Вулканический ад и подледный океан: может ли существовать жизнь на спутниках планет Солнечной системы

Спутник — это небесное тело, которое вращается вокруг планеты под действием гравитации. Они бывают искусственные, например, GPS-спутники, и естественные, как Луна. Последних в Солнечной системе насчитывается более 250 и это число продолжает расти по мере совершенствования телескопов. Каждый год астрономы открывают новые небольшие спутники у дальних планет, особенно у ледяных гигантов Урана и Нептуна.

— Абсолютными рекордсменами по количеству являются газовые гиганты. По последним данным у Юпитера – 95, Сатурна – 146, Урана – 27, Нептуна – 14. Земля и Марс скромнее: у нас только Луна, у Марса — Фобос и Деймос. А Меркурий и Венера вообще не имеют спутников, — отмечает Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.

Почему – у одних много, у других – мало? По словам эксперта, количество зависит от трех факторов: массы планеты, расстояния от Солнца и истории формирования Солнечной системы.

— Колоссальная масса газовых гигантов – Юпитера и Сатурна – позволяет им притягивать и удерживать вокруг себя гораздо больше объектов, чем остальным планетам. Кроме того, их удаленное положение от Солнца позволяет удерживать даже небольшие спутники, состоящие изо льда, которые, если бы находились ближе, испарились, — рассказывает эксперт Пермского Политеха. 

Земля, Марс, Венера и Меркурий находятся в принципиально иных условиях: их масса в сотни раз меньше, а, значит, и сила притяжения значительно уступает газовым гигантам. А маленькое расстояние этих планет до Солнца приводит к тому, что его гравитация разрушает орбиты небесных тел. Меркурий и Венера находятся к нему ближе всего – поэтому у них вообще нет спутников.

Катастрофы и гравитационные ловушки: как «рождается» спутник?

Спутники могут формироваться разными способами. Например, благодаря столкновению крупных тел. Так произошло с Луной. Примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с объектом размером с Марс, которое назвали Тейя. Удар был таким сильным, что часть земной мантии и обломки Тейи выбросило в космос, которые позднее образовали кольцо вокруг нашей планеты и за несколько тысяч лет сформировались в единое тело – Луну. По аналогичному принципу появился Харон – спутник Плутона.

Другой вариант происхождения — гравитационный захват. К ним относятся, например, спутники Юпитера и Сатурна, которые скорее всего были астероидами, притянутыми мощным гравитационным полем этих газовых гигантов. Такие спутники имеют ряд характерных признаков: как правило, они небольшие по размеру и некруглые.

— Только достаточно массивные тела могут принять сферическую форму под действием собственной гравитации. Благодаря своей силе притяжения они заставляют собственные камни и пыль стягиваться к центру, делая поверхность красивой и круглой. А мелкие, не обладающие достаточной массой, сохраняют неправильные очертания, — рассказывает Евгений Бурмистров.

Еще один путь создания — формирование из протопланетного диска. Такие спутники рождаются одновременно с родительской планетой.

— Когда Юпитер формировался из газопылевого облака, вокруг него остался вращающийся диск из льда и камней. Частицы там сталкивались, объединялись, самые крупные (размером с горы) притягивали к себе все больше других объектов. Так, например, за миллионы лет из хаотичного диска получился Ганимед – самый крупный спутник в нашей системе. Его размер составляет 5268 км, что делает его крупнее Меркурия, — отмечает эксперт ПНИПУ.

Для сравнения самым крошечным считается S/2009 S 1 – спутник Сатурна диаметром всего около 300 метров. Обнаруженный в 2009 году космическим аппаратом «Кассини», он представляет собой скорее крупный булыжник, чем полноценное небесное тело.

Астероид может стать спутником, а спутник – метеоритом?

Главное отличие между спутником, астероидом и метеоритом заключается в их местоположении и движении в космическом пространстве.

— Спутник – это любой объект, который находится на постоянной орбите вокруг планеты и удерживается ее гравитацией. В то время как астероид представляет собой небольшое каменистое тело, вращающееся вокруг Солнца, обычно в пределах главного пояса астероидов между Марсом и Юпитером. Его орбита нестабильна и может меняться под действием гравитации более крупных тел. Метеорит же – это астероид или его фрагмент, который вошел в атмосферу планеты и упал на нее, — говорит ученый ПНИПУ.

Важно понимать, что один и тот же объект может менять свой статус: например, астероид, захваченный гравитацией планеты, становится ее спутником. А если такой спутник впоследствии упадет на планету, он превратится в метеорит.

