Перевод статьи авторства Кит Купер.

Наша планета находится на расстоянии от Солнца, достаточном для существования жидкой воды на ее поверхности, что играет важнейшую роль для существования жизни. Изображение: НАСА

Наша планета находится на расстоянии от Солнца, достаточном для существования жидкой воды на ее поверхности, что играет важнейшую роль для существования жизни. Изображение: НАСА

Поиски жизни во многом ограничиваются поиском воды — мы ищем экзопланеты на расстояниях от звезд, при которых жидкая вода будет свободно существовать на поверхности, мы «следуем за водой» на Марсе, а SETI исследует излучение в «водной зоне» между линией 1,420МГц нейтрального водорода и  линией OH-группы 1,666МГц.

Есть две веские причины, почему наше внимание так сильно сосредоточено на воде. Во-первых, это эффективный растворитель, используемый живыми организмами на Земле, она позволяет молекулам перемещаться в клетках, и обладает полезными свойствами — высокой теплоемкостью, способностью оставаться в жидкой форме в широком диапазоне температур, и свойством поддержания структуры клеток. Во-вторых, регистрация проявлений любой жизнедеятельности (регистрация биосигнатур) по химии на водной основе является наилучшей для удалённого рассмотрения.

Кроме того, самый важный факт о воде состоит в том, что благодаря воде есть жизнь на Земле. «Некоторые утверждают, что это единственное что есть важного у воды», — говорит Крис Маккей из Исследовательского центра Эймса НАСА. Маккей является астробиологом и планетарным исследователем, который ищет планеты с различными средами, а затем задаёт вопрос: «Мог бы кто-нибудь жить здесь? «, — и не считает, что среда изначально непригодна для жизни.

«Мы живем на планете, где вода может быть жидкостью, и мы адаптировались и эволюционировали, чтобы работать с этой жидкостью, — говорит он, — жизнь очень умело использовала свойства воды, использовав не только вещество как таковое, но также использовав сильную полярность молекул этого вещества, благодаря чему в природе есть как гидрофильные, так и гидрофобные связи, нужные для поддержания структуры клеток».

Предположим, однако, что жизни не требуется быть ограниченной только химией на водной основе; были бы мы в состоянии распознать следы такой жизни и среды обитания, в которой она живет? С одной стороны, вода кажется хорошим источником жизни, потому что, возможно, это единственный источник — ни одна другая известная жидкость не имеет таких свойств как вода. С другой стороны, существует и другая точка зрения, гласящая, что реальная картина гораздо сложнее, и что жизнь работает с любыми веществами. На Земле это вода, но на других планетах может использоваться что-то ещё. Мы уже открыли другой мир в нашей Солнечной системе, где реки и озера наполнены совершенно иной жидкостью.

 

Жидкость на Титане — источник жизни?

Отблеск солнечного света на озере на северном плюсе Титана. Фото сделано аппаратом Кассини.

Отблеск солнечного света на озере на северном плюсе Титана. Фото сделано аппаратом Кассини.

Есть одно местечко в четырёх миллиардах километрах от Солнца на орбите Сатурна, величественной кольчатой планеты. Сатурн — это газовая планета с атмосферой из водорода и гелия, без заметной поверхности ниже атмосферы. Среди свиты его ледяных лун есть Титан, больший, чем планета Меркурий и закутанный густой завесой смога из углеводородов в обогащенной азотом атмосфере. Это единственный спутник в Солнечной системе, имеющий атмосферу. Этот спутник интригует астрономов с тех пор, как Джерард Койпер обнаружил там метан в 1944 году.

Когда совместная миссия НАСА-ЕКА под названием Кассини-Гюйгенс прибыла к Сатурну в 2004 году, было получено больше ​​информации о Титане. Инфракрасные камеры и радар на Кассини показали мир, испещрённый черными, маслянистыми реками и озерами, в то время как зонд Гюйгенс пролетел через непрозрачную атмосферу, чтобы приземлиться на мокрую почву, но мокрую не из-за воды. На Титане, где температура составляет всего 94 градуса выше абсолютного нуля (-179 по Цельсию), вода находится в виде твердого как скала вещества, и жидкий метан течёт по рекам и озёрам. Вместо круговорота воды, Титан имеет круговорот метана, и сложная молекулярная смесь формируется в верхних слоях атмосферы путём взаимодействия между ультрафиолетом Солнца и метаном.

