Зонд «Кассини» доставил новые сведения о спутниках Сатурна. В подледном океане Энцелада, спутника Сатурна, обнаружили много органических соединений, участвующих в синтезе белков и ДНК. Это очень похоже на «первичный бульон», существовавший на Земле миллиарды лет назад. Возможно, в далеком ледяном мире на краю Солнечной системы есть жизнь. У Сатурна 146 спутников, больше всех в Солнечной системе. Самым интересным долго считали крупнейший — Титан. К нему и отправили спускаемый аппарат «Гюйгенс» в рамках миссии «Кассини» в 2005-м. За плотной атмосферой зонд увидел безжизненный холодный мир, окутанный смогом, с морями и озерами из метана. Некоторые данные говорят о том, что под поверхностью есть океан.
Энцелад
Энцелад хорошо отражает солнечный свет, значит, покрыт льдом. Диаметром — около пятисот километров. Считалось, что недра спутнника давно остыли — нет ни вулканов, ни движения тектонических плит. Смущали, правда, оценки возраста поверхности — менее миллиона лет, слишком молодая. При сближении со спутником аппарат «Кассини» зафиксировал в районе южного полюса мощные гейзеры, бьющие на десятки километров в высоту. Это произвело сенсацию. В выбросах обнаружили водяной пар, зерна льда и углеводороды. Из чего сделали вывод: внизу — жидкий океан. И недра не остыли.
Как выяснилось, Энцелад — крупнейший источник воды в системе Сатурна. Гейзеры сформировали его внешнее кольцо E. Пояс из кристаллов льда вокруг планеты исследовала в субмиллиметровом диапазоне космическая обсерватория «Гершель». Недавние наблюдения на ближне-инфракрасном спектрометре телескопа имени Джеймса Уэбба помогли картировать плюм газообразной воды с Энцелада. Скорость выброса — 300 килограммов вещества в секунду. Поскольку спутник очень быстро вращается вокруг планеты (один оборот за 1,37 земного дня), на орбите остается шлейф водяного пара, замыкающийся в кольцо. По оценкам, в нем — до 32 процентов выбросов H2O. Остальное, считают исследователи, распределяется по всей системе Сатурна.
Снаружи Энцелад покрывает ледяная оболочка толщиной 30 километров на экваторе, десять — на южном полюсе. Лед мощнее в северном полушарии. Это говорит о его стекании с полюсов к экватору. Под ледяным панцирем — глобальный океан глубиной 40 километров, омывающий твердое силикатное ядро. Предполагают, что оно пористое, так объясняют небольшую плотность Энцелада. Там, где океан контактирует с ядром, — гидротермальная активность, горные породы вступают в реакцию с соленой водой. Так же происходит на Земле, в глубоководных частях Мирового океана, на линии срединно-океанических хребтов.
Тепло генерирует также либрация — колебание спутника из-за орбитального резонанса. Возможно, свою лепту вносит и само ядро, его сердцевина. Как перераспределяется тепловая энергия между оболочками Энцелада, неясно. Среди главных факторов — соленость воды. Считается, что она небольшая, от двух до сорока граммов на килограмм воды. Для сравнения: в земном Мировом океане — порядка 33. Согласно моделированию, нагрев определяют топография ледника и соленость.
Прямые пробы «Кассини» и другие методы, в том числе наблюдения во время затмений и покрытий, показали, что гейзеры на южном полюсе Энцелада бьют на высоту от 15 до 40 километров. При высокой скорости потока сложная органика разрушается. Но недавно ученые из США экспериментально продемонстрировали, что аминокислоты сохраняются и при 4,2 километра в секунду. В пробах гейзеров и спектрах выявили несколько органических соединений и простых, но необходимых для синтеза жизни молекул, таких как азот, углерод, азот.
Из трещин на южном полюсе Энцелада бьют гейзеры высотой десятки километров. В них обнаружили большое разнообразие органических соединений. Бомбардировка поверхности электронами облегчает синтез окислителей и сырья для пребиотиков.
Международный коллектив ученых проанализировал данные по зернам льда, собранные «Кассини» при пролете через кольцо E. В частицах льда третьего типа, с более высоким содержанием солей натрия и калия, нашли фосфаты — нужные для синтеза биологических макромолекул, таких как ДНК, РНК, белки. Это неожиданно, ранее в инопланетных океанах такого не обнаруживали. Удивительные открытия на том не закончились. На днях в Nature Astronomy вышла статья, авторы которой попытались определить вещества, содержащиеся в океане.
По данным пролета «Кассини» на низкой высоте в 2011-2012-м и недавно опубликованным наблюдениям инструмента INMS — ионного и нейтрального масс-спектрометра — составили библиотеку спектров органических соединений. Добавили туда результаты лабораторных экспериментов по симуляции ледяных миров с океанами. И просканировали десятки миллиардов возможных моделей состава гейзеров. Получилось, что состав из 10-15 соединений оптимален. Помимо ранее известных H2O, CO2, CH4 и NH3, достоверно там есть HCN, C2H2, C3H6, CO, с большой вероятностью — C2H6 (этан). Возможны спирты и молекулярный кислород, аргон-40. Не удалось идентифицировать 43 фрагмента.
Схема образования гейзеров Энцелада. Они очень похожи на гидротермы Мирового океана. Тепловая энергия поступает от приливных сил
Это говорит о богатом химическом разнообразии океана на Энцеладе, о том, что там сформировались условия для синтеза сложной органики, в том числе строительных блоков живой материи. Для химической эволюции, приводящей к возникновению жизни, крайне важен состав океанского дна, информации о котором пока нет. Но и уже установленных фактов достаточно, чтобы Энцелад стал приоритетной целью для астробиологов.
Как выяснилось, у Энцелада силикатное ядро — источник тепла за счет гравитационного воздействия планеты при движении спутника по орбите, подпитывающий гидротермальную активность в океане. В гейзерах нашли молекулярный водород, играющий роль поставщика энергии для геохимической системы. У этого океана есть земной аналог — экстремально соленое озеро Моно в Калифорнии, где очень жесткие условия, но все же там живут некоторые бактерии.
Таким образом, на Энцеладе неожиданно сошлись три условия возникновения жизни: жидкая вода, разнообразный химический состав океана с органикой и источники энергии — молекулярный водород и гидротермальные источники на поверхности ядра спутника. Однако развитие жизни, какой мы ее знаем, требует длительного времени и стабильности всей системы.
По одной версии, океану на Энцеладе более четырех миллиардов лет. Тепло для него поставляют еще активные за счет радиоактивного распада недра. Проблема в том, что тело небольшое, оно должно было довольно быстро остыть и заледенеть. Чтобы его вновь активизировать, нужно катастрофическое событие, например столкновение с большим астероидом. Если оно произошло давно, жизнь могла успеть зародиться.
Катастрофическая гипотеза возникновения океана на Энцеладе
Аманда Хендрикс (Amanda R. Hendrix) из Планетологического института США и Кристофер Хаус (Christopher H. House) из Университета штата Пенсильвания решили оценить эффекты воздействия на органические молекулы на поверхности Энцелада ультрафиолетового излучения и заряженных частиц различной энергии из магнитосферы Сатурна. Это важно для планирования будущих исследовательских аппаратов, которые могли быть брать пробы вещества с Энцелада для оценки его состава, в том числе состава океана, так как на поверхности спутника осаждаются частицы выбрасываемых шлейфов. Ученые использовали данные наблюдений станции «Кассини» и телескопа «Хаббл».
Органические молекулы могут разрушаться за счет фотолиза, в частности, в случае аминокислот основными путями их распада будут декарбоксилирование и дезаминирование. Исследователи пришли к выводу, что в случае экватора Энцелада период полураспада для глицина составит около 10 лет, а для фенилаланина — менее 4 лет. При этом, многие важные пребиотические и биологические молекулы значительно более устойчивы к ультрафиолету, чем аминокислоты, например, пурины и мочевина.
кольцо
В случае экваториальных регионов Энцелада важную роль будет играть бомбардировка первых нескольких сантиметров поверхности электронами, хотя уровень потоков будет ниже, по сравнению со спутником Юпитера Европой или спутником Сатурна Мимасом. В более высоких широтах, особенно в южных, эти воздействия будут слабее.
