ЭКЗОПЛАНЕТА ПО СОСЕДСТВУ - Что может рассказать нам Венера о планетах, находящихся далеко за пределами нашей Солнечной системы Дарби Дайар, Стивен ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Планетология
ПЛАН ЕТОЛОГИЯ
ЭКЗОПЛАНЕТА
Что может рассказать нам Венера о планетах,
находящихся далеко за пределами нашей
Солнечной системы
Дарби Дайар, Стивен Кейн и Сьюзен Смрекар
102 В мире науkи | [04] апрель 2019
Планетология
ПО СОСЕДСТВУ
Данные радара космического зонда
«Магеллан» были использованы,
чтобы получить с помощью
компьютера это изображение Венца
Латоны и Каньона Дали
w w w.sci-ru.org [04] апрель 2019 | В мире науkи 103
Планетология
ОБ АВТОРАХ
Дарби Дайар (M. Darby Dyar) — спектроскопист-минеролог, которая изучает внезем-
ные минералы и стекла с Луны, Марса, комет и астероидов. Старший научный сотрудник
Института науки о планетах и профессор астрономии Колледжа Маунт-Холиок.
Стивен Кейн (Stephen R. Kane) — астрофизик-планетолог, открывший
сотни экзопланет и изучающий возможность существования на них
жизни. Доцент факультета наук о Земле в Калифорнийском универ
ситете в Риверсайде.
Сьюзен Смрекар (Suzanne E. Smrekar) изучает различные пути эволюции каме-
нистых планет с проявляющейся время от времени вулканической активностью.
Старший научный сотрудник и заместитель научного руководителя программы экс-
педиции на Марс InSight Лаборатории реактивного движения NASA.
1982 г. на факультете планетологии Массачусетского технологиче-
ского института все только и говорили об отмене последней флагман-
ской экспедиции NASA VOIR (Venus Orbital Imaging Radar, «Радар для
картографирования на орбите Венеры»). Одна из нас (Дарби Дайар)
была в то время аспиранткой, двое других еще учились в колледже
и начальной школе. Аспиранты открыто плакали в коридорах, а ве-
тераны факультета лишь покачивали головами. Недавно избранная
администрация Рональда Рейгана провела широкомасштабное сокращение про-
граммы космических исследований, и VOIR стала одной из жертв.
Однако вскоре после этого ученые на скорую руку но когда в 1994 г. «Магеллан» упал на поверхность
сварганили проект постройки по приемлемой Венеры, вместе с ним умерла и поддержка со сто-
цене ($680 млн) космического аппарата, собран- роны NASA аппаратов для исследования Венеры.
ного из остатков оборудования и чудесным обра- С тех пор ученые представили более 25 предло-
зом спасшего экспедицию. В 1989 г. орбитальный жений по возобновлению экспедиций на Венеру,
аппарат «Магеллан» был запущен с целью иссле- и, хотя некоторые из них получили высокую оцен-
дования Венеры и к концу 1990 г. вышел на ор- ку со стороны комиссии по рассмотрению проек-
биту вокруг нее. В течение следующих пяти лет тов, ни один не был одобрен. Данные, собранные
орбитальный зонд передал на Землю радарные «Магелланом» несколько десятилетий назад, оста-
изображения почти всей планеты, данные о ее гра- ются базисом науки о Венере до сего дня.
витационном поле и топографическую карту вто- Но планетологи никогда не сдаются, и, несмотря
рой от Солнца планеты. Эта экспедиция оказа- ни на что, в раскрытии секретов этой планеты мы
лась последней в долгой череде советских и аме- все же добились определенного прогресса. После
риканских экспедиций к соседней с нами планете, «Магеллана» Европейское космическое агентство
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Венера и Земля образовались при- Между тем поверхность Венеры ста- Выяснение того, почему Венера эво-
PRECEDING PAGES: NASA AND JPL
мерно одинаковыми, но в какой-то мо- ла негостеприимна для жизни. Однако люционировала именно так, а не иначе,
мент планеты пошли разными путями. на планете — нашей соседке все еще могло бы пролить свет на возможность
Земле удалось сохранить свои океаны ак тивны вулканические процессы существования жизни на многих подоб-
и атмосферу. и есть намеки на зарождающуюся тек- ных ей экзопланетах. Необходимы но-
тонику плит. вые экспедиции на Венеру.
