Скільки води потрібно для життя де-небудь ще в Сонячній системі?

Самий великий і глибокий водойма з усіх відомих нам ніколи не бачив мореплавців. У нього немає островів і берегів, вітер не здіймає на ньому хвилі, по воді не бігають сонячні відблиски. Цей темний океан не знайдеш на жодній карті Землі — він більш ніж у 500 мільйонів кілометрів від нас, на Європі, однією з 69 відомих супутників Юпітера. Дані космічного апарату Galileo, який облетів Європи 11 разів з 1995 по 2003 рік, показали, що під крижаною поверхнею цієї гладкою місяця лежить неосяжний солоний океан. Глибина його повинна бути 100 кілометрів — у вісім разів глибше Тихого океану на максимальній глибині. У ньому в два-три рази більше води, ніж у всіх морях і океанах Землі.

Ми знаємо, що Всесвіт повний водянистих лун і планет. Але як нам дізнатися, чи можуть вони підтримувати життя?

Європа не єдина у своєму роді. Принаймні ще два місяці Юпітера — Ганімед і Каллісто — приховують океани під поверхнею. Титан і Мимас, супутник Юпітера, ймовірно, теж. І немає сумнівів у тому, що інша місяць Сатурна Енцелад, ховає воду під своєю мерзлої кіркою. Дивовижні і неспростовні докази глибоких глибин Енцелада з'явилися в 2005 році, коли зонд «Кассіні» сфотографував гейзери, вивергають лід і воду на сотні кілометрів у космос. «Кассіні» навіть пролетів через гейзери в жовтні 2015 року, пропливши 50 кілометрів від поверхні місяця, щоб взяти зразки їх вмісту.

Сказати, що достаток рідкої води у зовнішній Сонячній системі повністю перевернуло уявлення вчених, — нічого не сказати. До одкровень «Кассіні», Galileo та інших зондів спільна думка була такою: супутники Юпітера і Сатурна будуть схожі на супутники Марса — тверді, вкриті кратерами безплідні камені, нездатні прихистити життя.

«Ніхто не очікував, що там будуть подповерхностные океани», говорить Сет Шостак, астроном SETI Institute з Маунтін-В'ю, Каліфорнія. «Наше уявлення про жилих світах розширилося, і тепер ми очікуємо, що можемо знайти життя там, де не думали шукати її раніше. Ми завжди припускали, що життя має бути на планеті. Але тепер я знаю сім місць в нашій Сонячній системі, де є всі причини шукати життя — або хоча б умови для неї. І більшість з них — супутники».

З такою кількістю води у нас під боком, можна з упевненістю стверджувати, що незліченна безліч планет біля інших зірок також повинні бути з океанами, не кажучи вже про їх супутниках. Астрономи вже заздалегідь визначили кілька «водних світів» за межами нашої Сонячної системи планет взагалі без суші.

«Це вражаюче», каже Крістофер Глейн, вчений місії «Кассіні» з Південно-Західного інституту в Сан-Антоніо, штат Техас. «Це як винайти нову область океанографії».

Втім, існування позаземних океанів не повинно бути таким сюрпризом. Водень становить до 74% звичайної матерії у Всесвіті; кисень — третій за поширеністю елемент. З'єднайте їх — отримаєте воду, H₂O. Астрономи спостерігали сліди водяної криги кратери на Місяці і навіть на Меркурії — найближчій до Сонця планеті. Її багато в міжзоряних хмарах і в запорошених дисках зароджуються планетарних систем; навіть в атмосферах деяких гігантських екзопланет вже знайшли воду.

«Дослідження екзопланет виявилося вибуховим», говорить Бонні Мейнке, науковець NASA, що працює з космічним телескопом Джеймса Вебба, який відправиться в космос в наступному році. «За останні 20 років ми від декількох екзопланет перейшли до тисяч. І тепер ми знаємо, що у кожної зірки в нічному небі є як мінімум одна планета. Думаю, можна припустити, що у більшості цих планет є в якомусь сенсі і вода».