Исследователи пришли к выводу, что в южных регионах, где идет активное осаждение частиц выбросов на поверхность Энцелада, ранее выпавшие зерна будут погребены под слоем новых частиц, в результате ультрафиолетовое излучение Солнца будет взаимодействовать со слоем толщиной около ста микрометров. Для регионов с более низкими скоростями осаждения частиц (около 10-4 миллиметров в год), эффективный возраст поверхности может составлять более тысячи лет, а для регионов на широтах южнее 40 градусов южной широты возраст составит менее ста лет. Таким образом, в умеренных южных широтах можно собрать образцы реголита, содержащие первозданное органическое вещество из океана.
© Фото : NASA, ESA, JPL, SSI, Cassini
«Тигровые полосы» на поверхности спутника Сатурна Энцелада делают его не похожим ни на одно планетное тело в Солнечной системе
Мимас
Европейские и китайские планетологи обнаружили в данных зонда «Кассини» свидетельства того, что под ледовой поверхностью Мимаса, ближайшего спутника Сатурна, присутствует подледный океан на глубине в 20-30 км. Следы его существования пока отсутствуют на поверхности этой луны из-за того, что этот океан сформировался менее 25 млн лет назад, пишут ученые в статье в журнале Nature.
«Главное открытие заключается в обнаружении условий обитаемости на объекте Солнечной системы, на котором мы никогда, никогда не ожидаем наличия жидкой воды. Это действительно удивительно». Астрономы обнаружили, что крошечный спутник Сатурна по имени Мимас может содержать скрытый жидкий океан под своей толстой ледяной оболочкой и, таким образом, может иметь условия для обитания.
«Мы использовали данные с «Кассини» для детального анализа того, как Мимас движется по своей орбите. Эти расчеты показали, что под покрытой кратерами поверхностью этой луны Сатурна, на глубине в 20-30 км, скрывается глобальный подледный океан. Он сформировался относительно недавно, менее 25 миллионов лет назад, из-за чего следы его существования пока отсутствуют на поверхности Мимаса», — говорится в исследовании.
Это открытие радикально меняет представление о том, чем может быть океанская луна, и может в конечном итоге пересмотреть поиски инопланетной жизни на лунах Солнечной системы. Мимас назвали «Звездой Смерти», потому что его большой кратер (гигантский 140-километровый кратер Гершель.) напоминает имперскую космическую станцию из «Звездных войн», но не похож на то тело, на котором ученые ожидали бы обнаружить океан. Всегда считалось, что он вообще не способен выдержать такое огромное количество жидкости.
Группа европейских и китайских астрономов под руководством научного сотрудника Парижского университета (Франция) Валери Лайни сделала вывод о присутствии подледного океана при изучении данных по движению спутников Сатурна, которые собирались межпланетной станцией «Кассини» с 2004 по 2017 год. Ученых интересовали так называемые либрации Мимаса, периодические замедления и ускорения в его вращении, а также сдвиги в положении его орбиты.
Как объясняют планетологи, сила и сам факт наличия подобных сдвигов в характере вращения и положении орбиты отражают внутреннее устройство планет, в том числе неравномерный характер распределения материи в их недрах и присутствие в них скрытых резервуаров жидкой материи. Опираясь на это соображение, ученые использовали данные с «Кассини» для оценки реалистичности разных моделей устройства недр Мимаса.
Эти расчеты показали, что внутри Мимаса, на очень большой глубине, присутствует глобальный подледный океан, который сформировался мгновения назад по космическим меркам, менее 25 млн лет назад. Он продолжает расти и меняться в свойствах — его верхняя граница постепенно движется вверх и лишь очень недавно, около 2-3 млн лет назад, она достигла отметки в 20-30 км от поверхности Мимаса.
Последнее, как объясняют ученые, объясняет то, почему на поверхности Мимаса отсутствуют характерные складки, трещины и следы существования гейзеров, которые есть на Европе и Энцеладе. Эти структуры еще просто не успели сформироваться на ближайшем спутнике Сатурна из-за того, что его подледный океан существует недолгое время, и при этом он лишь недавно достиг приповерхностных отложений льда, подытожили ученые.