Ближайшим к Земле астероидом на текущий момент является Апофис – диаметром 370 метров, и массой – 27 миллионов тонн. В 2029 году он пролетит в 32 000 километров от Земли – это в 12 раз ближе расстояния до Луны.

Картофелина, губка и сигара

Чем крупнее спутник, тем больше шансов у него быть круглым. Поэтому среди небольших встречаются самые разные формы. Например, Фобос – спутник Марса – напоминает вытянутую картофелину размером 27×22×18 километров. Его поверхность испещрена кратерами, включая гигантский «Стикни» диаметром девять километров.

— Гиперион (Сатурн) — один из самых странных, похож на губку или коралл. Его размеры примерно 360×280×225 километров, но главная особенность — хаотичное вращение и крайне низкая плотность (около 0,5 г/см³), что говорит о пористой структуре. Ученые считают, что он может представлять собой обломки более крупного тела, — отмечает эксперт.

Сигарообразную форму имеют Прометей и Пандора (Сатурн). Первый (размером 136×79×59 километров) действует как «спутник-пастух», формируя своей гравитацией край кольца F у Сатурна.

Вулканический ад и подледный океан

Внутреннее строение спутников сильно варьируется в зависимости от их размера и происхождения. Крупные имеют структуру аналогичную планетам – с ядром, мантией и корой. Например, у Ганимеда даже обнаружено собственное магнитное поле, что свидетельствует о наличии жидкого металлического ядра, и это уникальный случай среди всех спутников.

Кстати, под его ледяной корой скрывается соленый океан, возможно, содержащий больше воды, чем все океаны Земли. В 2023 году Европейское космическое агентство запустило аппарат JUICE, который в 2031 году прибудет на спутник для его детального исследования.

Что касается температуры ядер, то большинство спутников имеют холодные поверхности, но некоторые демонстрируют удивительную внутреннюю активность.

— Яркий пример — спутник Юпитера Ио, который является самым вулканически активным телом в Солнечной системе. Сотни вулканов на нем постоянно извергают серу и силикаты, порядка 1 тонны каждую секунду. Приливные силы Юпитера так разогревают его недра, что поверхность Ио полностью обновляется за считанные десятилетия. Лавовые озера здесь могут достигать температуры 1500°C, а выбросы вулканов поднимаются на высоту до 500 километров, — рассказывает Евгений Бурмистров.

Могут ли два соседних спутника одной планеты быть абсолютно разными по внутреннему строению? Такой феномен демонстрируют спутники Юпитера – Ио и Европа (оба практически размером с Луну). Пока на первом бушуют вулканы, на втором – все стабильно покрыто 20-километровым льдом.  

— Поразительный контраст между двумя спутниками объясняется их разным положением относительно планеты и особенностями приливного нагрева. Европа, находящаяся дальше от Юпитера (670 900 километров), получает меньше приливной энергии, соответственно меньше нагревается. Ее ледяная кора толщиной 15-25 километров действует как гигантский термос, сохраняя под собой жидкий океан глубиной 60-150 километров. Лед на поверхности остается потому что слабый приливный нагрев (всего около 0,05 ватт/м²) не может растопить всю толщу. При этом подлёдный океан остается жидким благодаря сочетанию остаточного тепла от формирования спутника, радиоактивного распада в ядре и умеренного приливного нагрева. Без приливной энергии Европа была бы просто замерзшим шаром, — отмечает Евгений Бурмистров.

Условия для жизни и колонизации

Наличие жидкой воды на спутниках делает их потенциальными обиталищами жизни. Ледяная кора Европы покрыта сетью трещин и хребтов, свидетельствующих о геологической активности. А гейзеры, бьющие из-под льда, делают ее одним из главных кандидатов на обнаружение внеземной жизни. Сейчас на пути к Европе движется аппарат Europa Clipper, который прибудет на спутник в 2030 году. Он будет искать признаки выбросов воды и анализировать состав поверхности.

— Европа имеет крайне разреженную кислородную атмосферу — давление там в триллион раз меньше земного. И в отличии от нашей планеты, где кислород — процесс фотосинтеза, на Европе он образовывается в результате радиолиза — распада молекул воды под действием мощной радиации от Юпитера. Несмотря на то, что человеку находиться там невозможно, само наличие кислорода вызывает интерес с точки зрения поддержания подледной биосферы. Если там есть микробы, они могут использовать кислород для химических реакций – как земные бактерии у гидротермальных источников, — рассказывает ученый ПНИПУ.

