Кто из землян быстрее найдет жизнь в облаках Венеры?
Космические агентства планируют запуск аппаратов к Венере в конце 2020-х. Частные компании не отстают: их миссии могут достигнуть орбиты второй по удаленности от Солнца планеты гораздо раньше.
Высококонтрастное изображение облачного покрова Венеры. / © NASA
Наша ближайшая соседка Венера — загадочная, контрастная и манящая планета. Солнечный свет на ее орбите вдвое жарче, чем на земной, но Венера целиком покрыта облаками, отражающими 76 процентов излучения обратно в космос. Поэтому Венере, несмотря на близость к Солнцу, достается даже чуть меньше его энергии, чем Земле.
Облака скрывают поверхность от земных телескопов, и работавшие до эпохи космических исследований ученые и фантасты не могли узнать, что же на ней находится. Они представляли себе мир, целиком покрытый тропическими лесами и болотами, в которых под непрерывным дождем бродят неторопливые гиганты, похожие на древнюю земную фауну.
Забегая вперед, отметим, что будь атмосфера нашей ближайшей соседки похожа на земную — так бы оно с немалой вероятностью и было.
Разбитые мечты
С наступлением эры космических полетов надежды ученых испарились, словно утренняя роса. Астрономы еще со времен открытия Ломоносова догадывались, что венерианская атмосфера массивнее земной, но недооценили ее плотность. Советские исследователи приступили к запуску зондов на Венеру в 1965 году, с каждой неудачей укрепляя их конструкцию, но атмосфера этой планеты раздавливала первые аппараты один за другим.
Наконец, в 1970-м аппарат «Венера-7» первым в истории достиг поверхности Венеры в целости и сохранности. Он непосредственно измерил условия на поверхности: температура — 475 градусов Цельсия, давление — в 92 раза выше земного. Водяного пара в атмосфере в десятки тысяч раз меньше, чем воды в земных океанах, грунт представляет собой сплошные поля застывшей лавы, тускло-оранжевое небо дает освещенность, сравнимую с пасмурным днем на Земле.
Высокую температуру обеспечивает как сама плотность атмосферы, так и парниковый эффект от углекислого газа, который выступает главным компонентом венерианской атмосферы. Его там — 96,5%, или, с учетом давления, в 200 тысяч раз больше, чем в атмосфере Земли. А сверкающие облака, благодаря которым древние люди считали блистательную планету воплощением любви и красоты, оказались состоящими из концентрированной серной кислоты.
Самое яркое проявление контраста между оболочкой и содержимым среди планет Солнечной системы / © Bernd Koch. Изображение поверхности, переданное «Венерой-13» — в обработке Don Mitchell
Стало ясно, что венерианские посадочные аппараты не встретят не только венерозавров, но даже и примитивные формы жизни. На ее поверхности, как и в атмосфере под облачным слоем, слишком горячо для любых земных организмов.
Говорят, когда советские исследователи обсуждали данные «Венеры-4», которая первой проникла глубоко в венерианскую атмосферу и передала температуру в 262 градуса Цельсия на высоте 28 километров, один из конструкторов не смог сдержать слез.
После таких открытий исследования Венеры быстро сошли на нет. Последние посадочные и атмосферные миссии достигли нашей ближайшей соседки в 1985 году. После этого на ее орбите работали всего три аппарата — американский Magellan, европейский Venus Express и японский Akatsuki.
Но как это ни удивительно, со временем новые данные заставили ученых усомниться, что Венера — совершенно мертвый мир.
Признаки «невозможного»
Всегда ли Венера была сухой? Нет. При анализе состава венерианской атмосферы было обнаружено, что относительное содержание дейтерия в ней в 150 раз превосходит земное. Этот тяжелый изотоп водорода концентрируется в атмосфере при улетучивании воды в космос, и это колоссальное обогащение означает, что когда-то на Венере было лишь ненамного меньше воды (или пара), чем в земных океанах.
Могла ли вода быть жидкой? Да! При нынешней плотной атмосфере это невозможно, но количество углекислого газа в атмосфере Венеры примерно соответствует его содержанию во всех земных карбонатных горных породах. Если исходный состав Венеры был похож на земной — то раньше углекислый газ мог быть связан в карбонаты и на ней, а атмосфера была намного менее плотной.
Моделирование климата древней Венеры свидетельствует, что миллиарды лет назад, когда светимость Солнца была ниже современной, ее климат мог быть даже прохладнее земного. Это делают возможным особенности атмосферной циркуляции на медленно вращающихся планетах (Венера вращается вокруг своей оси за 243 земных суток, а солнечные сутки на ней длятся 117 земных: два земных месяца продолжается ночь, еще столько же — день). Но что-то пошло не так: атмосфера стала плотнее, в нее начали поступать водяной пар и углекислый газ, усиливая парниковый эффект.
