Не только факты №5
Мокрое место: откуда в нашей вселенной вода
Вода в вашем стакане древнее всего, что вы видели в жизни; большая часть ее молекул древнее самого Солнца. Она появилась вскоре после того, как зажглись первые звезды, и с тех пор космический океан подпитывается их термоядерными топками. В подарок от древних звезд Земле достался Мировой океан, а соседним планетам и спутникам – ледники, подземные озера и глобальные океаны Солнечной системы.
1. Большой взрыв
Водород почти так же стар, как сама Вселенная: его атомы появились, как только температура новорожденной Вселенной упала настолько, что смогли существовать протоны и электроны. С тех пор водород уже 14,5 млрд лет остается самым распространенным элементом Вселенной и по массе, и по числу атомов. Облака газа, состоящие в основном из водорода, заполняют весь космос.
В 2011 году астрономы обнаружили в созвездии Персея молодую солнцеподобную звезду, извергавшую целые фонтаны воды. Ускоряясь в мощном магнитном поле звезды, молекулы H20 на скорости, в 80 раз больше скорости пулеметной пули, вырывались из недр звезды и, остывая, превращались в капли воды. Вероятно, такие выбросы молодых звезд – один из источников вещества, в том числе и воды, в межзвездном пространстве.
2. Первые звезды
В результате гравитационного коллапса облаков водорода и гелия появились первые звезды, внутри которых начался термоядерный синтез и образовались новые элементы, в том числе кислород. Кислород и водород дали воду; первые ее молекулы могли сформироваться сразу после появления первых звезд – 12,7 млрд лет назад. В форме очень рассеянного газа она заполняет межзвездное пространство, охлаждая его и таким образом приближая рождение новых звезд.
В 2011 году астрономы нашли самый большой космический резервуар с водой. Он обнаружился в окрестностях огромной и древней черной дыры в 12 млрд световых лет от Земли; воды в нем хватило бы, чтобы заполнить земные океаны 140 трлн раз! Но астрономов больше заинтересовало не количество воды, а ее возраст: ведь расстояние до облака указывает на то, что оно существовало, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего. А значит, уже тогда вода заполняла часть межзвездного пространства.
3. Вокруг звезд
Вода, присутствовавшая в породившем звезду облаке газа, переходит в вещество протопланетного диска и объектов, которые формируются из него, – планет и астероидов. В конце жизни самые массивные звезды взрываются сверхновыми, оставляя после себя туманности, в которых вспыхивают новые звезды.
Вода в Солнечной системе
Ученые полагают, что на Земле есть два хранилища воды. 1. На поверхности: пар, жидкость, лед. Океаны, моря, ледники, реки, озера, атмосферная влага, грунтовые воды, вода в живых клетках. Происхождение: вода комет и астероидов, бомбардировавших Землю 4,1–3,8 млрд лет назад. 2. Между верхней и нижней мантиями. Вода в связанной форме в составе минералов. Происхождение: вода протосолнечного облака межзвездного газа или, по другой версии, вода протосолнечной туманности, возникшей в результате взрыва сверхновой.
В 2011 году американские геологи обнаружили в алмазе, выброшенном на поверхность во время извержения бразильского вулкана, минерал рингвудит с большим содержанием воды. Он сформировался на глубине более 600 км под землей, и вода в составе минерала присутствовала в магме, породившей его. А в 2015 году другая группа геологов, опираясь на данные сейсморазведки, пришла к выводу, что на этой глубине очень много воды – столько же, сколько в Мировом океане на поверхности, если не больше.
Впрочем, если смотреть шире, то кометы и астероиды Солнечной системы позаимствовали свою воду у протосолнечного облака космического газа, а значит, океаны Земли и вода, рассеянная в толще магмы, имеют один древний источник.
• Марс: полярные ледяные шапки, сезонные ручьи, озеро соленой жидкой воды диаметром около 20 км на глубине около 1,5 км.
• Пояс астероидов: вода, вероятно, присутствует на астероидах класса С пояса астероидов, а также пояса Койпера и малых групп астероидов (в том числе земной группы) в связанной форме. Подтверждено наличие гидроксильных групп в минералах астероида Бенну – а это говорит о том, что минералы когда-то входили в контакт с жидкой водой.
• Спутники Юпитера. Европа: океан жидкой воды под толщей льда или вязкий и подвижный лед под слоем твердого льда.
• Ганимед: возможно, не один подледный океан, а несколько слоев льда и соленой воды.