А там, де є вода, може бути й життя. «Шукай воду» — стара аксіома астробиологов. Що робить воду стільки незамінною? Хімічні реакції, які живлять двигуни життя, вимагають рідина для розчинення і перенесення молекул по всій клітині. Вода є одним з кращих відомих розчинників; вона залишається рідкою при більшому діапазоні температур, ніж будь-яка інша речовина. Цілком можливо, що інша рідина буде виконувати роль води в інопланетної біохімії — метанові озера, наприклад, які ми знайшли на Титані. Але поки ніяких винятків з правила «життя потрібна вода» ми не знаходили.

Виходить, планети, повністю покриті цим найважливішим речовиною, повинні бути ідеальним притулком для життя? Останні дослідження накривають такі очікування мідним тазом: води на таких планетах може бути занадто багато для життя, щоб вона з'явилася або почала процвітати, отримавши шанс. «Більше не означає краще», говорить Стівен Деш, астрофізик Арізонського університету. Деш і його колеги провели комп'ютерне моделювання екзотичних геофізичних і атмосферних середовищ,

Так хіба планети, повністю покриті цим істотним речовиною, не стануть ідеальним притулком для життя? Деякі недавні дослідження кидають гігантське вологе ковдру на такі очікування: у багатьох світів дійсно може бути дуже багато води для життя, щоб виникати — чи процвітати, якщо б це почалося. «Більше не обов'язково краще», — говорить Стівен Деш, астрофізик з Університету штату Арізона. Деш і його колеги проводили комп'ютерне моделювання екзотичних геофізичних і атмосферних середовищ, які можуть бути виявлені на інших світах. Їх мета — створити щось на зразок польового гіда для майбутніх мисливців за екзопланетами. Деш називає його «періодичною таблицею планети». В ній будуть типи світів, які найімовірнішевсього будуть містити продукти життєзабезпечення в атмосфері — кисень або метан, наприклад. Що більш важливо, ці гази повинні бути присутніми в досить великих кількостях, щоб їх могли засікти телескопи майбутніх десятиліть. «Ми повинні ставити дослідження таких планет в пріоритет, тому що на них можуть бути кращі індикатори життя».

Водяні світи, як виявилося, можуть бути найкращим місцем для пошуку життя. Команда Деша створила комп'ютерну модель, що нагадує Землю практично у всьому: розміри і не занадто холодне і не занадто гаряче відстань від стабільної зірки типу Сонця. Потім вони наповнили цей світ водою, в п'ять-сім разів більше, ніж на Землі, щоб втопити всі її континенти. Втопивши свій віртуальний світ, вони усунули найважливіший процес, що підтримує життя, який ми, земляни, взагалі забули: вивітрювання оголених порід.

У відсутність дощу або поточної води, що розмивають породу, моря у світі, створеному командою Деша, містили дуже мало фосфору, незамінного елементу для життя. Морська вода сама по собі недостатньо кислотна, щоб розчиняти фосфор так ефективно, як прісна. «Фосфор вкрай важливий», вважає Тесса Фішер, мікробний еколог Арізонського університету. «На додаток до РНК і ДНК, він також створює АТФ, переносящую енергію молекулу для всієї відомої нам біохімії. Земна біохімія, наскільки нам відомо, не може функціонувати в відсутність фосфору».

Деш і Фішер підкреслюють, що їхня модель не виключає можливості існування життя у водяному світі. Моря на таких планетах напевно будуть містити певну кількість фосфору, але недостатньо, щоб підтримувати життя у великих масштабах і залишати помітний відбиток в атмосфері. «Там не буде атмосфери, на 30% складається з кисню, як на Землі», говорить Фішер. «Можливо, планета, повністю покрита океаном, буде населена. Просто життя там буде настільки розрізнена, що ми її навіть не зможемо виявити з Землі».

