солнца, была обрублена с открытием этой процветающей, абсолютно чуждой нам экосистемы — и после этого открытия астробиология никогда больше не будет прежней.

Потрясенные ученые сразу же обратили свои взоры на ледяные спутники Юпитера, где соленые океаны Европы приобрели новый смысл. Наличие в океанах Европы растворенных минеральных солей означает, что вода находится в постоянном контакте с горячими недрами спутника. Всесильный второй закон термодинамики требует, чтобы тепло, возникающее в результате приливного трения в ядре Европы, передавалось наружу, к ее холодной поверхности. Открытие гидротермальных источников показало, как может выглядеть геологическое взаимодействие между магматическими породами и океанами. Могут ли глубоководные биологические системы, подобные тем, что мы знаем на Земле, существовать вблизи гидротермальных источников Европы? Какие невообразимые обитатели глубин могут населять океаны этого далекого спутника?

Трудно переоценить, до какой степени открытие глубоководных гидротермальных источников на Земле изменило наши взгляды на возможность существования жизни во внешней Солнечной системе. Однако я бы хотел немного подробнее остановиться на этих фантастических мирах и обсудить с вами еще несколько открытий.

В 1979 г. высокие конические трубы, состоящие из минеральных отложений, были обнаружены на 21° с. ш., рядом c Калифорнийским заливом. И снова ученые, находящиеся в глубоководном аппарате «Алвин», с изумлением наблюдали, как из этих труб вырываются клубы чернильно-черной воды, похожей на дым из фабричных труб на заре индустриального мира. При контакте с водой, близкой к температуре замерзания, растворенные в перегретой воде минералы осаждаются, окрашивая воду в черный цвет. Когда ученые в первый раз поднесли термометр к вырывающейся из трубы струе, он просто расплавился‹‹5››, и только после того, как прибор был оснащен дополнительной термозащитой, удалось измерить температуру воды, оказавшуюся равной 350 °C. Представьте изумление ученых, которые в 1997 г. обнаружили в другом гидротермальном источнике вид архей под названием Pyrolobus fumarii, которые прекрасно себя чувствовали при температуре 113 °C. Высота самых больших из известных нам труб составляет около 61 м, и каждая из них ставит под сомнение наши прежние представления о происхождении жизни на Земле и возможности ее существования за пределами нашей планеты.

Подо льдом

Одно дело — воображать себе разнообразие инопланетной жизни, обитающей в океанах Европы. Совсем другое (и это еще мягко сказано) — проникнуть под ледяной панцирь, толщина которого может достигать 30 км. Но на Земле есть места, где мы можем потренироваться, прежде чем браться за эту задачу.

Приходилось ли вам когда-нибудь летать над бескрайними снежными пустынями Антарктиды на оснащенном радаром самолете С-130 «Геркулес»? Мне тоже не приходилось. Подозреваю, что, как и во многих других научных экспедициях, моменты, когда от красоты захватывает дух, перемежаются длинными периодами невыносимой скуки. В середине 1970-х гг. мы стали свидетелями одного из примеров научной самоотверженности, когда для сбора научных данных было проведено несколько сот полетов над континентом. Во время каждого рейса установленная под крылом самолета радарная система излучала направленные вниз радиоволны на частоте 60 МГц‹‹6››. В результате была получена трехмерная карта Антарктиды: радиолучи проникали глубоко под ледяной панцирь, позволяя составить представление о строении континента.

Холодный лед относительно прозрачен для радиоволн, за исключением границ разделов в слоях льда, где часть радиоизлучения отражается обратно к поверхности. Тщательный выбор временных параметров сигнала позволяет определить глубину пролегания каждой границы. Древний пласт льда выглядит как волнистые слои, похожие на покоробленные годовые кольца деревьев. Каменистое основание континента образует нечеткий слой. Подледные озера — большие объемы пресной воды, заключенные под постоянным ледяным покровом — дают ровное, гладкое как зеркало эхо радиосигнала.

Существование таких озер предсказывалось давно: несколько километров льда создают невообразимое давление, понижающее температуру, при которой вода может существовать в жидком виде. Если форма скального основания образует котловину или выемку, то вода там может сохраниться и даже образовать довольно большое по размеру озеро. Насколько большое, показывает пример озера Восток, которое расположено на глубине 4 км под Антарктическим ледяным щитом.

Площадь озера Восток составляет 15 000 км^2, а средняя глубина — более 400 м. Озеро Восток хоть и самое большое, но далеко не единственное подледное озеро, обнаруженное в глубинах Антарктического континента. При анализе слоев покрывающего его льда обнаружились слои, возраст которых составляет 4000 лет. Но поскольку ледяной щит Антарктиды постепенно стекает в океан и таким образом его слои обновляются, вполне может оказаться, что эти озера были изолированы от окружающего мира на протяжении значительно большего времени — до 25 млн лет. Полное отсутствие солнечного света, голые камни и лишь малая вероятность того, что в водах подледного озера могут присутствовать размытые минералы, — выжить в таких условиях действительно непростая задача.

Эта задача во многом похожа на ту, которую ставит перед живыми организмами Европа. И там и там подо льдом могут обнаружиться до сих пор неизвестные, но теоретически возможные уникальные экосистемы. Но даже на Земле не так просто пробурить 4 км льда и провести экологически безопасные исследования подледных вод, которые были изолированы от окружающего мира на протяжении целых геологических эпох‹‹7››. На каждом этапе необходимы предосторожности, но и за временем нужно следить. Неосмотрительно разбив лагерь на открытой всем ветрам ледовой равнине, вы со своей командой пытаетесь пробурить скважину горячей водой либо снабженным антифризом вращательным буром. Бесценное топливо быстро расходуется, и, когда вы дойдете до ледяных глубин, у вас останется топлива только на то, чтобы сохранить скважину в течение самое большее 48 часов.

Ученым удалось выполнить эту сложную и ответственную работу на двух таких озерах: американцам — на озере Уилланс, русским — на озере Восток. Что они обнаружили? Темные сумрачные миры потенциально богаты биологическим материалом, находящимся как в воде озера, так и в глубоком слое ила на дне. Первые пробы воды из этих озер были взяты в конце 2012 — начале 2013 г., и пока еще рано что-либо говорить о биохимической природе обнаруженных там живых организмов. Не исключено, что эти озера принесут не менее важные открытия, чем экосистемы гидротермальных источников. Но пока еще мы этого не знаем — определенно стоит следить за новостями.

Но, прежде чем вы перенесетесь мыслями из Антарктиды на Европу и задумаетесь о перспективах глубокого бурения льда на спутнике Юпитера, я вынужден буду спустить вас с небес на землю: мы даже не знаем, какова толщина ледяного покрова на Европе. На «Галилео» не было радара, способного проникать сквозь лед, подобного тому, что применялся в Антарктиде. Может быть, толщина ледяного панциря Европы составляет пару-тройку километров, а может — несколько десятков километров. Мы также не знаем о динамике этого льда. Обновляется ли он посредством механизма, подобного тектонике плит? Можно ли утверждать, что наблюдаемые нами трещины — это разрывы ледяной коры, в которых вода приближается к поверхности? Могут ли в самом ледяном панцире существовать заполненные водой полости, расположенные в относительной близости от поверхности?

Несмотря на теоретическую возможность обнаружить на Европе живые организмы, там есть еще очень много такого, о чем мы пока не знаем. Чтобы восполнить эти пробелы, следует отправить на Европу еще один зонд, снабженный соответствующим научным оборудованием.

По крайней мере одна космическая экспедиция уже «пакует снаряжение» и прибудет на Европу где-то в районе 2030 г. Проект JUICE[14] был выбран (и что еще более важно, профинансирован) ЕКА для следующей крупной миссии по изучению Солнечной системы. Его цена составляет €900 млн, и он находится на заключительной стадии планирования. Удастся ли этой миссии раскрыть секреты, скрытые под ледяным панцирем Европы, и обнаружить новую жизнь в пределах Солнечной системы? Скорее всего, нет. Справедливости ради надо отметить, что ученые довольно сдержанны в своих ожиданиях, JUICE должен будет сделать четкие снимки поверхности спутников Юпитера и с помощью радара проникнуть под их ледяной панцирь. Основная цель миссии JUICE — это Ганимед, а не Европа, с которой аппарат сблизится всего два раза на пути к Ганимеду. Такой маршрут выбран из чисто практических соображений: чтобы вывести спутник на орбиту Ганимеда, требуется меньше горючего, чем для его вывода на орбиту Европы. Поскольку дополнительное горючее означает дополнительный взлетный вес, а вес — это деньги, приходится с этим считаться.

Но как же насчет Европы — ледяного спутника, где, как мы знаем, может находиться теплый океан жидкой воды? НАСА рассматривает проект «Европа клипер» — миссию к системе Юпитер — Европа, за которую зонд 32 раза пролетит рядом с Европой. Как и на JUICE, на аппарате будут установлены камера высокого разрешения и радар, способный проникать под слой льда, что позволит составить карту поверхности и глубин ледяного панциря Европы. Почему выбор пал не на орбитальную станцию с простым посадочным модулем, который определил бы состав поверхностного льда и выяснил, из чего состоит эта розовато-коричневая пыль? Ответ прост: как всегда, все упирается в презренный металл — деньги. Найти средства на новые экспедиции очень трудно, поскольку у НАСА стоит в планах создание еще одного (очередного) марсохода. Даже в урезанном варианте проект «Европа клипер» все равно обойдется в $2 млрд. А если вы захотите оснастить орбитальную станцию хотя бы простейшим спускаемым зондом, бюджет придется увеличить вдвое. Так что именно национальным космическим агентствам и научным сообществам, которые их поддерживают, приходится решать, заслуживает ли объект (в данном случае Европа) такого внимания, чтобы ради нее отказаться от других исследовательских проектов.

Огненная смерть «Галилео»

Хотя сам Галилео Галилей избежал смерти на костре за свои астрономические «ереси», космическому зонду, носящему его имя, повезло в значительно меньшей степени. В 2003 г., успешно выполнив программу наблюдений, которая и по сей день остается наиболее полной, космический аппарат «Галилео» был намеренно направлен в атмосферу Юпитера на умопомрачительной скорости 174 000 км/ч. Невидимый с Земли, он совершил свой последний огненный спуск, разделив судьбу спускаемого зонда, сгинувшего в глубинах юпитерианской атмосферы десятью годами ранее.

Почему «Галилео» приговорили к намеренному разрушению? Ответ непосредственно связан с загрязнением спутников и планет Солнечной системы в результате человеческой деятельности и нашим желанием сохранить возможные места обитания жизни в их первозданном виде. Дело в том, что перед отправкой с Земли аппарат «Галилео» не был простерилизован, а значит, мог занести на спутники Юпитера земные бактерии. Поскольку мы уже знаем, что на Европе есть обширный подледный океан, было бы большой ошибкой позволить израсходовавшему горючее «Галилео» разбиться о поверхность спутника и выпустить потрясенных и взбудораженных, но все еще живых бактериальных космических путешественников в новый мир Европы.

Многие бактерии могут погибнуть сразу по прибытии, поскольку они не приспособлены для жизни в таких суровых условиях (хотя и немногим лучше тех, что были в дороге). Но выжившие получат доступ в океан Европы и смогут затем свободно перемещаться в хрупкой, первозданной экосистеме, что навсегда изменит биологическую картину еще до того, как мы начнем целенаправленный поиск живых организмов. В конечном итоге риск, предположительно, был невелик, но последствия могли оказаться очень серьезными, поэтому стареющий «Галилео» отправили в последний путь. Любознательность не изменила «Галилео» до самого конца: он выполнил орбитальный маневр, приблизившись к одному из малоизученных внутренних спутников Юпитера — Амальтее, что позволило произвести точные измерения его массы, а уже потом завершил свой путь, спустившись по прощальной дуге к Юпитеру.

Такие бактериальные «безбилетники» — пример так называемой техногенной панспермии, и случай с «Галилео» показывает, почему ее следует избегать: будет обидно, если первым живым организмом, обнаруженным за пределами нашей планеты, окажется нелегальный иммигрант с Земли.

Может показаться, что опасность техногенной панспермии в значительно большей степени угрожает Марсу, чем Европе, особенно с учетом значительного количества автоматических станций, доставленных на его поверхность. Перед полетом на Марс современные космические аппараты подвергаются тщательной очистке, после которой они (уже чистенькие и продезинфицированные) считаются готовыми к отправке на Красную планету. Так ли это необходимо с учетом того, какое количество нестерилизованных космических аппаратов мы отправили туда в прошлом, а также того, что за миллиарды лет большое количество населенных бактериями земных пород были выброшены в космос в результате метеоритных ударов и в конце концов оказались на Марсе? Наверно, когда речь идет об изучении Марса, замечания агрессивного меньшинства вполне резонны. Но если вспомнить множество случаев, когда человечество оставляло грязные следы‹‹8›› на вновь открытых землях, наверно, можно хотя бы раз позволить себе излишнюю предосторожность.

Теперь, когда мы осведомлены о возможности техногенной панспермии, уже не требуется особая проницательность, чтобы догадаться об опасности обратного загрязнения, т. е. занесения на Землю чужеродных жизненных форм, ставшей причиной многих бессонных ночей офицеров планетарной защиты НАСА. За все это время мы четырежды доставляли на Землю образцы материи из Солнечной системы: пробы лунного грунта, доставленные американскими астронавтами и советскими автоматическими станциями, образцы вещества кометы Вильда 2, доставленные аппаратом «Стардаст», и образцы с астероида 25143 Итокава, доставленные миссией зонда «Хаябуса».

Для защиты Земли от возможного загрязнения применялись различные методы: образцы горных пород, собранные миссией «Аполлона», хранились в контейнере с тремя слоями герметичной упаковки. Капсула зонда «Стардаст» была спущена на парашюте и приземлилась рядом с американской военной базой, откуда ее доставили в космический центр имени Линдона Джонсона в ходе секретной операции, напоминающей леденящие душу сцены из фильма «Штамм Андромеда». Возвращаемая капсула зонда «Хаябуса» была помещена в два пластиковых мешка, заполненных азотом. В каком-то смысле все эти предосторожности были напрасны, поскольку образцы были взяты из таких мест, где никак не ожидалось встретить какую-либо форму жизнедеятельности‹‹9››.

Но как быть со следующим поколением экспедиций по доставке образцов (с Марса и спутников Юпитера и Сатурна), которые мы хотим получить именно потому, что, по нашим оценкам, в этих местах возможно существование внеземной жизни? Первая же экспедиция по доставке потенциального биологического материала из других миров на Землю столкнется с заградительной ценой на строительство специального центра для обработки и хранения образцов, отвечающего самым высоким стандартам биобезопасности.

На самом деле, если вспомнить, сколько раз земные бактерии преподносили нам сюрпризы (например, пробирались в считавшиеся стерильными чистые помещения), мы даже не представляем, какие меры предосторожности нам следует принимать. Достаточно ли безопасно перевозить образцы с места посадки космического аппарата в герметичном контейнере или карантинные меры должны быть еще строже? Постройка такого центра с нуля поглотит значительную часть выделенных на экспедицию средств. Этот вопрос слишком важен, чтобы им можно было пренебречь, но при этом требует слишком много средств, чтобы их можно было безболезненно найти (по крайней мере, если речь идет о финансировании какой-то одной миссии, пусть даже и очень большой).

Решение напрашивается само собой. Сколько центров обработки образцов нам потребуется в ближайшем будущем с учетом наших планов исследования Солнечной системы? Вероятно, один. Есть ли различия в условиях хранения образцов, собранных на Марсе или, скажем, Европе, и надо ли учитывать их при проектировании центра? По-видимому, нет. Должны ли национальные аэрокосмические агентства совместно договориться о строительстве такого центра? Думаю, вы уже догадываетесь, каким будет мой ответ.

Вероятно, вы уже осознали, что, даже если у вас есть отвечающий стандартам безопасности центр хранения, вам по-прежнему необходим надежный метод доставки ваших образцов до его дверей (имеется в виду с околоземной орбиты посредством входа в атмосферу и управляемое приземление). С учетом тех мер предосторожности, которые предпринимаются (и на этот счет есть строгие правила) при доставке людей на околоземную орбиту и спуске с нее обратно на Землю, следует ли нам подходить к тщательно запакованным контейнерам с образцами с теми же требованиями, которые мы применяем к астронавтам? Какой уровень риска тут допустим? Еще раз повторю, что для решения этого вопроса необходимо, чтобы национальные космические агентства объединили свои интеллектуальные (и финансовые) усилия, что позволило бы обеспечить грядущие экспедиции по доставке внеземных образцов необходимой инфраструктурой здесь, на Земле.

Чудо Энцелада

Возможно, я был слишком строг к вам в этой главе. Европа вполне может служить местом обитания внеземной жизни. Там много воды, поступает тепло от приливной энергии, и, как в любом другом месте Солнечной системы, присутствует множество органических соединений. Но я почти сразу разбил ваши надежды, описав, как трудно будет туда добраться, проникнуть под лед и обнаружить внеземную экосистему, не говоря уже о том, каких денег это будет стоить. Но сейчас я хочу вас подбодрить, и поэтому речь пойдет об Энцеладе.

Энцелад — это крошечный спутник Сатурна, его масса составляет менее четверти процента от массы Европы, а по размерам он меньше в шесть раз. Как и у его более крупной юпитерианской сестры, поверхность Энцелада состоит из чистого водяного льда. Орбита Энцелада проходит относительно близко к Сатурну, рядом с внешним краем главных колец, знакомых всем, кто любит наблюдать звездное небо. Чудо, упомянутое в подзаголовке, — можно сказать, «удивительное явление», если вам так больше нравится, — заключается в том, что на таком маленьком спутнике присутствует ярко выраженная геологическая активность.

В 2005 г. астрономы, просматривавшие свежие снимки, сделанные зондом «Кассини», обнаружили фонтаны гейзеров, извергающихся из южной полярной области Энцелада. «Кассини» даже пролетел сквозь струи этих фонтанов во время своего сближения со спутником и сделал анализ извергающегося вещества при помощи находившегося на борту масс-спектрометра. Струя оказалась смесью соленой воды — раствора старого доброго хлорида натрия — и водяного пара, а также множества различных органических веществ. Выходит, что эта крохотная «луна» — водный мир с подповерхностным океаном, как на Европе? Очень на это похоже. На ледяной поверхности Энцелада можно заметить как старые испещренные кратерами участки, так и молодые девственно чистые области. Приливное трение, которое этот спутник испытывает на орбите Сатурна, по силе равно тому, что имеет место на Европе, а небольшие изменения траектории «Кассини» во время его обращения вокруг Энцелада связаны с тем, что под его Южным полюсом находится региональный океан глубиной 10 км.

Продолжающаяся успешная работа зонда «Кассини» — первоначально планировалось, что миссия продлится до 2008 г., — позволила нам провести детальное обследование тех районов, где расположены гейзеры. В 2014 г. результаты этих целенаправленных наблюдений подтвердили существование 101 отдельного гейзера, расположенного в трещинах поверхности — так называемых «тигровых полосках» рядом с Южным полюсом. По всей видимости, трещины в ледяном панцире возникают в результате деформации Энцелада под воздействием приливных сил во время его обращения по орбите Сатурна, которое длится 31 час. Источник тепла в «тигровых полосках» сам по себе дает нам убедительный ключ к разгадке: фонтаны приводятся в действие не приливными взаимодействиями, энергия освобождается по мере того, как жидкая вода, поднимающаяся по трещинам из глубинного океана, замерзает на стенах разломов рядом с поверхностью. Остальное — примерно 200 кг материи в секунду — извергается в форме ледяного пара и водяных кристаллов и служит источником вещества для разреженного, хотя и гигантского кольца Е Сатурна.

Это именно то, что мы искали, — ледяной спутник с подповерхностным жидким океаном, богатым солью и органическими соединениями. Энцелад с неожиданным энтузиазмом распыляет свое вещество в космос, что дает пролетающим мимо астробиологам возможность собрать образцы шлейфа и доставить их на Землю, где тайный внутренний мир этой ледяной «луны» может быть изучен до мельчайших подробностей в комфортных лабораторных условиях. И это не фантазии или гипотезы. Возможность опосредованно поплавать в подповерхностном океане Энцелада, которую мы получили благодаря этим небесным гейзерам, совершенно реальна и слишком соблазнительна, чтобы ею пренебречь.

Следуй за фонтаном

Как мы это сделаем — отправимся к Сатурну, приблизимся к Энцеладу, захватим частицы вещества из создаваемой фонтанами ледяной дымки и благополучно вернем их на Землю? Насколько осуществима такая грандиозная затея? При всей очевидной дерзости этого плана не надо забывать, что нам уже удалось успешно осуществить все элементы возможной экспедиции к Энцеладу: многократное осуществление гравитационного маневра в пределах внутренней Солнечной системы разогнало «Галилео» и «Кассини» до таких скоростей, которые позволили им в самое короткое время достичь, соответственно, Юпитера и Сатурна.

Когда космический аппарат приблизится к Энцеладу, аэрогель — материал, обладающий очень низкой плотностью, специально разработанный для космических зондов «Стардаст» и «Хаябуса», — может задержать ледяные частицы и газы, вырывающиеся из гейзеров. Хотя гейзеры выглядят впечатляюще, на самом деле потоки частиц очень разрежены — как правило, на 1 м^3 на высоте 80 км над поверхностью Энцелада приходится лишь одна микроскопическая частичка вещества. Чтобы получить достаточно материала для исследований, желательно совершить несколько пролетов на близком расстоянии от спутника со стороны Южного полюса.

Хотя и «Стардаст», и «Хаябуса» успешно доставили образцы на Землю, ни один из космических аппаратов не делал это на таких высоких скоростях, на каких будет происходить возвращение от Сатурна и вдобавок с потенциально опасным биологически активным грузом на борту. «Стардаст» вернулся на Землю на скорости, превышающей 6 км/с, «Хаябуса» — 12 км/с. Возвращение от Энцелада будет происходить на скорости от 16 до 18 км/с. Поскольку кинетическая энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, то космический корабль, возвращающийся с Энцелада, должен будет сжечь в атмосфере в 2–9 раз больше энергии, чем «Стардаст» или «Хаябуса».

Полный пакет представлен как «Низкобюджетная миссия по доставке образцов с Энцелада»‹‹10››. Запуск должен состояться в 2021 г., а прибытие к Сатурну — восемью годами позже, после нескольких гравитационных маневров, аналогичных тем, что выполнил зонд «Галилео» 30 лет назад. Зонд проведет два года в окрестностях Сатурна, аккуратно маневрируя, чтобы его орбита проходила через выбросы гейзеров. Обратный путь — спуск по гравитационной горке в сторону Солнца — космический аппарат преодолеет за 4,5 года, и, наконец, в 2037 г. уникальные образцы будут доставлены на Землю.

Можем мы это сделать? Да, конечно! Но подождите — во сколько мне обойдется это дерзновенное начинание? В настоящее время в НАСА «Низкобюджетная миссия по доставке образцов с Энцелада» считается миссией исследовательского класса, а это означает, что ее стоимость составит где-то около $500 млн. Но такой бюджет не покрывает всех необходимых затрат: НАСА придется искать средства на выведение зонда на орбиту и плюс еще на источник энергии, способный проработать 17 лет в условиях глубокого космоса, — трудная, долгосрочная задача.

И наконец, остаются нерешенными проблемы, связанные с доставкой образцов: это и спуск с околоземной орбиты, и перевозка по Земле. Ученые, работающие над созданием миссии к Энцеладу, выяснили, могут ли живые организмы выжить после столкновения извергнутых гейзерами частиц с аэрогелем или энергия столкновения настолько велика, что разорвет биологическую оболочку, оставив для изучения на Земле лишь химические составляющие. В таком случае, конечно, не пришлось бы следовать строгим протоколам планетарной защиты. Но такая миссия во многом будет бессмысленна: если космические агентства на самом деле заинтересованы в поисках внеземной жизни в Солнечной системе (а так оно и есть), тогда им действительно стоит скинуться и построить специализированный центр для хранения доставленных на Землю образцов. Остается только надеяться, что миссия по доставке образцов с Энцелада может подтолкнуть их к принятию этого важного и необходимого решения.

Следует признать: все это выглядит довольно убедительно и в высшей степени реально. Сделал бы я экспедицию по доставке образцов с Энцелада своим главным приоритетом? Скажем так: это одна из важнейших задач (хотя я не рассказал еще о нескольких важных моментах, о которых речь пойдет позже). Но в любом случае, я надеюсь, что в следующий раз, когда вы будете наблюдать Юпитер или Сатурн — невооруженным глазом или в телескоп, — вас порадует мысль, что среди их небесной свиты есть спутники, обладающие океанами теплой соленой воды. И эти океаны по большому счету мало отличаются от той теплой соленой воды, что составляет вещество наших клеток и которую мы храним как химическую память о нашем происхождении. Нам еще предстоит ответить на вопрос, есть ли у ледяных спутников Юпитера собственная биологическая история. Но одним лишь фактом своего существования эти спутники и их океаны говорят нам, что в Солнечной системе за пределами Земли гораздо больше возможных мест обитания жизни, чем мы осмеливались предположить.

Глава 7. Титан — гигантский завод органических химических веществ

Почему в нашем рассказе о поиске жизни во Вселенной Титану уделена целая глава? На самом деле, дочитав до этого места, вы, должно быть, недоумеваете — вообще-то, не без оснований, — почему мы еще не вышли за пределы Солнечной системы? Когда же мы перейдем к новым звездным системам, новым планетам, новой жизни? Пожалуйста, не говорите, что это очередная книга «о жизни во Вселенной», где речь идет лишь о Солнечной системе, а про все самое увлекательное, о чем бы так хотелось узнать, не упоминается. Нет, конечно же нет, можете не волноваться. Но спасибо, что вы все еще терпеливо читаете и не откладываете книгу.

Итак, почему же Титан? Почему он входит в первую пятерку? Самый простой ответ — на нем присутствуют все оговоренные нами условия для существования жизни, правда с одним очень важным отличием. Этот крупный спутник — первый из обнаруженных спутников Сатурна — превышает размерами Меркурий и только немного уступает Ганимеду. Он обладает атмосферой, которая плотнее земной, но не такая горячая и токсичная, как венерианская. Сказать, что там присутствует множество органических соединений, — это ничего не сказать. Титан — гигантский химический завод Солнечной системы, производящий множество сложных органических веществ. Там даже есть резервуары с жидкостью в стабильном состоянии — это озера и реки, текущие по поверхности, а не запрятанные глубоко под непроницаемым ледяным панцирем.

Так в чем же подвох? Там холодно. Очень холодно: –180 °C. Слишком холодно для существования жидкой воды, но, как сказала бы Златовласка, как раз впору для жидкого метана и этана. Это и есть важное отличие. Вся основанная на воде химия живых существ, которая служит основой для жизни на Земле, совершенно не подходит для углеводородных морей. Однако в наличии имеется все необходимое для жизни: жидкость, энергия и органика. Если здесь когда-нибудь обнаружат жизнь, то она будет совершенно не похожа на земную, поскольку построена на других химических принципах. Вот почему Титан имеет такое большое значение, и я хочу, чтобы мы там побывали.

Сквозь тьму анаграммы

Христиан Гюйгенс открыл Титан в 1655 г., через 45 лет после того, как Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера. Гюйгенс использовал тот же метод, что и Галилей: повторял наблюдения за движением спутника по орбите Сатурна, что позволило ему оценить период его обращения в 16 суток и 4 часа (современное уточненное значение всего лишь на 6 часов меньше). И Христиан Гюйгенс, и его брат Константин были искусными шлифовщиками линз, и их телескоп длиной 3 м давал 50-кратное увеличение — в 5 раз больше по сравнению с тем, что использовал Галилей в своих наблюдениях Юпитера.

Способ, которым Гюйгенс объявил о своем открытии, — пример того, как шутили ученые в XVII в. Летом 1655 г. он разослал своим коллегам следующую анаграмму: Admovere oculis distantia sidera nostris, vvvvvvv ccc rr h n b q x‹‹1››. И только на следующий год — по-видимому, когда он окончательно убедился в своем открытии — он выпустил памфлет, в котором расшифровал смысл анаграммы: Saturno luna sua circunducitur diebus sexdecim horis quatuor, что, как уже догадались те из вас, кто получил классическое образование, означает: «Спутник обращается вокруг Сатурна за 16 дней и 4 часа». К несчастью, ученые больше не составляют анаграмм для своих коллег, чтобы закрепить за собой право первенства на новые открытия. Сейчас для этой цели используются специальные серверы, куда авторы выкладывают краткое изложение уже переданных в печать, но еще не опубликованных статей, — способ, конечно, эффективный, но начисто лишенный романтики.

Туманная дымка Титана

До полета «Вояджера-1» 12 ноября 1979 г. Титан был загадочным телом, окутанным оранжевой дымкой, — мы ничего не знали о его поверхности. И даже после пролета «Вояджера-1» положение почти не изменилось — про его поверхность мы не узнали ничего нового. Но зато «Вояджер» позволил нам разглядеть во всех подробностях саму эту плотную, туманную атмосферу.

Атмосфера Титана почти полностью состоит из азота — 95 % от общей массы — в форме N_2. Оставшиеся 5 % почти целиком составляет метан — CH_4. Но самое интересное — молекулярный водород, H_2, и множество разнообразных углеводородов: от самых простых, которые мы можем распознать по их отчетливым спектральным линиям в спектре излучения, до невероятной путаницы органических молекул, обладающих такими сложными спектральными характеристиками, что невозможно установить их формулу.

«Вояджер» выявил, что в атмосфере Титана постоянно присутствуют туманы, а облака относительно редки. Туманные верхние слои атмосферы подобны земному углеводородному смогу. Этот смог состоит в основном из микроскопических частиц, которые Карл Саган и Бишун Харе окрестили толинами‹‹2››, представляющими собой смесь органических молекул. Эти частицы настолько легки, что остаются распыленными в атмосфере и не оседают на поверхность.

Самая удивительная особенность атмосферы Титана — это ее масштабы. В целом масса этой атмосферы на 20 % больше земной. Но сила тяжести на поверхности Титана составляет лишь 14 % от силы тяжести на Земле, и в результате его атмосфера очень разреженная и протяженная. С учетом массы атмосферы Титана и силы тяжести на его поверхности получим, что атмосферное давление на Титане приблизительно в полтора раза выше, чем на Земле. А значит, вы сможете ходить по его поверхности без космического скафандра, хотя, конечно, вам потребуются теплая одежда и кислородная маска.

Самые проницательные из вас могут поинтересоваться, каким образом Титан удерживает свою атмосферу несмотря на воздействие заряженных частиц солнечного ветра, обладающих высокой энергией. Это действительно хороший вопрос — у Титана нет своего магнитного поля. Но его орбита по большей части проходит в пределах магнитного поля его родителя — Сатурна, которое препятствует сдуванию атмосферы Титана солнечным ветром. Другая возможность пополнения атмосферы Титана — низкотемпературный вулканизм (криовулканизм), при котором на поверхность извергается метан и другие газы.

Что служит источником энергии для завораживающих и в значительной степени малоизученных химических процессов в атмосфере Титана? Конечно же, Солнце. В атмосфере Титана активно идут различные фотохимические процессы. Хотя на каждый квадратный метр поверхности Титана приходится гораздо меньше фотонов, чем попадает на поверхность Земли, энергия фотонов в обоих случаях одинакова‹‹3››. Солнечные фотоны, бомбардирующие верхние слои атмосферы Титана, обладают достаточной энергией, чтобы вызвать разложение (фотодиссоциацию) метана. Фрагменты молекул впоследствии присоединяют атомы водорода, азота и других элементов, образуя более сложные органические соединения.

Незнакомый новый мир

Только в 2004 г., когда космический аппарат «Кассини» прибыл к Титану и высадил на поверхность спускаемый аппарат «Гюйгенс», мы поняли, с каким удивительным новым миром мы столкнулись.

Зонд «Гюйгенс» — небольшой стационарный посадочный модуль — был спущен на поверхность Титана на парашюте и совершил посадку 14 января 2005 г. Во время спуска «Гюйгенс» воспользовался своим выгодным положением, чтобы получить изображение ранее невиданной поверхности. Его взгляду предстали невысокие бледные холмы из твердого как камень, водяного льда, изрезанные несметным числом темных, извилистых каналов. Про посадочный модуль «Гюйгенс» можно сказать, что он не столько сел, сколько шлепнулся на поверхность спутника‹‹4››. Он сделал несколько завораживающих снимков окружающего ландшафта: равнины, покрытой густой органической жижей, пересыпанной небольшими булыжниками из водяного льда. Хотя батареи «Гюйгенса» продержались в условиях экстремального холода всего 90 минут, эта экспедиция стала прорывом в изучении Солнечной системы: в первый раз в истории космический аппарат пересек пояс астероидов и совершил посадку на спутник во внешней Солнечной системе.

За последнее десятилетие «Кассини» совершил более сотни пролетов на небольшом расстоянии от Титана. Хотя дымка в атмосфере Титана поглощает излучение как в оптическом, так и в инфракрасном диапазоне, она полностью проницаема для радиоволн. Это обстоятельство позволило «Кассини» сделать четкие радарные снимки поверхности Титана. Подобно тому как выкашивают полосы на лужайке, за каждый пролет «Кассини» снимал только узкую полоску поверхности, но даже при таком ограничении «Кассини» удалось отснять около 50 % общей площади Титана. На этих снимках видно, что большие области поверхности представляют собой гладкие как зеркало равнины. Как мы уже видели на примере антарктического ледяного панциря, это указывает на наличие жидкости, но в данном случае с учетом температуры и состава атмосферы это не вода, а скорее метан или этан.

Кроме того, радарные снимки дают беспрецедентную возможность заглянуть внутрь самих озер: слабое затухание радиосигнала по мере проникновения в слои жидкости — методика, известная как радиолокационная батиметрия — показало, что озера на Титане существенно отличаются друг от друга. Некоторые из них просто мелкие котловины от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров глубиной. Другие, такие как море Лигеи, по величине не уступают Великим озерам в Северной Америке, а их глубины достигают 170 м‹‹5››. Наконец в 2009 г. эти озера предстали во всей своей красе, когда зонду «Кассини», оснащенному картирующим спектрометром видимого и инфракрасного диапазона, удалось заснять отблеск солнечных лучей на их поверхности. Такие зеркальные отражения — подобные блеску солнечных лучей на поверхности земных морей и озер — служат бесспорным свидетельством существования больших резервуаров жидкости на поверхности Титана.

После неожиданного открытия озер последовали новые радарные снимки, на которых были видны реки из метана и этана, а также обширные равнины, очевидно покрытые высокими дюнами из органического песка. Наличие рек — дренажных каналов — согласуется с анализом температур и давления в атмосфере Титана, согласно которому метан должен испаряться из озер во влажные нижние слои атмосферы и выпадать на поверхность в виде осадков. Другими словами, в атмосфере Титана существует аналог земного гидрологического цикла, только роль воды в нем выполняет метан.

Титан — это мир, которому нет подобных. Но чем больше ученые узнают о нем, тем очевиднее становится, что если и стоит говорить о сходстве с каким-нибудь другим миром в Солнечной системе, то по своему химическому составу и физическим процессам Титан больше всего напоминает Землю. Но не сегодняшнюю, а раннюю Землю до возникновения жизни — мир Миллера — Юри, когда в атмосфере не было кислорода и легко синтезировались сложные органические вещества. Это довольно смелое утверждение, если довести его до логического завершения. Хотя мы не знаем точно, как на Земле зародилась жизнь, на сегодняшний момент считается, что она возникла естественным путем в результате проходивших на древней Земле химических процессов. Может ли современный Титан воспроизводить те древние химические условия? И если да, может ли он считаться главным претендентом на существование на нем жизни? Некоторые находят данное утверждение слишком уж смелым. По их мнению, такие факторы, как отсутствие жидкой воды (столь необходимой для земной жизни) и низкие (по сравнению с земными) температуры, являются непреодолимыми препятствиями для возникновения биохимии.

Но этими различиями во мнениях и сопутствующими им сомнениями в безальтернативности наших земных представлений о биохимии и объясняется наш интерес к Титану. Титан заставляет нас взглянуть на мир по-другому, подвергнуть сомнению общепризнанные истины. Когда мы смотрим на земную жизнь с Титана, нам волей-неволей приходится пересмотреть свои прежние взгляды. И это только к лучшему.

Уникальный Титан

В 2000 г. Питер Уорд и Дональд Браунли опубликовали революционную книгу «Уникальная Земля» (Rare Earth). В ней они рассмотрели основополагающие идеи астробиологии, а также цепь совпадений, случайностей и тонкой настройки Вселенной, которая привела к возникновению высокоразвитой жизни на нашей планете. Их главное утверждение состояло в том, что планеты, подобные Земле, населенные живыми существами вроде вас, встречаются исключительно редко. Более того, они допускали, что Земля может быть единственной среди множества обитаемых миров, населенных разнообразными примитивными формами жизни. Но в сознании читателей этой книги утверждения свелись к совершенно неправомерному выводу: «Земля уникальна, жизнь — большая редкость».

Крис Маккей, астроном, работающий в Исследовательском центре Эймса, подразделении НАСА, обыграл некоторые из этих ложных толкований, выступив с концепцией «Уникального Титана». Маккей вообразил астробиолога с Титана, рассуждающего о возможности существования жизни на Земле. Этот астробиолог утверждает, что странная сине-зеленая планета с океанами жидкой воды и насыщенной кислородом атмосферой должна быть абсолютно токсичной для любой формы жизни, биохимия которой сходна с титанианской. Более того, при таких высоких температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, большая часть основных молекул титанианской жизни разрушится. С учетом всего вышесказанного было бы ошибкой выбрать Землю в качестве следующей цели титанианской‹‹6›› астробиологической миссии. За этой шуткой стоит важная мысль о том, что нам необходимо избавиться от нашего эмоционального багажа, по крайней мере в той его части, которая касается необходимости воды и умеренных температур для существования жизни, если мы хотим сохранить непредвзятый подход к поискам и окончательному распознаванию хоть сколько-нибудь чуждой нам жизни.

Вода, спринцовка жизни

Так как нам избавиться от груза предрассудков, чтобы подготовиться к астробиологической экспедиции на Титан? Давайте начнем с воды.

Многие биологи выстроятся в очередь, чтобы рассказать вам о том, как важна вода для жизни на Земле. Но тут необходимо понять, является ли вода единственно возможной жидкостью для жизни или это просто одна из многих жидкостей, которые могут служить средой для развития жизни. В настоящее время мы этого не знаем главным образом потому, что еще до конца не изучили земную жизнь, не говоря уже о жизни вообще. Справедливости ради надо отметить, что многие астробиологи отдают себе в этом отчет, и поэтому дружный крик «Ищите воду!» часто сопровождается оговорками, что вода — это жидкость, используемая земной жизнью, единственной, какую мы на сегодня знаем. Поэтому я попробую на какое-то время отказаться от этой точки зрения. Вместо этого я расскажу вам о ситуациях, когда вода мешает существованию жизни и как жизнь либо как-то приспособилась к этому, либо просто притерпелась и живет себе дальше.

Вода — это образцовая полярная жидкость, хотя в данном случае термин «полярная» относится больше к химии, чем к географии. Поместите водород в молекулу с атомом, сильно притягивающим электроны, например с атомом кислорода, и окажется, что, хотя все атомы имеют общие электроны (и формируют таким образом, ковалентную связь), некоторым достается больше, а некоторым — меньше. Кислород получает львиную долю электронов, и в результате положительный и отрицательный заряды распределяются неравномерно, превращая молекулу в электрический диполь.

Там, где противоположные заряды притягиваются, они образуют слабые водородные связи, которые могут формироваться между полярными молекулами или даже внутри них. Водородные связи помогают другим полярным молекулам, таким как соли, белки или даже ДНК, растворяться в воде, что дает им возможность свободно перемещаться и реагировать с другими растворенными в воде химическими веществами. В этом смысле можно сказать, что вода «полезна» для жизни, поскольку земная жизнь использует для своей химии причудливую смесь солей и белков.

Но в отношениях воды и жизни есть и своя «темная сторона». Нуклеиновые основания, которые составляют нашу ДНК, имеют настораживающую тенденцию разрушаться в воде: полярные молекулы могут разрушить слабые ковалентные связи путем гидролиза. В результате для сохранения целостности генетического кода требуется регулярный ремонт ДНК. Полярная природа воды также затрудняет образование водородной связи, участвующей в фолдинге[15] белка. То, как каждый конкретный белок сворачивается в трехмерную структуру, играет критически важную роль в определении его биохимических свойств. Эти особенности не ставят непреодолимых препятствий на пути жизни, они больше похожи на крутые повороты, для прохождения которых требуются дополнительные химические усилия.

Многие ученые полагают, что возникновение жизни на Титане невозможно, поскольку имеющаяся там жидкая среда, скорее всего, состоит из смеси метана и этана, а молекулы обоих этих веществ неполярны. Многие полярные соли, белки и органические вещества, которые играют важную роль в жизнедеятельности земных организмов, нерастворимы в метане или этане. Вместо этого они будут выпадать в осадок и образовывать отложения на дне морей и озер. Но существует не меньшее количество органических веществ, которые растворяются в таких жидкостях, как метан и этан. Попробуйте спросить у тех, кто занимается органической химией, какую жидкость они используют в большинстве своих лабораторных экспериментов, и, скорее всего, они назовут не воду, а что-то другое. У тех химических соединений, которые хорошо растворяются в метане и этане, больше возможностей использовать слабые водородные связи, которые могут особенно хорошо подходить для низкотемпературных сред.

Может ли эта альтернативная, неполярная органическая химия стать основой внеземной жизни? Ответ, очевидно, положительный. Более важный вопрос — какие главнейшие биомолекулы нам следует искать? Чтобы найти на него ответ, нам следует отправиться на Титан и проанализировать содержимое колбы с жидкостью из небольшого холодного метанового пруда — титанианского аналога «небольшого теплого водоема», в котором Дарвин узрел зарождение земной жизни. Однако, как нам еще предстоит убедиться, на это потребуются гигантские средства (миллиарды и миллиарды) и несколько десятилетий упорного труда. А до тех пор какие черты Титана можем мы воспроизвести на Земле, чтобы заранее представить себе, с каким химическим и чисто гипотетически биохимическим окружением мы там столкнемся?

Златовласка на Титане

Может ли Титан оказаться «как раз впору» для жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем применить к нему те же теории, которые использовались для объяснения возникновения жизни на Земле. Возможно, самый результативный лабораторный опыт из всех, что применялись для моделирования химической картины ранней Земли, — это эксперимент Миллера — Юри.

Современные атмосферные условия на Титане не сильно отличаются от тех, которые, согласно нашим представлениям, существовали на Земле до возникновения жизни, и это главная причина, которая вызывает к нему такой интерес. Важные составляющие — это наличие водорода (который может отдавать электроны) и относительное отсутствие кислорода (который электроны притягивает). В атмосфере Титана, равно как и ранней Земли, водород — хороший восстановитель, отдающий свои электроны для синтеза новых органических веществ. Кислород — хороший окислитель, всегда стремится присоединить к себе электроны других атомов или молекул.

Так как же нам создать лабораторную модель Титана? Получить аналогичную по составу химическую смесь совсем не сложно — 95 % азота, незначительное количество метана и еще капелька угарного газа. Но откуда взять энергию для химических реакций? Поверхность Титана затемнена густой атмосферной дымкой — там нет ионизирующего излучения. Кроме того, по всей видимости, на Титане не бывает молний, которые могут стать искрой жизни, способной запустить химические реакции. Но верхние слои атмосферы — над дымкой — это среда, в которой протекают различные фотохимические процессы. Нам это известно, поскольку данные, полученные с помощью «Вояджера» и «Кассини», показали наличие побочных продуктов — по крайней мере самых простых, — возникающих в результате фотодиссоциации метана под воздействием фотонов солнечного света. Следовательно, перед нами стоит задача смоделировать верхние слои атмосферы Титана — сочетание крайне низкого давления и ионизирующего излучения — и проследить, чтобы интересующая нас химическая реакция происходила в разреженном газе, а не на стенках барокамеры‹‹7››.

Титанианская версия эксперимента отличается от оригинального эксперимента Стэнли Миллера одной очень важной деталью: в ней нет жидкости. Миллер и его последователи прогоняли органические вещества через колбу с жидкой водой, которая должна была выполнять функцию земных океанов. В нашей версии атмосферы Титана все реакции происходят в камере, заполненной преимущественно азотом. С учетом этих различий, которые могли быть решающими, каковы же оказались результаты «внеземной» версии эксперимента Миллера — Юри? Как ни странно, но, изменив состав смеси и приблизив условия эксперимента к условиям Титана, а не ранней Земли, мы не повлияли на полученный результат. В эксперименте Миллера — Юри, проведенном по титанианскому рецепту, синтезируются многие известные нам аминокислоты и азотистые основания.

Возможно, вы зададитесь вопросом, каким образом органические молекулы, синтезированные в верхних слоях атмосферы Титана, могут спуститься на поверхность и принять участие в потенциальном зарождении жизни. Честно говоря, мы этого не знаем. Самые интересные органические молекулы, возникшие в результате этого эксперимента, аминокислоты и азотистые основания, значительно тяжелее молекул, составляющих атмосферу веществ. В настоящее время мы предполагаем, что они будут диффундировать по направлению к поверхности. С физической точки зрения такое вполне возможно, однако в основе этой гипотезы лежит полное отсутствие каких-либо данных о динамике атмосферы Титана.

Так какое все это имеет значение для жизни на Титане? Возникновение одних и тех же аминокислот и азотистых оснований в опытах, моделирующих как Титан, так и древнюю Землю, возможно, говорит о том, что эти молекулы — общие промежуточные этапы на извилистых путях химических реакций, в которые вступают органические вещества в обеих средах. Хотя некоторые из этих аминокислот и азотистых оснований используются земной жизнью, крайне маловероятно, что жизнь на Титане выбрала именно их, поскольку данные органические вещества не растворяются в жидком метане и этане.

Возможно, мы не заметили каких-то очень важных молекул, появившихся в ходе нашего эксперимента, поскольку нам о них ничего не известно — наши взгляды на жизнь по-прежнему находятся под влиянием земной жизни и составляющих ее молекул. Но так или иначе мы можем сказать, что Титан — разнообразная, химически активная среда, во многом сходная с ранней Землей. Большинство современных ученых полагают, что жизнь на Земле зародилась именно в такой среде. Так что в этом смысле Титан «как раз впору» для жизни. Но не стоит забывать, что мы не знаем, в результате чего состояние «как раз впору» сменилось реальной жизнью. С учетом того, что мы знаем о проходящих на Титане интенсивных химических процессах, не исключена вероятность того, что он может служить местом, пригодным для жизни.

Слишком холодно для жизни?

Можно ли говорить, что на Титане слишком холодно для жизни? Можно ли исключить всякую возможность жизни на основании одной лишь низкой температуры? И здесь опять ответ будет отрицательным. Все дело в том, что энергию для жизни дает не температура — энергию для жизни дают химические реакции.

Да, действительно, с повышением температуры скорость химических реакций увеличивается. То, что мы ощущаем как температуру, в действительности лишь хаотичное движение частиц (атомов или молекул), из которых состоит данная конкретная среда. Повышение температуры означает увеличение скорости, а значит, уменьшение времени, которое проходит между столкновениями атомов или молекул между собой. Для этого состояния нет температурного предела. Если ваш образец имеет температуру 300 К (27 °C), он обладает в два раза большим количеством теплоты, чем тот же образец при температуре 150 К (–123 °C).

Вода, из которой вы и я преимущественно состоим, станет твердой как камень задолго до того, как ее температура достигнет этого предела, поэтому можно сказать, что ниже определенного значения температуры земная жизнь не может существовать, для нее это слишком холодно. Это верно, но только потому, что земная жизнь основана на воде. Выберите другую жидкую среду, к примеру аммиак, метан или этан, и нижняя граница температуры, при которой возможна жизнь, опускается. Вам придется подобрать другие органические вещества, которые подходили бы для этой формы жизни, но большая часть органической химии по-прежнему будет в вашем распоряжении. Вы можете также раздвинуть границы земной жизни, смешав антифриз с небольшим количеством воды, и посмотреть, будет ли ферментная химия, используемая всеми живыми существами на Земле, работать по-прежнему. Как выяснилось, будет вплоть до температуры −100 °C. В целом, хотя низкие температуры отразятся на скорости протекания возможных биохимических реакций, они не помешают их осуществлению.

Если мы откажемся от землецентрической точки зрения, что температура от 0 до 100 °C «лучше всего» подходит для жизни, то обнаружим, что при более низких температурах жизнь обладает определенными преимуществами. Например, органическая химия Титана может использовать водородные связи (которые слабее ковалентных) для образования более широкого диапазона стабильных химических соединений, чем это возможно при более высоких температурах. Низкотемпературная титанианская жизнь марширует под более медленный ритм, чем теплолюбивая земная, однако, поскольку условия на Титане стабильны, это не помешает ей преодолеть как добиологическую часть пути, так и собственно возникновение жизни.

Неудобная правда

Самое трудное в обнаружении жизни на Титане — это придумать способ ее распознать. Даже на Земле ученые, представляющие различные дисциплины, не могут выработать единого определения жизни.

Вместо того чтобы рассматривать различные определения, применяемые зоологами, ботаниками, химиками, молекулярными биологами и прочими, давайте сосредоточимся на астробиологах. Давайте вспомним, какие методы применяли астробиологи ранее, когда пытались обнаружить признаки жизни, как, например, в случае экспедиции «Викинга» или изучения ALH84001. Каждая группа ученых использовала какое-то конкретное определение жизни, и при планировании экспериментов или проведении анализов они стремились проверить соответствие образцов именно этим гипотезам.

Начнем с «Викинга». В экспериментах, осуществленных в рамках биологической программы экспедиции «Викинга», питательные вещества добавлялись к образцам марсианского грунта при различных условиях. Во время планирования миссии ученые решили, что, если в ходе эксперимента будет зафиксировано выделение газов, это можно будет считать надежным показателем метаболической активности марсианских микробов. В данном случае определение жизни было: «Во мне идут процессы обмена веществ — значит, я существую». А как же тогда ALH84001? Ученые искали микроскопические — точнее, наноскопические — физические структуры, в которых можно было бы распознать окаменевшие клетки. В этом случае определением жизни было: «Я организуюсь — значит, я существую».