• Каллисто: океан под 10-километровым слоем льда.
• Спутники Сатурна. Мимас: особенности вращения могут объясняться существованием подледного океана или неправильной (вытянутой) формой ядра.
• Энцелад: толщина льда от 10 до 40 км. Сквозь трещины во льду бьют гейзеры. Подо льдом соленый жидкий океан.
• Титан: очень соленый океан в 50 км под поверхностью или соленый лед, простирающийся до каменистого ядра спутника.
• Спутники Нептуна. Тритон: на поверхности водяной и азотный лед и азотные гейзеры. Подо льдом, вероятно, находятся большие объемы жидкого раствора аммиака в воде.
• Плутон: жидкий океан под толщей твердых азота, метана и оксидов углерода может объяснять аномалии орбиты карликовой планеты.
Коллекция заблуждений: Солнце имеет желтый цвет. Или оранжевый
С детсадовских времен мы не колеблемся в выборе цветного карандаша, чтобы изобразить наше главное светило. Если солнышко у горизонта – рисуем его оранжевым, если высоко в небе – желтым. А что, неправильно? Те, кто знают азы астрофизики, конечно в курсе, что Солнце относится к звездам типа «желтый карлик», так что все сходится. Вот разве что есть фильм, название которого явно призвано было звучать парадоксально: «Белое солнце пустыни». Ну, то есть необычное какое-то солнце. Белое...
А оно такое и есть! И пусть нас не обманывают появляющиеся иной раз в журналах снимки солнечной поверхности, сделанные с наземных телескопов и космических аппаратов. Там мы видим, как правило, кипящий оранжевый ад, но эти картинки специально раскрашены так, чтобы соответствовать представлениям большинства землян о цвете солнечной поверхности. Так выглядит более впечатляюще. В Сети можно легко найти и другие снимки, на которых отчетливое видно, что цвет светила — чисто белый. Во всяком случае, именно так его воспринимает человеческий глаз. Если только этот глаз находится за пределами земной атмосферы. Исследования спектра солнечного излучения показывает, что интенсивнее всего Солнце излучает в зеленой части диапазона, однако мы все прекрасно знаем, что атмосфера Земли гораздо лучше пропускает более длинные волны из желто-красной части спектра, а более короткие из зелено-фиолетового сегмента рассеивает. Солнце у горизонта светит на нас сквозь большую толщу воздуха и выглядит оранжево-красным. Высоко в небе оно светлеет, и приобретает светло-желтый оттенок. «Желтят» солнце и всевозможные дымы, дымки и прочие оптические загрязнители атмосферы. Вот почему в пустыне, где небо чисто и безоблачно, Солнце кажется особенно белым, то есть практически таким, каким его видно из космоса.
«Желтые карлики», которые на самом деле белые, имеют температуру поверхности 5000;6000K (у Солнца 5778K). Оранжево-красные звезды «жарят» куда менее интенсивно (в районе 3000К), в синем спектре излучают голубые гиганты с температурой поверхности 10000K и более. Кстати, звезды называемые «белыми карликами», тоже существуют, и, более того, наше Солнце, по-видимому, станет одним из них. Пройдя фазу красного гиганта, светило сбросит рыхлую газовую оболочку, которая станет туманностью, а на его месте останется сверхплотное, очень массивное, но крошечное горячее светящееся ядро размером с Землю. Это произойдет примерно через 8 млрд лет.
Телескоп «Хаббл» поймал вспышку яркой сверхновой в спиральной галактике NGC 2525. Падение ее яркости удалось запечатлеть во времени и создать захватывающий таймлапс.
Увидеть сверхновые такой яркости — редкое зрелище. «Хаббл» не только смог поймать вспышку звезды, но и запечатлеть на видео падение ее светимости.
Сверхновые — вспышки массивных звезд, в ходе которых они теряют внешние оболочки и становятся белыми карликами, черными дырами или нейтронными звездами. В результате вспышки сверхновой звезда в течение короткого времени увеличивает свою яркость на 4-8 порядков.
На сегодня с помощью наземных и космических телескопов астрономы смогли наблюдать несколько сотен сверхновых и еще больше кандидатов в этот тип звезд. Новая вспышка, пришедшая к нам из галактики NGC 2525, прошла 70 миллионов световых лет, прежде чем достигнуть Земли.
Сверхновые, подобные той, что удалось наблюдать телескопу «Хаббл», можно использовать в качестве стандартной свечи. Стандартные свечи — это источники света с известной светимостью, которые находятся на известном расстоянии от наблюдателя. Благодаря им можно измерять расстояния до далеких космических объектов и вычислять их физические свойства, такие как масса и абсолютная звездная величина.