Предположим, что жизнь может существовать в такой среде; это будет новый тип обитаемых планет, где жидкий метан заменяет жидкую воду, следовательно, приводит к совершенно иным зонам обитаемости у звёзд, которые находятся от звезды дальше, чем зона жидкой воды.

Маккей уже сделал многое. Вместе с Эшли Гиллиам из НАСА, он опубликовал статью в журнале Planetary and Space Science, в которой описывается, где около красного карлика может быть мир с температурами, пригодными для жидкого метана.

 

Метановые миры

Углеводородное море на Титане (чёрные области). Фото НАСА.

Углеводородное море на Титане (чёрные области). Фото НАСА.

Красные карлики — также называемые М-карликами на диаграмме Герцшпрунга-Рассела — это звезды, которые меньше и холоднее нашего Солнца, и поэтому планетарные системы вокруг них тоже меньше, чем у Солнца . Маккей и Гиллиам подсчитали, что планета будет иметь температуру поверхности -179 градусов по Цельсию в зоне между 0,63 и 1,66 астрономических единиц (99 миллионов и 248 миллионов километров) вокруг звезды Глизе 581, красного карлика типа М3,  находящейся в 20,5 световых годах от Земли . Четыре планеты уже подтверждены на орбите Глизе 581, но не в метановой зоне обитаемости. Как предполагается, в этой системе существуют ещё две планеты, и одна – в метановой зоне,  на расстоянии от звезды в 0,76 астрономической единицы, но доказательства существования этого мира пока что весьма противоречивы. Метановая зона обитаемости вокруг красного карлика типа M4 будет еще ближе, между 0,084 и 0,23 астрономических единиц (от 12,6 миллионов километров до 34,4 миллионов километров).

Холодные метановые миры могут легко существовать вокруг подобных Солнцу звезд, и Титан является доказательством этого. Но есть преимущества у присутствия этих миров вокруг красных карликов, по сравнению с жёлтыми карликами, вроде Солнца: во-первых, меньшие радиусы орбит позволяют их легче обнаружить, будь то по методу прохождения по диску светила или по допплеровскому сдвигу, во-вторых, атмосфера Титана непрозрачна для синего и ультрафиолетового света, но прозрачна для красного и инфракрасного, и красные карлики больше излучают второго, чем первого. Если бы Титан вращался вокруг красного карлика, красный свет просачивался через его поверхность, нагревая его, также были бы шире и границы метановой зоны обитаемости. (Интересно, что красный гигант, близкий к конечной стадии в жизненном цикле звезды типа Солнца, излучает в красных длинах волн. Когда наше Солнце расширится до красного гиганта, примерно через пять миллиардов лет, и охватит все планеты до Земли и, возможно, Марс, Титан может получить выгоду — на короткое время, до того, как красный гигант станет белым карликом).

Красные карлики часто являются высокоактивными, и выплёскивают большие порции ультрафиолетового излучения. Хотя такие вспышки не должны необратимо повредить атмосферу экзопланет, по данным исследования во главе с Антигоной Сегурой из Национального автономного университета Мексики, они могут различным образом воздействовать на титаноподобную атмосферу, воздействуя на молекулы и создавая дымку, типа той, что окутывает крупнейшую луну Сатурна. Чем активнее красный карлик, тем более туманной будет атмосфера у титаноподобной планеты, и чем тоньше дымка, тем холоднее поверхность и тем ближе к звезде должна быть планета, чтобы иметь возможность жизни.

Большая или меньшая мутность атмосферы также изменит внешний вид такой планеты, и если мы хотим в один прекрасный день начать поиски планет в метановой обитаемой зоне, мы должны знать, как  они будут выглядеть и какие биосигнатуры искать. В этом кроется главная проблема подобных поисков.

«Мы просто не знаем, что может быть сигнальным признаком жизни в такой атмосфере, потому что такая жизнь сильно отличается от нашей, —  говорит Лиза Калтенэггер, исследующая обитаемые экзопланеты в Институте Макса Планка в Германии и в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики, – несмотря на это, всё может измениться в мгновение ока, если Крис (Маккей) найдёт жизнь на Титане и сможет сказать нам, как она поддерживается и как мы могли бы искать такую жизнь с помощью телескопа.».

 

Доказательства жизни

Система Глизе 581 в представлении художника.

Система Глизе 581 в представлении художника.