Итак, если мы полетим на Титан — давайте предположим, что это будет автоматическая миссия, — каким должно быть наше рабочее определение жизни? Мы пришли к заключению, что нам больше всего подходит определение жизни как самоподдерживающейся химической системы, подверженной дарвиновскому отбору. С учетом этого определения что мы будем искать и какие опыты будем проделывать?

Один из главных сторонников этого эволюционно ориентированного поиска жизни — Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции. Он полагает, что три самые важные молекулы, которые использует земная жизнь, — ДНК (хранилище генетической информации), РНК (осуществляющая транспортную и строительную функцию) и белки (отвечающие за работу всей системы). Более того, он утверждает, что атомные структуры трех этих земных биомолекул соответствуют неким простым принципам, которые могут быть универсальными для любой жизни. Если мы научимся распознавать внеземные молекулы, соответствующие этим принципам, это позволит нам обнаружить инопланетную жизнь.

Один из самых простых принципов, которые нам предстоит усвоить, — полиэлектролитная теория гена. Суть ее заключается в том, что главное свойство, которое делает молекулу ДНК таким хорошим средством кодирования информации, — это повторение отрицательного заряда, присутствующего у фосфатных групп, составляющих остов всех молекул ДНК. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, это заставляет молекулы ДНК вытягиваться в длинные нити, что значительно облегчает ее дальнейшее считывание молекулой РНК. Кроме того, повторяющийся на всем протяжении электрический заряд определяет общие химические свойства молекулы ДНК, как, например, то, что она растворяется в воде. Тот факт, что изменение последовательности азотистых оснований C, A, G и T, из которых складывается здание нашей жизни, не меняет химических свойств молекулы, является исключительно важным условием для сохранения возможности генетических изменений (хотя некоторые ученые с этим не согласны).

Так что наша задача — придумать эксперименты по образцу тех, что проводились молекулярными биологами, которые были бы достаточно простыми и надежными, чтобы их можно было осуществить на Титане и попробовать отыскать эти характерные молекулы на месте. Это очень многообещающее новое направление — определение жизни на языке молекулярной биологии. Те из вас, кто подходит к астробиологии с практической точки зрения, вероятно, согласятся, что некое сочетание из трех изложенных выше подходов — метаболизма, клеточной структуры и молекулярной структуры — позволит нам создать исчерпывающую программу биологических исследований для Титана.

Кто съел весь ацетилен?

Титан постоянно подвергает сомнению наши представления о химическом составе его поверхности и атмосферы. Некоторые из этих представлений вполне убедительны: метан, присутствующий в атмосфере в больших количествах, преобразуется в более сложные органические соединения в результате воздействия солнечного излучения. Другие черты титанианской атмосферы нам по-прежнему непонятны: если метан превращается в более сложные химические вещества, то почему он со временем не иссякает?

При современной скорости фотохимических реакций метан, в настоящее время присутствующий в атмосфере, будет весь израсходован примерно за 50 млн лет. В масштабах времени существования Солнечной системы — это одно мгновение. Так как же восполняются запасы метана? Довольно убедительным объяснением этого явления может служить криовулканизм, когда струи газа изливаются на поверхность спутника из подземных резервуаров. Однако до сих пор никаких примеров отчетливых вулканоподобных образований на поверхности Титана обнаружено не было. Другим объяснением может быть биологическое происхождение метана, и этот вариант вполне заслуживает рассмотрения.

В 2005 г. тот же самый Крис Маккей, который выдвинул шуточную гипотезу уникального Титана, опубликовал небольшую статью, посвященную наличию в атмосфере Титана значительного количества потенциального метаболического топлива. Одним из самых простых (и самых высокоэнергетических) способов поддержания жизнедеятельности для жителей Титана могла бы быть реакция ацетилена с водородом, при которой выделяются две молекулы метана: C_2H_2 + 3H_2 = энергия + 2CH_2. Что нужно отметить в этой реакции? Ацетилен и водород потребляются обитающими на поверхности Титана живыми организмами, и в результате выделяется метан. Хорошо, а как это согласуется с нашими измерениями количества метана в атмосфере Титана?

Возможно, вы удивитесь, но атмосферные наблюдения, выполненные «Вояджером» и «Кассини», неплохо согласуются с возможными последствиями такого простого ацетиленового метаболизма. Два исследования проливают свет на такую странную химию Титана. В первом исследовании использованы данные миссий «Вояджера» и «Кассини», которым удалось измерить количество молекулярного водорода на больших высотах, где он, предположительно, возникает в результате разложения метана под воздействием солнечного света, и рядом с поверхностью. К немалому удивлению ученых, выяснилось, что в нижних слоях атмосферы присутствует гораздо больше водорода, чем в верхних. Их удивление легко понять: мало того, что, согласно предположениям, водород производился на большой высоте над поверхностью Титана, но к тому же водород — самый легкий из всех атмосферных газов. Полученные данные указывали на то, что какая-то часть водорода из слоя высотной дымки опускается вниз (и еще примерно столько же улетучивается в космос). Так куда же этот водород девается? Он должен на что-то расходоваться, будь то на поддержание водородолюбивой жизни или, что более прозаично (но от этого не менее интересно), на осуществление какой-то химической реакции на поверхности планеты. Нам известно, что покрывающий поверхность слой органической пыли полностью лишен ацетилена. Один из наиболее распространенных побочных продуктов разложения атмосферного метана под воздействием солнечного света, ацетилен, должен постоянно выпадать на поверхность Титана. Однако приборы «Кассини» не обнаружили его следов в спектре отраженного от поверхности света.

Так можно ли считать это неопровержимым доказательством существования ацетиленоядных микробов, нежащихся на окутанных туманной дымкой берегах титанианских озер? Разумеется, нет. Прежде чем делать вывод о существовании жизни, хороший астробиолог должен исключить все прочие причины наблюдаемых явлений. Возможно, ответственность за судьбу опускающегося вниз молекулярного водорода и за отсутствие ацетилена лежит на каком-то одном химическом процессе. Это может быть какая-то небиологическая поверхностная реакция с участием ацетилена и водорода, в результате которой синтезируются новые органические вещества, и в связи с этим стоит заметить, что большая часть поверхности Титана покрыта органическим дегтем неизвестного химического состава.

Однако косвенные указания остаются убедительными. Живые существа не выйдут встречать наш космический корабль и не прильнут к окулярам телескопов. Тем не менее можно не сомневаться, что нас там ждут загадки, аномалии, необъяснимые явления. Возможное присутствие метана на Марсе, таинственное исчезновение ацетилена и водорода рядом с поверхностью Титана — вот те указания на присутствие жизни, которые мы обнаружили, и нам же будет хуже, если мы оставим их без внимания. Перед нами стоит задача подробно изучить химию Титана, и для ее решения нам непременно нужно там побывать.

Экспедиция на Титан: продержаться на плаву

С учетом того, что мы знаем о Титане, а также того, что нам по-прежнему неизвестно, — какие научные эксперименты следует провести будущей экспедиции на Титан? Как будет выглядеть космический корабль? Какие технологии нам понадобятся для достижения своих целей? На настоящий момент разрабатывается несколько миссий, но, к сожалению, все они находятся в полузаброшенном состоянии — никто не говорит, что они не нужны, но потребность в них не настолько велика, чтобы выделять под это финансирование.

Сможем ли мы когда-нибудь преодолеть темную полосу финансовых неурядиц, постигших НАСА и ЕКА, и выйти на залитые солнцем просторы, на которых нас ожидает экспедиция к Титану? Несомненно! Это вполне по силам тем, кто отстаивает Титан в качестве главной цели для нашей следующей флагманской миссии во внешнюю Солнечную систему. Основополагающие принципы будущей экспедиции к Титану были разработаны в рамках проекта «Миссия к системе Титан — Сатурн» (TSSM). Планируется, что космический аппарат достигнет окрестностей Сатурна, совершит несколько пролетов на небольшом расстоянии от Титана и Энцелада, а затем выйдет на стационарную орбиту вокруг Титана, откуда спустит в атмосферу спутника два автоматических зонда.

Первый зонд будет нести 600 кг научной аппаратуры, которая будет располагаться в гондоле аэростата (НАСА и ЕКА в анонсе миссии романтически именуют его «монгольфьером»). Это исключительно смелый, но вместе с тем остроумный план, который должен сработать в холодной и плотной атмосфере Титана. Излишки тепла от находящегося на борту радиоизотопного термоэлектрического генератора позволят постоянно подогревать воздух в шаре. Планируется, что срок службы аппарата составит 6 месяцев. За это время циркулирующие на Титане ветры пронесут десятиметровый воздушный шар вокруг всего спутника на высоте 10 км‹‹8››. Основная научная задача зонда на воздушном шаре — съемка поверхности с недоступными для орбитальных аппаратов разрешением и длиной волны, как, например, широкоугольные снимки с разрешением до 1 м. Зонд будет отбирать образцы атмосферы и с помощью масс-спектрометра анализировать, насколько они различаются по химическому составу в зависимости от места. Это будет величайший полет на аэростате из всех, которые когда-либо знало человечество.

Второй аппарат должен будет опуститься на одно из больших титанианских озер и в дальнейшем плавать по его поверхности. Это будет целая химическая лаборатория, оснащенная масс-спектрометром, способным определять размер и состав молекул, содержащих до 10 000 атомов. Фонарь и фотокамера будут, соответственно, освещать и делать снимки поверхности озера. Время работы этого посадочного модуля будет ограниченно, поскольку вместо дорогостоящего плутониевого источника энергии на спускаемом модуле предполагается разместить химические батареи. С нормативным сроком службы батареи 9 часов, из которых 6 уйдет на спуск к поверхности, у зонда остается только 3 часа на анализ жидких углеводородов, составляющих титанианские озера.

В первую очередь, миссия Титан — Сатурн посвящена химическим исследованиям: она опишет химический состав титанианской атмосферы и озер и, я уверен, подарит нам немало сюрпризов. Обнаружит ли эта экспедиция жизнь? Только если мы возьмем на себя смелость утверждать, что любые упорядоченные молекулы — это и есть жизнь. Однако она вполне может обнаружить сырье, которое эта жизнь, если она все-таки есть, потребляет и перерабатывает.

Если бы вы, в духе этой книги, планировали исследовательскую экспедицию к Титану, устроили бы вас такие цели или бы вы постарались пройти чуть дальше? Если вы действительно стремитесь к великим целям, то, непременно, захотели бы включить в программу экспедиции на Титан биологические эксперименты, аналогичные тем, что были проделаны миссией «Викинга». Вы могли бы попробовать предсказать какие-то отличительные черты титанианского метаболизма и запланировать соответствующие химические эксперименты. Но экспедиция «Викинга» научила нас, что до тех пор, пока у вас не будет общего понимания химических процессов, протекающих в интересующей вас среде, результаты ваших опытов будут в лучшем случае давать неоднозначный ответ относительно присутствия жизни. Из-за бюджетных ограничений в программу «Викинга» не был включен эксперимент, получивший название «ловушка Вольфа» в честь своего создателя Вольфа Вишняка. Его идея заключалась в том, чтобы добавить марсианскую почву в колбу с водой и измерить степень ее помутнения, вызванного бактериальным ростом. Такие «Волчьи капканы» — стандартный инструмент, применяющийся в биологических исследованиях сухих долин в Антарктиде. Это простая и остроумная идея: «Я расту, значит, я существую», и ее вполне можно применить для определения бактериального роста в озерах Титана, только образец надо добавлять к пробирке с жидким метаном, а не с водой.

Полагаю, старая поговорка «Увидеть — значит поверить» будет важным аргументом в пользу оснащения зонда инструментами для микрофотосъемки, которые позволят точно определить, какие потенциальные биологические объекты присутствуют в «водах» озера. Нам нравится представлять себе момент научного открытия, когда ребенок впервые смотрит в микроскоп на каплю воды и обнаруживает в ней множество крошечных живых существ. Но только вообразите, какие необыкновенные открытия нам предстоят, если мы оснастим титанианский посадочный модуль мощным электронным микроскопом! Возможно, нам придется попотеть над подготовкой образцов для анализа, но полученные таким образом микроснимки и замедленная съемка позволят сразу же сделать выводы о наличии клеточной жизни.

С учетом этих ограничений и неопределенностей, почему я не уговариваю вас проникнуться энтузиазмом и запустить к Титану миссию по доставке образцов? Ведь для нас это действительно важно! Да, конечно, однако на это потребуется невероятное количество денег. По сравнению с доставкой образцов с Титана аналогичная миссия на Марс покажется детской забавой. Поэтому придется работать с тем, что у нас есть, а это $4 млрд или около того. На эти деньги можно отправить только экспедицию типа TSSM, которая по нынешним расценкам обойдется в $2,5 млрд.

Не уходи смиренно в сумрак вечной тьмы

Совершив 12 ноября 1979 г. пролет мимо Титана, «Вояджер-1» лишился возможности сблизиться с какой-либо еще планетой Солнечной системы. Не желая упустить возможность пройти на малом расстоянии от Титана, центр управления полетом изменил траекторию «Вояджера-1», и после сближения со спутником крохотный зонд вышел из плоскости эклиптики и начал удаляться за пределы Солнечной системы. Следовавший за ним по пятам «Вояджер-2» сблизился с Сатурном 25 августа, однако, в отличие от предшественника, продолжил движение по первоначальному курсу, что позволило ему в дальнейшем достичь Урана и Нептуна.

Какая судьба ожидает эти космические аппараты? Оба «Вояджера» сейчас проходят через турбулентный регион Солнечной системы, именуемый гелиопаузой, — область, где давление частиц солнечного ветра уравновешивается давлением межзвездной среды. Некоторые журналисты называют эту область «границей Солнечной системы». На самом деле это лишь первая из нескольких промежуточных точек на нашем пути.

«Вояджер-1» движется со скоростью 56 000 км/ч, или 3 а.е. в год‹‹9››. Он покинет область гелиопаузы и примерно через 1000 лет войдет в облако Оорта — неизведанное и невидимое царство древних комет. Примерно на полпути до ближайших звезд зонд выйдет за пределы гравитационного воздействия Солнца и присоединится к веренице звезд, вращающихся по своим орбитам в нашей Галактике. В конце концов через 90 000 лет оба зонда преодолеют расстояние до ближайшей к нам звездной системы — Альфа Центавра, расположенной в 4,3 световых года от Солнца‹‹10››.

Мы делаем лишь первые шаги в далекий мир. Позволят ли новые технологии догнать и перегнать «Вояджер-1» на его пути к ближайшим звездам? Будем ли мы существовать через 90 000 лет как биологический вид? Удастся ли нам возмужать и преодолеть все болезни роста? Это, конечно, непростые вопросы. Пока расстояние даже до ближайших звезд невероятно велико по сравнению с нашими сегодняшними возможностями звездоплавания. Тем не менее именно на эти звезды нам предстоит обратить свое внимание и использовать астрономические наблюдения, а не космические аппараты для изучения их планетных систем и условий для существования жизни.

Глава 8. Экзопланеты: миры без конца

Вы помните, как в первой главе я предлагал вам выйти на улицу, поднять голову и всмотреться в звездное небо? Каждая из нескольких тысяч звезд, которые вы видите на небе невооруженным глазом, — это почти такое же солнце, как наше собственное. Однако большая часть из 400 млрд звезд, составляющих галактику Млечный Путь, расположена слишком далеко и недоступна для нашего взора. Но если наше Солнце — рядовая, ничем не примечательная звезда, каких в Галактике миллиарды, то что можно сказать о планетах? Они тоже обыкновенные? Правда ли, что у каждой звезды, которую мы видим в ночном небе, есть свой планетный эскорт?

В этой главе речь пойдет об открытии экзопланет — планет, обращающихся вокруг далеких звезд. Какие они? Неизведанные новые миры вроде тех, о которых писали фантасты, или самые обычные планеты, похожие на те, что имеются в нашей Солнечной системе? Как выясняется, и то и другое — правда. Несмотря на то что большинство экзопланет было обнаружено только по косвенным признакам — свет от планет теряется в сиянии родительских звезд, — мы в силах измерить некоторые из их фундаментальных физических свойств. Окажутся ли они газовыми гигантами, подобными Юпитеру, или каменистыми планетами, такими как Земля? Будут они теплыми и гостеприимными или нам предстоит встреча с экстремально неприятными значениями температур?

История экзопланет — это история непрерывных открытий: за каких-то 20 лет были обнаружены тысячи миров, о существовании которых мы даже не догадывались. Но наш неугомонный внутренний астробиолог торопится задать вопрос по существу: как оценить вероятность того, что на этих планетах есть жизнь? Как мы сможем подтвердить ее присутствие? Нам предстоит долгое научное путешествие. Но есть одна очевидная трудность: звезды и их планеты расположены очень далеко от нас. Когда мы говорим о поисках жизни на экзопланетах, мы понимаем, что нам необходимо менять свои методы. Мы находимся слишком далеко от экзопланет и той жизни, которая, возможно, на них обитает. Послать туда автоматический зонд для доставки на Землю проб воздуха и грунта? Не вариант. Вместо этого нам придется использовать телескопы и другие методы дистанционных наблюдений.

Поиски инозвездных планет

Так как же мы находим экзопланеты? В первой главе я рассказывал об открытии первой экзопланеты, 51 Пегаса b, и о том, что она была обнаружена благодаря гравитационному воздействию, которое оказывает на родительскую звезду. Движение планеты по своей орбите заставляет саму звезду совершать небольшие вращения вокруг общего центра тяжести, которые могут быть зафиксированы с помощью мощного спектрографа. Этот метод известен как спектроскопическое измерение лучевой скорости звезд, или метод Доплера. С 1995 г. с его помощью было открыто несколько сотен новых экзопланет.

В этой главе я хочу сосредоточить свое внимание еще на одном методе обнаружения экзопланет. Этот метод получил название транзитного метода. Сам по себе он не лучше и не хуже метода Доплера (или любого другого метода, о котором я не могу здесь рассказать в силу ограниченности места на страницах книги). Однако история транзитного метода, его развития и достижений, на мой взгляд, заслуживает отдельного разговора.

Мерцай, мерцай, маленькая звездочка

Мерцание звезд, которые мы видим на ночном небосклоне, объясняется турбулентностью земной атмосферы. Если поменять место наблюдения и проводить наблюдения звезды из космоса — что мы и делаем посредством расположенных там телескопов, — дрожащие, колышущиеся изображения замрут в неподвижности.

Однако некоторые звезды отличаются удивительным непостоянством: пульсации их обширной атмосферы, состоящей из плазмы, вызывают изменения яркости, подобные медленному биению звездного сердца. Но, если мы ограничимся только «порядочными», неизменными звездами, иногда на их диске можно разглядеть слабое, еле заметное затемнение — изменения яркости происходят с регулярностью часового механизма. Это признак наличия планеты. Незначительное уменьшение яркости родительской звезды вызвано прохождением по ее диску планеты. Мы называем это явление транзитом. На практике это очень похоже на солнечные затмения, которые мы наблюдаем с Земли, хотя в данном случае свет звезды нам закрывает планета, а не наша Луна.

Планетные транзиты происходят и в нашей Солнечной системе. С Земли регулярно можно наблюдать, как Венера проходит по диску Солнца. Ей требуется примерно 7 часов, чтобы закончить проход. Во время транзита Венера закрывает незначительную часть солнечной поверхности. Какую именно? С Земли Венера выглядит как черный круг, движущийся по солнечному диску. Как известно, площадь круга равна числу π, умноженному на квадрат его радиуса. В данном случае радиус Венеры приблизительно равен 6000 км. Площадь солнечного диска равна числу π, умноженному на квадрат радиуса Солнца — 700 000 км. Отсюда получаем, что доля солнечного света, которую закрывает от нас транзит Венеры, равна отношению квадратов радиусов, т. е. одна десятитысячная часть.

Это если смотреть на Венеру с Земли. Но что бы увидел удаленный наблюдатель, если бы следил за прохождением по солнечному диску такой большой планеты, как, например, Юпитер? Юпитер примерно в 11 раз больше Венеры. Доля солнечного диска, которую будет закрывать транзит Юпитера, составит одну сотую, или 1 %. Современным земным телескопам вполне по силам зафиксировать такое изменение яркости. С учетом всего сказанного неудивительно, что первыми экзопланетами, обнаруженными с помощью транзитного метода, были миры размером с Юпитер, обращающиеся вокруг звезд, похожих на наше Солнце.

Но что, если орбита, по которой вращается планета, такова, что не оказывается между нами и родительской звездой? Что, если наши звездные системы расположены под таким углом друг к другу, что мы видим планету движущейся по орбите вокруг своей звезды? Тогда наше взаимное расположение в космосе таково, что планета никогда не окажется между нами и звездой — мы никогда не увидим транзита в этой системе‹‹1››.

Это действительно так. Мы наблюдаем транзит, только если планета оказывается на одной линии со звездой и наблюдателем с Земли. Имеет ли это какое-то принципиальное значение? Нет, ни малейшего. В зависимости от размера звезды, размера планеты и радиуса орбиты мы можем ожидать, что только 10 % далеких планет будут проходить между нами и своей родительской звездой. Во всех других отношениях эти 10 % планет ничем не будут отличаться от остальных. И только случайность решает, сможем ли мы наблюдать их транзит или нет.

Что мы можем узнать о планете на основании периодических затмений ее родительской звезды? Во-первых, мы можем определить период ее обращения. Если транзит наблюдается каждые 20 дней, это значит, что планета совершает один оборот вокруг звезды каждые 20 дней. Это очень просто. А что нам скажет процент уменьшения яркости? На основании этого значения мы можем рассчитать отношение площади проекции планеты к площади проекции звезды, что в свою очередь даст нам возможность определить соотношение их радиусов. Еще один важный момент заключается в том, что все звезды подчиняются одним и тем же физическим законам. Если вам известна светимость звезды и температура ее поверхности, вы можете очень точно рассчитать ее радиус. Затем, зная параметры транзита, можно определить радиус планеты. Если к тому же вы сможете измерить массу планеты с помощью доплеровской спектроскопии, вы сразу узнаете ее плотность. Это позволит вам составить представление о физических свойствах планеты: плотная и твердотельная или разреженная и газовая.

Итак, благодаря относительно простым наблюдениям вы можете узнать период обращения планеты и ее радиус (а также массу и плотность). Наблюдения, которые используются для обнаружения транзита, также дают нам массу сведений о звезде, вокруг которой обращается планета: более массивная, яркая и горячая, чем наше Солнце, или, наоборот, меньше, тусклее и холоднее. На самом деле мы можем узнать даже больше. Но прежде, чем мы поговорим об этом, я бы хотел вам представить моего друга Иоганна Кеплера.

«Несравненный человек» Иоганн Кеплер

Иоганн Кеплер жил на территории современной Германии и Австрии с 1571 по 1630 г. Он был астрономом и математиком, современником и корреспондентом Галилея. На его судьбу, как и на судьбу Галилея, в значительной степени повлияли религиозные преобразования и войны, которые бушевали в то время в Европе. Я бы хотел объяснить, почему Кеплер — настоящий герой и подвижник науки, хоть он и не снискал такой широкой славы, как Галилей. Кеплер — герой по крайней мере в моих глазах, поскольку он был первым ученым, который сумел понять, что его представления об устройстве Вселенной были неверны. Неверны, потому что они не согласовывались с результатами наблюдений. Его дорога к величию отмечена не столько открытиями, сколько отказом от прежних воззрений.

Сказать, что Кеплер был очарован движениями планет, — это почти ничего не сказать. Он был одержим ими. В своем первом крупном труде Кеплер сформулировал законы движения планет с помощью системы правильных многогранников, или Платоновых тел‹‹2››, вписанных в сферы орбит планет. Эта модель выглядела очень эффектно и вносила приятную глазу математическую гармонию в недавно вошедшую в обиход гелиоцентрическую систему. Но, к сожалению, она оказалась неверна. Кеплер обнаружил свою ошибку, воспользовавшись методом, который с тех пор применяется всеми учеными: он попытался на основании своей модели предсказать положение планет в небе и сравнил свои выкладки с имеющимися наблюдениями. Стоит отметить, что для этого потребовалось выполнить вручную такое количество невероятно кропотливых вычислений, какое едва ли возможно себе представить в наш компьютерный век.

Хотя сам Кеплер был не слишком хорошим наблюдателем, ему удалось (после ожесточенных споров) стать хранителем огромного каталога астрономических наблюдений, скрупулезно проделанных его предшественником и наставником Тихо Браге. Кеплер работал помощником Браге вплоть до смерти последнего в 1601 г., и эти два таких разных по характеру человека не испытывали друг к другу большой симпатии. Однако стоит подчеркнуть, что у Кеплера хватило мудрости не подвергать сомнению результаты работ Тихо Браге. Ошибка астрономических наблюдений в каталоге Браге обычно не превышала двух угловых минут.