Начавшийся разогрев замкнул порочный круг: гипотетические океаны испарились, карбонаты выбросили весь связанный ими углекислый газ в атмосферу, и Венера превратилась в мир, выжженный дотла.
Смоделированная карта температуры на поверхности Венеры при следующих условиях: атмосфера совпадает с земной, светимость Солнца составляет 77% от нынешней (соответствует времени 2,9 миллиарда лет назад), на поверхности имеется океан средней глубиной 310 метров (что соответствует современному содержанию дейтерия в атмосфере Венеры). Медленное вращение Венеры вокруг своей оси снижает эффективность атмосферной циркуляции. Поэтому дневная сторона почти целиком покрыта отражающими солнечный свет облаками, а ночная — ясная, эффективно излучает тепло в космос. Средняя температура равна плюс 11 градусам Цельсия (на три градуса ниже, чем на современной Земле), а максимальная — плюс 36. При более быстром вращении (один оборот вокруг оси за 16 земных суток) циркуляция усиливается. На дневной стороне устанавливается переменная облачность, средняя температура вырастает до плюс 46 градусов, а минимальная не опускается ниже плюс 27. Напротив, если при медленном вращении «поднять» светимость Солнца с 77% до 94%, на дневной стороне становится еще более пасмурно, и температура повышается всего на четыре градуса / © https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/201...
Некоторые детали ландшафта Венеры могут хранить свидетельства древних, умеренных времен. Радиолокация поверхности и исследование ее излучательной способности в инфракрасном диапазоне зондами Magellan и Venus Express показали, что полями застывшей лавы покрыта не вся планета. Венерианские тессеры, возвышенные участки поверхности, по морфологии и минеральному составу похожи на остатки континентов, смятые литосферными деформациями. Эти формы рельефа могли бы образоваться при тектонике на планете с океанами.
Геологическая карта Венеры, составленная специалистами ГЕОХИ РАН в 2010 году
А если жизнь на Венере просто не зародилась? Ничего страшного, планета все равно могла быть обитаемой. Существует ряд сильно недооцененных исследований, в которых изучался и моделировался перенос материала между планетами при астероидной бомбардировке. Удары астероидов выбивают огромное количество скал в космос, и часть материала попадает на другие планеты. Одноклеточные организмы и их споры могут пережить такое путешествие и укорениться на другой планете — этот предполагаемый и вероятный способ распространения жизни между планетами называется литопанспермией.
В самом деле, если мы на Земле находим марсианские метеориты, то на Марсе и Венере должно быть полно земных метеоритов. За миллиарды лет на нашу планету падало множество крупных астероидов — один только Чикшулуб выбил в космос сотни миллионов тонн земных скал, насыщенных микроорганизмами. Поэтому земная жизнь вполне могла пустить побеги на Венере, а еще на Марсе и везде, где могла прижиться.
В Солнечной системе был период, 3,2-3,8 миллиарда лет назад, когда целых три соседствующие планеты — Венера, Земля и Марс — могли одновременно обладать умеренным климатом, а на одной из них — Земле — точно была жизнь. Астероидная бомбардировка в те времена была интенсивнее современной, и литопанспермия была вполне способна объединить их биосферы в одну.
Ну ладно Марс, скажет читатель, но венерианский сектор биосферы Солнечной системы точно должен был остаться в прошлом? А вот не совсем. Венера горяча только под облаками. Как и на Земле, температура падает на несколько градусов с каждым километром высоты, и в облаках Венеры есть слой, где температура — как у нас за окном, а давление чуть ниже земного.
Зависимости температуры и давления в атмосфере Венеры от высоты. Градусы по шкалам Кельвина и Цельсия равны друг другу, а сами шкалы сдвинуты на 273,15 градуса. Точка замерзания воды равна 273,15 градуса Кельвина, кипения (при атмосферном давлении) — 373,15 кельвина, а за окном в момент написания этих строк был 291 градус Кельвина — для лета прохладно
Вулканический сернокислотный состав облаков долго заставлял ученых воздерживаться от предположений об их возможной обитаемости. Но при изучении венерианской атмосферы с Земли и орбитальных аппаратов обнаружили труднообъяснимые и интересные явления.