104 В мире науkи | [04] апрель 2019
Планетология
Атмосфера Венеры, какой она предстает на этом композитном изображении, полученном японским зондом «Акацуки»;
отчетливо видны плотные облака серной кислоты
и Японское агентство аэрокосмических исследо- что Венера, возможно, имела на поверхности воду
ваний отправили успешные экспедиции к Вене- в жидком состоянии до довольно позднего време-
ре, которые привели к прорыву в понимании со- ни в своей истории, — а это означает, что условия,
става и свойств ее атмосферы. Тем временем уче- благоприятные для жизни, вероятно, были там
ные в спешном порядке переписывали учебники значительно дольше, чем мы когда-то считали.
JAXA, ISAS, DARTS AND DAMIA BOUIC
о планете-соседке, проводя новый анализ данных Все это совпадает с другим ошеломляющим от-
с «Магеллана». Сейчас мы полагаем, что вулканы крытием в астрономии: обнаружением тысяч экзо-
на Венере довольно многочисленны, и мы даже об- планет у других звезд, многие из которых пример-
наружили намеки на начало тектонической актив- но такого же размера и находятся на таком же рас-
ности, которая, как считают ученые, критически стоянии от своих светил, что и Венера. Все, что мы
важна для обитаемости планеты. Новые теорети- узнаем о соседней с нами планете, вероятно, смо-
ческие модели также дают основания полагать, жет рассказать нам об этих далеких недосягаемых
w w w.sci-ru.org [04] апрель 2019 | В мире науkи 105
Планетология
мирах. В частности, если мы сможем понять, мог- вокруг Солнца, обе они накапливали водород
ла ли Венера иметь условия, благоприятные для и другие летучие вещества, химикаты, которые
существования на ней жизни, и если имела, то ког- могут легко испаряться. Моделирование ранней
да, мы больше узнаем о вероятности обнаружить Венеры показало, что поверхность планеты, воз-
живые существа на множестве похожих на Венеру можно, была покрыта жидкой водой раньше, чем
небесных тел в Млечном Пути. поверхность Земли, и что вода могла быть там еще
примерно 1 млрд лет назад.
Аналог экзопланет Тем не менее факт остается фактом: Венера се-
Большинство экзопланет, обнаруженных на се- годня угрожающе негостеприимна. Что же случи-
годня, были открыты методом прохождений, при лось? Может быть, Венера представляет собой ко-
котором астрономы наблюдают звезды в поисках нечное состояние всех обитаемых планет? Или же
слабого уменьшения их яркости, которое возни- она просто один из многих вариантов эволюции
кает, когда летящие по орбите планеты проходят планет такого размера? Это — некоторые из ос-
на фоне диска звезды. С помощью этого метода мы новных вопросов, для ответа на которые мы хотим
можем измерить размер далекой планеты, но один вернуться на Венеру.
лишь размер мало что говорит нам. Ведь если бы
внеземные наблюдатели смотрели на нашу Сол- Скрытая поверхность
нечную систему, используя метод прохождений, Наши знания о Венере отчасти ограничены колос-
то Венера и Земля выглядели бы почти одинаково. сальной трудностью наблюдения сквозь плотную,
Однако Венера непригодна для жизни, тогда как ядовитую атмосферу планеты. Высоко в небе обла-
на Земле жизнь существует непрерывно в течение ка серной кислоты укрывают планету, словно са-
вот уже 4 млрд лет. ван. У поверхности давление атмосферы сравни-
мо с давлением воды на глубине около 1 км в оке-
анах Земли. Атмосфера настолько плотная, что
У нас никогда не было более ее основной компонент, двуокись углерода, ведет
веской причины отправить себя как сверхкритическая жидкость, свойства ко-
торой — нечто среднее между газом и жидкостью.
новую большую экспедицию Ученые полагают, что эта атмосфера когда-то
была подобной земной. Однако в отличие от нашей
на часто игнорируемую планеты у Венеры сейчас нет магнитного поля,
вторую от Солнца планету чтобы отталкивать солнечный ветер. Мы полага-
ем, что на протяжении миллиардов лет солнечный
ветер выдул воду с поверхности планеты, разлагая
Мы можем и дальше проводить различия меж- ее молекулы на ионы водорода и кислорода и уно-
ду планетами одинакового размера, измеряя их ся их в космос. В отсутствие на поверхности пла-
расстояния от своих звезд. «Зона жизни» — это неты воды, которая растворяла бы окись углерода
область вокруг звезды, где каменистые планеты и другие газы, непрерывно вырывающиеся наружу
могут иметь жидкую воду на своей поверхности. из ее тверди, эти химические вещества аккумули-
Земля, очевидно, расположена в такой зоне. Вене- ровались в атмосфере. Из-за парникового эффекта
ра, как мы полагаем, когда-то была в этой зоне — в атмосфере такого состава температура поверхно-
но вообще-то недолго. Однако границы зоны жиз- сти более чем на 400° C выше, чем на Земле, — до-
ни со временем сдвигаются наружу, по мере того статочно жарко, чтобы скалы мерцали в темноте.
как светимость Солнца с возрастом увеличивает- Единственный набор данных с поверхности Ве-
ся. Венера сегодня вне этой зоны и занимает об- неры был получен четырьмя советскими спуска-
ласть, которую мы называем «зоной Венеры», где емыми аппаратами, которые совершили посадку
условия на поверхности настолько горячи, что, ве- в 1970–1980-х гг. Эти зонды выдержали в рабочем
роятно, вышедший из-под контроля парниковый состоянии всего несколько десятков минут на су-
эффект на планете разогрел атмосферу до такой ровой поверхности планеты, но за это короткое
степени, что ее океаны выкипели. время они собрали и послали на Землю грубые из-
Венера и Земля формировались в одинаковых ус- мерения тамошнего химического состава. Поми-
ловиях — включая те, что подарили Земле ее океа- мо этих данных, наши знания о минералогии по-
ны. Столкновения с кометами, вероятно, принесли верхности базируются исключительно на проти-
лед на поверхность обеих планет. Солнечный ветер воречивых интерпретациях измерений с помощью
(заряженные частицы, извергаемые Солнцем), ско- радара, проведенных «Магелланом», и наших огра-
рее всего, сформировал тонкий слой ионов водоро- ниченных представлениях о возможных химиче-
да на поверхностях и той и другой. И когда Вене- ских реакциях между скалистой породой планеты
ра и Земля были протопланетами, строящимися и атмосферными газами в условиях, существую-
из первичного пылевого диска, который вращался щих на Венере.
106 В мире науkи | [04] апрель 2019
Планетология
Сравнение планет
Что делает планету пригодной для жизни? Это один из глав- на Венере, ученые надеются понять, почему планета эволю-
ных вопросов в астрономии. Земля и Венера поначалу были ционировала именно таким образом и может ли она расска-
очень похожи, но одна сегодня — оплот жизни, а другая — зать нам о перспективах существования жизни на многих по-
негостеприимная пустыня. Изучая развитие вулканических хожих на Венеру экзопланетах в Млечном Пути.
процессов, тектоники литосферных плит и другие условия
Формирование Меркурий Венера Земля Марс ВУЛКАНИЧЕСКАЯ/
планеты ТЕКТОНИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
Вулканические процессы и связанные
Период бурного с ними процессы подвижки литосфер-
образования ных плит, называемые тектоникой плит,
кратеров играют важную роль в создании условий,
4 млрд лет назад пригодных для жизни на Земле. Они
помогают нашей планете сохранять
Образование атмосферу и океаны, а также сформи-
кратеров с низкой ровали континенты, необходимые для
скоростью про- поддержания жизни. Венера — един-
должается ственная другая планета земной группы,
на которой сегодня есть признаки и того
и другого явлений.