С учетом того, каких трудов стоило вычисление положений планет, Кеплер сосредоточил свои усилия на Марсе: если наблюдать Марс с Земли, то можно видеть, что время от времени он начинает двигаться в обратном направлении и, совершив по небу круг, возвращается на прежнюю траекторию. Ни одна из существовавших в то время теорий не позволяла объяснить это явление, и расчеты, сделанные Кеплером для круговой орбиты, также расходились с результатами наблюдений. Предсказанное им положение Марса отличалось от наблюдаемого на восемь угловых минут, или приблизительно четверть диаметра полной Луны. Раздосадованный тем, что годы упорного труда прошли впустую, Кеплер, однако, не посчитал возможным пренебречь результатами наблюдений. Он мог бы не обратить внимания на несоответствия или придумать им какое-то объяснение. Он мог бы усомниться в точности наблюдений. Он мог решить, что, прежде чем отказываться от такой стройной теории, надо получить более веские опровержения. Но Кеплер был, вероятно, первым современным ученым, поскольку осознавал, что каждая мелочь имеет значение, а в его теорию эти мелочи не вписывались.

Кеплер вновь уселся за свой письменный стол, разочарованный, но по-прежнему полный решимости. Долгие поиски вернули его к той же точке, с которой он начинал, — к неподдающейся объяснению замысловатой орбите Марса. На самом деле Кеплер уже вплотную подошел к разгадке, просто сам еще этого не понимал. Могла ли орбита быть не кругом, а эллипсом? Кеплеру уже было известно, что эллипсы, как и круги, относятся к семейству кривых, именуемых коническими сечениями, образованных пересечением плоскости с конусом.

Вернувшись к идее эллиптических орбит, Кеплер неожиданно обнаружил, что они идеально подходят для описания движения Марса. Остальные известные планеты заняли свои места в Солнечной системе, расположившись на эллиптических орбитах. Свое открытие он сформулировал в виде первого закона планетного движения: планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем в одном из фокусов эллипса расположено Солнце. Каждая планета двигалась в собственном ритме: ускоряясь вблизи Солнца и замедляясь на другом конце эллипса. Это стало вторым законом. Наконец, Кеплер выразил математическую гармонию планетных орбит в третьем законе: квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу среднего расстояния от Солнца.

Кеплер умер в 1630 г., а его законы получили окончательное признание лишь 57 лет спустя, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал один из самых выдающихся трудов в истории науки — «Математические начала натуральной философии» (Mathematical Principles of Natural Philosоphy), в котором среди прочего сформулировал закон всемирного тяготения. Ньютон восхищался законами Кеплера. Полученные с помощью этих законов предсказания положения планет оставались такими же точными, как в тот день, когда эти законы были впервые сформулированы. Но почему? Какая невидимая сила заставляла планеты вращаться вокруг Солнца? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, Ньютон создал закон всемирного тяготения, в соответствии с которым сила гравитационного притяжения между двумя телами пропорциональна произведению массы этих тел, разделенному на квадрат расстояния между ними. Ньютон показал, что законы Кеплера справедливы не только для Солнечной системы, но и для любой планетной системы, обращающейся вокруг звезды. Иными словами, зная массу родительской звезды, вы можете рассчитать диапазон возможных планетных орбит‹‹3››. Вместе законы Ньютона и Кеплера позволяют отследить движения планет не только вокруг нашего Солнца, но и вокруг всех звезд, которые обладают планетными системами.

И наконец, становится на место последний элемент головоломки, которого нам не хватало для полноты картины, полученной на основе наблюдений планетного транзита: зная орбитальный период планеты и массу родительской звезды, вы можете с помощью третьего закона Кеплера вычислить орбитальный радиус. Теперь вы представляете себе масштаб новой планетной системы.

«Кеплер» — космический телескоп

Благодаря всем перечисленным особенностям планетные транзиты служат нам щелочкой, в которую мы можем подсмотреть отдаленные планетные системы. Однако для этого нужна исключительно высокая точность. Транзит планеты размером с Землю перед звездой величиной с Солнце вызывает уменьшение ее яркости на одну десятитысячную, или на 0,01 %. Чтобы быть уверенным, что вы наблюдаете именно транзит, а не случайную погрешность, ошибка измерений должна быть в пять раз меньше ожидаемой величины сигнала, или 0,002 %‹‹4››. Этого трудно добиться даже на больших наземных телескопах, большинство из которых позволяет измерить яркость звезд с точностью, не превышающей 1 %.

Для обнаружения транзита необходимы точные измерения, а значит, надо переносить телескоп в космос. Наблюдения, проводимые за пределами Земли, обладают несколькими важными преимуществами. Вы избавляетесь от влияния земной атмосферы с ее турбулентностью и рассеянным светом. Вы можете проводить наблюдения непрерывно, независимо от смены дня и ночи. И наконец, стабильные условия наблюдения в сочетании с малошумными цифровыми датчиками позволяют проводить фотометрические‹‹5›› измерения высочайшей точности.

В 1984 г. небольшая группа ученых, возглавляемая Уильямом Боруки из Исследовательского центра Эймса в Калифорнии, впервые свела эти идеи воедино. Они задумали построить космическую обсерваторию, которая позволила бы на протяжении 4 лет непрерывно наблюдать участок неба, содержащий 160 000 ярких звезд. Вероятность случайного попадания трех точек на одну линию указывает, что даже если у каждой звезды есть планета, то в лучшем случае мы сможем наблюдать транзит лишь у 10 % из них, т. е. у 16 000 звезд. Точность наблюдений будет достаточной, чтобы обнаружить транзит планеты размером с Землю по диску звезды, подобной Солнцу. Если эта далекая «Земля» совершает оборот вокруг своей родительской звезды за один год, тогда за 4 года работы миссия по обнаружению новых миров должна зафиксировать 4 транзита в этой системе, чтобы мы могли быть уверены в природе наблюдаемого явления.

Прошло больше 20 лет, прежде чем космический телескоп «Кеплер» был запущен в космос и смог приступить к поиску новых миров. НАСА бесконечное число раз отклоняло планы проведения миссии, но, к чести готовивших ее ученых, надо отметить, что все технические трудности и сомнения были преодолены с помощью лабораторных и полевых испытаний‹‹6››. «Кеплер» был выбран в качестве исследовательской миссии НАСА в декабре 2001 г. Сколько это стоило? $600 млн на все: создание телескопа, запуск и обработку данных на Земле. С учетом полученных на сегодняшний день научных результатов инвестиции оказались очень выгодными.

Космический телескоп «Кеплер» был запущен 6 марта 2009 г. Основная программа была рассчитана на 3,5 года с возможностью проведения наблюдений на протяжении 6 лет. Размеры «Кеплера» относительно невелики, диаметр его главного зеркала составляет 0,95 м. Главное достоинство телескопа — 95-мегапиксельный сверхчувствительный фотометр. Телескоп направлен на скопления звезд между созвездиями Лиры и Лебедя, и его поле зрения охватывает 105 квадратных градусов. Это очень обширный участок неба. Если учесть, что угловой размер Луны равен примерно половине градуса, то поле зрения «Кеплера» настолько велико, что по каждой его стороне разместилось бы по 21 Луне.

Зачем это понадобилось? В поле зрения телескопа попадает 160 000 звезд, яркость которых позволяет добиться необходимой фотометрической точности, при этом они не должны перекрывать друг друга или проецироваться на дальние галактики. Каждые шесть секунд «Кеплер» фотографирует это скопление звезд, а затем обрабатывает и записывает полученные данные. Первичная информация не сохраняется, поскольку в таком случае у «Кеплера» довольно быстро закончилось бы место на жестком диске. Более того, скорость, с которой поступает информация, значительно превышает скорость передачи данных на Землю. Вместо этого «Кеплер» замеряет яркость каждой из 160 000 исследуемых звезд и хранит только эту информацию. На основании массивов измерений яркости, сделанных для каждого снимка, затем рассчитываются средние значения за 3 минуты. «Кеплер» хранит эту информацию в сжатом виде на диске и только раз в месяц посылает «цифровую открытку» со значениями яркости для каждой звезды на Землю, где этих ежемесячных посланий с нетерпением ожидает команда ученых, анализирующая данные наблюдений.

«Кеплер» следовал этому распорядку на протяжении 4 лет, последовательно измеряя яркость всех 160 000 звезд каждые 6 секунд. Такое терпение и аккуратность сделали бы честь даже Кеплеру. К несчастью, 11 мая 2013 г. произошла поломка второго из четырех установленных на борту двигателей-маховиков. Эти двигатели применяются для высокоточной ориентации и стабилизации космического телескопа, обеспечивая его выравнивание вдоль осей. Поскольку пространство имеет три измерения (оси), необходимо по крайней мере три двигателя-маховика, чтобы поддерживать ориентацию телескопа на определенный участок неба. Более того, поскольку точность ориентации телескопа является критически важным компонентом, влияющим на общую погрешность измерения яркости звезд, отказ двух двигателей-маховиков означал для «Кеплера» полную потерю управляемости и работоспособности.

Основная часть миссии по обнаружению экзопланет завершилась, но слухи о кончине самого «Кеплера» сильно преувеличены — телескоп по-прежнему способен следить за различными участками неба, используя для стабилизации космического аппарата давление солнечного излучения. В будущем нас, несомненно, ждут новые миссии по обнаружению внесолнечных планет, но не будет преувеличением сказать, что миссия «Кеплера» позволила нам раздвинуть границы наших познаний так же, как и любая другая космическая миссия в настоящем, прошедшем и, возможно, будущем. Так что же мы выяснили? Как выглядят эти дивные новые миры?

Горячие юпитеры

Чтобы охарактеризовать недавно открытые экзопланеты, нам придется выдумать новые термины — новые слова для новых классов планет. Теперь вокруг звезд нашей галактики Млечный Путь обращаются горячие юпитеры и сверхземли. Самое удивительное в том, что касается недавно открытых экзопланет — различными методами, не только с помощью «Кеплера», — это их невероятное разнообразие. Упомянутая ранее 51 Пегаса b была первым обнаруженным горячим юпитером, а теперь я хочу представить вам Ипсилон Андромеды b. Звезда Ипсилон Андромеды расположена в 44 световых годах от Земли. Это звезда спектрального класса F, немного горячее и ярче нашего Солнца и, по счастливой случайности, видимая невооруженным глазом‹‹7››. Ипсилон Андромеды b была обнаружена в 1996 г., через год после 51 Пегаса b, и это еще один пример горячего юпитера — этой удивительной новой разновидности планет. Но на каких измерениях основано это утверждение? А конкретнее, как мы определяем температуру планеты?

На основании лучевых скоростей планет в системе Ипсилон Андромеды мы смогли определить, что масса Ипсилон Андромеды b равна примерно половине массы Юпитера и он обращается вокруг своей родительской звезды за 4,6 суток. Если масса звезды сопоставима с массой Юпитера, мы можем считать, что этот мир похож на Юпитер, но почему в таком случае он горячий? Чтобы в этом разобраться, мы должны вспомнить третий закон Кеплера и зависимость между периодом вращения и орбитальным радиусом. Если масса родительской звезды примерно такая же, как у Солнца, мы можем представлять себе орбиту Ипсилон Андромеды b в масштабах нашей Солнечной системы. Итак, если период обращения составляет 4,6 суток, то орбитальный радиус Ипсилон Андромеды b равен приблизительно 1/12 (точнее 0,06) а. е. Это примерно восьмая часть расстояния от Меркурия до Солнца. Очевидно, это будет горячая планета, но можно ли сказать точнее?

Чтобы определить температуру поверхности планеты, мы должны сделать одно важное допущение: большую часть энергии, полученной от своей родительской звезды, планета отдает в космос. На основании температуры родительской звезды, доли ее излучения, поглощаемой планетой (в противовес отражаемому излучению), и орбитального расстояния планеты можно подсчитать температуру энергетического баланса на поверхности планеты. Для Ипсилон Андромеды b равновесная температура оказалась больше 1130 °C — действительно горячо!

Однако вскоре выяснилось, что, если вычесть влияние планеты Ипсилон Андромеды b на доплеровское смещение родительской звезды, у нее по-прежнему будут наблюдаться заметные колебания лучевой скорости, а значит, в ее системе есть и другие планеты. Как оказалось, Ипсилон Андромеды обладает четырьмя планетами с массами порядка массы Юпитера, обращающимися на расстоянии, сопоставимым с орбитальным радиусом Юпитера в нашей Солнечной системе. Три оставшиеся планеты более удалены от звезды, чем планета b, и, следовательно, температуры равновесия для них будут ниже. Я надеюсь, что на этом месте у вас что-то щелкнуло и вы увидели связь между равновесной температурой и зоной обитаемости. Хотя зону обитаемости можно определить несколькими способами — от самых простых, не выходящих за рамки курса общей физики, до более сложных, учитывающих состав атмосферы конкретной планеты, — но проще всего, наверное, сказать, что границы зоны обитаемости устанавливаются из расчета, что температура равновесия для планет должна находиться в диапазоне между 0 и 100 °C.

…и сверхземли!

Одной из самых неожиданных находок в коллекции планет, обнаруженных «Кеплером», стало большое количество миров, радиусы которых равны радиусу Земли или незначительно (до четырех раз) его превышают. В нашей Солнечной системе радиусы Урана и Нептуна в четыре раза превышают земной. Их массы равны 14 и 17 массам Земли соответственно. В нашей Солнечной системе нет планет, чья масса превышала бы массу Земли, но была бы меньше массы Нептуна, однако в каталоге планет, обнаруженных «Кеплером», планеты среднего размера встречаются чаще всего. Как они выглядят? Окажутся ли они каменными планетами с массой большей, чем Земля, так называемыми сверхземлями, или уменьшенными юпитероподобными мирами, маломерными Нептунами?

Ярким примером сверхземли может служить планета под названием Кеплер 10c. Она была обнаружена космическим телескопом «Кеплер» с помощью транзитного метода. Ее радиус в 2,3 раза больше земного. Вычисленная на основании лучевой скорости родительской звезды масса планеты в 17 раз больше массы Земли — почти так же, как масса Нептуна. Зная массу и радиус, мы можем вычислить плотность Кеплера 10c. Она в 1,3 раза плотнее Земли, а это значит, что ее нельзя отнести к газовым гигантам: это суперсверхземля. Но почему планеты с массой, превышающей массу Земли в 17 раз, иногда оказываются каменными (как Кеплер 10c), а иногда газовыми гигантами (как Нептун)? У нас пока нет ответа на этот вопрос.

Теперь можно сказать, что было бы совсем не интересно и даже немного обидно, если бы оказалось, что наша планетная система всего лишь одна из множества таких же систем, созданных словно по шаблону.

Надо признаться, что наша современная планетология — как показало открытие экзопланет — больше напоминает фантастический сценарий, в котором возможны почти любые варианты планет. Но от этого она только интересней!

Множественность миров

В нашем языке нет общепринятого собирательного существительного, обозначающего совокупность планет. «Планетная система» — функциональный термин, но звучит как-то не очень. «Множество планет» — тоже не слишком вдохновляюще. Эта фраза часто приписывается Джордано Бруно, жившему в XVI в. священнику и философу, который утверждал, что звезды — это солнца и что каждое из них имеет не только свои планеты, но и жителей, их населяющих. Идея космического плюрализма получила широкое распространение в эпоху Просвещения и с тех пор пережила лишь один (по счастью, короткий) период общественного разочарования после краха теории Лоуэлла относительно жизни на Марсе. Данные, полученные «Кеплером», говорят о настоящем космическом плюрализме: планеты — это заурядное явление. Настолько заурядное, что я бы предложил другое собирательное существительное — рой планет!

Когда «Кеплер» только приступил к своей миссии, мы уже знали о существовании 332 экзопланет. Астрономы обнаружили их с помощью разных методов, не только транзитного. К концу 2014 г. нам было известно о 1849 планетах, примерно половина из которых (923) были обнаружены «Кеплером». Астрономы считают эти планеты «подтвержденными», если им удалось измерить массу каждой планеты либо с помощью спектрометрического измерения лучевой скорости звезд, либо с помощью более тонких методов вроде метода вариации времени транзитов‹‹8››. Помимо этих 923 подтвержденных планет существует более 2500 кандидатов в планеты. С учетом того, какой процент из этих кандидатов в планеты получил подтверждение после дополнительного рассмотрения, мы можем с большой вероятностью сказать, что 90 % из них действительно существуют[16].

А теперь позвольте мне задать один очень важный вопрос. Сколько планет обращаются вокруг обычной звезды? Дает ли проведенная «Кеплером» перепись планет ответ на этот вопрос? По состоянию на 2014 г. «Кеплер» обнаружил 3533 кандидата в планеты, обращающиеся вокруг 2658 звезд. Примерно у одной из пяти звезд в этой выборке имеется более одной планеты. Анализ данных «Кеплера» дает нам четкий ответ относительно частоты встречаемости небольших планет (радиус которых меньше половины радиуса Земли) на орбитах вокруг маленьких и относительно холодных звезд (от 1/10 до половины массы Солнца — спектральный класс М). Такие планеты есть у каждой второй звезды. Если распространить этот анализ на звезды, подобные нашему Солнцу (спектральные классы K и G), то ответ будет примерно 0,2 планеты на звезду или одна планета на каждые пять звезд.

Если вам нравится искать ответы на фундаментальные вопросы, то трудно найти что-то более основополагающее, чем вопрос о том, сколько планет обращается вокруг обычной звезды. Возможно, немного меньше одной. Миллиарды звезд — миллиарды планет. Частота встречаемости, вычисленная на основе данных «Кеплера», может быть немного меньше, чем в действительности. Допустим, «Кеплер» рассматривал бы нашу Солнечную систему. Хотя его телескоп специально сконструирован для поиска планет, подобных Земле, вращающихся вокруг звезд, подобных Солнцу, он не смог бы обнаружить Марс из-за его слишком маленького размера. Юпитер тоже остался бы незамеченным, поскольку его период обращения вокруг Солнца составляет 11 лет, и за 4 года, которые «Кеплер» работал на орбите, ему в лучшем случае удалось бы зафиксировать только один транзит.

Рай и ад

В предисловии к роману «2001: Космическая одиссея» Артур Кларк указал на очень интересное совпадение: за спиной каждого живущего сейчас на Земле мужчины, женщины или ребенка стоят 30 призраков — людей, которые жили на нашей планете от тех первых поколений, кого уже можно считать людьми, до наших дней. Больше 100 млрд душ бродят по Земле в поисках дома. Кларк отмечает, что в нашей галактике Млечный Путь насчитывается несколько сотен миллиардов звезд, и рассуждает о том, что большая часть из этих далеких солнц почти наверняка имеет свои планеты. В таком случае можно себе представить, что у каждого человека, который когда-либо жил на Земле, существует свой собственный мир, свой личный рай или ад, где наши предки могут жить вечно. Сегодня мы уже знаем, что предвидения Кларка оказались реальностью: в нашей Галактике действительно существуют миллиарды планет, удивительных и невероятных.

Но есть ли где-то между раем и адом планеты, похожие на Землю? Каменные миры с твердой поверхностью и умеренными температурами — миры, где при наличии атмосферы может присутствовать вода в жидком состоянии? Возможно, поставив перед собой задачу найти Землю 2.0 — мир, равный Земле по массе и условиям на поверхности, мы задали слишком узкие параметры поиска? Но на основании открытий «Кеплера» мы можем с уверенностью сказать, что землеподобные, обладающие твердой поверхностью планеты, лежащие в пределах зоны обитания, совсем не редкость в нашей Галактике. Нам уже известно несколько десятков таких миров.

Среди них есть такие планеты, как Глизе 667 Cc, достойные фигурировать на страницах самых невероятных научно-фантастических романов. Глизе 667 — тройная звездная система, расположенная в 23 световых годах от Земли. Звезды A и B занимают внутреннюю двойную орбиту, а третья, меньшая по размеру звезда, Глизе 667 C, масса которой равна лишь 30 % массы нашего Солнца, обращается вокруг них с интервалом в несколько сотен лет.

У этой небольшой тусклой звезды есть по крайней мере две планеты, обнаруженные методом доплеровской спектроскопии, и, возможно, еще пять (если вы верите в слабо различимые спектральные признаки, которые вполне могут оказаться шумом) — итого семь. Наше внимание привлекает Глизе 667 Cc, вторая подтвержденная планета в этой системе. Ее масса примерно в четыре раза превосходит массу Земли, и, хотя ее орбитальный радиус в четыре раза меньше, чем расстояние от Меркурия до нашего Солнца, она лежит в пределах зоны обитаемости своей относительно холодной родительской звезды.

Это удивительный и загадочный мир. Он получает лишь на 10 % меньше энергии, чем Земля получает от Солнца, — очень даже неплохо. В этом мире солнце кажется тусклым красным шаром по размеру в два раза большим, чем наше Солнце, большая часть его излучения лежит за пределами той части спектра, к которой приспособилось наше зрение в ходе эволюции. Звезды класса М, обладающие малой массой, характеризуются значительно большей электромагнитной активностью, чем наше Солнце, и регулярно выбрасывают огромные протуберанцы, поэтому близкое расположение зоны обитаемости создает угрозу для любых форм жизни на поверхности планет.

Слишком уж экзотично, на ваш взгляд? Ну, ничто не сравнится с домом, это понятно. Тогда, может, что-нибудь попроще? Скажем, Кеплер 22b. Первый транзит Кеплер 22b был обнаружен телескопом «Кеплер» спустя всего лишь три дня после начала миссии — 12 мая 2009 г. Родительская звезда Кеплер 22 расположена на расстоянии 620 световых лет от Земли и очень похожа на Солнце, лишь немного меньше и холоднее. Радиус Кеплер 22b в 2,4 раза больше Земли, и, по всей видимости, она обладает твердой каменистой поверхностью.

Радиус орбиты Кеплер 22b немного меньше земного, но, поскольку Кеплер 22 чуть холоднее, чем наше Солнце, Кеплер 22b, вероятно, находится в пределах зоны обитания: если подсчитать равновесную температуру для этой планеты, окажется, что она равна 11 °C. Не забывайте, однако, что это минимальная температура на планете без учета атмосферы, которая создает парниковый эффект.

Допустим, Кеплер 22b обладает атмосферой, сходной с атмосферой Земли. В этом случае температура на поверхности будет равна комфортным 22 °C, что немного теплее, чем средняя температура на поверхности Земли, равная 15 °C. Это прекрасно, но что, если атмосфера окажется больше похожей на атмосферу Венеры или даже Марса? Не стоит удивляться, если дополнительный нагрев поверхности за счет парникового эффекта в атмосфере окажется таким, как на Венере (слишком большим), или даже как на Марсе (практически нулевым). Возможно, это хорошая возможность проанализировать, каковы могут быть максимальные и минимальные значения температуры на Кеплер 22b с учетом того, что мы не знаем состава ее атмосферы.

Хотя Кеплер 22b представляет для нас большой интерес, мы, сожалению, не знаем ее массу. Более того, хотя мы предполагаем, что орбита Кеплер 22b круговая, существует вероятность, что она окажется эллиптической, и, двигаясь по орбите, планета будет входить в зону обитания и выходить из нее, что приведет к возникновению разительных колебаний поверхностной температуры.

Иголки и стог сена

Обнаружение потенциально пригодных для жизни миров — мы будем называть их двойниками Земли — всегда вызывало огромный общественный резонанс. Но кроме открытия планет, о которых я рассказал вам ранее, «Кеплер» также дал нам не менее содержательную статистическую картину: оказалось, что количество двойников Земли в нашей галактике Млечный Путь исчисляется миллиардами. Существование таких двойников Земли — главная причина того, почему экзопланеты вошли в первую пятерку моего списка. Специализированные миссии, такие как «Кеплер», а также проведение спектроскопических измерений лучевой скорости звезд позволяют нам обнаружить планетные системы, где могут присутствовать условия для существования жизни.

Я намеренно выразился так осторожно, и слово «могут» тут ключевое. Лишь в нескольких случаях нам удалось измерить плотность планеты, и, следовательно, нельзя с уверенностью сказать, что это каменные миры, а не газовые. Некоторые из этих планет лежат в пределах зоны обитания своих родительских звезд — и, зная это, мы можем хотя бы приблизительно вычислить среднюю температуру на их поверхности. Атмосфера и условия, пригодные для жизни, могут существовать на одной из уже известных нам планет. Но у нас нет на этот счет никакой уверенности. Даже если мы обнаружим 1000 потенциально обитаемых миров, может оказаться, что 999 из них — стог сена и только один — иголка, которую мы ищем. Вероятность обнаружить действительно пригодный для жизни мир, не говоря уже о самой жизни, может оказаться даже меньше, чем это соотношение.

Мне хотелось бы еще раз предупредить, что желание ограничить наши поиски жизни исключительно землеподобными мирами говорит о недальновидности. Стоит лишь вспомнить миры в нашей Солнечной системе, которые совсем не похожи на Землю, но тем не менее представляют большой интерес для астробиологов. Мы только приступаем к поискам жизни на экзопланетах, и нам надо с чего-то начинать, а землеподобные миры в обитаемых зонах своих родительских звезд не хуже любого другого варианта.

На сегодняшний день перед нами «стог» землеподобных миров размером с галактику, и запланированные на следующее десятилетие космические миссии, вероятно, откроют еще больше. Однако после обнаружения подобных планет нас ожидает еще один важный этап — нам надо будет определить, есть ли у них атмосфера. И чтобы показать, зачем это нужно, я приглашаю вас бросить беглый взгляд из космоса на наш земной дом.

«Галилео»: можем ли мы обнаружить жизнь на Земле?