Ймовірно, існують і світи з такою кількістю води, що життя буде просто неможлива. За оцінками вчених, планета розміром з Землю з 10% її маси у вигляді води буде абсолютно млявою. Така планета мала б еквівалент 400 земних океанів; величезний тиск на дні моря створило б екзотичні щільні форми льоду, відомі як лід-шість і лід-сім. «Вода з породою взагалі не взаємодіяла б, нічого б у житті не вийшло», говорить Деш.

І якими б дивними такі умови не здавалися, ці світи можуть бути більш поширені, ніж тверді планети типу Землі. Вода і камінь, мабуть, однаково поширені в планетарних системах по всьому космосу. У нашій власній Сонячній системі комети, деякі місяця і замерзлі жителі пояса Койпера, як вважають, містять однакову кількості льоду і каменю. «Зовнішні планети на 50% з льоду», говорить Деш. «Це нормально. Ненормально лише те, наскільки суха Земля».

З нашої точки зору Земля здається квінтесенцією планети з океаном — «бліда блакитна точка», вкрита морями. Але всі ці океани розтікаються тонкою плівкою по поверхні планети. По масі Земля лише на 0,025% складається з води. При існуючих технологіях астрономи не змогли б сказати, чи буде в екзопланети начебто Землі взагалі якась вода. Астрономи використовують дві основні техніки для визначення складу екзопланет. По-перше, вони оцінюють розмір планети, спостерігаючи, скільки світла вона блокує, проходячи перед своєю зіркою. Потім вони вимірюють коливання зірки, які викликає планети на її орбіті, що дає нам масу планети. Поділ маси планети на її обсяг дає щільність, а щільність дозволяє астрономам приблизно прикинь процентний вміст газу, твердого речовини і води на планеті.

«Подумайте про те, наскільки тонкий наш океан. Він ніяк не змінює радіуса Землі». Зараз астрономи можуть сказати, що у екзопланети є океани, тільки якщо на воду припадає близько 10% її маси. А це дорівнює 400 земних океанах, величезна кількість води, яке крушить все живе. Виходить, єдині водні світи, які ми можемо виявити, використовуючи існуючі технології, будуть непридатні для життя. «Такий стан справ на поточний момент», говорить Деш. «Ми маємо можливість шукати воду і навіть бачимо, коли води 10% від маси планети, але це занадто багато води».

Сім таких світів обертаються на орбіті Trappist-1, зірки в 49 світлових роках від нас, названої на честь бельгійського пива. Всі вони розміром з Землю, а навіть три знаходяться в межах потенційно населеної зони зірки, на відстані, де можливе існування води в рідкому стані. Зараз це самі що ні на є хвилюючі «можливі землі», однак вони можуть бути занадто вологими або засипаними льодом, щоб на них гніздилася життя.

Спроба визначити склад далекої планети за кількома пікселям світла, що потрапив в телескоп, як мінімум не буде точною. Враховуючи ці обмеження, Деш і його колеги оцінили, що зовнішні планети Trappist-1 складаються на 50% з льоду; внутрішні планети складаються на 10% з льоду та рідкої води. «Цього більш ніж достатньо, щоб покрити континенти», говорить Деш. «Ви отримаєте сотні або навіть кілометрів здавленого льоду на дні океанів. Це мертва планета».

Що ж потрібно для ідентифікації «живий» планети, земної сумішшю континентів і морів, не занадто вологою, не занадто сухий? Враховуючи діапазон можливих світів, таких як наш повинно бути багато. Але як їх шукати? Космічний телескоп Джеймса Вебба стане королем астрономії, як тільки приступить до своєї 10-річної місії в 2020році; він зможе аналізувати атмосфери гігантських екзопланет типу Нептуна і, можливо, навіть знайде кілька «суперземель» — планет в 2-10 разів більше Землі по масі. Однак він буде надто короткозорий, щоб побачити атмосфери планет, не кажучи вже про океанах.

«Дуже складно дивитися на щось настільки маленьке — розміром із Землю, проходить перед зіркою бачити слабкий блиск атмосфери», говорить Мейнке. «Є плани на майбутні телескопи, які будуть в змозі це робити, і я думаю, що ще побачу це на своєму віку. Але Уебб не зможе підтвердити наявність води на планеті земного типу».

