Зачем и как астрономы ищут воду за пределами Земли

Зачем искать воду

Почему ученые придают воде такое значение? Во-первых, человечество не теряет надежду обнаружить другую жизнь во Вселенной, пусть даже и неразумную — в виде бактерий или микробов. Все земные организмы в основном состоят из воды и используют ее для метаболизма. Вода — универсальный растворитель, среда для химических реакций, переносчик веществ внутри клеток. В водной среде 3,5 млрд лет назад зародилась жизнь на Земле. Поэтому логично предположить, что к инопланетянам людей приведет именно жидкая вода. 

Из-за этого поиск внеземной жизни фактически начинается с поиска воды. В NASA даже сформулировали лозунг: «Follow the water» («Ищи воду»). Этот принцип направлял космические экспедиции последних десятилетий. Марсоходы целенаправленно отправляли в места, где могли быть древние реки и озера, чтобы искать там возможные ископаемые микробы. Экспедиции к спутнику Юпитера Европе, или к спутникам Сатурна Энцеладу и Титану финансируют потому, что там есть покрытые льдом океаны. А значит, потенциальные очаги жизни.

Например, ученые давно вынашивают идею пробурить ледяную кору Европы или Энцелада. Это технически сложная и очень дорогая задача. Современные аппараты едва могут пробурить лунный или марсианский грунт на пару метров. Это не говоря о том, что такие зонды нужно сначала доставить к спутникам дальних планет, что тоже нелегко. Однако исследователи не отказываются от слишком дерзких планов. Их мотивирует шанс найти живые микроорганизмы в одном из инопланетных океанов. 

Уже сейчас планируются аппараты, которые смогут летать сквозь гейзеры Энцелада и собирать пробы. По мнению ученых, это один из самых быстрых способов найти внеземных микробов — как подставить чашку под водопад. В случае Европы задача сложнее, но миссия Europa Clipper будет искать сравнительно теплые участки, где вода может находиться ближе к поверхности. Если повезет, среди трещин во льдах спутника найдут те, через которые просачивалась вода. Тогда будущий посадочный аппарат сможет изучить замерзшие остатки океана на наличие органики.

Там могут быть условия для заселения земными организмами или для будущих колонистов. Так, лунный лед рассматривается как ресурс для лунных баз — его можно растопить и получить воду для питья, расщепить на кислород для дыхания и водород для ракетного топлива. На Марсе лед также станет источником воды для первых экспедиций.

По этим же соображениям запасы воды изучают в контексте возможности добывать полезные ископаемые в космосе. Как рассказал нам астроном Леонид Еленин, пройдет не один десяток лет, прежде чем человечество сможет заняться разработкой, например, астероидов. Сейчас нет технологий, которые позволят пробурить кору Луны или Марса даже на один километр, не говоря уже о создании таких скважин, как Кольская сверхглубокая. Поэтому сейчас проще и дешевле добывать ископаемые на Земле. Однако еще до конца века нужные технологии могут появиться. Тогда «космические шахты» будут нуждаться в топливе и других ресурсах, которые можно получить благодаря воде. И легче будет добывать их прямо в космосе, например, в основном поясе астероидов, чем доставлять с Земли.

Есть и третье, менее очевидное применение данным о воде вне Земли. Они помогают узнать больше об истории нашей собственной планеты и о том, что ее ожидает в будущем. Например, оказалось, что вода играет важную роль в процессах формирования планет и структурирования молодого диска вокруг звезды. Это позволяет астрономам разобраться, как появились Земля и другие планеты Солнечной системы. А изучение изотопов воды помогает понять происхождение земной воды и цепочки переноса льда внутри Солнечной системы.

Доказательства: как мы узнаем о воде вне Земли

Как же ученые обнаруживают воду на далеких планетах и лунах? Существуют различные методы, научные программы и приборы, с помощью которых удается разглядеть воду даже за миллионы километров.

Один из них — спектрометрия. Вода имеет характерные спектральные линии — очень узнаваемые следы в отраженном или пропущенном свете. Зонды и телескопы оснащены спектрометрами, которые фиксируют наличие воды по этим признакам. Например, прибор M³ на борту «Чандраян-1» выявил на Луне поглощение света на длинах волн 2,8–3 μm, соответствующее молекулам воды/гидроксила. Так был впервые спектрально подтвержден лед в лунных полярных кратерах.

На Марсе орбитальные спектрометры (Mars Express OMEGA, MRO CRISM) обнаружили минералы — гематит, глины, сульфаты, — которые образуются только при длительном контакте с водой. А в атмосфере Марса детектировали пар H₂O и даже периодически — тонкие облака из водяного льда. Спектральный анализ с Земли помог найти воду в атмосферах других планет: так, в 1960-х годах был впервые обнаружен пар в атмосфере Юпитера, позже — на Сатурне и даже крошечном Энцеладе, когда тот проходил перед звездой и «подсветил» состав своих шлейфов. Сейчас спектрометрия — главный способ поиска воды на экзопланетах.

NASAПризнаки наличия воды, обнаруженные в сверхгорячей атмосфере экзопланеты WASP-18 b телескопом Джеймса Уэбба.

