С 1979 года, когда зонды «Вояджер» пролетели мимо Юпитера и его системы спутников, учёные строят предположения о возможности существования жизни на Европе. На основе планетарного моделирования предполагается, что у Европы каменистое и металлическое ядро, ледяная кора и мантия, а также океан с жидкой водой, глубина которого может составлять от 100 до 200 км. Учёные предполагают, что этот океан поддерживается в жидком виде благодаря приливному изгибу — когда взаимодействие с мощным гравитационным полем Юпитера приводит к геологической активности в ядре Европы и порождает гидротермальные источники на границе ядра и мантии.
Изучение потенциальной обитаемости Европы — главная цель миссии НАСА Europa Clipper, которая стартует 10 октября 2024 года и прибудет к Юпитеру в апреле 2030 года. Однако решение этой задачи кажется астробиологам сложным, поскольку обитаемость Европы зависит от множества взаимосвязанных параметров, которые требуют совместного изучения. В недавней статье группа исследователей под руководством НАСА проанализировала цели миссии Europa Clipper и предположила, что она может открыть в отношении внутренностей, состава и геологии спутника.
В состав команды вошли исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHUAPL), Центра Бейонда при Аризонском государственном университете, Океанографического института Вудс-Хоула (WHOI), Honeybee Robotics, Юго-Западного исследовательского института (SwRI), Института планетологии (PSI), Лунной и планетарной лаборатории (LPL), Центра космических полётов имени Годдарда (GSFC) и Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА, а также нескольких университетов. Их работа, «Исследование обитаемости Европы с помощью Europa Clipper», недавно появилась в журнале Space Science Reviews.
Что такое «обитаемость»?
Когда речь заходит о поиске жизни за пределами Земли, чем занимается астробиология, все усилия человечества в настоящее время сосредоточены на Марсе. В ближайшие годы ситуация изменится, поскольку миссии, отправляющиеся во внешнюю часть Солнечной системы, будут проводить детальные исследования «океанических миров» — ледяных тел с внутренними океанами. К ним относятся Европа, Ганимед, Титан, Энцелад, Тритон и, возможно, Плутон и Харон. Europa Clipper станет первой из этих миссий, за которой в 2031 году последует JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) ЕКА. Он проведёт следующие четыре года на орбите Юпитера и совершит близкие пролёты над Европой, изучая её поверхность и внутренности с помощью передового набора инструментов. Как резюмировала исследовательская группа по изучению Европы в своём отчёте за 2012 год:
«Спутник Юпитера Европа — один из наиболее перспективных кандидатов на существование жизни среди океанических миров Солнечной системы. Исследуя возможность обитаемости Европы, миссия Europa Clipper стремится понять происхождение воды, основных химических элементов и соединений, а также энергии, и то, как они могут сочетаться, чтобы сделать среду этого спутника пригодной для поддержания жизни».
Как указала в своём исследовании команда НАСА, целью миссии Europa Clipper является не обнаружение жизни, а оценка способности Европы поддерживать жизнь в том виде, в котором мы её знаем. Это позволит подтвердить (или опровергнуть) существование внутреннего океана Европы и определить, обладает ли он необходимыми химическими и энергетическими источниками для процветания жизни. Однако одной из главных проблем в исследовании обитаемости спутника является сама природа этого понятия. Тем не менее, к соответствующим параметрам относятся температура, давление, pH, солёность и наличие растворителя (например, воды).
Стивен Д. Вэнс, заместитель руководителя отдела планетарных интерьеров и геофизики в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), также был ведущим автором работы. Как он объяснил Universe Today по электронной почте:
«Пригодность для жизни — это потенциал для поддержания жизни, но не обязательно её наличие. Некоторые среды более пригодны для жизни, чем другие. Например, пышный тропический лес обеспечивает много воды, благоприятные условия и питательные вещества для жизни. Напротив, в районах пустыни Атакама есть все необходимые для жизни ингредиенты — вода, материалы (состав) и энергия — но жизнь там вряд ли может поддерживаться, поскольку условия холодные, сухие и в остальном негостеприимные. Понимание пригодности среды для жизни необходимо для интерпретации любого возможного обнаружения жизни».
Определение пределов
Например, учёные уже давно предполагают, что жизнь внутри Европы может напоминать те виды жизни, которые наблюдаются вокруг гидротермальных источников в океанах Земли. К ним относятся экстремофилы — организмы, которые могут процветать в экстремальных условиях и не зависят от солнечного света в качестве источника энергии. В качестве примера можно привести барофилов, которые могут существовать в условиях экстремального давления, и термофилов, живущих в условиях экстремальной жары. Эти организмы устанавливают верхний предел условий, в которых может выжить жизнь, и дают возможность определить, возможна ли жизнь на Европе. Вэнс сказал:
«Миссия Europa Clipper будет сочетать исследования геологии, состава и внутреннего строения Европы, чтобы понять детальные свойства её океана. Среди основных задач — выяснить толщину океана и место концентрации приливного тепла во льдах, океане и скальных породах. Для достижения нашей цели — понимания обитаемости Европы — нам потребуется синтезировать результаты измерений всего набора из 10 инструментов».
Для изучения пригодности Европы к обитаемости перед миссией Europa Clipper стоят три основные научные задачи. К ним относятся: определение характеристик ледяного панциря и подповерхностных вод, их состава, свойств океана и характера обмена между поверхностным льдом и океаном; определение состава любых отличных ото льда материалов на поверхности и в атмосфере, включая любые углеродсодержащие соединения; определение характеристик геологических особенностей поверхности и мест, представляющих большой научный интерес. Поскольку пригодность для жизни зависит от многих взаимозависимых физических и химических параметров и процессов, многочисленные измерения будут синтезированы следующими приборами.