Телескопи, здатні візуалізувати океани і наземні маси іншого світу, ймовірно, знаходяться від нас на пару десятиліть. І навіть тоді дозвіл, ймовірно, буде обмежено пікселем або двома для всієї планети. Ось як може виглядати одне із самих видатних відкриттів в історії науки — наш перший прямий погляд на світ, подібний нашому власному: колір одного пікселя буде періодично змінюватися з синього на коричневий, немов у пируэтах, по черзі являючи землі і моря нашим очам.

Поки цей день настав, ми можемо знайти ознаки існування життя в деяких экзоокеанах набагато ближче до дому. І ближче всіх до нас такий океан на Енцеладі, плюс у нього є всі умови, необхідні для життя. Коли зонд «Кассіні», рухаючись на швидкості майже 30 тисяч кілометрів на годину, пірнув крізь гейзер «Енцелада» в жовтні 2015 року, його інструменти зареєстрували водень, вуглекислий газ і метан, а значить, на цьому супутнику присутній глибоководна гідротермальних активність, як на Землі. «Ми буквально спробували на смак океан Енцелада, пролетівши через шлейф гейзера», говорить Глейн.

Наявність водню, зокрема, було ознакою того, що хімічні реакції між гарячими породами і солоною водою на дні моря Енцелада розбивають воду на водень і кисень. Тіло розміром з Енцелад зазвичай не повинно мати відчутним вмістом водню взагалі, оскільки цей елемент дуже легкий і з невеликого тіла повинен був полетіти в космос давним-давно. Тому водень Енцелада повинен якимось чином постійно поповнюватися, найімовірніше в процесі реакцій води і гарячих порід. Як тільки ми знайдемо водень, ми зможемо укласти, що хімічна енергія присутня і її багато, і це та ж енергія, яку організми в глибинах Землі використовують для проживання та харчування.

Метаногени — тип древніх бактерій, який знаходять всюди у гідротермальних жерл на Землі — об'єднують водень з діоксидом вуглецю, і в процесі цієї реакції вивільняється енергія і метан як побічний продукт. Прості організми зразок таких перші населяли океани Землі. Навіть зараз, через мільярди років після своєї появи, метаногени живуть незалежно від сонячного світла і займають своє місце в дивній харчової ланцюжку, яка підтримує екосистему трубчатих черв'яків і гігантських молюсків.

чи Може якась форма життя, більш складна, ніж бактерії, виникнути на Енцеладі, Європі або в безтурботних глибинах якого-небудь іншого місячного моря? «У цих підповерхневих океанах може бути життя, але джерела енергії для підтримки життя набагато більш складних організмів, яким потрібно більше їжі, можуть виявитися недоступними», говорить Шостак. «Не можна сказати, що цього не могло статися — супутники були там 4,5 мільярди років, тому багатоклітинні штуки там можуть бути, але які-небудь тунці — навряд чи».

Єдиний спосіб відповісти на це питання — відвідати ці світи. NASA вже схвалила місію Europa Clipper, яка розпочнеться в 2024 році і досягне Юпітера до 2030 року. Космічний апарат обігне Європи 45 разів, підійде до її крижаній поверхні на 30 кілометрів. Майбутні місії, які насправді сядуть на Європу, Енцелад або Титан, вже будуть шукати складні амінокислоти та інші біомолекули, вироблені тільки живими істотами.

Маючи тільки один приклад — наш власний світ — неможливо сказати, чи є життя повсякденним або ж неймовірно космічно рідкісним явищем. «Зазвичай вважають, що оскільки копалини або хімічні докази життя йдуть так далеко в минуле, життя з'явилася досить швидко», говорить Глейн. «А люди вважають, що якщо швидко, значить легко».

Легко, важко або десь посередині — неважливо. Тепер ми точно знаємо одне: якщо життя потребує води, води у Всесвіті навалом. Ця частина рівняння для пошуку життя вже вирішена остаточно і безповоротно.