Воду также помогают найти радиолокация и нейтронные датчики. Лед хорошо отличается от горных пород по отражению радиоволн. Например, лунный радар Mini-SAR на борту «Чандраян-1» просканировал полюса Луны и обнаружил зоны с повышенным радиосигналом и поляризацией, что указывало на наличие чистого льда в глубине кратеров. Нейтронный спектрометр LEND на LRO измерял поток нейтронов от лунной поверхности: избыток водорода в составе H₂O «гасит» нейтроны. Эти данные помогли картировать богатые льдом районы и выбрать место удара LCROSS. Аналогичные приборы на марсианских орбитальных аппаратах показали, что под тонким слоем грунта почти повсеместно есть водяной лед. Особенно высокое содержание водорода обнаружено в приполярных широтах Красной планеты.

Кроме того, орбитальные радары, такие как MRO SHARAD и Mars Express MARSIS, способны «просвечивать» толщу полярных шапок Марса и выявлять границы слоев льда. Именно по радарным данным измерена толщина марсианских шапок и замечены мощные отражающие слои, которые могут указывать на жидкую воду подо льдом. На Земле таким же способом обнаруживают подледные озера в Антарктиде.

Иногда астрономы ищут воду, ориентируясь на фото космического тела и знания геологии. Обычные камеры тоже много рассказывают о воде — по косвенным признакам. Фотографии ландшафтов с орбиты позволяют различить сухие русла рек, дельты, береговые линии, следы наводнений и оползней. Так, еще на снимках миссий «Викинг», сделанных в 1970-е, на Марсе увидели разветвленные долины, поразительно похожие на дельты земных рек. Это убедительное свидетельство наличия проточной воды в прошлом.

Высокое разрешение современной съемки, такое как у камеры MRO HiRISE, позволило рассмотреть даже мелкие ручьи и отложения. К примеру, в кратере Эберсвальде прекрасно сохранилась дельта реки — треугольный нанос, сложенный осадочными породами, с каналами и притоками. Это доказывает, что в том кратере некогда плескалось озеро, в которое впадала река.

На фотографиях Марса также заметны сезонные потемнения склонов — гипотетические ручейки соляного раствора, стекающие летом (правда, их природа до конца непонятна и может быть связана просто с потоком песка). Марсоходы и посадочные аппараты снабжены камерами и микроскопами, которые нашли в марсианских породах структуры выветривания водой: округлые конкреции, трещины высыхания, отложения в слоях, полированные гальки в руслах. Все это — геологические доказательства присутствия воды в прошлом. На Европе и Энцеладе камеры засняли трещины, гейзеры и свежие ледяные поля, что указывает на недавнюю геологическую активность воды. А аппарат New Horizons передал фото поверхности Плутона с горами из водяного льда и гигантскими разломами — они возникли, когда внутренний океан частично замерз и расширился, раздвинув корку.

Когда есть возможность, ученые предпочитают проводить прямой забор проб. Самый надежный способ найти воду — взять ее образец. Пока что такая честь выпала лишь немногим экспедициям. Космический зонд Cassini пролетал через шлейф Энцелада и прямо «понюхал» воду: его масс-спектрометр проанализировал частицы и газы, подтвердив H₂O, простые органические вещества и даже водород. В 1986 году спектрометры кометной плазмы «ПЛАЗМАГ», установленные на станциях «Вега-1» и «Вега-2», обнаружил наличие водяного пара в составе кометы Галлея. 

Марсианские посадочные аппараты брали пробы грунта. Например, Phoenix (2008) нагревал грунт в печи и уловил пары воды, доказав наличие льда в арктической почве Марса. Тот же зонд сфотографировал, как кусочки белого вещества в ямке постепенно испаряются — явный признак водяного льда. Curiosity (2012) просверлил породы в кратере Гейл и с помощью прибора DAN установил, что содержание воды в грунте на дне кратера составляет от 0 до 6%. Марсианский грунт имеет двухслойную структуру. На поверхности он сухой (содержание H₂O не превышает 1% по массе), но на глубине до одного метра — более «влажный» (в некоторых местах содержание H₂O достигает 4% по массе).

Китайская экспедиция «Чанъэ-5» (2020) доставила на Землю грунт Луны, и анализ показал около 30 ppm (частей на миллион) воды в минералах. Это ничтожно мало, но эта капля важна для понимания распределения воды на Луне. В будущем планируется прямое использование льда in situ: например, разработчики лунных баз предполагают плавить лед, полученный из породы в постоянно затененных кратерах вблизи полюсов.

Каждый из этих подходов и приборов дает свои доказательства наличия в космосе ценной влаги. Часто они работают вместе. Например, чтобы подтвердить наличие льда на Луне, спектрометры сначала обнаружили водород, затем радар увидел признаки льда, потом ударный зонд выбил облако вещества, а спектральный анализ облака нашел там воду. Поэтому наличие воды теперь считается установленным для многих внеземных объектов, хотя формы у нее бывают самые разные — от молекул H₂O, входящих в кристаллическую решетку минералов до прозрачного пара, и от твердого льда до солёной жижи.