Когда в 1989 г. космический аппарат «Галилео» начал свое путешествие к Юпитеру, он двигался по сложной извилистой траектории вокруг планет внутренней Солнечной системы. «Галилео» облетел вокруг Венеры, а потом вокруг Земли, и даже не по одному, а по два раза, каждый раз совершая гравитационный маневр, увеличивавший его скорость. Прохождение в непосредственной близости от планет представляло собой уникальную возможность. Мог ли этот космический аппарат, построенный и оснащенный для исследования физического окружения Юпитера, повернуть свои камеры и датчики в сторону Земли? Какое представление о ней сложится у этого межпланетного исследователя? Сможет ли «Галилео» установить наличие жизни на Земле?

Карл Саган был среди тех, кто хорошо понимал, что пролет «Галилео» на близком расстоянии от Земли — уникальная возможность смоделировать сближение межпланетного космического зонда с живой планетой. Что же получилось в результате? «Галилео» сблизился с Землей в декабре 1990 г., а еще три года спустя в научном журнале Nature появилась большая статья, написанная группой ученых под руководством Карла Сагана. Статья была озаглавлена «Поиски жизни на Земле с борта космического аппарата „Галилео“». Так что же обнаружил «Галилео»?

Для начала: поверхностность Земли обладает характерным цветом — бортовой панорамный спектрограф обнаружил, что она сильно поглощает синюю и зеленую части видимого света. Инфракрасная область по соседству с видимой областью практически не затронута. Четкая граница поглощения получила название «красный край». Никакая известная нам горная порода или реголит не могли дать такого эффекта — это спектральный признак биологического пигмента хлорофилла, который выработался в результате многих миллионов лет эволюции. Хлорофилл поглощает синие и зеленые лучи солнечного спектра. Инфракрасные фотоны несут меньше энергии и просто отражаются, чтобы избежать перегрева.

Одним из важнейших наблюдений, выполненных «Галилео», был спектральный анализ нашей атмосферы, выявивший присутствие молекулярного кислорода и озона, а также небольших концентраций крайне редко встречающегося газа — метана. Вулканизм, поверхностная химия и реакции, проходящие в атмосфере под воздействием солнечного света, — все вместе не могут породить столько кислорода и метана, сколько присутствует в земной атмосфере. Такой состав атмосферы выглядит очень необычно, если не знать о существовании на поверхности Земли живых организмов, которые влияют на атмосферу посредством целого ряда биохимических реакций, которые мы называем обменом веществ.

Еще одна странная вещь — Земля постоянно генерирует какие-то электромагнитные колебания в радиодиапазоне. И это не короткие вспышки, связанные с молниевыми разрядами, а причудливая какофония пульсирующих узкополосных радиосигналов. И наконец, вы можете задаться вопросом, получил ли «Галилео» снимки поверхности, на которых были бы видны наши города и следы присутствия человечества. Как выяснилось, на таком близком расстоянии, когда можно было разглядеть мельчайшие детали, «Галилео», пролетавший над Западной Австралией и Антарктидой, не заметил ни одного созданного человеком объекта размером более километра.

Эти четыре составляющих наблюдений «Галилео» — цвет поверхности, химический состав атмосферы, радиоизлучение и искусственные сооружения на поверхности планеты — были названы «критериями существования жизни» Сагана. На мой взгляд, не имеет смысла использовать наблюдения «Галилео» как стандартный метод поиска жизни за пределами Земли, поскольку в таком случае мы будем искать жизнь, в точности похожую на современную земную. Но эксперимент «Галилео» позволяет сделать более универсальные выводы, с которыми мы уже сталкивались ранее на Марсе и Титане: биохимические процессы, которые определяют жизнь, и обусловленный ими химический состав атмосферы эволюционируют как единая физическая система. Это тот ключ, которым астробиологи надеются воспользоваться для обнаружения жизни на экзопланетах.

Ослепленные светом

Так что же мешает нам проанализировать спектр какой-нибудь экзопланеты и узнать состав ее атмосферы? Как выяснилось, света для этого вполне хватает. Многие планеты, обращающиеся вокруг видимых невооруженным глазом звезд, достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в наши лучшие телескопы. Газовые гиганты легче заметить, чем меньшие по размеру каменные планеты, поскольку они отражают больше света. Основная проблема связана с яркостью родительской звезды, которая может превышать яркость отраженного планетой света в десятки миллиардов раз. Он затмевает свет экзопланет. Кроме того, существует принципиальное ограничение для всех телескопов, которое не позволяет им получить четкое изображение удаленной звезды. Звезда всегда будет казаться немного размытой, в результате чего экзопланета тонет в ее пятне.

Но когда планета проходит перед диском родительской звезды, ее атмосфера ненадолго подсвечивается. Если атмосфера прозрачна, звездный свет может проходить через нее. И в таком случае какая-то его доля поглощается, но лишь на тех длинах волн, которые соответствуют присутствующим в атмосфере атомам и молекулам. Если в атмосфере есть углекислый газ, водяной пар, кислород, метан и им подобные газы, каждый из них оставит свою линию поглощения в общем спектре проходящего света звезды. Таким образом, транзиты дают нам непродолжительную, хотя и повторяющуюся возможность заглянуть в атмосферу планеты.

Итак, если мы направим самые чувствительные телескопы на самые перспективные из известных нам экзопланет (чьи родительские звезды не слишком ярки и период обращения не слишком долог), чего мы сможем добиться? Сможем ли мы увидеть их атмосферу? Да, сможем: возможности современного спектрального анализа не отстают от нашей способности открывать новые землеподобные миры.

Наше внимание особенно привлекают два мира: HAT-P-11b и GJ1214b. Оба эти мира находятся в диапазоне от Нептуна до сверхземли. Масса HAT-P-11b в 26 раз превышает массу нашей планеты, а радиус — в 4 раза. Масса GJ1214b больше массы Земли в 6 раз, а радиус — чуть меньше, чем в 3. Что интересно, обе экзопланеты имеют ту же плотность, что и Нептун, — примерно 1/3 от плотности Земли, или в полтора раза больше плотности воды. Предположительно, HAT-P-11b — горячий нептуноподобный мир, а GJ1214b представляется нам как теплая, газообразная сверхземля — из-за большой, раздутой атмосферы планета кажется больше, чем на самом деле, и поэтому ее плотность выглядит меньше.

Но что мы можем сказать об их атмосферах? Исследования проводились с использованием камеры для наблюдений в широком диапазоне волн, установленной на «Хаббле», во время транзита каждой из экзопланет перед родительской звездой. Линии поглощения на полученных спектрах получились широкими и нерезкими, и определить состав атмосферы можно только при самых благоприятных условиях. Несмотря на это, можно утверждать, что в спектре присутствуют широкие линии поглощения водного пара. В случае GJ1214b результат одновременно озадачил и раздосадовал ученых: спектр оказался гладким, что может указывать на присутствие плотных облаков, которые практически не пропускают свет родительской звезды.

Пожалуй, так происходит всегда, когда мы пытаемся вырвать у природы ее тайны. Даже беглый взгляд на атмосферы далеких планет требует напряженных усилий на пределе возможностей наших современных телескопов. Каждый отдельный успех — такой как HAT-P-11b или GJ1214b — дает нам лишь маленький кусочек головоломки: как атмосфера зависит от массы, температуры и состава планеты? Где-то среди разрозненных частей этой головоломки может быть спрятана отгадка существования жизни. Но как ее распознать? Как отыскать иголку в стоге сена?

Мечта Лавлока: как нам распознать жизнь на Земле 2.0

Чтобы понять, сможем ли мы распознать жизнь на экзопланете, вернемся к гипотезе Джеймса Лавлока: атмосфера — это химическая система, которая может участвовать в биохимии инопланетной жизни. Атмосфера может служить пищей, как это происходит с углекислым газом в нашей собственной атмосфере: фотосинтезирующие растения используют его для синтеза глюкозы. Она может служить свалкой для отходов метаболизма, как кислород, производимый теми же растениями, или метан, вырабатываемый археями в пищеварительном тракте жвачных животных. В какой бы форме не существовала поверхностная жизнь, по крайней мере на Земле, она меняет состав атмосферы: что-то забирает из нее, что-то добавляет.

А теперь позвольте мне задать вам один вопрос с подковыркой. Что считать главной молекулой жизни? ДНК? А может, РНК? А как насчет хлорофилла? Или чего-то вроде кислорода или метана? Я уже слышу возмущенные возгласы: зачем ограничиваться какой-то одной молекулой? Это как если бы я спросил, какой из химических элементов больше всего необходим для жизни. Углерод? Кислород? Не существует элемента, который бы однозначно ассоциировался только с жизнью и ни с чем иным.

В связи с этим позвольте мне еще один вопрос: какие молекулы мы должны искать в инопланетной атмосфере, чтобы подтвердить наличие жизни? Если следовать вашим весьма разумным возражениям, то получится, что нет такой молекулы, которую бы стоило искать. Ни одна из известных нам молекул не может служить однозначным биомаркером.

А как же насчет атмосферного кислорода? Разве я не убеждал вас, что наличие атмосферного кислорода является четким биомаркером? Давайте представим, что наша межзвездная экспедиция обнаружит Землю 2.0, землеподобную планету, вращающуюся вокруг похожей на Солнце звезды. Мы можем пойти дальше: допустим, транзитная спектроскопия указывает на наличие в атмосфере большого количества кислорода, скажем, 20 % или около того. Будет это указывать на существование жизни на новой Земле? Думаю, это ключевой вопрос. Конечно, для астробиологии такой результат будет убедительным, но станет ли он совершенно точным? Мне бы не хотелось вас расстраивать, но ответ будет отрицательным: это не будет недвусмысленным указанием на существование жизни. Да, действительно, кислород химически высокоактивное вещество, которое стремится прореагировать практически с любыми другими веществами, с которыми контактирует. Наличие его в атмосфере предполагает существование некого дисбаланса, вследствие которого кислород производится быстрее, чем потребляется. Есть множество небиологических процессов, результатом которых может быть молекулярный кислород, хотя в большинстве рассмотренных нами случаев этот кислород быстро вступает в реакцию с окружающей средой и образует новые химические соединения. И пусть нам не очень хочется рассматривать небиологические возможности, но следует отдавать себе отчет, что в нашем нынешнем состоянии почти полного невежества мы плохо себе представляем все то множество ролей, которое природа может отвести кислороду в атмосферах экзопланет.

Таково положение дел на сегодня: четкого ответа у нас нет. Нам придется тщательно изучать атмосферы экзопланет, прежде чем мы поймем, как на них может повлиять присутствие жизни. Каковы последствия небиологических процессов: вулканизма, фотохимии, поверхностных реакций и т. п.? Я не решаюсь называть эти процессы «обычной химией», поскольку, вполне возможно, они будут преобладать на большинстве планет, которые мы будем изучать. Ранее мы не раз убеждались, что главная задача астробиолога — рассмотреть химические свойства инопланетных атмосфер и найти явления, которые не отвечают правилам. Какие данные нельзя объяснить законами физической химии? Указывают ли результаты на странные, но явно небиологические реакции, которые мы раньше не принимали во внимание? Или мы наконец обнаружили признаки живой атмосферы?

Светлое будущее

На наше счастье, экзопланеты остаются в центре внимания как астрономов, так и астробиологов, и поэтому нет недостатка в новых интересных идеях по их изучению. Хоть, вероятно, ни одной миссии не удастся добиться такого же потрясающего эффекта, как миссии «Кеплера», но впереди нас ждет еще много интересного.

Одна из самых многообещающих из планируемых миссий — PLATO[17], которая по праву станет наследницей «Кеплера». На этом искусственном спутнике Земли установят 32 камеры, каждая из которых будет направлена на свой участок неба. В то время как «Кепелер» обозревал одно поле зрения размером 105 квадратных градусов, PLATO будет обозревать два, охватывающие в сумме 4500 квадратных градусов, или 10 % неба. Перед миссией поставлена цель — используя тот же транзитный метод, который применялся «Кеплером», обнаружить до 20 землеподобных планет, обращающихся вокруг солнцеподобных звезд. Хотя это не такое уж астрономическое количество, не стоит забывать, что пока нам не известно ни одной действительно землеподобной планеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды. Кроме этих желанных экзопланет PLATO должна обнаружить в 40 раз больше планет, чем «Кеплер». Только задумайтесь: больше 100 000 планет! Что очень важно, PLATO — уже профинансированная миссия ЕКА с бюджетом полмиллиона евро. Планируется, что запуск состоится не позднее 2024 г. и телескоп проработает на орбите не менее 6 лет. Хотя, чтобы насладиться видами экзопланет, нам придется подождать до 2030 г., но я уверен, что оно того стоит.

Не можете ждать так долго? Может, в таком случае вас заинтересует TESS[18]? TESS будет проводить обзор всего неба с целью обнаружения транзитных экзопланет около 500 000 самых ярких звезд. Очевидно, он будет делать это не за один заход, а потратит по 27 дней на каждый участок неба, направляя на него свои камеры. Ожидается, что TESS обнаружит до 3000 экзопланет размерами до земного, обращающихся вокруг звезд класса М. Хотя это не такое значительное количество, как 100 000, которых ждут от PLATO, TESS будет рассматривать все транзитные планеты с коротким периодом обращения вокруг всех ярких звезд на небе. Не забудьте, что эти ближайшие к нам яркие звезды и их планеты — идеальные объекты для транзитной спектроскопии. И снова подчеркну: миссия TESS уже получила финансирование — на этот раз общая сумма составила $200 млн — и вполне сможет удовлетворить ваше желание немедленно заполучить десяток-другой недавно открытых экзопланет.

Осталось еще до обидного много удивительных идей относительно возможных способов обнаружения экзопланет, но, к сожалению, у меня нет места, чтобы их тут описать. Мы предприняли первые шаги к созданию наземных телескопов с зеркалами диаметром 30 м и более. Космические телескопы позволяют на протяжении длительного времени поддерживать стабильные условия наблюдения, но их размеры ограничены грузоподъемностью ракеты-носителя. Наземные телескопы достигают поистине огромных размеров — современные гиганты обладают зеркалами диаметром до 10 м — и обеспечивают великолепные наблюдательные возможности и светосилу. Это ключевой фактор в дальнейшем совершенствовании транзитного метода, и 30-метровый наземный телескоп будет в каких-то аспектах даже превосходить космический телескоп имени Джеймса Уэбба с диаметром зеркала 6,5 м, который придет на смену «Хабблу».

А как насчет того, чтобы заблокировать свет родительской звезды? Наверное, самая дерзкая из всех экзопланетных миссий — запустить в космос своего рода гигантский «зонт». Этот «зонт» представляет собой большой диск с лепестками по кругу, который будет лететь на расстоянии 14 000 км перед космическим телескопом, как, например, телескоп Уэбба. Подобно тому, как в яркий солнечный день вы поднимаете руку, закрывая ладонью Солнце, чтобы рассмотреть какие-то удаленные объекты, так и эта хрупкая, похожая на подсолнух конструкция сможет заслонить весь свет родительской звезды, даже тот, который огибает края «зонта». Созданное таким образом искусственное затмение позволит экзопланетам выступить на первый план, чтобы мы могли наблюдать их напрямую.

В начале этой главы мы смотрели на звезды и гадали, есть ли у них собственные планетные системы. Наши робкие попытки представить себе далекие миры были щедро вознаграждены: мы получили подтверждение того, что кроме нашей Солнечной системы существуют еще миллиарды и миллиарды планетных систем.

Как астробиологи мы задавались вопросом, может ли на этих планетах присутствовать жизнь, и обсуждали, как лучше подойти к решению этого непростого вопроса. Даже ближайшие к нам планеты находятся на огромном расстоянии и теряются в слепящем блеске своих родительских звезд. Но мы нашли признаки наличия атмосферы как у каменных, так и у нептунианских миров. Хотя нам еще многое предстоит узнать, мы уже убедились, что атмосферная спектроскопия — это ключ к секретам инопланетной жизни. Начальные страницы этой истории только-только написаны, и я рассчитываю, что в дальнейшем мы встретимся с не менее волнующими открытиями и загадками.

После открытия экзопланет мы можем воображать себе жизнь, рассыпанную среди звезд на ночном небосклоне, — отдельные обитаемые островки в океане космоса. Может так случиться, что каждый из них дает свой, не похожий на другие ответ на вопрос: что же такое жизнь? Или, напротив, окажется, что все ковры жизни сотканы из одних и тех же нитей?

Сейчас многие астрономы и астробиологи задаются вопросом, велика ли вероятность встретить среди звезд разумную жизнь. Поиски инопланетного разума ведут нас в неизведанные и порою туманные области, хоть мы по-прежнему остаемся в царстве науки.

Глава 9. Поиски внеземного разума

Ах, SETI! Вот мы и встретились вновь. Ни один другой раздел астробиологии не вызывает таких разногласий между учеными и теми, кто финансирует их исследования. Но, пожалуй, ни один другой раздел астробиологии не привлекает такого внимания общественности, как поиски братьев по разуму.

Между частотами знакомых радиостанций, которые мы слушаем на Земле, лежит мир электростатического шума. Это шипение и пощелкивание — совместное звучание радиофизических процессов, проходящих на нашей планете, в ближайшем космосе и во всей Вселенной. Но что, если за этой сумятицей радиоволн мы не можем различить самого простого искусственного сигнала: бип-бип-бип?

Молодое поколение радиоастрономов, выросших в эпоху бурного развития технологий, наступившую после Второй мировой войны, неожиданно осознало, что у него есть возможность передавать и получать сигналы на расстояния, превышающие размеры нашей Галактики. Если мы, молодая в техническом плане цивилизация, научились передавать сообщения на такие огромные расстояния, может быть, во Вселенной существуют другие цивилизации, стремящиеся установить с нами контакт? Может быть, в межзвездном эфире идут оживленные разговоры и нам надо только научиться их распознавать?

В то время пока наши поиски элементарной жизни за пределами Земли продвигались маленькими шажками, усилия отыскать высокоразвитые инопланетные цивилизаций продвинули нас далеко вперед. На протяжении всей этой книги я убеждал вас, что, скорее всего, нашим первым контактом с инопланетной жизнью будет контакт с микробами, а не с чуждым разумом. Мы сосредоточили все наше внимание на основополагающих опытах по обнаружению обмена веществ или биохимических структур, которые свойственны самым элементарным формам жизни. Теперь же мы поставим перед собой более высокие и технологичные цели — обнаружение жизни в ее самой высокоразвитой форме.

Разговор через тысячу световых лет

В 1959 г. в журнале Nature вышла необычная статья. Между статьями о роении пчел и воздействии радиации на красные кровяные тельца располагалась публикация с необычным названием: «Поиски межзвездных сообщений». Всего на двух страницах Джузеппе Коккони и Филип Моррисон обрисовали общий план действий, которому следовали практически все проекты SETI на протяжении последующих 50 лет.

Коккони и Моррисон пришли к заключению, что радиотехнологии дают человечеству практическую возможность передачи сигнала между звездами, и это делает их прекрасным инструментом, позволяющим обнаружить технологически продвинутые и, следовательно, разумные инопланетные существа. Радиотелескопы могут не только принимать сигналы, но и передавать их. Если мы, на Земле, передадим мощный сигнал в космос, то это электронное сообщение может быть получено и распознано инопланетным телескопом c такими же характеристиками на расстоянии десятков, а может, даже сотен световых лет. Поскольку радиоволны — это просто длинноволновые фотоны, они перемещаются со скоростью света. Так что, хотя этот обмен сообщениями будет не мгновенным, он вполне может произойти на протяжении одной человеческой жизни.

Но даже в радиодиапазоне электромагнитного спектра существует невообразимое множество частот, на которых может вестись передача. Нельзя ли как-то сузить границы поисков? Коккони и Моррисон сосредоточили свое внимание на частоте 1420 МГц. Эта частота связана с излучением водорода, наиболее широко распространенного элемента во Вселенной. Атомы водорода преобладают в нашей Галактике и в большей или меньшей степени во всех других галактиках, которые мы наблюдали. При возвращении возбужденного атома водорода в стабильное состояние происходит излучение одного кванта света — фотона. Частота излучения фотона равна 1420 МГц (астрономы называют излучение с длиной волны 21 см, соответствующее частоте 1420 МГц, радиолинией нейтрального водорода). Почти как зрители в кинотеатрах, ерзающие на своих местах от возбуждения во время сеанса, атомы водорода постоянно переходят в возбужденное состояние в результате соударения атомов, испуская при этом радиоизлучение длиной волны 21 см.

Таким образом, водород служит вездесущим спектральным маяком, излучение которого должно быть знакомо всем наблюдателям звездного неба, будь то люди или инопланетяне. Более того, частота 1420 МГц лежит между относительно свободными областями электромагнитного спектра, где фоновый шум нашей Галактики почти не слышен. Позднее астрономы прозвали этот диапазон «космическим водопоем»: излучение с длиной волны 21 см, окруженное областями относительной радиотишины, может стать отличным местом встречи, где разбросанные по просторам Галактики цивилизации могут пообщаться и обменяться идеями.

В точности как мы?

Прослушивание отдельных звезд и открытых областей неба в радиодиапазоне, близком к 1420 МГц, стало общепринятой практикой почти для всех проектов SETI, осуществленных за последние 50 лет. К несчастью, существует одна довольно очевидная проблема, которая с самого начала присутствовала во всех проектах SETI. Соображения, представленные Коккони и Моррисоном, можно с тем же успехом сформулировать по-другому: инопланетяне будут использовать радиотелескопы, потому что их используем мы; инопланетяне будут передавать сигнал на частоте 1420 МГц, потому что мы передаем на этой частоте; инопланетяне направят свои передатчики к солнцеподобным звездам, потому что мы бы тоже так поступили.

Похоже, нам известно почти все относительно того, каким образом инопланетяне собираются сообщать о своем существовании во Вселенной. Мы уже сталкивались с подобными соображениями раньше: это называется антропоцентризм — вера в то, что человек есть средоточие Вселенной. Но мы уже не живем в центре Солнечной системы, Галактики или Вселенной. Тогда почему наши представления о межзвездной коммуникации должны быть чем-то единственно верным? Короткий ответ — не должны, как бы нам этого ни хотелось. Хотя я и не думаю, что когда-нибудь в обозримом будущем SETI удастся установить контакт, но, когда мы наконец получим сообщение, антропоцентризму будет нанесен еще один удар — по крайней мере я на это надеюсь.

Однако, несмотря на все эти оговорки, интерес к SETI со временем ничуть не уменьшается. Справедливости ради придется признать, что мы ищем, потому что можем и потому что нам это интересно. Я ранее уже говорил о том, что наши современные попытки обнаружить во Вселенной жизнь — высокоразвитую или элементарную — очень ограниченны по сравнению с невообразимым количеством существующих возможностей. Коккони и Моррисон были среди первых астрономов и астробиологов, которые понимали, что надо начинать с того, что у вас есть на сегодняшний день.

Возможно, принципы SETI идеалистичны и антропоцентричны, но есть ли принципиальная разница между тем, что делает SETI, и попытками найти элементарные формы жизни на «пригодных для обитания» экзопланетах? По-видимому, это и есть главный вопрос, особенно если два подобных проекта борются за финансирование. По старой доброй традиции я отвечу на него другим вопросом: с учетом 50 лет поисков внеземного разума кто-нибудь подсчитывал, каковы наши шансы на успех?

Уравнение Дрейка

В 1961 г., через два года после выхода статьи Коккони и Моррисона, в помещении радиотелескопа «Грин-Бэнк», Западная Виргиния, проходила небольшая конференция. Темой конференции была деятельность SETI, и на ней присутствовало всего 10 человек из таких различных областей науки, как нейробиология, химия и астрономия. Среди них были Филип Моррисон и молодой тогда Карл Саган. Собравшись вместе, они обсуждали, вероятно, многие из тех идей, о которых вы прочли в этой книге.

Среди прочих на встрече присутствовал астроном Фрэнк Дрейк. Он только что закончил проект «Озма» — первую попытку обнаружить с помощью радиотелескопа «Грин-Бэнк» радиопередачу со звездных систем Тау Кита и Эпсилон Эридана. Желая подвести итог главному вопросу, который обсуждали в тот день на конференции, — что нужно знать, чтобы определить количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт в галактике Млечный Путь, — Фрэнк написал на доске обманчиво простую формулу:

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L.

Смысл уравнения передавался довольно длинным предложением: количество внеземных цивилизаций, присутствующих в нашей Галактике на сегодняшний день (N), равно произведению количества звезд, образующихся за год в нашей Галактике (R*), доли звезд, обладающих планетами (fp), среднего количества приходящихся на одну звезду планет с подходящими условиями для жизни (ne), вероятности зарождения жизни на планете с подходящими условиями (fl), вероятности возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь (fi), вероятности существования технической возможности вступить в контакт (fc) и времени жизни такой цивилизации (L).

Как я уже говорил, уравнение обманчиво просто, но также и обманчиво пугающе. Если начинать с левой стороны, можно подставить значения, относительно хорошо известные. Так, например, количество звезд, образующихся в галактике Млечный Путь за год, — это примерно 4 солнцеподобные звезды в год. Мы можем уточнить это значение, если учтем, что большинство новых звезд меньше Солнца, но, когда я говорю, что это число достаточно хорошо известно, я имею в виду, что наша оценка превышает истинное значение не больше и не меньше чем в 100 раз.

Это хорошие новости. Но, по мере того как мы будем продвигаться слева направо, наши познания относительно каждого параметра в уравнении будут быстро уменьшаться. На самом деле, если рассматривать такие вопросы, как время жизни технологических цивилизаций, мы можем только предположить, что оно больше 80 лет (примерно столько мы находимся на этой стадии) и, вероятно, меньше времени существования Вселенной. В пределах этих значений можно с тем же успехом назвать любое другое число. С учетом такой большой неопределенности уравнение Дрейка не раз подверглось критике, поскольку все попытки подсчитать количество цивилизаций, готовых вступить в контакт, заканчиваются бесплодными спорами.

Сторонники SETI и уравнения Дрейка часто утверждают, что Фрэнк Дрейк вывел эту формулу только для того, чтобы очертить круг вопросов, который предполагалось обсудить на той конференции 1961 г. В таком случае мы можем рассматривать ее как научный список желаний — темы, которые заслуживают дальнейшего изучения, если мы хотим когда-нибудь в будущем оценить наши шансы на установление контакта с инопланетными цивилизациями. Критики уравнения Дрейка указывают, что нам неизвестно значение большинства входящих в уравнение параметров, и даже подвергают сомнению саму возможность установить значения этих величин когда-нибудь в будущем.

Так кто же прав? Неужели исходная концепция SETI в корне неверна или даже хуже того — ненаучна? Если коротко, то это не так. Уравнение Дрейка совершенно верное — даже слишком верное — научное утверждение, демонстрирующее степень нашего неведения. Более того, уравнение Дрейка можно и нужно расценивать как попытку определить, от каких факторов зависит оценка готовых к контакту цивилизаций в нашей Галактике. Не стоит маскировать наличие подобной проблемы уклончивыми ответами. Если мы действительно хотим обнаружить эти цивилизации, нам надо осознать границы нашего невежества и затем начать предпринимать шаги для устранения пробелов в нашем познании. Да, в настоящее время большая часть этих параметров нам неизвестна, но это не означает, что они не значимы или непознаваемы в принципе.

Взять, например, успех миссии «Кеплера». Чтобы понять значение открытий, сделанных «Кеплером», надо отметить, что спустя 20 лет после обнаружения первой экзопланеты мы получили относительно достоверную оценку параметра fp — доли звезд, обладающих планетами. Впечатляет тот факт, что нам на это потребовалось всего 20 лет. Ответы на фундаментальные вопросы требуют много времени и усилий, и уравнение Дрейка — действенный метод разделить один фундаментальный вопрос на несколько более легких.

Какой из параметров уравнения Дрейка кажется вам наиболее важным? На мой взгляд, тот, что лежит cразу за пределом наших современных знаний. С учетом того, что мы сегодня знаем о переменных Дрейка, следующий неизвестный нам параметр — это количество пригодных для жизни планет на одну звезду. «Кеплер» уже позволил нам сделать предварительную оценку его значения, а TESS и PLATO уточнят ее в будущем.

Мы можем сделать еще один шаг и рассмотреть вопрос о том, на какой части из пригодных для жизни планет может возникнуть жизнь. Это один из самых основополагающих вопросов — возможно, даже самый основополагающий, — поскольку, чтобы решить уравнение Дрейка, нам необходимо обнаружить жизнь за пределами Земли. Этот вопрос стоит перед всеми астробиологами, ищут ли они биомассу на Титане или ждут твитов с Тау Кита. Вероятность успеха или провала в обоих случаях определяется одним и тем же уравнением Дрейка, пусть даже более или менее урезанным по сравнению с первоначальной формулировкой.

Мне самому очень хотелось бы понять, как можно с помощью уравнения Дрейка оценить численность хотя бы элементарных форм жизни, не говоря уже о подсчете количества потенциальных пользователей «Твиттера» в нашей Галактике. Но никому не приходит в голову критиковать другие области астробиологии лишь на том основании, что мы не знаем, какова вероятность зарождения жизни на планете с подходящими для нее условиями. На самом деле попытки обнаружить внеземную жизнь потому и привлекают к себе такое внимание, что это очень важный и совершенно неизученный вопрос.

Надо признать, что применительно к SETI в уравнении Дрейка появляется еще несколько коэффициентов, которые требуют дальнейших антропоцентричных допущений. Тем не менее когда Фрэнк Дрейк писал свое уравнение, он следовал четкой научной традиции. С нашей стороны было бы неблагодарностью жаловаться на то, что он поставил целый ряд фундаментальных вопросов, ответы на которые от нас ускользают. Повестка, заданная им в 1961 г., и сегодня остается значимой и содержит в сжатом виде полный спектр задач астробиологии.

SERENDIP[19]

Как организован поиск внеземных радиосообщений SETI? Как можно «услышать» сигналы внеземных цивилизаций? Один из наиболее масштабных проектов SETI — это SERENDIP V, пятая версия программы «поиска внеземного радиоизлучения от соседних разумных цивилизаций». Программа координируется астрономами из Калифорнийского университета в Беркли и получает данные с гигантского 305-метрового радиотелескопа в Аресибо, Пуэрто-Рико.

Телескоп Аресибо — чудо астрономического мира: его сферическая отражающая поверхность расположена не в поворотной чаше, а лежит в естественной карстовой воронке в горах. Как и у всех радиотелескопов, отражающая поверхность — это не зеркало в привычном для нас смысле: она состоит из перфорированных алюминиевых пластин, уложенных на сетку из стальных тросов.

Как навести телескоп на определенную точку в небе? Приемник установлен на платформе весом 900 т, подвешенной в фокусе телескопа в 150 м от отражающей поверхности. Изменяя положение платформы над отражающей поверхностью, приемник получает отражение немного другого участка неба. Вращение Земли решает все оставшиеся вопросы, и в результате телескоп Аресибо может наблюдать примерно четверть всего неба.

Проект SERENDIP проводит наблюдения методом «дополнительной нагрузки». Детектор SERENDIP работает параллельно с основным приемником и собирает данные, не мешая основной научной работе лаборатории. Таким образом, SERENDIP получает почти непрерывный обзор неба, сканируя диапазон частот шириной 200 МГц с центром на частоте 1420 МГц.

Каждую секунду SERENDIP V собирает гигабайты данных. Поиск сигналов внеземного разума в непрерывном потоке информации — грандиозная задача, сродни отделению зерен от плевел при безостановочном сборе урожая. Большая часть данных SERENDIP V обрабатывается электронной начинкой приемника — только сигналы, представляющие потенциальный интерес, сохраняются для дальнейшего анализа. Поскольку для обработки этого огромного массива данных требуются колоссальные вычислительные ресурсы, в 1999 г. группа астрономов SETI предложила очень интересный подход.

Полагаю, большинство людей никогда не слышали о SERENDIP, но я почти уверен, что вам знаком проект SETI@Home. SETI@Home разбивает записи SERENDIP на небольшие блоки примерно по миллиону байт, которые конвертируются в задания на расчет и рассылаются на компьютеры участников проекта. Обработка выполняется компьютерной программой, которая работает в режиме скринсейвера. В свободную минуту можно смотреть, как она перемалывает массивы данных, и ждать, когда вспыхнет красный сигнал‹‹1››. В проекте SETI@Home со дня его запуска в 1999 г. приняли участие более 8 млн добровольцев, и на сегодня генерируемая им вычислительная мощность превышает мощность всех когда-либо существовавших суперкомпьютеров.

В настоящий момент поиск SETI не выявил никаких достоверно подтвержденных сигналов внеземного происхождения. Но, как и при любом астрономическом поиске, сначала надо понять, что именно мы можем увидеть. Насколько чувствительны наши наблюдения? Проще всего предположить, что инопланетяне используют такую же аппаратуру, как и мы, — 300-метровый радиотелескоп с мощностью сигнала до 1 МВт. В таком случае чувствительность SETI может быть выражена расстоянием, на котором мы можем обнаружить такой сигнал. Для SERENDIP V это расстояние равно приблизительно 100 световым годам, а для выборки, анализируемой SETI@Home, это расстояние примерно в три раза больше.

В таких пределах от нашей планеты находится около 15 000 звезд, большинство из которых немного меньше Солнца (звезды классов G, K и M). Это, конечно, много, но не в астрономическом смысле. Если окажется, что количество цивилизаций, передающих сигналы, астрономически мало, вам вряд ли когда-нибудь удастся их обнаружить. Разумеется, если оборудование, которое используют инопланетяне, гораздо мощнее вашего, мы сможем обнаружить их на большем расстоянии. Хотя никакой уверенности в этом, да и во многих других вопросах, связанных с SETI, у нас нет.

Значение SETI@Home выходит далеко за рамки оптимизации поисков SETI. Вовлекая публику непосредственно в свою деятельность, SETI получает нечто большее, чем вычислительную мощность. Как я уже отмечал раньше, SETI — это хорошо обоснованный с научной точки зрения проект и, как любая научная программа, в которой участвует более 8 млн человек, не вызывает ничего, кроме уважения. Я приветствую вас, пользователи SETI@Home!

Снять с довольствия

Осталось обсудить один непростой вопрос. Представьте, я приду к вам и скажу, что создал инструмент, который позволяет разъяснить природу одного интересного физического явления, и попрошу у вас денег на проведение эксперимента. Что вы ответите? Следует упомянуть еще один важный момент: я не знаю, получу ли когда-нибудь результат. Возможно, это случится почти сразу. А может, и никогда. Думаю, если это будет не слишком дорого, вы скажете: хорошо, давайте попробуем разок, а там видно будет.

Мы ставим эксперимент — и ничего не находим. Потом я снова прихожу к вам и прошу денег на еще одну попытку. Допустим, я попрошу более чувствительную аппаратуру для измерений, но я по-прежнему не смогу сказать, каковы мои шансы совершить открытие. Продолжите ли вы меня финансировать? Или в какой-то момент решите, что это напрасная трата денег?

Вы понимаете, к чему я клоню. Позвольте мне побыть адвокатом дьявола и спросить вас, можно ли применить тот же подход не к SETI, а, допустим, к программе «Викинг» по изучению Марса. Какие новые знания мы приобрели после проведения биологических экспериментов? Что в двух местах не обнаружено форм жизни, которые вели бы себя так, как планировали разработчики биохимического эксперимента?

Как отреагировало НАСА? Оно попросило еще денег, чтобы построить еще два космических аппарата, оснащенных примерно тем же набором оборудования, и отправило их примерно в то же место на поверхности Марса? Нет. Космическое агентство признало, что вопрос жизни на Марсе слишком сложен и решить его с первого раза не получится. Вместо этого НАСА сосредоточилось на остальных нерешенных вопросах: что определяет химический состав марсианского грунта? Что случилось с жидкой водой на планете? Есть ли сегодня на Марсе вода в жидком виде? НАСА изменило свой подход, поставило себе более реальные задачи, и в результате к нам стали поступать ценные сведения о Марсе, в том числе и о том, существуют ли там возможности для жизни.

Что мы узнаем об инопланетянах, которые передают нам сигналы, если и дальше будем слушать пустоту? Вероятно, самая убийственная критика SETI заключается в том, что мы так и не продвинемся ни на шаг вперед в поисках высокоразвитой цивилизации, если не установим значение параметров уравнения Дрейка или полностью не изменим свой подход к проведению эксперимента. Если мы не нашли того, что искали, но получили взамен какие-то ценные знания, то деньги, потраченные на науку, не пропали даром. Но расходовать средства, не приобретая совершенно ничего взамен, попросту непозволительно. НАСА прекратило финансирование проекта SETI в 1999 г. Столкнувшись с нехваткой средств, проект SETI был вынужден обратиться за финансовой поддержкой к частным лицам и корпорациям. Ему удается сводить концы с концами, но и только.

SETI у вас в телефоне

Если вы всей душой переживаете за будущее проекта SETI, не бойтесь за него: чудесные истории случаются и в наши дни. В июле 2015 г. предприниматель и филантроп Юрий Мильнер объявил о выделении $100 млн на финансирование проекта Breakthrough Listen. Вместе с такими научными знаменитостями, как Стивен Хокинг, Мартин Рис (королевский астроном), Джеффри Марси (рекордсмен по числу открытых экзопланет) и, конечно, Фрэнк Дрейк, Мильнер, похоже, осуществил все заветные мечты SETI: на выделенные им деньги будет арендовано время на радиотелескопах «Грин-Бэнк» и «Паркс», в течение которого будет проходить поиск внеземных цивилизаций по протоколу SETI. Два радиотелескопа покроют площадь неба, в 10 раз большую, чем в предыдущих проектах.

Увенчаются ли эти поиски успехом? Если я скажу, что знаю об этом не больше вашего, вы, скорее всего, увидите в моем ответе не попытку отшутиться, а только признание того факта, что на сегодняшний день нам ничего не известно о существовании разумной внеземной цивилизации, желающей вступить в контакт. Если вы уже участвуете в программе SETI@Home, вам, наверно, стоит задуматься о покупке более мощного компьютера, чтобы заранее подготовиться к лавине новых данных, которые предстоит проанализировать. Более того, у SETI@Home теперь появилось приложение SETI@Phone, которое может анализировать данные в ночное время, когда ваш телефон стоит на зарядке. Мы можем только надеяться, что миллионы новых энтузиастов встанут в ряды SETI.

После всех оговорок и критических замечаний, приведенных в этой главе, у вас может возникнуть вопрос, почему SETI вошел в число первых пяти сценариев обнаружения внеземной жизни. На это могу только ответить, что каждый вечер, когда я ложусь спать, у меня в голове мелькает мысль: а вдруг? А вдруг завтра я проснусь, зайду на сайт BBC и прочту набранное огромными буквами сообщение о том, что установлен контакт с инопланетянами? Будет ли это для меня неожиданностью? Несомненно. Но возможно ли такое? А почему бы и нет? И, перефразируя Коккони и Моррисона, можно сказать, что даже если вероятность успеха мала, это не означает, что сама идея SETI ошибочна.

Если бы у меня были $4 млрд, стал бы я финансировать проекты SETI? Нет, по крайней мере до тех пор, пока не прояснятся еще какие-нибудь параметры уравнения Дрейка. Но радует ли меня, что находятся желающие профинансировать их за счет своих личных средств? Конечно же, да! Дай Бог им здоровья!

Глава 10. Зачем нам (внеземная) жизнь?

Я начал эту книгу с вопроса, зачем читать книгу о поисках внеземной жизни, если никакой такой жизни до сих пор не обнаружено. Теперь, когда книга приближается к концу, вам проще ответить на такой вопрос, чем мне. Я знаю, зачем я написал эту книгу: честно говоря, каждый небольшой шаг в расширении наших познаний мне интересен, вероятно даже больше, чем тот воображаемый момент, когда будет обнаружена новая жизнь. Меня воодушевляет каждое новое открытие, даже если, как это иногда случается, оно показывает, что мы двигались не в том направлении. Медленно, фрагмент за фрагментом, мы собираем огромную головоломку — возможно, самую большую в нашей истории.

В этой последней главе речь пойдет не только о поисках жизни на других планетах, но и о нас самих. Это очень эгоистичная точка зрения, но в то же время необходимая и неизбежная. Трудно сохранять полное хладнокровие, если речь идет о поисках жизни за пределами Земли. Если наши усилия увенчаются успехом, мы сможем определить наше место в космосе. Точно так же наши первые экспедиции на Луну были важны не только как шаг на пути освоения Солнечной системы, но и как возможность совершенно по-новому взглянуть на нашу планету.

Что мы узнали на сегодняшний день? Какие вопросы нас волнуют? Какие конкретно вопросы стоят перед астробиологией? Что должно стать нашей целью в следующем году? А в следующем десятилетии? И, кроме того, мы все, и я в том числе, должны решить, как нам потратить наши воображаемые $4 млрд.

Хотя это очень увлекательно — рассуждать о будущих направлениях астробиологии, я искренне надеюсь, что даже в ближайшем будущем нас ждет множество удивительных открытий. Я не могу сказать, что именно это может быть, но сюрпризы в науке — всегда желанное событие. Они заставляют нас изменить привычный стиль мышления, посмотреть на окружающий мир с другой точки зрения. Наверно, с этого и стоит начать — с обзора существующих на сегодня вопросов.

Голубая точка

Помимо всех прочих достижений «Вояджер-1» сделал снимок нашей планеты с самого дальнего расстояния. В 1990 г. «Вояджер-1», фотографировавший все планеты Солнечной системы, снял Землю с расстояния примерно 6 млрд км, что в 40 раз больше расстояния от Земли до Солнца. На этой фотографии Земля занимает один-единственный сине-голубой пиксель — крупинка пыли, парящая в столбе солнечного света. Это та самая знаменитая «Голубая точка», которая навела Карла Сагана на размышления о безрассудстве и предназначении человечества.

Позвольте мне предложить вам другое видение, не связанное с переменой места, а основанное на новых знаниях. Допустим, за пределами Земли обнаружена жизнь. Неважно где — на Марсе, Европе, Титане, на какой-нибудь экзопланете — или мы получим зашифрованное послание из малоизученной звездной системы. Какова будет ваша реакция? Мы можем обсудить этот вопрос в разных аспектах. Первый, практический. Допустим, за завтраком вы прочтете в газете или услышите эту новость по радио. Будет ли после этого ваш день отличаться от обычного? Доедите ли вы свой завтрак или, бросив все, выбежите на улицу и уставитесь в небо? Поедете ли вы на работу или вместо этого помчитесь в супермаркет, чтобы запастись бутылками воды? Броситесь ли вы стирать белье, выплачивать кредиты или решите, что теперь все кардинально меняется?

В зависимости от уровня контакта — я не рассматриваю вариант, когда они зависли прямо у нас над головами, — изменится что-либо в вашей повседневной жизни? Я знаю об этом не больше вашего. Подозреваю, что мы продолжим заниматься своими делами (почти) как обычно. Что касается меня, то, возможно, я буду читать и перечитывать эту новость несколько дольше обычного, но жизнь на Земле не остановится.

Такую реакцию нетрудно понять. Представьте себе сценарий, в соответствии с которым жизнь обнаружена в образцах, доставленных на Землю с Марса. Если вы узнаете, что на Марсе есть жизнь и что какие-то ее представители сейчас гостят в земной лаборатории, это не отменит необходимости выполнять свои ежедневные обязанности. Счета по-прежнему придется оплачивать, а дети будут требовать завтрак‹‹1››.

Возможно, нам стоит выйти за рамки обыденной жизни. Изменится ли жизнь в более общем смысле? Думаю, да, но, как именно, трудно сказать. Наш мир в каком-то смысле станет больше. Должен признаться, каждый раз, когда я вижу планету Марс, я вспоминаю о двух автоматических станциях, которые сейчас работают на ее поверхности, и меня охватывает волнение. Мысленным взором можно проникнуть в самые далекие уголки Вселенной. Известие о недавно открытой жизни на отдаленной планете или спутнике будет еще более волнующим. Но такое событие не будет означать конец нашего путешествия. Это будет не менее значимый шаг, чем тот, что сделал Нил Армстронг, ступая на лунную поверхность. Но в то же время есть надежда, что это будет лишь один из множества шагов на нашем пути в космос.

Повлияет ли это новое понимание жизни на наш образ действий? Станет ли обнаружение жизни за пределами Земли провозвестником нового этапа на нашем долгом пути к зрелой цивилизации? Конкретнее, если мы обнаружим простейшие формы жизни на другой планете Солнечной системы, как мы с ними поступим? Что, если они окажутся съедобными? Что, если их планета обладает минеральными ресурсами, в которых нуждается наша истощенная Земля?

Мои размышления на эту тему вряд ли будут более осмысленными, чем ваши. На протяжении всей книги мы принимали жизнь на Земле за точку отсчета — единственную точку отсчета, на примере которой пытались понять свойства жизни в целом. Можно и далее использовать этот подход, чтобы представить, каким будет наше взаимодействие с формами жизни, с которыми мы вступим в физический контакт, и картина получается не очень радостная. Достаточно вспомнить, какая судьба постигла здесь на Земле формы жизни, которые можно есть или места обитания которых содержат ресурсы для хозяйственной деятельности человека. Пессимист (или реалист) может пойти еще дальше и напомнить об исторической судьбе сообществ на Земле, которым не посчастливилось вступить в контакт с представителями человечества, обладающими технологическим превосходством и стремившимся к экспансии.

Мне хотелось бы избежать откровенного морализаторства, но, учитывая наш предыдущий опыт, не стоит рассчитывать на безоблачное будущее. С другой стороны, все зависит от нас, и медленно, шаг за шагом, человечество вырабатывает законы и правила — мы называем их культурой, — которые совершенствуют наше понимание природы и места в ней. Мы повзрослели. Есть ли повод для оптимизма? Наверное, только понимание того, что для преодоления трудностей, с которыми сейчас сталкивается человечество, — голод, перенаселенность, военные конфликты, изменение климата — нам нужно повзрослеть еще больше и научиться уважать друг друга и нашу планету. Если это случится, то, возможно, обретенное нами миролюбие и смирение будут сопровождать нас и за пределами Земли в наших контактах с инопланетными формами жизни.

Фундаментальные вопросы

7 августа 1996 г. президент Клинтон обратился к собравшимся на южной лужайке Белого дома представителям прессы. Поводом для этого послужило сообщение, что ученые НАСА обнаружили свидетельства древней марсианской жизни в метеорите ALH84001. Имеет смысл привести здесь его слова: «Метеорит указывает на возможность существования жизни. Если открытие подтвердится, это, несомненно, станет одним из самых поразительных проникновений в тайны нашей Вселенной, которое будет иметь далеко идущие последствия. Но, дав ответы на самые исконные вопросы, он поставит перед нами другие, еще более фундаментальные».

Это речь опытного политика: возвышенная, воодушевляющая и полностью лишенная каких-либо конкретных деталей. В чем заключаются эти фундаментальные вопросы? Кто их сформулировал? А какие вопросы задали бы мы?

Я со своей стороны с удовольствием узнал бы о том, как устроена внеземная жизнь. Поэтому часть моих вопросов будут простыми и, вероятно, очевидными: как эти новые формы жизни организованы и как они преобразуют энергию? Растут ли они? Какие у них существуют способы воспроизводства? Как насчет наследственности и эволюции? Делают ли они что-то такое, что мы затрудняемся описать? Это то, что можно назвать незначительными вопросами, на которые можно ответить, наведя свой микроскоп на образец горной породы или на чашку Петри.

Но что, если мы отступим на шаг назад и зададимся более общими вопросами? Как насчет таких: является ли жизнь, где бы мы ее ни обнаружили, естественным результатом существования сложных химических соединений? Встретим ли мы жизнь во всех средах, в которых имеются, например, органические соединения, энергия и подходящий растворитель?

За прошедший век наше понимание жизни поднялось с биологического уровня (изучение живых организмов) до химического (изучение молекул, из которых эти живые организмы состоят). Этим пониманием мы отчасти обязаны тому, что рассматриваем феномен жизни в более фундаментальном, физическом масштабе. Было бы упрощением сводить вопрос «Что такое жизнь?» к цепочке выраженных формулами взаимодействий между фундаментальными частицами вещества, в данном случае атомами. Но, если уж мы зашли так далеко, давайте поинтересуется, что может выйти из этих уравнений. Как выглядят законы «физики жизни»?

Чтобы это стало понятней, давайте рассмотрим жизнь не как биологический организм, а как звезду. Образовавшись из облака разреженного газа под воздействием неумолимой силы гравитации, протозвезда сжимается до тех пор, пока под воздействием высокой температуры и плотности в ее недрах не вспыхнет термоядерная реакция. Такое поведение звезды противоречит термодинамическому равновесию во Вселенной. Вся материя и энергия во Вселенной подвержены неизбежному процессу распада, в результате которого энтропия, или мера беспорядка, должна непрерывно повышаться. Мы называем это правило вторым законом термодинамики.

На протяжении всей своей жизни звезды существуют в состоянии локального бунта против второго закона термодинамики. Гравитация заставляет звезды двигаться в сторону упорядочения. Ядерный синтез заставляет атомы эволюционировать, постепенно образуя новые элементы периодической таблицы: с каждой последующей реакцией ядра атомов становятся все сложнее и сложнее. Энергия, освобожденная в ходе реакции термоядерного синтеза, противостоит гравитационному сжатию звезды. Хотя может показаться, что звезды нарушают второй закон термодинамики, в действительности тут скорее применимо слово «обходят». Хотя звезда — это высокоупорядоченная система, энергия термоядерного синтеза в конце концов покидает звезду в виде беспорядочного потока фотонов. Второй закон остается незыблемым.

Живые организмы, как мы знаем, — это организованные системы атомов и молекул, которые самим фактом своего «локального» существования бросают вызов более обобщенным законам термодинамики. И так же, как в случае со звездами, беспорядочная энергия возвращается во Вселенную как тепло, излучаемое нашими телами. Тем не менее как звезды, так и живые организмы остаются исключительно интересными объектами для физиков, поскольку те и другие представляют собой временное прибежище порядка, образованное потоком энергии.

Что за силы высекают искру жизни? Можем ли мы считать, что жизнь — это «свойство» Вселенной? Правда ли, что возникновение жизни следует из законов физики так же естественно, как звезды зажигаются внутри плотных облаков дозвездного газа? Очевидно, это еще более фундаментальный вопрос, но очевидно и то, что уже настал тот момент, когда мы должны ставить перед собой высокие цели и задавать сложные вопросы. Я не жду, что первое же открытие новых форм жизни даст нам четкий ответ. Возможно, этого не случится и со вторым, третьим или четвертым подобным открытием. Но, если мы продолжим наши поиски, со временем мы получим ответы даже на такие фундаментальные вопросы.