НА ПОВЕРХНОСТИ ПРИСУТСТВУЕТ
3 млрд лет назад ВОДА В ЖИДКОМ ВИДЕ
Вода, ключевой компонент жизни, на-
ходилась внутри строительных блоков
планет и вырывалась на поверхность
в ходе вулканических процессов, а па-
дение комет давало меньший вклад.
Помимо Земли, Венера, скорее всего,
дольше всех сохраняла свои океаны.
2 млрд лет назад
УСЛОВИЯ, БЛАГОПРИЯТНЫЕ
ДЛЯ ЖИЗНИ, ОСНОВАННОЙ
НА МОЛЕКУЛАХ ДНК
Ученые могут только рассуждать
о том, как долго каждая из планет
обладала необходимыми для суще-
ствования на ней жизни ингредиен-
1 млрд лет назад
тами. Но у них есть все основания
полагать, что Венера стала планетой,
благоприятной для жизни, раньше
Земли и в течение более 1 млрд лет
сохраняла условия, необходимые
для жизни.
Сегодня
ЗОНА ЖИЗНИ
Это зона — область вокруг звезды,
где планеты могут поддерживать
воду в жидком состоянии и, следо-
вательно, потенциальную жизнь.
Поскольку с течением времени
Солнце Солнце стало светить ярче, грани-
Graphic by Tiffany Farrant-Gonzalez
цы зоны жизни отдалились от него.
Зона жизни
Солнце
и планеты 1 млрд лет назад
нарисованы
не в масштабе Астрономические единицы: 0,5 1,0 1,5 Сегодня
w w w.sci-ru.org [04] апрель 2019 | В мире науkи 107
Планетология
Карты, охватывающие всю поверхность
Венеры, полученные на основе данных, переданных
космическими зондами «Магеллан», «Венера-15»
и «Венера-16», показывают разнообразные черты
ее рельефа, включая округлый Венец Артемиды
(отмечен квадратом), который, по всей
видимости, указывает на тектонику плит
Однако недавно ученые обнаружили, что
можно составить минералогическую кар-
ту минералов Венеры с орбиты, ведя на-
блюдения через несколько «окон» электро-
магнитного спектра там, где видимый свет
не поглощается двуокисью углерода в ат-
мосфере. По счастливому стечению обсто-
ятельств эти окна совпадают с регионами,
критически важными для идентификации
типичных планетных минералов — оливи-
на и пироксена, вселяя надежду, что в кон-
це концов мы сможем определить основные
компоненты венерианских пород. Европей-
ский космический зонд «Венера-экспресс»,
обращавшийся по орбите вокруг Венеры
с 2006 по 2014 г., воспользовался одним
из таких окон, чтобы составить первую
карту теплового излучения от поверхности
планеты для большой части ее южного по-
лушария. Эта карта включает спектраль-
ные характеристики — пики и провалы
в видимом и тепловом излучении, — с по-
мощью которых можно идентифицировать
состав минералов на поверхности.
К тому же эта карта выявила много го-
рячих пятен — областей, излучающих так
много тепла, что наиболее вероятное объ-
яснение тому — недавняя вулканическая
активность. Это многообещающее откры-
тие, поскольку оно показывает, что в от-
личие от Луны, которая уже долгое время
молчит, и Марса, на котором современный
вулканизм в лучшем случае имеет изоли- позволили нашей планете отдать свое внутреннее
рованный характер, Венера все еще активна, — тепло и остыть до температуры, при которой смог-
и это открытие подразумевает возможность того, ла возникнуть жизнь. Тектонические процессы
что планета подходит для жизни. также высвобождают летучие химические элемен-
ты, такие как вода, двуокись углерода и двуокись
Тектоника плит серы, из земных глубин в атмосферу и циклически
На Земле вулканические процессы обычно связы- загоняют эти летучие элементы назад в мантию,
вают с тектоникой литосферных плит — подвижка когда литосферные плиты проскальзывают одна
и скольжение больших кусков земной коры опре- под другую.