Тем не менее, у Маккея уже есть несколько предложений, и, что интересно, может быть, даже некие косвенные свидетельства жизни на Титане. В 2005 году он опубликовал статью с Хизер Смит из Международного космического университета в Страсбурге, опираясь на работу Стивена Беннера из Университета Флориды, описал, как метановые формы жизни на Титане (метаногены) могут потреблять водород, ацетилен и этан, и выделять метан. Если существует такая форма жизни, она может проявиться через снижение концентрации водорода, ацетилена и этана на поверхности.

Удивительно, но именно это и показали исследования данной луны Сатурна, хотя сам Маккей сомневается, что измерение концентраций обязательно означает жизнь на Титане. Скорее всего, у этого есть более вероятные объяснения, включая ошибки моделирования атмосферы Титана, на котором частично получены данные, неизвестные физические процессы, происходящие на Титане, не относящиеся к жизни. На текущий момент, на расстоянии многих световых лет, невозможно определить уменьшение количества водорода, ацетилена и этана в атмосфере планеты.

«Пока не ясно, как мы можем увидеть исчезновение водорода на межзвездном расстоянии.,- говорит Маккей, — На Земле, конечно, заметной биосигнатурой, видимой на межзвездном расстоянии является производство кислорода, но даже это не является однозначным показателем существования жизни, потому что на протяжении большей части истории Земли наблюдалась жизнь, но без этого производства».

Тем не менее, Джонатан Люнайн из Университета штата Аризона предположил, что существует гораздо больше экзо-Титанов, чем экзо-Земель. Если Крис Маккей прав насчет метановой жизни, количество мест с такой жизнью, скорее всего, значительно превышает количество планет с жизнью на водной основе. Беда в том, что холодные температуры, при которых метан является жидкостью, могут привести к формам жизни с очень медленным обменом веществ. Такая жизнь была бы вялой. Есть ли способ ускорения процессов?

«Нужно поднимать давление, чтобы был жидкий метан и при более высоких температурах, — говорит Калтенэггер, — и, если вы думаете об этом, учтите, что воды и углекислого газа чрезвычайно много. Так что если вы сделаете планету теплее, у вас больше шансов получить двуокись углерода, чем метан, а метан просто выйдет из жидкой фазы, и метана, одновременно представленного в трёх разных агрегатных состояниях, как вода на земле, не будет.».

 

Другие возможности

Сравнение обитаемой зоны Солнца и Глизе 581

Сравнение обитаемой зоны Солнца и Глизе 581

Если можно вести речь о тёплом жидком метане, то что ещё можно считать аналогом воды на Земле? Фтороводород похож по свойствам на жидкую воду, но он относительно редко встречается во вселенной, и поэтому вряд ли будет фактором жизни. Более распространенным веществом является соль: если температура достаточно высокая, соль будет жидкой.

«Я могу представить себе мир, где есть жидкий хлорид натрия, и он — основа жизни, »  — говорит Маккей, но он признает, что это лишь предположение. И он считает, что вместо того, чтобы тратить слишком много времени на диковинные идеи, лучше сначала найти среду, а затем спросить: «А может ли кто-нибудь там жить? «.

Лиза Калтенэггер разделяет эти идеи: «Сначала мы должны на моделях выяснить, что требуется планете, чтобы быть пригодной для жизни, а затем нам надо посмотреть на данные, которые поступают о планете и определить, как далеко мы можем растянуть зону обитаемости.»

Тем не менее, из почти 700 подтвержденных экзопланет, до сих пор (не считая все неподтвержденные, обнаруженные миссией НАСА Кеплер) только две потенциально пригодны для жидкой воды, и это только если условия на самих планетах подходят для этого. Что же до жидкого метана, без каких-либо точных данных о метановой жизни, астрономы соблюдают осторожность из-за возможной ошибочности данных суждений. Даже Маккей до сих пор выступает за поиски жизни именно на водной основе.

«Мы знаем, водная жизнь есть, это мы понимаем, — говорит он, — хотя я считаю, что мы должны рассматривать жидкий метан, мы не знаем, работает ли это. Над этим мы всё еще гадаем.».

И, скорее всего, будем гадать до следующей миссии на Титан, которую не стоит ждать раньше 2030-х годов. Подобно тому, как Земля является образцом наличия жизни на водной основе, Титан может быть образцом наличия жизни на метановой основе. Тем не менее, если не будет доказана возможность жизни при таких условиях, метановые обитаемые зоны будут всегда уступать водным. К сожалению, мы можем упустить огромный кусок знаний о жизни.