Жизнь на Энцеладе?

Статья в майском номере НК:



Лучше, конечно, читать по ссылке, но на всякий случай копирую основной текст.



Геологически активный спутник Сатурна Энцелад может являться тем местом в нашей Солнечной системе, где есть все необходимые условия для возникновения примитивных форм жизни.


Такие интригующие выводы сделали ученые после обработки и осмысления научной информации, переданной на Землю межпланетной станцией Cassini. Американская АМС заканчивает третий год работы в системе Сатурна, и за это время она принесла немало сенсаций, в том числе и касающихся загадочного Энцелада.


Энцелад, как и самый крупный спутник Сатурна Титан, вызывает неподдельный интерес у планетологов. Еще в эпоху «Вояджеров», которые в начале 1980-х годов провели первые съемки этой ледяной луны, ученые начали подозревать, что Энцелад геологически активен и даже является источником вещества для кольца Е Сатурна. А с началом исследований станции Cassini в системе Сатурна стало совершенно ясно, что Энцелад устроен намного сложнее и таит в себе гораздо больше тайн, чем предполагалось ранее.


К настоящему моменту станция осуществила три близких пролета Энцелада, и они уже принесли ученым много интересных открытий. Первые два целевых пролета были выполнены 17 февраля и 9 марта 2005 г. на высотах 1172 и 497 км соответственно. Детальная съемка спутника показала, что его поверхность очень разнообразна: там есть равнины, загадочные «морщины» и очень мало кратеров, а поверхность состоит из практически чистого водяного льда. Кроме этого, у Энцелада была обнаружена довольно протяженная атмосфера, что поставило его в ряд с единственным имеющим атмосферу спутником в Солнечной системе – Титаном.


14 июля 2005 г. станция Cassini в третий раз встретилась с Энцеладом и прошла на высоте всего 168 км над его поверхностью. В ходе этого пролета аппарату удалось впервые обнаружить гейзеры Энцелада – выбросы частиц льда и водяного пара из южной полярной области спутника. Давние подозрения нашли подтверждение: Энцелад не «мертвая» луна Сатурна, а геологически активная. Максимальные концентрации выбросов были зарегистрированы в тот момент, когда станция проходила над тектоническими разломами – системой узких параллельных трещин, которую окрестили «тигровой шкурой». Было также определено, что уходящая (из-за слабой гравитации) и постоянно пополняемая атмосфера Энцелада состоит на 65% из водяного пара и на 20% из молекулярного водорода, а остальные компоненты – это CO, CO2 и N2.


Сюрпризов оказалось намного больше


Однако полученные данные – это было только начало: за два неполных года научная группа Cassini проанализировала всю информацию и смогла представить более точные и даже сенсационные выводы.
Интереснейшие данные об Энцеладе содержатся в двух научных статьях, вышедших недавно в журнале Icarus. Одна называется «Шлейф Энцелада: химический состав указывает на горячие недра»(*) и написана группой исследователей во главе с Деннисом Мэтсоном (Dennis L. Matson) из Лаборатории реактивного движения (JPL). Вторую – «Море на южном полюсе Энцелада»(**) – подготовили Джеффри Коллинз (Geoffrey C. Collins) и Джейсон Гудман (Jason C. Goodman).

____________________

*) Enceladus' plume: Compositional evidence for a hot interior.

**) Enceladus's South Polar Sea.


По существу это две публикации на одну тему, и суть их одна: в недрах Энцелада находится углеводородный «суп», жидкая вода и источник тепла, то есть все ключевые ингредиенты для возникновения примитивных форм жизни. Делая такие громкие заявления, исследователи опираются на информацию, полученную станцией Cassini, а также на результаты компьютерного моделирования, которое проводилось с учетом всех параметров спутника. Впрочем, обо всем по порядку.


В своей статье Д.Мэтсон с коллегами опираются на данные о химическом составе вещества, выбрасываемого южнополярными гейзерами Энцелада, полученные с помощью масс-спектрометра INMS. Выбросы содержат все продукты разложения воды, азот, оксид углерода, метан, пропан, ацетилен и ряд других соединений (см. таблицу на с.41). Ученые считают, что эти вещества образуются в результате химических реакций в достаточно «горячей» обстановке. Следует отметить, что наблюдаемый выход теплового излучения из южнополярной области составляет от 3 до 7 ГВт, а измеренная температура молодых рытвин равна 110–160 К. Источником вещества гейзеров может быть кипящая вода в подповерхностном резервуаре, остающаяся жидкой вследствие радиогенного и приливного нагрева.


Вообще-то и Титан, на котором была найдена «смесь» похожих веществ, и Энцелад сформировались из одного газопылевого диска вокруг Сатурна, и такой элемент, как азот, они вполне могли «получить» еще на стадии своего «рождения». Однако уже имеются публикации, согласно которым азот на Титане не является «первичным», а лишь образуется при химических реакциях с участием «первичного» аммиака. И эти реакции должны проистекать при очень высоких температурах (575–850 К, или 300–575°С).


Группа Мэтсона считает, что и на Энцеладе азот появляется в результате термического разложения аммиака, для чего необходима высокая температура в недрах этого спутника – порядка 500–800 К. Такое предположение сразу же объясняет и проблему появления метана, так как он может быть образован путем восстановления моно- или двуокиси углерода. Присутствие в материале гейзеров ацетилена и пропана также наводит на мысль о каталитических реакциях при очень высокой температуре. Для синтеза ацетилена «напрямую» из метана потребовались бы температуры около +1500°С, что представляется невероятным. Однако он может появляться как вторичный продукт при распаде углеводородных соединений с длинными цепочками, которые, в свою очередь, требуют контакта жидкой воды с катализаторами (глины и некоторые металлы) при умеренно высокой температуре.


Может ли быть так, что Энцелад был внутри горячим на определенном этапе своей эволюции, а сейчас уже остыл и лишь выбрасывает в окружающее пространство элементы и соединения, образованные задолго до прибытия к нему Cassini? В принципе, наверное, может, но если в полярных гейзерах более 90% вещества приходится на воду, то значительно проще думать, что под южным полюсом Энцелада она и сейчас находится в жидком состоянии.


Вырисовывается удивительная картина: Энцелад должен иметь воду в жидком состоянии, контактирующую с горячими породами и металлами. Но если обстановка в его недрах именно такова и благоприятна для синтеза ацетилена и пропана, да еще и азот и метан там присутствуют, то должны идти и другие химические реакции с образованием сложных органических соединений, вплоть до аминокислот. А это уже тянет на сенсацию! Обнаружение вне Земли «строительных блоков» для возникновения примитивной жизни станет грандиозным прорывом в истории человечества, значение которого трудно переоценить. И все-таки подчеркнем, что пока это хотя и очень интригующая, но все же гипотеза.


К сожалению, спектрометр INMS не может зарегистрировать аминокислоты в выбросах с Энцелада: и чувствительности не хватает (все-таки их должно быть очень мало!), и предельная молекулярная масса обнаруживаемых соединений – 99 единиц. Впрочем, во время предстоящих пролетов на рекордно низкой высоте 23–25 км (12 марта, 11 августа и 9 октября 2008 г.) у аппарата будет шанс пройти прямо сквозь энцеладовский гейзер и зафиксировать в малых концентрациях и другие соединения, указывающие на каталитическую химию в недрах спутника. Ну а для более детального исследования этого удивительного феномена потребуется доставка в систему Сатурна более чувствительных приборов…


Горячие гейзеры – как они работают?


А тем временем 9 ноября 2006 г., спустя 16 месяцев после того, как у Энцелада впервые был обнаружен газовый шлейф, станция Cassini провела первую дистанционную съемку спутника с помощью спектрометра CIRS. Столь длительный перерыв в наблюдениях объясняется просто: нужно было дождаться такого «удачного» пролета мимо спутника, чтобы в объективы его приборов попал именно южный полюс Энцелада. И хотя минимальное расстояние в этом пролете составило 91500 км, наблюдения оказались очень успешными.


В ходе съемки было подтверждено, что тепловыделение идет в основном из южнополярных тектонических разломов («тигровая шкура»), хотя увидеть сами трещины при разрешении 30 км не удалось. Активность на южном полюсе Энцелада по сравнению с той, что была в июле 2005 г., существенно не изменилась и остается высокой. По интенсивности теплового излучения в диапазоне 10–16 мкм ученые нашли, что пиковая температура поверхности на полюсе достигает 85 К, а по вариациям яркости в зависимости от длины волны удалось установить, что в этой области имеются малые участки – по-видимому, полосы шириной в несколько сот метров вдоль полос «тигровой шкуры», – температура которых достигает по крайней мере 130–145 К, а может быть, и намного выше. При математическом моделировании процессов выброса наилучшее согласование с наблюдениями получается при температуре вещества гейзера порядка 225 К (-48°C).


Для сравнения: поверхность Энцелада на низких широтах нагревается в дневное время солнечными лучами лишь до 70–80 К. Таким образом, без внутреннего механизма нагрева тут никак не обойтись – сделать недра Энцелада горячими могут либо приливо-отливные силы со стороны Сатурна, либо распад содержащихся внутри него радиоактивных элементов.


В марте 2007 г. на очередной лунно-планетной научной конференции в Хьюстоне Терри Хёрфорд (Terry A. Hurford) рассказал о возможном приливном механизме действия «тигровых полос». Орбита Энцелада немного эллиптична (ее эксцентриситет 0.0047), а вращение спутника синхронно с движением вокруг планеты. В результате в ледяной коре спутника возникают силы сжатия или растяжения – в зависимости от его положения на орбите. Хёрфорд утверждает, что трещины должны раскрываться вблизи апоцентра и закрываться через полвитка и что сразу после раскрытия можно ожидать особенно мощного выброса.


Под слоем льда плещется море?


Итак, как было сказано выше, на южном полюсе под ледяным покровом Энцелада может находиться «море» из жидкой воды. По крайней мере, на это указывают все данные с Cassini, собранные воедино.
В планетологии есть такое понятие – дифференциация: более плотное вещество смещается к центру планеты или спутника, а более легкое – к поверхности. Чем тяжелее объект, тем более вероятно, что его вещество прошло через такую «сортировку»; «по умолчанию» считалось, что маленькому Энцеладу такая судьба не грозила. При этом дифференциированные тела обычно имеют более сферическую форму, чем недифференциированные – из-за того, что основная доля массы сосредотачивается в центре, эффекты от вращения и приливов становятся менее заметными.

(a) Модель недифференциированного Энцелада К.Порко: вещество спутника – это однородная смесь льда и скалистых пород. (b) Модель дифференциированного Энцелада, предложенная Дж.Коллинзом и Дж.Гудманом. Спутник имеет слои менее плотного (льда) и более плотного (скалистые породы) вещества и море из жидкой воды в южной полярной области. Таяние льда приводит к образованию «ямы» (Dc), что и придает Энцеладу сплюснутую с южной стороны форму

Форма многих небесных тел в Солнечной системе приближенно описывается трехосным эллипсоидом. Для спутников, которые находятся в синхронном вращении (как Энцелад), самая длинная ось – это «приливо-отливная» ось, направленная к центру планеты, самая короткая – полярная, а третья имеет промежуточную длину. Для Энцелада эти оси составляют 256.6±0.5 км, 248.3±0.2 км и 251.4±0.2 км соответственно. Когда в 2006 г. группа Кэролин Порко (Carolyn C. Porco), занимающаяся анализом снимков камеры ISS и определением геометрических характеристик, получила эти данные, она не смогла сделать однозначный вывод о внутреннем строении Энцелада. Недифференциированная модель подходила лучше, но смущала довольно сильная степень сплюснутости и сильные аномалии: южный полярный радиус был на 0.4 км меньше ожидаемого, а на 50°ю.ш. уровень поверхности проходил на 0.4 км выше расчетного. Опять южнополярная область Энцелада проявляла свою уникальную природу!