деляют основные геологические характеристики Если бы не было вулканических процессов,
нашей планеты. С тектоникой плит связаны так- на поверхности планеты было бы мало воды, а зна-
же долговременные климатические циклы, про- чит, и места для возникновения жизни. Циклич-
текающие с периодичностью примерно в 100 млн ность летучих элементов помогает поддерживать
лет, которые дали возможность возникнуть жиз- атмосферу Земли, что было критически важно для
NASA, JPL AND USGS
ни на Земле. Тектонические процессы сформиро- зарождения жизни. Аналогичным образом кон-
вали новую кору на земных срединно-океаниче- тиненты, которые обеспечивают плавучую ста-
ских хребтах и дали возможность слоям этой коры бильную платформу над уровнем моря, чтобы
погрузиться в мантию — два процесса, которые морские организмы путем эволюции могли выйти
108 В мире науkи | [04] апрель 2019Планетология на сушу, — тоже продукт тектоники плит. По этой (которая включает в себя земную кору и верх- и многим другим причинам понимание того, есть нюю мантию) и давят вверх, вызывая появление ли на Венере тектоника плит — и почему есть или в земной коре крупных впадин — рифтов. Давле- почему нет, — ключевой вопрос. ние со стороны вершины плюма может вызывать Имеющееся ограниченное количество данных яростные вулканические процессы, что наблю- позволяет полагать, что тектоника плит на Зем- дается как на Земле, так и на Венере. Нагрузка ле началась еще 4 млрд лет назад, оставив об этом на растрескавшуюся литосферу может заставить мало свидетельств. По правде говоря, мы мало этот слой погрузиться вниз и способствовать суб- знаем о том, как протекала трансформация пла- дукции, посредством которой один слой литосфе- неты от покрытого базальтом небесного тела, воз- ры проскальзывает под другой. Если такой про- можно, с океанами, к сложной системе движу- цесс происходит достаточно часто, эти плиты сце- щихся плит со сложным рельефом. Одна из основ- пляются и начинается тектоника плит. ных гипотез состоит в том, что сгустки вещества Возможно, именно это и происходит в настоя- из глубин Земли, называемые твердыми восходя- щее время на Венере. Литосфера на Венере сейчас щими потоками в мантии, или плюмами, выры- теплая и тонкая — очень похожа на ту, что была ваются на поверхность, вызывая субдукцию — на Земле в те времена, когда тектонические про- погружение блоков одной литосферной плиты под цессы в ней только зарождались. И некоторые дан- другую. Горячие плюмы ослабляют литосферу ные указывают на интригующую схожесть между w w w.sci-ru.org [04] апрель 2019 | В мире науkи 109
Планетология
характером рельефа на Венере и земными зонами вопросы относительно ее вулканической активно-
субдукции. Один из примеров — Венец Артеми- сти и возможной тектоники плит на Венере. Дей-
ды, кольцеобразное формирование вблизи эква- ствительно ли этот процесс имеет место сейчас?
тора Венеры, которое размерами и формой похоже Как эти поверхностные явления связаны с тем,
на Алеутский желоб, расположенный под океаном что происходит внутри нее? Как существующие
вдоль побережья штата Аляска. Ученые выдвину- на Венере условия, такие как температура, влия-
ли теорию, что такие особенности рельефа Вене- ют на активность тектонических процессов? И мо-
ры — не что иное, как пятна, в которых плюмы, гут ли оказаться определенные наблюдаемые нами
идущие от мантии, выходят на поверхность и раз- особенности рельефа, такие как складки пород, ко-
двигают кору планеты. торые ученые называют «мозаика» или «тессеры»,
Более того, недавние лабораторные эксперимен- отголосками прошлой, влажной эпохи?