Что касается камер, то Clipper будет полагаться на систему Europa Imaging System (EIS), состоящую из широкоугольной и узкоугольной камер — каждая с восьмимегапиксельной матрицей — которые будут создавать изображения Европы с высоким разрешением, изучать геологическую активность, измерять высоту поверхности и обеспечивать контекст для других инструментов. Также имеется система Europa THermal EMission Imaging System (E-THEMIS), которая будет определять области на Европе, где тёплая жидкая вода может находиться вблизи поверхности (или могла быть извергнута), и измерять текстуру поверхности, чтобы понять мелкомасштабные свойства поверхности.
Для спектроскопических исследований на борту Clipper будет установлен ультрафиолетовый спектрограф Europa-UVS, который поможет определить состав атмосферных газов и поверхностных материалов Европы и найти вблизи Европы признаки активности плюмов. Спектрометр MAss Spectrometer for Planetary EXploration (MASPEX) будет анализировать газы в слабой атмосфере Европы и возможные плюмы, а также изучать химический состав предполагаемого подповерхностного океана спутника, обмен материалами между океаном и поверхностью, а также то, как радиация изменяет соединения на поверхности спутника.
Чтобы охарактеризовать плазменную и магнитную среду вокруг Европы, Clipper использует магнитометр Europa Clipper Magnetometer (ECM) для подтверждения существования океана Европы, измерения его глубины и солёности, измерения толщины ледяного панциря спутника и изучения взаимодействия ионизированной атмосферы Европы с ионизированной атмосферой Юпитера. Плазменный прибор для магнитного зондирования (PIMS) измерит ионосферу Европы и плазму, захваченную магнитным полем Юпитера. Он также попытается провести различие между магнитным полем Юпитера и индуцированным магнитным полем Европы, которое несёт информацию об океане Европы.
Прибор Gravity and Radio Science (G/RS) измерит гравитацию Европы в различных точках, чтобы показать, как Европа изгибается, и помочь раскрыть её внутреннюю структуру. В то же время радар для оценки и зондирования Европы — Ocean to Near-surface (REASON) — будет исследовать ледяную оболочку Европы на предмет предполагаемого океана и изучать структуру и толщину льда. Кроме того, аппарат изучит высоту, состав и шероховатость поверхности спутника, а также проведёт поиск плюмов в её атмосфере.
Наконец, химический анализ будет проводиться с помощью Mapping Imaging Spectrometer for Europa (MISE), который составит карту распределения льда, солей, органики и самых тёплых горячих точек на Европе. Анализатор пыли SUrface Dust Analyzer (SUDA) будет искать кусочки эжекты, выброшенной с поверхности Европы в результате столкновений, и свидетельства наличия шлейфов. Это позволит определить химический состав материала и район его происхождения, а также даст представление о солёности океана Европы.
Долгая история исследований
Как уже отмечалось, учёные увлеклись Европой с тех пор, как в 1979 году через эту систему прошли зонды «Вояджер». Эти миссии показали, что Европа геологически активна, о чём свидетельствовали пересекающиеся линейные особенности, напоминающие ледяные потоки на Земле. Обнаружение вулканов на Ио (результат приливного изгиба) привело к предположению, что и в недрах Европы может наблюдаться вулканическая активность. Это совпало с открытием гидротермальных источников на Земле (всего за два года до этого), которое показало, что жизнь может поддерживаться за счёт внутренней энергии планеты (а не солнечного света).
Первой миссией, направленной исключительно на изучение Юпитера и его спутников, стал зонд «Галилео», прибывший в 1989 году. Данные, полученные этим зондом за более чем семь лет пребывания на орбите Юпитера, стали дополнительным подтверждением потенциальной обитаемости Европы. В частности, магнитные данные свидетельствовали о наличии под ледяной поверхностью слоя жидкой солёной воды, а также об обнаружении на поверхности глиноподобных минералов (часто связанных с органическими материалами). На основе этих данных учёные разработали «наиболее подходящую» модель Европы, согласно которой под ледяным покровом глубиной 3-50 км (1,8-31 миля) находится океан глубиной от десятков до сотен километров.
За последнее десятилетие космический телескоп «Хаббл» получил множество снимков, на которых были видны водяной пар и шлейфы, исходящие с поверхности Европы. Совсем недавно космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил на поверхности углекислый газ, который, возможно, был перенесён из недр в результате всплытия. Если это подтвердится, то это будет означать, что в подповерхностном океане есть углерод — необходимый компонент для жизни и строительный блок для органических веществ. Достигнув Юпитера, миссия Europa Clipper заложит впечатляющий фундамент и поможет разгадать тайну этого «океанического мира».
Результаты этой миссии помогут определить будущие, направляющиеся во внешнюю часть Солнечной системы. В их число входит предлагаемый аппарат Europa Lander, который сядет на поверхность спутника, чтобы более тщательно изучить её ледяную поверхность и шлейфы. В заключение Вэнс сказал:
«Всё, что мы узнаем о Европе благодаря Europa Clipper, позволит разработать лучшие проекты для будущих миссий. Например, картографирование поверхности с высоким разрешением позволит нам определить наиболее интересные с научной точки зрения и безопасные места для посадки. Знание толщины и состава льда позволит разработать буры, предназначенные для проникновения в лёд, возможно, до самого океана под ним».