В погоню за мечтой!

Астробиология — предмет одновременно увлекательный и ошеломляющий. И то и другое чувство вызвано огромным количеством новых открытий. Даже за те полтора года, что я работал над этой книгой, появилось множество потрясающих открытий. Ученым удалось связать гейзеры на Энцеладе с существованием подповерхностных резервуаров жидкой воды. Новые статистические методы, разработанные учеными из команды «Кеплера», привели к взрывному росту количества обнаруженных экзопланет. По-видимому, мы наконец открыли на Марсе метан, проносящийся над поверхностью планеты загадочными струями. Космический аппарат «Розетта» приблизился к комете и высадил на нее спускаемый аппарат, которому едва удалось справиться со своей задачей.

Наверно, самым обидным моментом было понимание того, что книга в какой-то момент закончится, а накопление новых знаний будет продолжаться дальше. Какие крупные открытия ожидают нас в будущем? Какие научные знания скоро устареют? Какие космические экспедиции состоятся в ближайшее время? А какие не продвинутся дальше чертежей? При каких условиях состоится контакт? Не стану утверждать, что мне об этом что-то известно. Однако я верю, что тематика, намеченная в этой книге, исследовательский дух, любознательность, изобретательность и открытость для новых идей проложат нам путь к нашей цели.

14 июля 2015 г. зонд «Новые горизонты» пролетел на расстоянии 10 000 км от Плутона. От сделанных им фотоснимков захватывало дух — Плутон обретал плоть прямо у нас на глазах. То, что мы считали мертвой холодной каменной глыбой, оказалось молодым, геологически активным миром, обладающим источником внутреннего тепла неизвестной пока природы.

Как обстоят дела у марсианского орбитального аппарата MAVEN? Обнаружит ли он периодические выбросы метана, о которых сигнализировала аппаратура марсохода «Кьюриосити»? Сможем ли мы обнаружить их источник и определить происхождение? Может ли так оказаться, что место, где происходят выбросы метана, окажется в радиусе достижения «Кьюриосити», или эта загадка будет дожидаться уже следующего марсохода, оснащенного оборудованием для бурения вечной мерзлоты?

TESS и PLATO откроют новые экзопланеты — одну за другой. Каждая из них, подобно кусочку цветной смальты, ляжет в мозаику, в которой мы сможем увидеть общий сценарий образования планет. Служит ли масса планеты ключевым параметром, определяющим ее физическую природу? Или свойства планеты в большей степени зависят от расстояния до родительской звезды (которое, кстати, может и изменяться)? Мы постараемся использовать все имеющиеся технологические возможности наших телескопов, чтобы разглядеть слабые тени планетных атмосфер на фоне яркого сияния их родительских звезд. Увидим ли мы наконец долгожданные спектральные линии молекулярного кислорода или озона? Станет ли это доказательством наличия жизни или, напротив, откроет нам глаза на бесчисленное множество химических возможностей, которыми располагают неживые планетные атмосферы?

Сбудется ли наша мечта о доставке на Землю образцов с планет и их спутников Солнечной системы? Найдем ли мы средство и мотивацию для сотрудничества? Не утратим ли мы энтузиазм, если по несчастливой случайности в первых доставленных на Землю образцах не будет ни малейших следов биологической деятельности? Решимся ли мы в таком случае осуществить пилотируемую миссию вместо исследования роботами?

И снова я должен признаться, что у меня нет ответа. Единственное, что я знаю, так это то, что нам надо двигаться очень быстро, чтобы не отстать от мечты.

Мы можем стать героями

В четвертой главе я предложил вам $4 млрд на финансирование какой-либо астробиологической программы. Для каждого из пяти сценариев, которые я набросал в последующих главах, я пытался дать вам представление, во сколько нам обойдется такое предприятие.

Хотя предложение было шуточное, я приглашал обдумать его всерьез. В реальной жизни не получается осуществить все астробиологические проекты, которые заслуживают внимания. Это было бы слишком легким решением. Ученым и (и тем, кто занимается финансированием науки) очень трудно смириться с тем, что все идеи осуществить невозможно. Хотя лучше довести до конца несколько малых проектов, чем делать много больших по частям, вместе с тем нужно признать, что малые инвестиции могут позволить интересной инновационной идее развиться до уровня грандиозных программ. Мне просто хотелось бы обрисовать вам факторы, которые влияют на то, какие проекты получат финансирование, а какие нет.

Поскольку я задавал этот вопрос своим читателям, было бы нечестно, если бы я сам ушел от ответа и не рассказал, что я думаю по этому поводу. Как бы я потратил мои $4 млрд? Нет смысла рассуждать, что это сложный вопрос — в этом-то и все и дело. Номером первым в моем списке была бы доставка образцов с Энцелада. Почему? Во-первых, это интересно, поскольку Энцелад — это огромный шар жидкой воды. Во-вторых, это вполне в наших силах: вода постоянно извергается в космос, и современные технологии позволяют осуществить забор образцов и доставку их на Землю. Значит ли это, что все другие возможности неинтересные и недостижимые? Нет, конечно, но, как я уже говорил, лучше сделать меньше, но лучше.

Постойте! А что, если у меня еще останутся деньги из этих $4 млрд? Скажем, миллиард или около того? Могу ли я на них поддержать несколько малых проектов? В таком случае я бы профинансировал развитие технологий, необходимых для анализа спектров атмосфер экзопланет. При наличии «Кеплера», TESS и PLATO мы будем открывать экзопланеты тысячами, и изучение их атмосфер — наш следующий рубеж. Возможно, этого удастся добиться при помощи затенения родительской звезды орбитальным экраном. Или, напротив, ключом к успеху станет создание нового поколения гигантских наземных телескопов? Именно на эти проекты я готов потратить миллиард долларов, оставшийся у меня в копилке.

Вы не задумывались, почему я установил предел в $4 млрд? Как оказалось, в 2013 г. все страны вместе потратили приблизительно $1,5 трлн на оборону. Это $1500 млрд. От кого они собрались обороняться? Друг от друга и от своего собственного населения. Пожалуй, самое важное из того, о чем пишет Карл Саган в своей книге «Голубая точка»[20], — это попытки обитателей одного уголка на этой крохотной точке истребить обитателей другого уголка. И если смотреть в масштабе всей планеты, то усилия и средства, которые тратятся на сохранение такого положения дел, не что иное, как бессмысленная трата времени и ресурсов.

Каждый день в среднем $4 млрд или даже больше расходуется на оборону. Каждый доллар представляет крошечную часть человеческих усилий и труда. Это очень полезное социальное упражнение — спросить себя, на что мы направляем нашу волю и таланты, хотя я и не утверждаю, что астробиология как фундаментальная наука заслуживает первых мест в этом списке. Но очень важно сознавать, что цели, поставленные в этой книге, или по крайней мере те из них, которые вы сочтете действительно важными, можно осуществить, если мы будем задавать такие вопросы и не побоимся искать на них ответы. Хотя бы один день[21].

Благодарности

Хочу выразить свою искреннюю благодарность Джо Каламиа и всем его коллегам по Йельскому университету за помощь в создании этой книги. Я также хотел бы поблагодарить всех, кто помогал мне в ее написании.

Спасибо Флорину Диакоу и Полу Зеру из Университета Виктории за ценные советы и поддержку, благодаря которым эта книга смогла преодолеть весь путь от замысла до договора с издательством.

Спасибо Дж. Дж. Кавелаарсу, Дейву Паттону и Джеймсу Дифранческо, поддержавшим мое предложение и приславшим моим будущим редакторам свои положительные отзывы.

Хотя многие люди из тех, с кем я общался, обогатили эту книгу своими предложениями, но я хотел бы особенно поблагодарить Колина Голдблатта за его неиссякаемый энтузиазм и идеи, а также за полезные советы, которые получили дальнейшее развитие в этой книге.

Я благодарю всех, кто прочел эту книгу частично или целиком и поделился со мной своими замечаниями и предложениями: Джулиана Скаддера, Кима Венна, Магги Лу, Тристина Берга, Челси Спенглера, Джерико О’Коннела, Джереми Татума, Колина Скарфа, Себастьяна Лавой, Кайла Омана и Мишель Баннистер.

И наконец, большое спасибо Джеймсу Кастингу и еще одному, неизвестному мне рецензенту, которые писали официальные отзывы на книгу. Для меня было очень важно и полезно узнать их мнение.

Библиография: миллиарды и миллиарды книг

Я бы не хотел приводить всю литературу, которую я прочел до того, как приступить к работе над этой книгой. Думаю, лучше, если я порекомендую книги, статьи или сайты, которые, как мне кажется, могут вас заинтересовать. Полагаю, в них вы найдете интересные сведения и аналитические материалы, которые позволят вам расширить свои познания в области астробиологии.

Глава 1

Ни одна другая книга не описывает наше место во Вселенной так хорошо, как «Космос» (СПб.: Амфора, 2004) Карла Сагана. В таком же роде, менее эмоционально, но со множеством фактического материала (и великолепными картинками): Philip’s Atlas of the Universe (London: Philip’s, 2006) Патрика Мура. У меня есть обе эти книги, и я постоянно нахожу в них новые идеи и ценные сведения. Вместо биографии Персиваля Лоуэлла или его работ, посвященных каналам на Марсе, предлагаю заглянуть в короткую, но увлекательную книгу Is Mars Habitable? (Macmillan, 1907) одного из создателей теории эволюции Альфреда Рассела Уоллеса. В этой книге Рассел (ему было 84 года, когда она вышла) дал подробное и аргументированное опровержение идей Лоуэлла с точки зрения законов физики применительно к наблюдениям Марса.

Журнальный пересказ научной статьи, в которой сообщается об открытии первой экзопланеты, обращающейся вокруг звезды 51 Пегаса: M. Mayor and D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, Nature 378 (1995): 355–59.

Вы когда-нибудь читали хорошую научную фантастику? Если нет, то попробуйте почитать «Войну миров» Герберта Уэллса (М.: АСТ, 2014). Это классический астробиологический текст!

Глава 2

Две книги предлагают интересную и человечную точку зрения на развитие современной космологии. Первая — Lonely Hearts of the Cosmos (Boston: Back Bay, 1999) Денниса Овербая и вторая — The Day without Yesterday (New York: Basic Books, 2005) Джона Фаррелла. Хотя Вселенная существовала задолго до возникновения человечества, космология как наука создается усилиями людей, и эти книги рассказывают историю развития космологии, а также знакомят с интересными научными фактами.

Если вы хотите ознакомиться с космической хронологией более детально, я могу предложить две книги: одну научную, другую художественную. В книге Стивена Вайнберга «Первые три минуты» (М.: Эксмо, 2010) в доступной форме рассказывается о физических процессах, происходивших в первые три минуты после образования Вселенной. Книга Примо Леви «Периодическая система» (М.: Текст, 2008), и особенно глава «Углерод», пересказывает историю Вселенной применительно к одному-единственному атому — углероду.

В следующей научной статье излагается история возникновения химических элементов с использованием теории звездного нуклеосинтеза: E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, and F. Hoyle, Synthesis of the Elements in Stars, Reviews of Modern Physics 29, 1957: 547–650.

Глава 3

Пожалуй, самая лучшая статья на тему возраста Земли написана известным геологом Брентом Далримплом, которую к тому же легко найти: Ancient Earth, Ancient Skies: The Age of the Earth and Its Cosmic Surroundings (Stanford, Calif.: Stanford University Press, 2001).

Читали ли вы «Слепого часовщика» (М.: Corpus, 2014) Ричарда Докинза? Если нет — обязательно прочтите, и не один раз, если потребуется.

В книге The Cradle of Life (Princeton, N. J.: Princeton University Press, 2001) Уильяма Шопфа обсуждается, как микрофоссилии позволяют судить о существовании жизни на Земле и свойствах древних микроорганизмов.

Обратите внимание на письма в журнал Nature (vol. 416, March 7, 2002), которые позволяют составить впечатление о научных спорах, сопровождавших опубликование каждого такого исследования: William Schopf et al., Laser-Raman Imagery of Earth’s Earliest Fossils; Martin Brasier et al., Questioning the Evidence for Earth’s Earliest Fossils.

Исчерпывающая статья об использовании радиоуглеродного анализа для определения возраста биологических останков: M. Schidlowski, Carbon Isotopes as Biogeochemical Recorders of Life over 3.8 Ga of Earth History: Evolution of a Concept, Precambrian Research 106 (2001): 117–34.

Великолепное описание исследований атмосферы ранней Земли: J. Kasting, Earth’s Early Atmosphere, Science 259 (1993): 920–26.

Статья, в которой были впервые изложены результаты исследования Стэнли Миллера: Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions, Science 117, (1953): 528–29 (проще всего найти статью по ссылке из Википедии на странице, посвященной эксперименту Миллера — Юри).

Описание результатов миссии «Стардаст» по доставке образцов на Землю можно найти в статье: D. Brownlee et al., Comet 81P/Wild 2 under a Microscope, Science 314 (2006): 1711–16.

В книге Стивена Беннера Life, the Universe, and the Scientific Method (FfAME, 2008) дается подробное описание современных научных взглядов на биохимические процессы зарождения жизни.

Глава 4

Две статьи на тему аноксигенного фотосинтеза в условиях низкой освещенности: J. Overmann, H. Cypionka, and N. Pfennig, An Extremely Low-Light-Adapted Phototrophic Sulfur Bacterium from the Black Sea, Limnology and Oceanography 37 (1992): 150–55; S. A. Crowe et al., Photoferrotrophs Thrive in an Archean Ocean Analogue, Proceedings of the National Academy of Sciences 105 (2008): 15938–43.

Про результаты экспериментов с образцами бактериальных культур на модуле МКС можно прочесть: S. Onofri et al., Survival of Rock-Colonizing Organisms after 1.5 Years in Outer Space, Astrobiology 12 (2012): 508–16.

Статью Гэри Фландро, в которой описывается траектория полета к планетам внешней Солнечной системы с использованием гравитационного маневра: G. Flandro, Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System Utilizing Energy Derived from the Gravitational Field of Jupiter, Astronautica Acta 12 (1966): 329–37. Проще всего найти эту статью по ссылке в статье о Гэри Фландро в Википедии.

Чтобы найти самую последнюю информацию о текущих космических миссиях, лучше всего набрать их название в поисковой строке Google. В большинстве случаев вы попадете на домашнюю страницу миссии на сайтах НАСА или ЕКА. Так что наберите в поисковике New Horizons, Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Curiosity и Cassini.

На странице Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) обратите внимание на проект Be A Martian. Это гражданский научный проект, в ходе которого вы сможете помочь ученым в создании детальной карты Марса, подсчете марсианских кратеров и поиске русел высохших рек.

Глава 5

Тут будет большой список.

Много статей посвящено признакам возможного присутствия воды на Марсе, открытых с помощью орбитальных наблюдений. Вот, например, описание открытия древней дельты реки в кратере Эберсвальде: M. C. Malinand and K. S. Edgett, Evidence for Persistent Flow and Aqueous Sedimentation on Early Mars, Science 302 (2003): 1931–34.

«Марс Одиссей» обнаружил на Марсе богатый водородом подповерхностный слой, охватывающий всю планету: W. C. Feldman et al., Global Distribution of Near Surface Hydrogen on Mars, Journal of Geophysical Research 109 (2004): 2156–202.

Данные «Феникса»: P. H. Smith et al., H_2O at the Phoenix Landing Site, Science 325 (2009): 58–61.

Статья, посвященная результатам биологических экспериментов с использованием радиоактивных изотопов по программе «Викинг»: G. V. Levin and P. A. Straat, Viking Labeled Release Biology Experiment: Interim Results, Science 194 (1976): 1322–29.

Вместо того чтобы знакомить вас со всеми статьями, посвященными проблеме метана на Марсе, я хочу предложить два скептических обзора от Кевина Занле, в которых анализируются данные наблюдений: K. Zahnle, R. S. Freedman, and D. C. Catling, Is There Methane on Mars? Icarus 212 (2011): 493–503; K. Zahnle, Play It Again, SAM, Science, 347 (2015): 370–71.

Возобновляющиеся линии на склонах в экваториальных областях Марса: A. S. McEwen et al., Recurring Slope Linae in Equatorial Regions of Mars, Nature Geoscience 7 (2013): 53–58.

Вопросу выживания земных микробов на Марсе посвящена статья: W. L. Nicholson, K. Krivushin, D. Gilichinsky, and A. C. Schuerger, Growth of Carnobacterium spp. from Permafrost under Low Pressure, Temperature, and Anoxic Atmosphere Has Implications for Earth Microbes on Mars, Proceedings of the National Academy of Sciences 110 (2013): 666–71.

Статья, посвященная марсианскому метеориту ALH84001: D. S. McKay et al., Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001, Science 273 (1996): 924–30.

Обзор планетных исследований, запланированных до 2022 года, можно найти на сайте НАСА на странице Science Strategy: https://solarsystem.nasa.gov/2013decadal.

Глава 6

Линда Морабито открыла вулканическую деятельность на Ио, когда работала инженером в НАСА. Ее отчет о том, что привело к этому открытию, можно найти в следующей статье: http://arxiv.org/abs/1211.2554.

В замечательном учебнике Planetary Science (Bristol, UK: IOP, 2002) Джорджа Коула и Майкла Вулфсона можно найти доступное разъяснение физического механизма, который стоит за вулканизмом на Ио.

В данной статье впервые сообщается об открытии подповерхностных океанов на спутниках Европа и Каллисто: K. K. Khurana et al., Induced Magnetic Fields as Evidence for Subsurface Oceans in Europa and Callisto, Nature 395 (1998): 777–80.

Две статьи, посвященные обнаружению гидротермальных источников срединно-океанических хребтов и связанных с ними биологических сообществ: R. D. Ballard, Notes on a Major Oceanographic Find, Oceanus 20 (1977): 35–44; H. W. Jannasch, Chemosynthetic Production of Biomass: An Idea from a Recent Oceanographic Discovery, Oceanus 41 (1998): 59–63. (Журнал Oceanus выпускается Океанографическим институтом Вудс-Хол.)

Следите за новостями проекта по извлечению проб воды из подледного озера Уилланс на сайте: www.wissard.org.

Научная статья, посвященная открытию действующих гейзеров на Энцеладе: C. J. Hansen et al., Enceladus’ Water Vapor Plume, Science 311 (2006): 1422–25.

Еще одна научная статья, в которой обсуждается концепция миссии по доставке образцов с Энцелада: P. Tsou et al., LIFE: Life Investigation for Enceladus; A Sample Return Mission Concept in Search for Evidence of Life, Astrobiology 12 (2012): 730–42.

Глава 7

Научный журнал Nature любезно выложил в интернет специальный выпуск, посвященный миссии «Гюйгенса» к Титану: www.nature.com/nature/focus/huygens. Все статьи в свободном доступе.

Что такое толины? Смотрите: C. Sagan and B. N. Khare, Tholins: Organic Chemistry of Interstellar Grains and Gas, Nature 277 (1979):102–7.

В книге Rare Earth (New York: Copernicus, 2000), написанной Питером Уордом и Дональдом Браунли, можно ознакомиться с гипотезой о том, что вероятность существования жизни за пределами Земли очень мала.

Научное изложение гипотезы Криса Маккея об «Уникальном Титане» можно найти в статье: C. P. McKay, H. D. Smith, Possibilities for Methanogenic Life in Liquid Methane on the Surface of Titan, Icarus 178 (2005): 274–76.

Питер Уорд и Стивен Беннер изложили свои взгляды на возможную биохимию инопланетной жизни в сборнике статей Planets and Life: The Emerging Science of Astrobiology (Cambridge: Cambridge University Press, 2007), 537–44. Эту статью можно найти по ссылке в списке публикаций Стивена Беннера на его странице на сайте Фонда прикладной молекулярной эволюции, www.ffame.org.

Что скажете о процессе Миллера — Юри на Титане? Загляните в следующую научную публикацию: S. M. Horst et al., Formation of Amino Acids and Nucleotide Bases in a Titan Atmosphere Simulation Experiment, Astrobiology 12 (2012): 1–9.

В следующей статье рассматривается движение водорода в атмосфере Титана: D. Strobel, Molecular Hydrogen in Titan’s Atmosphere: Implications of the Measured Tropospheric and Thermospheric Mole Fractions, Icarus 208 (2010): 878–86.

Глава 8

Поскольку я решил сосредоточиться на транзитном методе, мне пришлось оставить за рамками этой книги другие методы обнаружения экзопланет. Чтобы восполнить это упущение с моей стороны, советую вам обратиться к специальному выпуску журнала Science (3 мая 2013 г.), где вы сможете найти подробный обзор существующих на сегодняшний день методов обнаружения экзопланет.

Следите за всем, что происходит с космической миссией «Кеплер», на www.kepler.nasa.gov.

Следующая статья посвящена открытию группы планет в системе Ипсилон Андромеды: R. P. Butler et al., Evidence for Multiple Companions to Upsilon Andromedae, Astrophysical Journal 526 (1999): 916–27.

В этой статье описывается планетная система Кеплер 10: X. Dumusque et al., The Kepler-10 Planetary System Revisited by HARPS-N: A Hot Rocky World and a Solid Neptune-Mass Planet, Astrophysical Journal 789 (2014): 154–67.

Статистические данные по частоте встречаемости экзопланет, основанные на результатах миссии «Кеплер», можно найти в статье: N. M. Batalha, Exploring Exoplanet Populations with NASA’s Kepler Mission, Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (2014): 12647–54.

Обитаемые экзо-Земли? Более подробную информацию о Глизе 667Cc и Кеплер-22b вы найдете в статьях: G. Anglade-Escudé et al., A Dynamically-Packed Planetary System around GJ 667C with Three Super-Earths in Its Habitable Zone, Astronomy and Astrophysics 556 (2013): 126–49, и W. J. Borucki et al., Kepler-22b: A 2.4 Earth-Radius Planet in the Нabitable Zone of a Sun-Like Star, Astrophysical Journal 745 (2012): 120–35.

Могли бы мы обнаружить жизнь на Земле? Cм.: C. Sagan et al., A Search for Life on Earth from the Galileo Spacecraft, Nature 365 (1993): 715–21.

Еще две отличные статьи, посвященные успехам спектрального анализа атмосфер экзопланет: J. Fraine et al., Water Vapor Absorption in the Clear Atmosphere of a Neptune-Sized Exoplanet, Nature 513 (2014): 526–29, и L. Kreidberg et al., Clouds in the Atmosphere of the Super-Earth Exoplanet GJ1214b, Nature 505 (2014): 69–72.

Глава 9

Статья, с которой все начиналось: G. Cocconi, and P. Morrison, Searching for Interstellar Communications, Nature 184 (1959): 844–46.

Историческая статья, посвященная одному из первых экспериментов SETI — проекту «Озма»: F. D. Drake, Projеct Ozma, Physics Today 14 (1961): 40–46.

Чем все закончилось: обсуждение событий, повлиявших на решение НАСА прекратить финансирование SETI: S. J. Garber, Searching for the Good Science: The Cancellation of NASA’s SETI Program, Journal of the British Interplanetary Society 52 (1999): 3–12.

О том, чем сейчас занимается SETI, можно прочесть в статье: D. Werthimer et al., The Berkeley Radio and Optical SETI Program: SETI@Home, SERENDIP, and SEVENDIP в сборнике The Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) in the Optical Spectrum III, ed. by Stuart A. Kingsley и Ragbir Bhathal, Proceedings of SPIE 4273 (2001).

Введите «SETI@Home» в поисковую строку Google и сделайте первые шаги в мир научного поиска.

Глава 10

Хотя слова Карла Сагана о голубой точке можно найти во многих местах в интернете, текст взят из его книги «Голубая точка. Космическое будущее человечества» (М.: Альпина нон-фикшн, 2017).

В следующих двух статьях можно найти рассуждения о значении второго закона термодинамики для живых систем. Первая вышла раньше и подходит к проблеме более обобщенно, но тем не менее и по сей день не утратила своей актуальности: J. Bronowski, New Concepts in the Evolution of Complexity: Stratified Stability and Unbounded Plans, Synthese 21 (1970): 228–46. Вторая статья вышла относительно недавно и содержит несложные математические выкладки: C. H. Lineweaver and C. A. Egan, Life, Gravity, and the Second Law of Thermodynamics, Physics of Life Reviews 5 (2008): 225–42.

Сноски

Примечания

1

Кларк А. Сборник «Космическая одиссея». — М.: Эксмо; Домино, 2006.

2

Уэллс Г. Война миров. — М.: Вече, 2017.

3

К февралю 2017 г. достоверно подтверждено существование 3583 экзопланет. — Прим. ред.

4

Лайель Ч. Основные начала геологии, или Новейшие изменения земли и ее обитателей: В 2-х тт. — М.: Изд. А. И. Глазунова, 1866.

5

Нам известна как сказка «Три медведя». — Прим. ред.

6

Саган К. Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации. — СПб.: Амфора, 2008.

7

Кларк А. Космическая одиссея 2001 года. — М.: Оникс, 2002.

8

Mars Atmosphere and Volatile Evolution — «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе». — Прим. пер.