Условия для жизни могут быть и на Энцеладе – небольшом (всего 500 километров в диаметре) спутнике Сатурна.

— Из «тигровых полос» Энцелада – гигантских трещин в районе южного полюса – бьют мощные гейзеры, выбрасывающие воду, соль и органические молекулы прямо в космос. В отличие от Европы гейзеры здесь намного активнее и мощнее, а лед не такой толстый. Выбросы формируют одно из колец Сатурна и свидетельствуют о существовании подледного океана, где может быть наличие жизни, — говорит эксперт.

По словам эксперта ПНИПУ, лучшим для колонизации является Титан – еще один спутник Сатурна.

— Титан обладает самой плотной атмосферой среди всех спутников Солнечной системы. Его атмосферное давление у поверхности даже превышает земное (примерно в 1,5 раза). Эта оранжевая дымка состоит преимущественно из азота (95%) и метана (5%), создавая условия, отдаленно напоминающие древнюю Землю. Это единственное тело, помимо нашей планеты, где доказано существование стабильных водоемов на поверхности. Здесь идут дожди из жидких углеводородов (метан, этан), образуются реки, озера и моря, бывают пылевые бури, а сложная органическая химия в атмосфере может дать подсказки о том, как зарождалась жизнь на нашей планете, — отмечает Евгений Бурмистров, ученый ПНИПУ. 

Дышать там не получится, но свои плюсы для колонизации есть. Плотная атмосфера создает эффективную защиту от космической радиации и является естественным противометеоритным прикрытием. Обильные ресурсы, в том числе водяной лед, который можно перерабатывать в кислород и ракетное топливо. Энергетические возможности – хотя солнечный свет на Титане слаб (1% от земного), можно использовать ядерные источники (плутоний-238), химическую энергию из местных углеводородов и ветрогенераторы – так как скорость ветра у поверхности до 3 м/с.

Движутся задом наперед

Есть в Солнечной системе спутники с аномальным поведением. Если Земля и Луна вращаются в одном направлении, то Тритон и Нептун в противоположных: планета движется против часовой стрелки (как наша), а спутник по часовой – или, как по-другому называют, по ретроградной орбите. Это является единственным исключением среди всех крупных спутников (Тритон в диаметре 2700 км).

— Это, а также его состав, схожий с Плутоном, указывает на то, что Тритон был захвачен гравитацией Нептуна из пояса Койпера. Другим примером ретроградного движения является спутник Сатурна – Феба (диаметр 213 километров). Спектральный анализ показывает, что она богата органическими соединениями и, вероятно, также представляет собой захваченный объект из внешней Солнечной системы, — рассказывает ученый.

Спутник может упасть на планету

Спутники находятся на стабильных орбитах благодаря балансу между гравитацией планеты и собственной орбитальной скоростью. Если они теряют темп движения, например, из-за приливного торможения или сопротивления атмосферы планеты, то действительно могут упасть.

Например, Фобос (спутник Марса) постепенно снижается и через примерно 50 миллионов лет может упасть на планету. Такая же ситуация происходит с Тритоном у Нептуна, но там сближение займет миллиарды лет.

Луна «отползает» от Земли. Чем это грозит?

Луна с Землей не сближается, а наоборот отдаляется со скоростью около четырех сантиметров в год. Несмотря на то, что падение нам не грозит (только если не случится катастрофа, и Земля или Луна по каким-то причинам не замедлятся – например из-за столкновения с гигантским астероидом), отдаление тоже чревато негативными последствиями.

Луна – неотъемлемый элемент поддержания условий для существования жизни на Земле. Ее притяжение создает на планете приливы и отливы, перемешивая воду и поддерживая стабильность экосистемы, а также постепенно замедляет вращение нашей планеты. Благодаря этому сутки становятся длиннее на протяжении миллионов лет. Для сравнения чуть более полумиллиарда лет назад они длились 21 час. Но у этих процессов есть обратный эффект – отдаление Луны. Чем сильнее приливы тормозят вращение Земли, тем больше энергии передается Луне, заставляя ее медленно удаляться. В очень далекой перспективе нас ждет дестабилизация климата и изменение сезонов. Сибирь может внезапно превратиться в пустыню, а экватор — покрыться льдом. Ослабление приливов также может вызвать гибель планктона – основу всей пищевой цепочки на Земле.

ПНИПУ

1170 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram