Кто из землян быстрее найдет жизнь в облаках Венеры? Часть 2⁠⁠

Часть 1

Миссии NASA — VERITAS и DAVINCI+

Начнем с космического аппарата VERITAS, запуск которого намечен на 2028 год. Его основными целями будут радиолокационное картографирование и съемка поверхности Венеры с помощью радара с синтетической апертурой с разрешением до 15-30 метров. Таким образом, он станет преемником аппарата «Магеллан», который провел аналогичную съемку с разрешением 300 метров в начале 1990-х.

Художественное изображение КА «VERITAS» на орбите Венеры / © NASA

VERITAS сможет обнаружить все изменения, произошедшие на венерианской поверхности со времен «Магеллана», а возможно, и регистрировать новые подвижки в режиме реального времени. Для этого он будет проводить повторные измерения высот поверхности, при которых можно отслеживать их изменение с относительной точностью до 1,5 сантиметра. Таким образом, VERITAS даст убедительный ответ на вопрос о наличии и интенсивности современной геологической активности на Венере.

Кроме того, VERITAS будет оснащен системой мультиспектральной съемки в ближнем инфракрасном диапазоне, использующей инфракрасные «окна прозрачности» атмосферы. По отражательной и излучательной способности горных пород на этих длинах волн можно определить их типы (базальты, граниты и другие группы) и составить карту распределения на поверхности.

Вдобавок VERITAS впервые построит подробную карту гравитационного поля Венеры, с помощью которой уточнит ее внутреннее строение — характер и толщина основных оболочек, а также неоднородности литосферы. Для этого на аппарате будут установлены атомные часы, по которым ученые смогут со сверхвысокой точностью отслеживать его орбитальную траекторию и изучать гравитационный потенциал на основе зарегистрированных отклонений.

DAVINCI+ запустят несколько позднее, в 2029-2030 годах, он станет первым аппаратом почти за полвека, который достигнет поверхности Венеры (в рабочем состоянии). Он осуществит спуск на одну из тессер — предполагаемых остатков венерианских континентов — и проведет ее детальную аэрофотосъемку.

Схема спуска посадочного аппарата «DAVINCI+» / © NASA/GSFC

Но основная задача DAVINCI+ заключается во всестороннем исследовании состава и условий нижней венерианской атмосферы во время медленного спуска через нее. Для этого на нем установят компактный газовый масс-спектрометр, а также лазерный спектрометр с перестраиваемой длиной волны, аналогичный прибору на марсоходе Curiosit. Эти инструменты предназначены для выявления следовых компонентов атмосферы в сверхнизких концентрациях, а также измерения ее изотопного состава, который скажет многое о происхождении и эволюции атмосферы планеты.

На орбитальном аппарате, который доставит спускаемый аппарат DAVINCI+ к Венере и передаст его данные на Землю, будет установлена мультиспектральная камера, производящая съемку в окнах прозрачности атмосферы и дополняющая данные VERITAS.

Миссия европейского космического агентства — EnVision

Эта флагманская экспедиция по изучению поверхности и атмосферы Венеры, запланированная на старт в 2031 году, дополнит и расширит возможности космических аппаратов NASA. EnVision будет оснащен целыми двумя радарами. Один из них похож на радар VERITAS (что поделать, на этапе планирования никто не предполагал, что обе исследовательские станции NASA тоже полетят), а другой, длинноволновый, заглянет под поверхность Венеры и исследует венерианскую стратиграфию и свойства подповерхностных минералов.

Художественное изображение космического аппарата EnVision на орбите Венеры, демонстрирующее размеры антенн радаров. / © ESA

Остальные инструменты займутся всесторонними спектроскопическими исследованиями с орбиты в диапазонах от ультрафиолетового до инфракрасного. Программа исследований EnVision обширна: изучение динамики примесных компонентов венерианской атмосферы и изменчивости условий на поверхности, климата Венеры, поиск вулканических извержений, исследование минералогии поверхности.

Кроме того, ультрафиолетовый спектрометр изучит свойства, распространение и динамику областей того самого ультрафиолетового поглотителя в облаках.

«Венера-Д»

Российские исследователи космоса тоже планируют внести новый вклад в изучение Венеры. Космический аппарат «Венера-Д» («Д» — долгоживущая) предполагается к запуску в конце 2029 года и, как и следует из его названия, доставит на Венеру поверхностную станцию, способную проработать на поверхности планеты дольше своих предшественниц.

Этот аппарат — не конкурент зонду NASA, который нацелен в основном на исследование атмосферы и аэрофотосъемку. Главная цель DAVINCI+ — высокоточный непосредственный анализ атмосферных газов, а долетит ли до поверхности и проработает какое-то время на ней — хорошо. «Венера-Д», напротив, призвана унаследовать и расширить успехи советских ученых на самой поверхности.