Где мы можем найти жизнь в космосе — четыре «адреса»
В нашей Солнечной системе условия для появления и существования жизни есть не только на Земле. Исследования показали, что на простейшие живые организмы мы можем наткнуться и на других планетах, а также на некоторых спутниках газовых гигантов.
Биосфера Земли содержит все ингредиенты, необходимые для жизни. Но недавнее открытие, возможно, биогенного фосфина в облаках Венеры, лишний раз показало, что в этом плане Земля не уникальна — по крайней мере, некоторые из этих ингредиентов существуют и в других местах Солнечной системы. Так где же находятся другие наиболее перспективные для поиска жизни места?
Марс
Красная планета — один из самых похожих на Землю миров Солнечной системы. Его сутки составляют 24,5 земных часов (возможно, хотя вряд ли, люди прилетели с Марса и именно этой половины часа нам постоянно не хватает, чтобы выспаться, да и меньшая сила притяжения могла бы объяснить хронические боли в спине у людей на Земле). Также на Марсе есть полярные ледяные шапки, которые меняются в размерах, в зависимости от времени года, и множество русел, которые были проложены текущей водой.
Недавно под южной полярной ледяной шапкой Марса было обнаружено озеро, а до этого в марсианской атмосфере нашли метан, который мог появиться в результате биологических процессов. Все это делает Марс очень интересным кандидатом на звание обитаемого мира.
Европа
Спутник Европа был открыт Галилео Галилеем в 1610 году вместе с тремя другими наиболее крупными спутниками Юпитера. Он немного меньше Луны и вращается вокруг газового гиганта на расстоянии около 670 000 км, делая полный оборот за 3,5 дня. Европа постоянно сжимается и слегка деформируется в результате воздействия гравитационных полей Юпитера и других спутников. Этот процесс известен как приливное изгибание.
Считается, что Европа — геологически активный мир, как и Земля, потому что деформация нагревает ее недра и расплавляет ядро. Поверхность Европы покрыта льдами, а под ними, как думают ученые, находится слой жидкой воды — огромный океан глубиной более 100 км.
Доказательством существования океана стали гейзеры, бьющие сквозь трещины во льдах, а также слабое магнитное поле и хаотичный рельеф поверхности, что говорит об океанических течениях. Ледяной же щит изолирует подземный океан от холода космоса и вакуума, а также от радиации.
Вполне возможно, что на дне этого океана есть гидротермальные источники и вулканы, возле которых на Земле образуются богатые и разнообразные экосистемы.
Энцелад
Как и Европа, Энцелад — это покрытая льдом луна с океаном жидкой воды под ним. Спутник вращается вокруг Сатурна и впервые привлек внимание ученых как потенциально обитаемый мир после открытия на нем огромных гейзеров, которые бьют возле южного полюса.
Струи воды появляются из больших трещин на поверхности спутника. Это явное свидетельство существования подо льдами океана жидкой воды. В гейзерах была обнаружена не только вода, но и множество органических молекул и, что особенно важно, в них присутствовали крошечные крупинки твердых силикатных частиц, которые могут образовываться только в том случае, если подповерхностная вода океана контактирует со скалистым дном при температурах не менее 90 градусов по Цельсию. Это очень убедительное доказательство существования гидротермальных источников на дне океана, необходимых для зарождения жизни.
Титан
Титан — самый большой спутник Сатурна и единственный спутник в Солнечной системе с атмосферой, представляющей собой густую оранжевую дымку, состоящую из сложных органических молекул. Здесь идут дожди, есть засушливые периоды и песчаные дюны, создаваемые ветрами.
Атмосфера спутника состоит, в основном, из азота — важного химического элемента для построения белков, которые присутствуют во всех известных нам формах жизни. Радиолокационные наблюдения выявили наличие на поверхности Титана рек и озер жидкого метана и этана. На нем возможно существование криовулканов — вулканоподобных образований, извергающих жидкую воду, а не лаву. Это говорит о том, что Титан, как Европа или Энцелад, имеет запас жидкой воды под своей поверхностью.
На таком огромном расстоянии от Солнца температура поверхности Титана составляет –180 градусов по Цельсию, но обилие химических веществ на Титане заставляет задуматься о том, что на спутнике возможна жизнь. Но потенциально у нее будет совершенно другой химический состав, нежели у земных организмов.