В облаках, как раз в умеренном слое, наблюдается сильное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца, и ни один из известных газов в атмосфере Венеры не способен обеспечить именно такое поглощение. Зато его спектр похож на поглощение ультрафиолета некоторыми земными микроорганизмами. Области поглощения динамичны: дрейфуют по облакам, исчезают и снова распространяются, напоминая цветение водорослей в океане.
Обнаруженные в атмосфере примесные газы — диоксид серы, угарный газ, кислород, аммиак, сероводород и другие соединения — плохо совместимы друг с другом. Среди них есть окислители и восстановители, кислотные и основные соединения. Одновременное нахождение их в атмосфере (даже в примесных количествах) требует наличия сложных неравновесных процессов, непрерывно генерирующих каждое из них. А недавнее исследование атмосферы Венеры выявило в ней примесь фосфина. Этот газ, ядовитое соединение фосфора с водородом PH3, в следовых количествах выделяют анаэробные организмы, но на скалистых планетах его очень сложно «получить» другими способами.
Фосфин и другие биосигнатуры
Когда в начале XXI века находки планет у других звезд стали исчисляться сотнями и тысячами, ученые всерьез задумались о том, как можно обнаружить жизнь на мирах, которые еще долго не будут доступны прямым исследованиям. Исходить нужно из состава атмосферы, который можно узнать методами спектроскопии.
Тщательный отбор среди возможных компонентов атмосфер выявил несколько кандидатов в биосигнатуры — молекул или их сочетаний, которые вряд ли появятся на стерильных планетах и которые можно обнаружить спектроскопическими наблюдениями из Солнечной системы. Вопрос биосигнатур сложен и неоднозначен; подробнее о нем можно почитать, например, здесь. Но одними из лучших спектроскопических биосигнатур в атмосферах скалистых планет были признаны сочетание кислорода с метаном и, собственно, фосфин.
Прежде чем направить телескопы на экзопланеты, ученые оттачивали методы обнаружения биосигнатур на планетах Солнечной системы. Об их атмосферах известно довольно многое, и это позволяет как следует разобраться с возможными источниками ложных сигналов. Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что фосфин на Венере есть.
Все это со временем привело исследователей к мысли, что венерианские облака, несмотря на экстремальную кислотность, могут быть населены микроскопическими формами жизни, сродни земным бактериям, которые попадают в верхние слои нашей атмосферы. В земной стратосфере тоже встречаются и капельки серной кислоты, и бактерии, поднятые ветрами с поверхности.
Венерианская жизнь могла бы «переселиться в облако» и сохраниться там, когда поверхность утратила всякую обитаемость. При этом кислотность современных венерианских облаков все же превышает кислотность самых экстремальных сред на Земле.
Если в них действительно найдется жизнь, эта находка перепишет представления о приспособляемости живых организмов. А ее изучение прольет свет не только на важнейшие вопросы о возникновении и распространении жизни, но и на историю планеты.
Неудивительно, что в последние несколько лет интерес к исследованиям Венеры вырос, и теперь к ней запланированы сразу четыре большие исследовательские экспедиции. Недавно к ним добавился еще один интереснейший проект, и в следующей части статьи мы расскажем о «новой волне» космических аппаратов, которая вскоре устремится ко второй планете нашей системы.
«Кеплер» в поисках Земли 2.0
В 2018 году космический телескоп «Кеплер», лучший на данный момент времени охотник за экзопланетами, вышел на пенсию. Он начал работу девятью годами ранее, когда науке были известны всего около 300 объектов этого рода. «Кеплер» обнаружил более двух с половиной тысяч. Таким образом, свыше 60% экзопланет, фигурирующих в соответствующих каталогах, найдены одним-единственным телескопом. В общем, это была чрезвычайно продуктивная программа. Удалось ли «Кеплеру», как рассчитывалось, найти «двойника» Земли? Претендентов на это почетное звание мало. Отчасти это связано с невинной ошибкой, которую допустили конструкторы телескопа. Они считали, что Солнце – это самая ординарная звезда. Но оно оказалось в каком-то отношении уникальным.
Космический телескоп Кеплер на фоне Земли. Иллюстрация
Солнце – единственная звезда, которую мы можем рассмотреть вблизи, поэтому предположение о том, что большинство этих небесных тел похожи на неё, выглядит очень естественно. Но уже более ста лет известно, что светила бывают самых разных размеров и цветов. Солнце принадлежит к классу G, на долю которого приходится всего около 6% звезд Млечного пути. Между тем, 73% относятся к классу M – они более известны как красные карлики. Вероятность того, что рядом с ними обнаружится пригодная для землян планета, безусловно, имеется, но она весьма невелика. Красные карлики меньше и холоднее Солнца, поэтому зона обитаемости (область орбиты, где возможно пребывание воды в жидком состоянии) здесь намного уже. Более того, планеты, находящиеся внутри неё, располагаются в непосредственной близости от звезды, что грозит уничтожением атмосферы излучением последней. Это значит, что Землю 2.0 нужно искать около Солнца 2.0.
Земля и Солнце. Иллюстрация
При проектировании «Кеплера» конструкторы пошли на поводу ещё одного стереотипа – о том, что все звезды класса G так же шумны, как Солнце. Эта характеристика не имеет отношения к громкости звука. Она описывает случайные колебания яркости звезды. Поверхность светила вечно «бурлит», на нем множество пятен и других особенностей. Все это приводит к хаотичному изменению светимости, которое прямо влияет на результаты деятельности того же «Кеплера». Телескоп вглядывался в один участок небесной сферы в течение нескольких лет, наблюдая за 150000 светилами одновременно. В его данных ученые пытались обнаружить крошечные провалы в яркости звезд, которые указывали бы на прохождение планет. Если это крупный газовый гигант, то никаких проблем не возникает, и объект спокойно заносится в каталог. Также метод успешно работает с тусклыми красными карликами, когда планета блокирует значительную часть света звезды.
Транзит планеты на фоне звезды
Но если бы «Кеплер» рассматривал издалека Солнечную систему, то проходящая по диску Земля снижала бы яркость звезды всего где-то на 0,0085%. В течение 10 часов один раз в год. Другими словами, чтобы засечь это событие, надо очень долго наблюдать за конкретным светилом чрезвычайно чувствительным телескопом, заметить микроскопический провал в светимости и понять, что это не было случайностью. Основываясь на поведении Солнца, астрономы считали, что «Кеплеру» придется иметь дело с «шумами» объемом до 10 частей на миллион. Это весьма неприятно при попытке найти отклонения в 85 частей на миллион, но ничего невозможного тут нет. Однако проанализировав данные за первые полтора года наблюдений, ученые поняли, что мерцание звезд класса G в два раза превышает допустимый уровень помех.
Снижение яркости звезды на фоне прохождения планеты по ее диску
Согласно отчету за 2011 год, почти ни у одного такого светила «шумность» не опускалась ниже 10 частей на миллион, а примерно у 30% превышала 50. Наше Солнце оказалось самым тихим представителем своего семейства, и искать планеты размером с Землю на фоне более активных его родственников было очень сложно. Это был серьезный удар по планам ученых, но телескоп стоимостью более полумиллиарда долларов не мог пропадать даром. Сталкиваясь с подобными препятствиями, исследователи всегда пытаются найти выход и очень часто его находят. В данном случае решение оказалось довольно простым: нужно было дольше наблюдать за звездами. Значительный объем собранных данных позволял отбросить случайные колебания и выделить изменения яркости, спровоцированные крошечными планетами земного типа.
Земля 2.0 и Солнце 2.0 в представлении художника
В конце 2012 года НАСА санкционировало продление миссии «Кеплера». По иронии судьбы, некоторые узлы, стабилизирующие положение телескопа в пространстве, начали выходить из строя уже после этого решения. В течение нескольких месяцев он не мог смотреть в нужную сторону космоса, но затем инженеры нашли способ выровнять обсерваторию. Сделано это было с помощью солнечного ветра, давление частиц которого стало чем-то вроде опоры для «Кеплера».
По состоянию на 2023 год в ходе анализа данных, полученных «аварийным» телескопом, было обнаружено более пятисот экзопланет. Продолжается изучение и информации, добытой ранее. В 2015-ом были опубликованы результаты исследования, авторы которого использовали дополнительные методы обработки «картинки». Они смогли снизить уровень помех, а также переоценить «шумность» Солнца по отношению к другим звездам.
Все это, конечно, предельно интересно, но как насчет Земли 2.0? Удалось ли её найти? Что ж, в 2011 году НАСА объявило об открытии Kepler-22b. Эта планета всего в два раза крупнее Земли и находится в зоне обитаемости звезды, похожей на Солнце. На данный момент она больше любой другой походит на колыбель человечества. Делать какие-то выводы, тем не менее, пока очень рано. Никто не знает, из чего состоит эта экзопланета и есть ли у нее атмосфера, не говоря уже о жидкой воде на поверхности.