Еще в 2014 году астрономы заметили, что Мимас движется по орбите не так, как должна делать небольшая планета, состоящая полностью из твердой материи. Это породило массу споров о том, существует ли подледный океан в его недрах. В прошлом большинство ученых сомневалось в этом, так как наличие подобного водоема в недрах этой луны Сатурна привело бы к формированию видимых разломов и складок на его поверхности, подобных тем, которые есть на поверхности Европы, спутника Юпитера.
Краткий обзор самых интересных спутников Сатурна
Среди планет Солнечной системы спутников больше всего у Сатурна — 82. У Юпитера — 79, десятки у Урана и Нептуна, их открыли космические аппараты «Вояджер». Это не окончательные результаты, они будут расти по мере совершенствования техники наблюдений. Каждый из спутников Сатурна обладает очень необычными свойствами. Например, на Мимасе есть огромный кратер размером 139 километров, тогда как диаметр самого спутника всего лишь 400 километров.
Ясно, что спутник столкнулся с большим астероидом. На Дионе, возможно, есть подповерхностный океан на глубине 100 километров, то есть это третий мир с океаном в системе Сатурна. Рея, второй по величине спутник, может обладать собственной системой колец. В отличие от Юпитера, у которого четыре крупных внутренних луны, у Сатурна большая только одна: Титан. Остальные в несколько раз меньше. По составу это обледенелые глыбы скальных пород.
У Сатурна два вида спутников: регулярные и нерегулярные. Первые образовались вместе с планетой из сатурнианской части протосолнечной туманности. Их более двадцати, они обращаются по круговым орбитам, многие — сферической формы. Их вещество прошло стадию дифференциации, и тяжелые элементы опустились к ядру. Это миллиарды лет, следовательно, такие спутники — ровесники планеты. Нерегулярные спутники обращаются по сильно эллиптическим орбитам. Это малые тела неправильной формы, фактически — астероиды, захваченные в разное время полем тяготения Сатурна. Диаметр обычно не превышает десяти километров.
© NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Paolo Sartorio
Орбиты новых двадцати спутников Сатурна. Часть из них — ретроградные, то есть движутся против направления движения планеты
Сатурн находится от Земли в девяти астрономических единицах — это огромное расстояние. Разглядеть маленькие тела на окраине его системы довольно сложно даже с нынешними телескопами. Двадцать новых лун, об открытии которых ученые Университета Карнеги (США) объявили 8 октября, диаметром всего пять километров. Вокруг планеты они совершают оборот за два-три года. Сатурн в 95 раз тяжелее Земли, он столь огромен, что его луны, вместе взятые, — капля в море. Невероятные кольца диаметром 250 тысяч километров тоже оказались немассивными. По самым последним оценкам, — чуть меньше половины массы ближайшего к планете регулярного спутника Мимаса.
Самый интересный спутник Сатурна — Титан. Второй по размерам в Солнечной системе и единственный с плотной атмосферой. Она в полтора раза плотнее, чем на Земле, и тоже состоит из молекулярного азота. Титан окутан постоянной фотохимической дымкой, по сути, смогом, который мешает изучать его телескопами. Поэтому миссия «Кассини» доставила туда спускаемый модуль «Гюйгенс», и мы впервые увидели его поверхность, измерили параметры атмосферы. Важную роль при исследовании Титана сыграл радар аппарата «Кассини», который через облака сканировал рельеф и физические свойства поверхности. Неожиданно выяснилось, что в районе северного полюса есть моря и озера. Только они из метана.
Титан — крупнейший спутник Сатурна. Второе после Земли космическое тело с плотной атмосферой, жидкими структурами на поверхности
Система Сатурна получает в сто раз меньше энергии Солнца, чем Земля. Поэтому все его миры — ледяные. На поверхности Титана порядка минус 170 градусов Цельсия, в жидком состоянии там только углеводороды. Ученые предполагают, что под ледяным панцирем Титана, на глубине порядка ста километров, находится океан жидкой воды. На это указывают некоторые особенности колебаний спутника в его орбитальном движении.