В рамках проекта планируют создать спускаемый аппарат, который совершит посадку в горном ландшафте тессер и проживет на поверхности не менее трех часов. Он проведет непосредственный и высокоточный химический, минералогический и радиологический анализ пород поверхности — то есть займется всем тем, что с орбиты или с воздуха никак нельзя сделать.

Один из планируемых приборов — импульсный нейтронный гамма-спектрометр — будет использовать импульсный источник нейтронов, являющийся оригинальной российской разработкой и установленный на марсоходе Curiosity (там он занимается поиском водорода, скрывающегося в почве, но сам принцип пригоден и для измерения содержания других элементов).

Концепция миссии «Венера-Д» / © НПО им. С. А. Лавочкина

По дороге к поверхности аппарат изучит и атмосферу. В частности, исследует аэрозоли средней и нижней атмосферы, в которых предыдущим спускаемым аппаратам попадались загадочные частицы неправильной формы.

Ввиду нынешнего положения планы сопряжены с риском, и неясно, в какой конфигурации и когда полетит эта экспедиция. Один из вариантов включал посадочный аппарат со сроком службы 90 земных суток, который среди прочего изучит венерианскую сейсмологию и продемонстрирует технологии, пригодные для долговременной работы на самой экстремальной поверхности Солнечной системы.

Еще одно преимущество «Венеры-Д» — ее траектория. Прямой перелет к Венере занимает несколько месяцев, но должен начинаться в «стартовое окно», чтобы добиться минимального расхода топлива (а точнее, максимальной доставляемой массы для используемой ракеты-носителя). Дата прибытия ко второй планете тоже оказывается «прибитой гвоздями».

Поскольку Венера вращается вокруг своей оси очень медленно, а вход в атмосферу выполняется только по касательной, при этом для каждой даты запуска оказываются доступными лишь небольшие участки поверхности. Выход за их пределы, при сохранении прямой траектории перелета, требует ухода от оптимальной траектории и существенно повышает расход топлива.

«Венера-Д» сначала пролетит мимо Венеры и совершит у нее гравитационный маневр, который отправит аппарат на дополнительный оборот вокруг Солнца. Его параметры — а значит, и доступные «на финише» области посадки — можно выбирать в очень широких пределах. В этом одно из главных свойств гравитационных маневров: малый сдвиг траектории пролета существенно меняет всю последующую траекторию.

При этом траектория до маневра остается почти одной и той же и очень близкой к оптимальной — следовательно, за «открытие» ранее недоступных мест посадки не придется платить расходом топлива либо урезанием массы аппарата и его полезной нагрузки.

Индийская миссия «Шукраян-1»

Недавно Индийское космическое агентство отметилось феноменальным успехом: в 2013 году оно на собственной ракете запустило орбитальный аппарат «Мангальян». Он долетел к Марсу с первой попытки (больше это не удавалось никому) и выполнил свою задачу, причем все это уложилось всего в 73 миллиона долларов. «Мангальян» стал самой дешевой экспедицией к Красной планете за всю историю космонавтики (с учетом инфляции).

Неудивительно, что индийцы не собираются оставаться в стороне: в декабре 2024-го они планируют запустить к Венере аппарат «Шукраян-1». О целях этого аппарата пока известно мало, но из списка планируемых приборов следует, что он будет изучать динамику атмосферы и процессы ее улетучивания в космос, а также займется радиолокацией поверхности в высоком разрешении.

А как же жизнь?

Планы космических агентств действительно впечатляют (во всяком случае, в сравнении с предыдущим полувековым застоем). В 2030-х мы с высокой вероятностью узнаем ответы на все современные вопросы о планетологии Венеры — ее геологии, метеорологии и эволюции… Кроме одного.

Как нетрудно заметить, экзобиологи могут смотреть на эти перспективы с некоторой фрустрацией. Четыре больших миссии, которые стартуют не раньше конца десятилетия, одна из них во многом дублирует две другие — и ни одна не займется прямым поиском жизни. Частные компании, давно замахивающиеся на исследования соседних небесных тел, посмотрели на это дело и решили: нечего ходить вокруг да около. Долой промедления, летим сейчас же.

Venus Life Finder: напрямик в облака

Группа исследователей, в рядах которых работают известные экзопланетологи Сара Сигер из Массачусетского технологического института и Дэвид Гринспун из Института наук о планетах (Planetary Science Institute), разработала проект Venus Life Finder. Главной целью станет именно поиск жизни в венерианских облаках. Недавно они заручились поддержкой частной космической компании Rocket Lab и приступили к активной фазе реализации проекта.

Rocket Lab предоставит финансирование первого аппарата программы, средства для запуска и выведения — ракету Electron и спутниковое шасси Photon.

Поскольку грузоподъемность ракеты намного уступает тяжелым носителям, а «скорость превыше всего», космический аппарат придется делать маленьким и рассчитывать не на мощь множества приборов высочайшего класса, а на собственную изобретательность и смекалку. Ее у разработчиков Venus Life Finder хватает. Проведя предварительные исследования и проектирование, они пришли к выводу, что смогут уложиться в выводимую массу 20 килограммов и дату запуска в 2023 году.

Для обоснования главной идеи ученые провели четыре эксперимента, каждый из которых элегантен, прост и дополняет другие. Опишем здесь все четыре — оно того стоит.

Экспериментальное обоснование поиска жизни в облаках Венеры

Биологические молекулы и их компоненты можно обнаруживать по их флуоресценции, что и предполагается рабочим методом Venus Life Finder. Сработает ли метод в атмосфере Венеры? Ученые растворяли биомолекулы в серной кислоте, имитирующей облака этой планеты, и показали, что их флуоресценция сохраняется вплоть до концентрации 70%.

Могут ли биологические структуры быть устойчивыми в сверхкислой среде? Ученые исследовали устойчивость липидных мицелл различного состава. Земные клетки в такой среде, конечно, разрушаются, но эксперимент показал, что некоторые альтернативные липиды способны образовывать мицеллы и в 70%-серной кислоте. Таким образом, главный структурный элемент земной жизни может существовать и в венерианских облаках.

Флуоресценция растворов флуоресцеина в растворах серной кислоты. Концентрация указана в молях на литр; 0,1 М соответствует концентрации 0,98%, при более высоких концентрациях зависимость массовой доли от молярности начинает отклоняться от линейной из-за возрастания плотности раствора. Поскольку длины волн флуоресценции биомолекул тоже зависят от кислотности, ученым нужно знать истинную степень кислотности частичек облаков (которая зависит не только от концентрации кислоты, но и от примесей других соединений). Для этого в одном из последующих атмосферных зондов будут установлены пластинки, покрытые тонким слоем флуоресцеина и перехватывающие капли аэрозоля, как на фотографии справа. По цвету флуоресценции возникающих пятен будет определено, какую кислотность имеют капли и каково ее распределение / © https://venuscloudlife.com/wp-content/uploads/2021/12/VLFRep...

Макромолекулярные компоненты земной жизни, напротив, встречи с концентрированной серной кислотой не переживают. Каждый химик знает, насколько она едкая, но дотошные исследователи подошли к вопросу скрупулезно. Они подтвердили: белки, углеводы и нуклеиновые кислоты земных организмов, никогда не встречавших в процессе своей эволюции 70-процентную серную кислоту, быстро распадаются в ней и теряют способность загрязнять приборы и венерианскую атмосферу.

Наконец, команда проекта повторила эксперимент Миллера — Юри в среде, имитирующей облака Венеры. В этом эксперименте смесь газов, содержащая метан, аммиак, водород и угарный газ, помещается в замкнутый размешиваемый объем, содержащий также воду, и подвергается действию электрических разрядов. Через какое-то время в смеси появляются аминокислоты — структурные единицы белков и другие простые биомолекулы. Теперь же ученые обнаружили, что это происходит и в присутствии концентрированной серной кислоты.

Конечно, эксперимент не доказывает, что жизнь могла «зародиться в облаке», а не быть принесенной туда с поверхности. Если из простых молекул и формируются более сложные, то они точно не похожи на земные сложные биомолекулы, ведь предыдущий эксперимент показал их неустойчивость в венерианских облаках. Но этот результат подкрепляет саму идею «обитаемой зоны» венерианской атмосферы. Не такая уж эта среда враждебная; в противном случае органические молекулы в ней распадались бы, а не образовывались.

Третий пункт здесь нужно отметить особняком — это очень важный момент в исследованиях планет. Главным препятствием к поиску жизни на Марсе служит именно возможность загрязнения планеты и приборов земной жизнью. Эксперименты, проведенные на другой планете, нельзя просто так взять и перепроверить, поэтому ученые стремятся быть максимально уверенными, что их будущие находки не прилетели на Марс вместе с марсоходом.

Кроме того, они стараются не допустить распространения земной жизни на Марс (хотя упомянутая выше литопанспермия делает эту логику спорной). Поэтому марсоходы перед запуском проходят сложнейшую и требовательную процедуру стерилизации. На Венере, как мы теперь знаем благодаря команде Venus Life Finder, заботиться об этом вовсе не нужно.

Вот что значит свежее мышление — не в бровь, а в глаз!

Убедившись в обоснованности затеи, ученые разработали единый прибор, способный зарегистрировать наличие клеток в частицах аэрозоля и определить некоторые их свойства. Это флуоресцентный нефелометр — прибор, который облучает частицы аэрозоля ультрафиолетовым лазером. Детектор прибора будет измерять рассеяние лазерного излучения на частицах, по которому можно определить их размер, форму и структуру, регистрировать их флуоресценцию.

Результаты будут сравнивать с опорными данными, полученными в земных экспериментах с биомолекулами и мицеллами в серной кислоте. Приборы подобного типа можно сделать компактными, и масса спускаемого аппарата, вместе с прибором и системой связи, составит всего килограмм. Общая стоимость запуска и разработки пока не обнародована, но стоимость ракеты «Электрон» на сегодня — около 7,5 миллиона долларов.

Схема автофлуоресцентного нефелометра. Ультрафиолетовый лазер светит сквозь окошко в корпусе (aircraft skin) атмосферного зонда. Пролетающие мимо частицы аэрозоля рассеивают лазерный свет, придают ему поляризацию (линейную в случае круглых частиц и эллиптическую в случае неправильной формы) и вызывают их флуоресценцию. Второе окошко и собирающие линзы направляют все это излучение на регистрирующие приборы (показан лавинный фотодиод) / © https://venuscloudlife.com/wp-content/uploads/2021/12/VLFRep...

Послесловие

Здесь можно заметить, что в конструкцию зонда и в подготовку к его запуску просятся два дополнения.

Во-первых, современный цифровой оптический микроскоп можно сделать очень компактным — массой буквально десяток граммов. Разработчики раздумывают над установкой камеры на первый зонд, но пока они не определились ни с ее наличием, ни с целями. А она может оказаться полезной. Химические процессы венерианских облаков и скрывающейся под ними атмосферы не имеют земных аналогов, и исключать возможность непредвиденных источников ложно-положительных сигналов никак нельзя.

Что может быть лучшим подтверждением данных, чем серия микрофотографий частиц аэрозоля с клетками внутри, налипших на стекло? И что может быть большим разочарованием, чем узнать много лет спустя, что в аэрозоль попадают кристаллики какого-нибудь «неочевидного» соединения, которого в земной окислительной атмосфере не может быть никогда и которое создает и «биологическую» флуоресценцию, и несферическую форму капель?

Во-вторых, в солнечном свете, достигающем облаков Венеры, содержится много ультрафиолета (мы бы не смогли обнаружить ультрафиолетовый поглотитель, если бы это было не так). Возможно, детальные спектроскопические исследования Венеры с помощью мощных земных телескопов позволят идентифицировать с нашей планеты не только поглощение, но и флуоресценцию ультрафиолетового поглотителя, вычленив ее из отраженного солнечного света — и тем самым лучше подготовиться к экспериментам в облаках Венеры.

По мере развития проекта исследователи планируют запустить ко второй планете целую серию аппаратов. Каждый из них будет стартовать вскоре после завершения работы предыдущего и учитывать его результаты. Последующие запуски включают в себя аэростатные зонды со сроком службы до двух недель, оснащенные приборами для точного изотопного и элементного анализа: лазерным спектрометром с перестраиваемой частотой и миниатюрным оптическим эмиссионным спектроанализатором.

Изображение Венеры, как ее видели бы мы, если бы воспринимали ближний ультрафиолет. Желтые и темно-серые области имеют высокую концентрацию ультрафиолетового поглотителя. Атмосфера на изображении вращается «слева направо». На рассвете поглощение невелико, но затем поглотитель «проявляется» и распространяется от экватора к полюсам. За ночь он, по-видимому, исчезает. Поэтому форма области поглощения напоминает знак неравенства «<»

В качестве программы «максимум» заявлена доставка образцов из венерианских облаков на Землю. Для этого предполагается запуск небольшой ракеты с образцами с аэростата из верхних слоев атмосферы. Отметим, что аэростатный запуск перспективен и на Земле — ему доступен вывод на орбиту очень малых масс («наноспутников»), которые весьма неэкономично запускать с поверхности по одиночке.

Не исключено, что черепаший шаг исследований Солнечной системы наконец-то снова сравнится с темпом времен космической гонки и преодолеет его — и все это усилиями исследователей-энтузиастов своего дела и маленькой частной космической компании.

Иван Лавренов. Naked Science. 17.06.2022