Разобраться в этом попробовали Дж.Коллинз и Дж.Гудман. Они представили результаты компьютерного моделирования Энцелада исходя из его известных физических параметров и из допущения того, что он, во-первых, имеет ядро из скалистых пород и мантию из водного льда, а во-вторых, имеется источник тепловой энергии, обеспечивающий таяние льда в области контакта с ядром. Кстати, этим источником не может быть внутреннее тепло радиоактивного распада, так как его мощность оценивается всего в 0.3 ГВт – на порядок меньше, чем Энцелад выделяет. Гораздо более вероятно, что Энцелад разогревает приливная энергия из-за резонанса с Дионой и эксцентричности орбиты.

Расчеты показали, что при таких условиях вероятно образование подледного моря, которое будет простираться по высоте от ядра до уровня 4–10 км от поверхности, а по площади – примерно до 50°ю.ш. Вода занимает меньший объем, чем лед, и из-за этого радиус спутника над морем уменьшается на 2.3–3.3 км. Очень близкая к наблюдаемой форма Энцелада получается при плотности ядра 2.6 г/см3 и начальном радиусе спутника 252.6 км. Подледное море будет существовать стабильно, пока действует источник нагрева, а связанная с ним гравитационная аномалия должна привести к такой переориентации оси вращения спутника, чтобы море находилось в полярном районе.

Коллинз и Гудман надеются, что в ходе дальнейшего исследования Энцелада их теория будет подтверждена. Во-первых, определение осевого момента инерции и формы гравитационного поля Энцелада покажет, является ли в действительности спутник дифференциированным небесным телом или нет. Во-вторых, более тщательное определение формы Энцелада позволит составить его топографическую карту и сравнить распределение высот с тем, которое было предсказано теоретической моделью.


Период вращения Сатурна определен неверно?

И еще об одном интересном открытии. В апреле–июне 2004 г., еще на подлете к Сатурну, с помощью спектрометра RPWS станции Cassini был определен период вращения планеты по ее собственному радиоизлучению. Получилось 10 час 45 мин 45 сек (±36 сек) – приблизительно на 6 минут, или почти на 1%, больше, чем получили «Вояджеры» в 1980–1981 гг. Разумеется, не может идти и речи о том, что вращение планеты-гиганта замедляется, да еще в такой фантастической степени. Что же тогда измерено, и почему оно меняется так сильно?


Одна из предложенных физических моделей формирования выбросов вещества из южного полюса Энцелада

Проблема в том, что измерить скорость вращения Сатурна по изображениям его поверхности невозможно. Твердой поверхности у него просто нет, а в облачном покрове отсутствуют постоянные детали. С такой же проблемой ученые столкнулись при исследовании других планет-гигантов, и решение нашлось: можно измерить период изменения радиоизлучения планеты и принять, что это и есть период ее вращения. С поправкой на то, что на экваториальных и полярных широтах угловая скорость, вообще говоря, разная, этот метод работает для Юпитера, Урана и Нептуна – а для Сатурна дает сбой!

Радиосигнал Сатурна сам по себе весьма хитрый, он не очень похож на классический сигнал вращающегося маяка. С помощью спектрометра RPWS в паре с магнитометром MAG станции Cassini в природе его удалось разобраться. «Мы связали пульсирующий радиосигнал [Сатурна] с вращающимся магнитным сигналом, – говорит Дэвид Саусвуд, соавтор мартовской статьи в Science (и одновременно – директор научных программ ЕКА). – Один раз за каждый виток магнитного поля Сатурна некая асимметрия поля запускает всплеск радиоволн». Эти всплески и являются теми временными метками, которые позволяют определить период вращения как во времена «Вояджеров», так и сейчас. Но магнитное поле планеты не обязано вращаться с той же скоростью, что и сама планета – оно может как бы «проскальзывать» и отставать от вращения Сатурна.