ты и моделирование на компьютерах дают основа- В 2019 г. NASA запросит предложения по следую-
ния полагать, что эти плюмы вызывают субдук- щей группе своих космических зондов самого ма-
цию в той области, где они прорываются сквозь лого класса — программе экспедиций Discovery.
верхний слой венерианской коры. В частности, Еще одна из нас (Сьюзен Смрекар) и Дайар воз-
эти эксперименты объясняют, почему субдукция, главляют одну из предложенных экспедиций, на-
по-видимому, имеет место в районе только части званную VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science,
кольца: когда хрупкая литосфера разрывается InSAR, Topography, and Spectroscopy, «Излучатель-
в клочья в центре, она разламывается на сегмен- ная способность, исследование в радиодиапазо-
ты, точно так же как бумага рвется на клинья раз- не, РЛС с синтезированной апертурой, топогра-
ной ширины, когда ее протыкают карандашом. фия и спектроскопия Венеры»), которая составит
Когда литосфера погружается вниз, она продол- намного более подробную, чем когда-либо ранее,
жает разрушаться, формируя сегменты. Если бы карту поверхности. На зонде будет несколько при-
эти сегменты начали соединяться, мы наблюдали боров, включая фотокамеру и спектрометр, что-
бы на Венере начало процессов тектоники лито бы на порядок улучшить топографическое разре-
сферных плит. шение и получить первую в своем роде компози-
Имеющиеся в нашем распоряжении изображе- ционную карту всей поверхности планеты. Другие
ния этих особенностей рельефа имеют слишком предложения по экспедициям на Венеру также на-
низкое разрешение, чтобы мы наверняка поняли, ходятся в работе, и мы должны получить конеч-
что мы видим. Но, судя по всему, тектоника плит ный результат в 2021 г.
на Венере находится на ранних стадиях развития. Спустя почти 30 лет после того, как «Магеллан»
Наблюдения, выполненные «Магелланом», не пред- прибыл к Венере, поколение ученых, которые за-
ставили свидетельств существования связанных пустили «Магеллан», стареет и уходит на пенсию.
между собой плит — скорее мы видим изолирован- Экспедиция к Венере сегодня позволила бы уче-
ные пятна, в которых субдукция только начинает- ным передать факел новому поколению, которое
ся, в каждом случае вокруг одной из этих круглых сможет приблизить нас к пониманию того, почему
областей, в которых, по-видимому, и поднимают- эволюция этой планеты, сестры нашей собствен-
ся плюмы. Возникают два вопроса: почему текто- ной, столь разительно отличается от эволюции
нические процессы не начались раньше и по како- Земли. Возможно, мы даже выясним, какие усло-
му пути пойдет их развитие сейчас? По мере того вия необходимы для возникновения жизни.
как со временем Венера остывает все сильнее, гео-
логические разломы, которые сейчас обнажаются, Перевод: А.П. Кузнецов
возможно, сохранятся, давая возможность плане-
те пройти через те же самые переходные процессы
в направлении тектоники плит, которые испытала
Земля. Если мы сможем увидеть начало развития
тектонической активности на Венере, то этот про-
цесс и сопровождающая его стабилизация атмо
сферы — возможно, обычное дело на экзопланетах,
которые находятся на пути к формированию усло-
вий, пригодных для жизни. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
Чтобы лучше видеть Was Venus the First Habitable World of Our Solar System?
У нас никогда не было более веской причины от- M.J. Way et al. in Geophysical Research Letters, Vol. 43, No. 16,
править новую большую экспедицию на часто иг- pages 8376–8383; August 28, 2016.
норируемую вторую от Солнца планету. Имея Experimental and Observational Evidence for Plume-Induced
снимки всей поверхности и ее спектральные харак- Subduction on Venus. A. Davaille in Nature Geoscience, Vol. 10,
теристики, мы сможем дать ответ на и нтригующие pages 349–355; May 2017.
110 В мире науkи | [04] апрель 2019Вы также можете почитать