Зона обитаемости Солнечной системы (отмечена зеленым цветом) и системы Kepler-22b
По состоянию на 2023 год «Кеплер» обнаружил 361 экзопланету, потенциально находящуюся в зоне обитаемости. Однако достоверно подтверждено существование только 88 из них. Большинство последних не являются идеальной Землей 2.0, но телескоп выявил несколько неплохих кандидатов, в том числе четыре, вращающихся вокруг звезд класса G. Как бы то ни было, сделать окончательный выбор ещё только предстоит. Для начала было бы неплохо проследить за выявленными претендентами с помощью других телескопов.
Для этой роли может подойти заработавший недавно «Джеймс Уэбб», но куда продуктивнее будут обсерватории, специализирующиеся на поиске экзопланет. Это, например, «TESS», запущенная в 2018 году. Европейское космическое агентство планирует в 2026-ом отправить в космос телескоп «PLATO». У него будет 26 камер и потрясающая разрешающая способность, что позволит отсеивать помехи и улавливать мельчайшие изменения в яркости звезд. В общем, работа продолжается. Она невероятно интересна и мы с нетерпением ждем её результатов.
Космический телескоп Plato. Иллюстрация
Спасибо за внимание! Если вам понравилась статья, то можете поддержать нас "плюсиком" или подписаться на наш канал. Также хотелось бы упомянуть, что у нас есть свой Телеграм канал. Там мы постоянно публикуем интересные посты о космосе и астрономии.
Зачем нужна астрономия – Ольга Сильченко | Лекции по астрономии и астрофизике | Научпоп
Зачем человечество изучает далёкие космические объекты? Что астрономия даёт людям? На этот вопрос отвечает Ольга Касьяновна Сильченко, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе государственного астрономического института имени П.К. Штернберга.
Elite: Dangerous: учимся исследовать
Ученые исследуют атмосферный вихрь над северным полюсом Сатурна
История гравитации | Лекции по астрофизике – астрофизик Антон Бирюков | Научпоп
Что такое гравитация и каково её значение в физике и астрофизике? Кто и когда первым описал данное явление? Как на протяжении времени менялась и формулировалась теория гравитации?
Рассказывает Антон Бирюков, астрофизик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории космических проектов Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.
Готовы к Евро-2024? А ну-ка, проверим!
Для всех поклонников футбола Hisense подготовил крутой конкурс в соцсетях. Попытайте удачу, чтобы получить классный мерч и технику от глобального партнера чемпионата.
А если не любите полагаться на случай и сразу отправляетесь за техникой Hisense, не прячьте далеко чек. Загрузите на сайт и получите подписку на Wink на 3 месяца в подарок.
Реклама ООО «Горенье БТ», ИНН: 7704722037
Ученые объяснили почему Уран и Нептун разных оттенков синего
Нептун и Уран – огромные ледяные планеты нашей звездной системы, испускающие синее свечение, слегка отличающееся оттенком. Как утверждают исследователи, им удалось выяснить, почему Уран светлее.
Научные специалисты из Великобритании утверждают, что причина кроется в особом атмосферном слое, который у Урана вдвое больше. По словам ведущего автора научной работы Патрика Ирвина, данный слой называется Аэрозоль-2 и выглядит более бледно в видимом для человека цветовом диапазоне и, как следствие, «осветляет» Уран. Это утверждение способно объяснить более светлый оттенок Урана.
У обоих планет в атмосфере содержится водород, гелий и метан. Однако по мнению исследователей, дымки, созданные этими элементами, присутствуют и в других атмосферных слоях. Кроме того, на ледяных гигантах имеются огромные океаны, состоящие из воды, метана и льдов аммиака, растаявших под воздействием повышенных температур.
Облачные полосы и ветры, присутствующие на Уране, имеют вытянутую форму относительно экватора и находятся под контролем скорости планетарного вращения, а не воздействия Солнца. И хотя до Нептуна доходит несколько меньше солнечной энергии, его атмосфера активна, что можно увидеть по регулярным штормам и сверхскоростным ветрам.
Цвет планет в большей степени обусловлен наличием в атмосферных слоях метана. Это вещество поглощает свет из красного диапазона спектра, но при этом отражает синий цвет. Именно благодаря этой особенности мы видим планету такой.
В проведенной научной работе ученые разработали модели атмосфер обоих планет на основе информации, полученной аппаратами Hubble и Voyager 2, а также результатах наблюдений с Земли. Две планеты обладают схожими по характеристикам атмосферами, однако у Урана она имеет повышенную плотность. Из-за этого для человека данная планета выглядит бледнее.
По словам авторов исследования, они рассчитывают, что дальнейшая работа может ответить на вопросы, оставшиеся пока без ответов. Исследователи надеются, в том числе и на спутник JWST, который будет вести запланированное изучение Урана и Нептуна.
Источник: https://bigmeh.ru/?p=2450