Так оно в действительности и происходит, причем причиной скольжения и его регулятором является… вещество, выбрасываемое Энцеладом! Такого эффекта не предсказывал никто, говорит руководитель научной группы RPWS Дон Гарнетт (Don A. Gurnett), но теперь он доказан. Гейзеры на Энцеладе выбрасывают в пространство вблизи его орбиты лед и водяной пар. Нейтральные поначалу молекулы и атомы ионизируются – и образуется шлейф из заряженных частиц, а затем и тороидальное кольцо вокруг планеты. Они захватываются магнитным полем Сатурна, образуя диск ионизированного газа, и… «нагружают» магнитное поле планеты-гиганта, заставляя невидимые для глаза линии напряженности поля «скользить» по отношению к ее вращению. И чем больше таких частиц, тем больше «скольжение» магнитного поля и тем больше «слышимый» период!

Но если сегодня период вращения поля на 1% выше, чем 25 лет назад, это может означать одно из двух: либо Энцелад сейчас более активен в геологическом плане и его гейзеры «работают» в усиленном режиме, либо сказываются сезонные вариации, связанные с обращением Сатурна вокруг Солнца с периодом 29.5 лет.


По материалам NASA, Планетарного общества, ciclops.org

Не уважаю учёных, которые впадают в истерики, или выклянчивают бабки под "жизнь". Самая хлебная тема, что бы ни приплели к ней.

Это не вопрос, а мнение. Вопрос — это что такое [любая конкретная вещь], например "что такое масса", "как устроена чёрная дыра", и т.д. и т.п. А вопрос "где то не знамо что" — это мнение. Его можно иметь, но не впадать в истерики и выбивать под него шальные бабки, а именно так и делается. В лучшем случае такое мнение-вопрос можно "иметь ввиду", т.е. поглядывать по ходу дела, а не забивать на конкретные и полезные вопросы ради мнений.

>если бы из недр Земли шел заметный поток тепла, то такая глубинная вечная мерзлота не могла бы существовать.
про среднее повышение температуры в 30 градусов на километр по мере спуска вниз вы, так понимаю, не слышали?
404
Про теплоизоляционные свойства камня по сравнению с металлом, вероятно, тоже.

404
(я не геолог никоим боком, это первые 2 ссылки выпавшие в гугле по запросу)

>Только под многокилометровой толщей земной коры становится заметно повышение температуры.
тяжелый случай...

2Victor Orlov Дико извиняюсь, но давайте вы не будете говорить фраз вроде "не учитываете геологических данных" без точных ссылок и конкретных цитат, хорошо ?

А ещё, очень вас прошу, раз уж вы высказали своё знакомство с Википедией, посмотрите в ней пожалуйста статью "геотермический градиент", если вас это не слишком затруднит.

По моему, господа, Вы сильно ушли от темы. А ведь ответ на вопрос о температуре поверхности планет земного типа на протяжении их развития и я бы хотел знать.
ЕМНИП недра Земли разогреваются в первую очередь за счёт дифференциации и во вторую за счёт распада тяжёлых элементов. Так как с этим обстояло дело в первый миллиард лет существования планеты? Т.е. понятно что процесс дифференциации тогда шёл гораздо более интенсивно чем сегодня, и тепла выделялось больше, но вот насколько?

Victor Orlov - 3 штрафа за неотвеченные вопросы.
Дальше - будет больше. Потрудитесь доказывать свои утверждения.

Алдан, вы бы просветили народ насчёт сравнительного возраста наиболее древних известных изверженных и осадочных пород

Специалисты полагают, что под слоем льда на глубине 30-40 километров располагается океан глубиной до десяти километров. В недрах этого водоема располагаются термальные источники, которые нагревают воду до температуры в 90 градусов Цельсия. Именно такого ее значения достаточно (в условиях спутника Сатурна), чтобы образующиеся частицы кремниевой пыли имели нужные размеры.