9

На самом деле подобные мысли высказывались и до Сагана. — Прим. науч. ред.

10

Крайтон М. Штамм Андромеды. — М.: Мир, 1991.

11

Сверхразумный компьютер из романа Артура Кларка «2001: Космическая одиссея». — Прим. пер.

12

Venus — Earth — Earth gravity assist — Венера — Земля — Земля с использованием гравитационных сил. — Прим. ред.

13

Acoustically Navigated Geological Undersea Surveyor — Акустический управляемый геологический подводный топограф. — Прим. ред.

14

Jupiter Icy Moon Explorer — Исследователь ледяных лун Юпитера. — Прим. ред.

15

От англ. folding — свертывание. Спонтанный физический процесс, в котором полипептидная молекула сворачивается в характерную для данного белка трехмерную структуру. — Прим. ред.

16

На середину 2017 г. подтверждено существование 3614 экзопланет. — Прим. ред.

17

PLAnetary Transits and Oscillations of stars — Транзит планет и осцилляция звезд. — Прим. пер.

18

Transiting Exoplanet Survey Satellite — Спутник, исследующий транзит экзопланет. — Прим. пер.

19

Search for Extraterrestrial Intelligence — поиск внеземного разума. — Прим. пер.

20

Саган К. Голубая точка. Космическое будущее человечества. — М.: Альпина нон-фикшн, 2017.

21

В названии последнего раздела и его последней фразе использованы слова из песни Дэвида Боуи «Герои». — Прим. пер.

Примечания автора

Глава 1. Чужие вокруг нас

‹‹1›› В случае если эту книгу будут читать инопланетяне, заранее прошу у них прощения.

‹‹2›› Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

‹‹3›› Строительные материалы, научная и общественная жизнь, теплая постель.

‹‹4›› Скиапарелли использовал 22-см телескоп, Лоуэлл имел в своем распоряжении 30- и 40-см телескопы.

‹‹5›› Но, разумеется, не для Майкла Брауна и Международного астрономического союза. Советую почитать «Как я убил Плутон и почему это было неизбежно» (How I Killed Pluto and Why It Had It Coming) — прекрасно изложенную историю «падения» планеты.

‹‹6›› Ага! Новая единица измерения! Минимальная температура, которой может обладать физическое тело, равна –273 °C. При этой температуре тело не обладает тепловой энергией. Первоначально это значение назвали «градус Кельвина». Поскольку изменение на одну единицу одинаково для шкал Цельсия и Кельвина, 0 °C эквивалентно 273 °K.

‹‹7›› Что я имею в виду? Ну, 0,1 отличается от единицы на один порядок или на одну десятую. Возьмите число 1×10–10. Оно отличается от 1 на 10 порядков. Это действительно малое число по сравнению с единицей.

‹‹8›› Бактерии и археи представляют две ветви нашей современной трехдоменной классификации клеточных форм жизни. Бактерии и археи — одноклеточные прокариоты (клетки, лишенные выраженных ядер). Третья ветвь, эукариоты, включает одноклеточные и многоклеточные организмы, клетки которых имеют ядра. Вы являетесь представителем домена эукариотов. Хотя трехдоменная система может показаться менее наглядной, чем классификация, основанная на внешних признаках (например, наличие позвоночника, глаз, противопоставленного большого пальца), она проще и более эффективна, поскольку основана на биохимии живых организмов.

‹‹9›› Докажите, что я не прав.

‹‹10›› Ну, например, можно каждый день с утра пораньше ронять на землю яблоко, но было бы странно ожидать, что закон всемирного притяжения вдруг на него не подействует.

Глава 2. Пригодна ли Вселенная для жизни?

‹‹1›› Вытяните руку перед собой и посмотрите на свой мизинец. Он образует угол примерно в один градус. Угловой размер Солнца (и полной Луны, на которую можно смотреть без вреда для зрения), если смотреть на него с Земли, составляет половину этой величины.

‹‹2›› Я не буду здесь говорить обо всех достижениях Эйнштейна. Достаточно сказать, что появившаяся в 1915 г. общая теория относительности дала объяснение гравитации в терминах взаимосвязи между материей, энергией и геометрией пространства-времени.

‹‹3›› Это утверждение справедливо для нашего времени, но что случится в отдаленном будущем? Современные наблюдения показывают, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Если это правда, то расширение космологического горизонта замедлится и в конце концов остановится на каком-то фиксированном уровне. Со временем все галактики во Вселенной, гравитационно не связанные с галактикой Млечный Путь, удалятся за этот горизонт. Если учесть, что звезды, сияющие сегодня на нашем ночном небе, превратятся к тому времени в звездные останки (черные дыры и холодные нейтронные звезды или белые карлики), каким темным и пустынным будет наш небосклон!

‹‹4›› Я буду придерживаться качественного подхода к описанию истории ранней Вселенной.

‹‹5›› А что, если бы уничтоживший динозавров астероид не столкнулся с Землей? Это большой и интересный вопрос, которого я не коснусь в этой книге даже поверхностно.

‹‹6›› Это также название очень хорошей книги, написанной Примо Леви.

‹‹7›› Одна десятимиллионная.

‹‹8›› Строго говоря, для того, чтобы два ядра слились в одно, нужна лишь высокая температура. Но без высокой плотности таких ядер будет очень мало.

‹‹9›› Если масса звезды выше, то даже давления вырожденного нейтронного газа будет недостаточно. После определенного предела формируется черная дыра.

‹‹10›› Тяжелее гелия.

‹‹11›› Да, и Плутон среди них.

Глава 3. Что такое жизнь?

‹‹1›› Удивительно, что в 1948 г. математик и создатель первых ЭВМ Джон фон Нейман использовал очень похожее определение жизни (в данном случае искусственной) во время одной из лекций, посвященных общей теории автоматов. Его идеи предвосхитили наши сегодняшние представления о молекулярной генетике.

‹‹2›› В основном благодаря наличию углекислого газа, метана и водяного пара в небольших, но значимых количествах.

‹‹3›› Плюс небольшое количество тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов внутри Земли.

‹‹4›› Этот абзац можно считать коротким вступлением к теории эволюции. Если вы хотите глубже понять теорию Дарвина, я бы посоветовал вам следующий подход, состоящий из двух этапов: первый — прочтите книгу Ричарда Докинза «Слепой часовщик», второй этап — вернитесь в начало и повторяйте первый этап до тех пор, пока не достигнете понимания (Докинз Р. Слепой часовщик. — М.: Corpus, 2015).

‹‹5›› Для сравнения хочу напомнить, что самые старые метеориты имеют возраст 4,57 млрд лет, что считается верхним пределом возможного возраста Солнечной системы.

‹‹6›› Возможно, вы также знакомы с углеродом-14 (6 протонов и 8 нейтронов). В отличие от обычного углерода, 14C неустойчив и превращается в азот с периодом полураспада приблизительно 5000 лет — в геологическом масштабе почти мгновенно.

‹‹7›› Геохимическая летопись не позволяет нам определить, как эта ранняя жизнь преобразовывала углерод — как правило, в форме CO_2 — в энергию. Мы не знаем, происходило это в результате реакции фотосинтеза (с выделением кислорода или без) или посредством биосинтеза метана (метаногенеза). Сведения не сохранились. Приходите в следующем эоне, может, ситуация прояснится.

‹‹8›› Формула такова: 6CO_2 + 6H_2O + энергия → C_6H_12O_6 + 6O_2.

‹‹9›› Правила приличия не позволяют мне назвать это событие величайшим отравлением в истории планеты.

‹‹10›› Его также находили в ядерных реакторах. Это живое воплощение утверждения Ницше: «То, что нас не убивает, — делает сильнее».

‹‹11›› Вы можете заменить эксперимент Миллера — Юри с маленьким теплым водоемом на другой, в котором будут воспроизводиться, например, условия в гидротермальных источниках срединных океанических хребтов. Постановка эксперимента изменится, но идеи, которые за ним стоят, останутся, в сущности, такими же.

‹‹12›› Вы можете спланировать собственный вариант эксперимента Миллера — Юри, но для этого потребуется воспроизвести условия космического вакуума и запастись изрядным терпением.

‹‹13›› Я часто задумывался над этим вопросом, когда играл в настольную игру «Первичный бульон».

Глава 4. Биологическая экскурсия по Солнечной системе

‹‹1›› Если бы это был вопрос на миллион долларов! Тогда для ответа на него хватило бы одного исследовательского гранта.

‹‹2›› Представьте себе мускулистого Зевса (Юпитера) в обтягивающей футболке с надписью SUN (Солнце), и вы никогда больше не забудете порядок следования внешних планет — Сатурн, Уран и Нептун.

‹‹3›› Ватт — это единица мощности, или количества энергии, которое получает система за единицу времени. Для сравнения: чайник использует приблизительно 2000 Вт мощности, когда кипятит вам воду для чая. Общее количество энергии, потребовавшееся на кипячение воды, — это мощность чайника, умноженная на время, затраченное на кипячение. Если мощность измерять в ваттах, время в секундах, то тогда энергия будет выражаться в джоулях. Единицы измерения — великая вещь!

‹‹4›› Также известная как температура абсолютно черного тела в соответствии с традицией физиков XIX в., которые разработали математические основы теории.

‹‹5›› Подзаголовок объясняется тем, что студенческая аудитория реагировала на слово, содержащее приставку «пан», еле сдерживаемым хихиканьем.

‹‹6›› А как же, возразите вы, ALH84001 — марсианский метеорит, в котором, как утверждалось, были обнаружены микрофоссилии примитивных микроорганизмов? Вам придется потерпеть до главы, посвященной Марсу, в которой я собираюсь приоткрыть эту банку с микрочервями.

‹‹7›› Прошу прощения, но тут я снова заставлю вас подождать до главы, посвященной Марсу.

‹‹8›› Класс метеоритов SNC, включающий шерготтиты, наклиты и шассиньиты.

‹‹9›› Миссия «Кассини» завершилась 15 сентября 2017 г., когда космический аппарат прошел вблизи внутреннего кольца Сатурна (кольца D), после чего погрузился в атмосферу планеты и разрушился.

Глава 5. Марс: загадка в песках

‹‹1›› Марсианские сутки, или сол, как принято говорить в НАСА, длиннее земных на 39 минут.

‹‹2›› Мои собственные впечатления от картины, переданной «Викингом», были более прозаичны. Посмотрев на большое поле, усыпанное камнями, все в ямах и рытвинах, я подумал: какая удача, что автоматический посадочный модуль, приземлявшийся на ракетных двигателях, ухитрился закончить посадку целым и невредимым, да еще в вертикальном положении.

‹‹3›› Команда марсоходов — прекрасный пример того, как сотрудники последовательных миссий, ставящие перед собой сходные цели, могут учиться на ошибках предшественников и проводить все более и более сложные научные эксперименты. А одиночные миссии таких возможностей лишены.

‹‹4›› Мелкая пыль, результат выветривания горных пород на планетах и спутниках. Это не совсем та почва, к которой мы привыкли на Земле, поскольку в ней нет продуктов разложения биологических организмов.

‹‹5›› Для сравнения: средняя глубина земных океанов составляет 3600 м. Это число уменьшится до 2600 м, если мы выровняем всю поверхность Земли, чтобы получился глобальный океан. Лишь около 3 % земной воды сосредоточено в ее полярных шапках. Если их растопить, то глубина океана увеличится на небольшую относительно средней глубины океана величину — около 100 м, хотя это существенно скажется на жизни 40 % населения Земли, живущего на расстоянии менее 100 км от океанского побережья.

‹‹6›› Среднее атмосферное давление на Марсе позволяет жидкой воде существовать только в очень узком диапазоне температур. При контакте с атмосферой водяной лед переходит из твердой фазы в газообразную.

‹‹7›› Но они не покрывали всю планету. Марс имеет несимметричное строение, для южного полушария в среднем характерны большие высоты, чем для северного. По-видимому, на Марсе были обширный северный океан и отдельные водоемы в других местах.

‹‹8›› Технические трудности связаны с тем, что линия метана в спектре излучения уже, чем спектральное разрешение прибора, который использовался для его обнаружения, что лишает это наблюдение необходимой достоверности.

‹‹9›› Можно рассмотреть гипотезу, что Марс, как Уэстли, герой фильма «Принцесса-невеста», «не совсем» мертв.

‹‹10›› Попробуйте ввести в поисковую строку Google «Curiosity REMS», чтобы получить сегодняшнюю погоду на Марсе. (REMS — станция мониторинга окружающей среды марсохода «Кьюриосити».)

‹‹11›› Буквально «спрятанные внутри камня».

‹‹12›› Технически это означает, что у этих пород более низкое альбедо, или отражательная способность. В результате они поглощают больше солнечной энергии, чем породы с высоким альбедо, и поэтому дневные температуры там выше.

‹‹13›› Очень двусмысленный каламбур в данном контексте.

‹‹14›› В действительности процесс поиска метеоритов не так прост. Поскольку они темнее окружающего льда, метеориты нагреваются и погружаются в ледяной покров Антарктиды. Но движению континентальных льдов препятствуют Трансантарктические горы. Особенности ледниковых течений приводят к тому, что метеориты возвращаются на поверхность, концентрируясь в относительно небольших областях. Ученые из группы поиска метеоритов снаряжают к подножиям Трансантарктических гор экспедиции на снегоходах и находят около 130 кг метеоритов за сезон. Именно так был обнаружен ALH84001.

‹‹15›› Есть мнение, что марсианский метеорит прозванный «Черный красавчик», старше. Однако притом, что он действительно содержит кристаллы циркона возрастом 4,4 млрд лет, по данным радиометрического анализа, эти фрагменты вкраплены в относительно молодую брекчию, которой не больше 2 млрд лет.

‹‹16›› И в конце концов след выведет вас на Билла Клинтона на лужайке перед Белым домом. (Я еще вернусь к этому моменту в конце книги.)

‹‹17›› Однако вызывал сомнение тот факт, что образец также содержал аминокислоты земного происхождения.

‹‹18›› Вся эта увлекательная история изложена в приложении к книге Шопфа «Колыбель жизни».

‹‹19›› Для сравнения: вторая космическая скорость для Земли составляет 11 км/с, а для Луны — 2,4 км/с.

‹‹20›› Правила приличия не позволяют мне высказать все, что я думаю по этому поводу.

‹‹21›› По крайней мере, если мы оснастим их электронный мозг радиационной защитой.

Глава 6. Европа и Энцелад: водная жизнь?

‹‹1›› Данные зондов «Пионер» позволили ученым составить представление об уровне радиации в окрестностях Юпитера и заранее принять меры по защите космических аппаратов.

‹‹2›› Это значит, что вы бы там весили в 230 раз больше, чем на Земле.

‹‹3›› Небольшое фоновое магнитное поле, создаваемое самим зондом «Галилео», которое могло повлиять на слабые сигналы, было устранено с помощью остроумного метода — вращения стойки с магнетометром вокруг самого аппарата. Таким образом фоновое поле получило временны́е и пространственные характеристики, по которым его можно было легко распознать и отделить от измеряемых значений.

‹‹4›› Пока что Каллисто не находится в резонансе с другими Галилеевыми спутниками, но синхронизируется с ними в будущем, когда их орбиты станут больше и они смогут влиять на свою самую далекую сестру.

‹‹5›› К счастью, иллюминаторы глубоководного аппарата, сделанные из такого же пластика, избежали подобной участи.

‹‹6›› Или с длиной волны 5 м, если вам так больше нравится.

‹‹7›› Что конкретно понимается под словами «экологически безопасные»? Нет смысла с таким трудом добираться до вод древнего подледного озера и добывать образцы, если во время бурения вы занесете в ту среду, которую хотите исследовать, поверхностные бактерии. И дело тут не только в опасности для озера, загрязнение ставит под вопрос весь смысл вашего эксперимента: если вы обнаружите в вашей пробе новые бактерии, как можно быть уверенным, что вы не внесли их туда сами? Это пример техногенной панспермии (будет обсуждаться позднее). Как нам сохранить первозданную чистоту инопланетных миров, которые мы хотим исследовать? Американская антарктическая экспедиция, которая проводила бурение на озере Уилланс, использовала для этой цели горячую воду, которая подвергалась фильтрации и стерилизации с помощью ультрафиолетового излучения, чтобы предотвратить вероятность загрязнения озера. Образцы для взятия проб также тщательно обрабатывались. Российские ученые, проводившие бурение на озере Восток, использовали более традиционный бур, где в качестве буровой жидкости применялись керосин и фреон. Ученые из других стран высказывали опасения, что это значительно повышает риск техногенного загрязнения. Споры по-прежнему продолжаются.

‹‹8›› А кроме того, флаги, оспу и т. п.

‹‹9›› Можно возразить, что никакой необходимости в планетарной защите нет, поскольку тонны вещества из Солнечной системы падают на Землю каждый день в форме пыли и микрометеоритов. Конечно, мы имеем все основания полагать, что они не несут никаких живых организмов, но я бы все же не исключал возможных сюрпризов.

‹‹10›› Возможно, это не слишком поэтичное название, но, как гласила надпись на герметике для линолеума, выпускавшемся в Британии в 1990-х гг., «он делает ровно то, что написано на упаковке».

Глава 7. Титан — гигантский завод органических химических веществ

‹‹1›› Чудесная цитата из Овидия «Они сделали далекие звезды ближе» плюс случайный набор букв — технически это можно назвать анаграммой, хотя очки снимаются за незанятые буквы в конце. Честно говоря, первое, что приходит мне в голову, чтобы зашифровать фразу «Saturn has a moon!», — это «Hot roman saunas!».

‹‹2›› Не зная, как назвать коричневую липкую субстанцию, произведенную в ходе попыток воспроизвести органическую химию Титана, Саган и Харе решили остановиться на слове «толины» (от греческого θολας — грязный) — древний термин для липкой коричневой массы.

‹‹3›› Солнечный ветер состоит из электрически заряженных частиц, преимущественно протонов, которые отражаются магнитным полем Сатурна. Фотоны электрически нейтральны и не подвержены воздействию магнетизма.

‹‹4›› Один ученый из ЕКА сравнил это с посадкой в крем-брюле. Мне очень нравится такое сравнение.

‹‹5›› Тот факт, что радарные измерения «Кассини» могут проникать на такие большие глубины, указывает, что эти озера полностью состоят из метана.

‹‹6›› Остается вопрос, куда именно нужно посылать следующую миссию.

‹‹7›› Это достигается очень остроумным способом — частицы заряженного газа заключаются в статически заряженный объем, или, другими словами, электрически заряженную проволочную клетку. Электрическое отталкивание между проволокой и частицами газа не дает ему распространяться за пределы этого объема.

‹‹8›› Со скоростью приблизительно 1–2 м/с.

‹‹9›› А. е. — астрономическая единица — единица измерения расстояний, приблизительно равная среднему расстоянию от Земли до Солнца.

‹‹10›› Хотя на самом деле «Вояджеры» направляются не к Альфа Центавра, в познавательных целях будем считать конечной целью их полета нашу ближайшую звездную систему.

Глава 8. Экзопланеты: миры без конца

‹‹1›› Если задуматься, обнаружить такую планетную систему с помощью доплеровской спектроскопии также будет очень трудно. При таком расположении планет движение звезды будет перпендикулярно линии нашего зрения. А метод Доплера позволяет нам фиксировать изменение лишь того компонента движения звезды, который направлен вдоль этой линии.

‹‹2›› Платоновы тела — это тетраэдр (4 равносторонних треугольника), куб (6 квадратов), октаэдр (6 равносторонних треугольников), додекаэдр (12 правильных пятиугольников) и икосаэдр (20 равносторонних треугольников). Все они в равной степени любимы геометрами и поклонниками «Подземелья драконов».

‹‹3›› Если точно, Ньютон показал, что P^2 = [4π / G (Mзвезды + Mпланеты)] a^3. Но, поскольку масса звезды значительно больше массы планеты, значением массы планеты можно пренебречь.

‹‹4›› Ученые называют это «правилом пяти сигм», из которого следует, что вероятность обнаружения, вызванного случайной погрешностью, составляет 1 к 3,5 млн.

‹‹5›› Фотометрия — измерение яркости.

‹‹6›› Вероятно, они брали пример с Кеплера. Когда Кеплер работал над своей моделью Солнечной системы, основанной на Платоновых телах, он написал герцогу Вюртембергскому письмо с просьбой выделить средства на строительство физической модели. Он превозносил ее физическую и математическую красоту, а также предлагал украсить ее драгоценными камнями и, возможно, воспроизвести в виде кубка. Идея Кеплера не произвела на герцогского секретаря особого впечатления, он ответил, что сомневается в возможности построения такой модели, и посоветовал Кеплеру начать с создания бумажной копии. С тех пор все научные фонды отвечают подобным образом.

‹‹7›› Современная классификация звезд основана на температурной последовательности, и каждому классу присвоена одна буква: OBAFGKM — от самых горячих звезд класса O до самых холодных класса M. Как выяснилось, эта последовательность также связана с массой и светимостью: звезды класса O обладают самой большой массой и светимостью, в то время как звезды класса М самые тусклые и наименее массивные среди звезд главной последовательности.

‹‹8›› Метод вариации времени транзитов (TTV) позволяет измерить массы планет в многопланетных системах на основании наблюдений за изменениями их орбит под воздействием гравитации. Простыми словами, время прохождения каждой планеты перед родительской звездой изменяется, поскольку другие планеты либо подталкивают ее вперед, либо тянут назад.

Глава 9. Поиски внеземного разума

‹‹1›› К сожалению, в текущей версии SETI@Home такая опция не предусмотрена.

Глава 10. Зачем нам (внеземная) жизнь?

‹‹1›› Мои точно будут.

Content

Джон Уиллис
Все эти миры — ваши
Научные поиски внеземной жизни

Предисловие

Глава 1. Чужие вокруг нас

Новые миры на старый лад

Шанс, что Марс обитаем…

Миллиарды и миллиарды планет?

«Это жизнь, Джим, но не такая, какой мы ее знаем»

Контакт

Путешествие длиной в триллионы километров

Глава 2. Пригодна ли Вселенная для жизни?

Ночь темна, но с неба светят звезды

Царство туманностей

Время пошло

Мы все состоим из звездной пыли

Наше место в космосе

За пределами Млечного Пути

В бесконечность и далее

Глава 3. Что такое жизнь?

Время на размышление

Этот остров Земля

Триумф Дарвина

Царство Аида

Архей: отголоски древней жизни

И стала Земля зеленой на триллионный день

Эволюционная вечеринка

Под грузом чисел

Искра жизни?

Они пришли из открытого космоса

Неизведанные земли

Вторая попытка?

Астробиологическая дорожная карта

Глава 4. Биологическая экскурсия по Солнечной системе

Солнце — это раскаленный газовый шар

Загородная экскурсия

Длинные руки Солнца

Живительная влага

Златовласка и три планеты

Панспермия: теория, которая себя назвать не смеет

Смело ступать…

Пролет: беглое знакомство с планетой

Орбитальная миссия: ухватиться за пролетающую планету

Посадка: один небольшой шаг

Планетоход: странствующий ученый

Доставка образцов: берем камни и улетаем

Следы на реголите

Внесем ясность

«Вояджер-2»: большое путешествие

Мысли о доме из-за границы

Глава 5. Марс: загадка в песках

Водный мир

2001 г.: Новая космическая одиссея

Марс: мертвая планета

Новости от «Викинга»

Современные изыскания: метан, Лавлок и Лоуэлл

Может ли земная жизнь выжить на Марсе?

Жизнь в холодном климате

Жизнь в морозильнике

Новая надежда

ALH84001

Далекоидущие планы

Как найти жизнь на Марсе?

Пришел, увидел, улетел

Суровая правда жизни

Люди на Марсе

Глава 6. Европа и Энцелад: водная жизнь?

Галилеевы спутники

Ловкость рук

Новый Галилей

Ближе, ближе, ближе к делу

Юпитер по курсу!

Приливы, резонанс и энергия

Пламя в пучине

Подо льдом

Огненная смерть «Галилео»

Чудо Энцелада

Следуй за фонтаном

Глава 7. Титан — гигантский завод органических химических веществ

Сквозь тьму анаграммы

Туманная дымка Титана

Незнакомый новый мир

Уникальный Титан

Вода, спринцовка жизни

Златовласка на Титане

Слишком холодно для жизни?

Неудобная правда

Кто съел весь ацетилен?

Экспедиция на Титан: продержаться на плаву

Не уходи смиренно в сумрак вечной тьмы

Глава 8. Экзопланеты: миры без конца

Поиски инозвездных планет

Мерцай, мерцай, маленькая звездочка

«Несравненный человек» Иоганн Кеплер

«Кеплер» — космический телескоп

Горячие юпитеры

…и сверхземли!

Множественность миров

Рай и ад

Иголки и стог сена

«Галилео»: можем ли мы обнаружить жизнь на Земле?

Ослепленные светом

Мечта Лавлока: как нам распознать жизнь на Земле 2.0

Светлое будущее

Глава 9. Поиски внеземного разума

Разговор через тысячу световых лет

В точности как мы?

Уравнение Дрейка

SERENDIP

Снять с довольствия

SETI у вас в телефоне

Глава 10. Зачем нам (внеземная) жизнь?

Голубая точка

Фундаментальные вопросы

В погоню за мечтой!

Мы можем стать героями

Благодарности

Библиография: миллиарды и миллиарды книг

Сноски