В интервью для научно-популярного канала Event Horizon бывший директор отделения планетных наук и действующий главный ученый NASA Джеймс Грин обсуждает новейшие вехи космических исследований. Ученый подробно раскрывает технические секреты марсохода Perseverance, потенциал первого внеземного вертолета Ingenuity и шансы обнаружить следы древней или современной биосферы на Марсе. Особое внимание Грин уделяет океанам ледяных лун Юпитера и Сатурна, которые, по его мнению, имели достаточно времени для эволюции многоклеточных организмов.
🎤 От магнитосферы до планетных наук: карьера Джеймса Грина 1:36
Исследования Солнечной системы со времен зарождения космической эры продвигаются последовательными шагами: от все более мощных телескопов до автоматических межпланетных станций. Должность главного ученого NASA с мая 2018 года занимает доктор Джеймс Грин. До этого назначения он на протяжении долгого времени руководил Отделением планетных наук в штаб-квартире агентства.
Под непосредственным руководством Грина был успешно реализован целый ряд знаковых космических программ:
- Миссия New Horizons, осуществившая исторический пролет мимо Плутона;
- Аппарат Messenger, исследовавший Меркурий;
- Зонд Juno, работающий на орбите Юпитера;
- Гравиметрическая миссия GRAIL по изучению Луны;
- Аппарат Dawn, посетивший астероид Веста и карликовую планету Церера;
- Посадка и успешная работа марсохода Curiosity в кратере Гейл.
Научный путь Джеймса Грина начал разворачиваться в Университете Айовы, где в 1979 году он получил степень доктора философии в области физики космического пространства. Уже в 1980 году он начал карьеру в Отделе физики магнитосферы Центра космических полетов имени Маршалла. За свои выдающиеся заслуги Грин был удостоен премии Артура С. Флемминга в 1988 году, японской премии Китани в 1996 году за вклад в управление международными научными данными, а также медали NASA за исключительные достижения при реализации миссии к Плутону.
🎙️ Аудиокарта Красной планеты: зачем марсоходу Perseverance два микрофона 2:58
Запуск марсохода Perseverance ознаменовал возвращение американской космонавтики к запускам с собственной территории и открыл новую главу в изучении Марса. Одной из уникальных особенностей этой миссии стало наличие звукозаписывающей аппаратуры. Много лет назад Планетарное общество (Planetary Society) уже пыталось отправить микрофон на Марс, однако тот космический аппарат потерпел крушение, лишив человечество возможности услышать звуки другого мира. Джеймс Грин, будучи главой планетного подразделения NASA, активно поддержал возрождение этой концепции. По его мнению, звуковое сопровождение критически важно для понимания динамики атмосферы при замерзании почвы, дуновении ветра и движении самого ровера.
На борту Perseverance установлены два независимых микрофона:
- Инженерный микрофон. Он закреплен непосредственно на корпусе марсохода и предназначен для мониторинга его технического состояния. Аппарат фиксирует скрипы, треск и шум вращения колес во время движения. Грин поясняет, что любые изменения в акустическом спектре работы узлов позволят инженерам вовремя заметить износ металла или выработку смазки в актуаторах, что поможет скорректировать программу миссии и сберечь дорогостоящие ресурсы.
- Научный микрофон. Этот прибор интегрирован в комплекс камер Mastcam на вершине высокой мачты ровера. Для понимания масштаба Грин приводит личный пример: при его росте в 6 футов 4 дюйма (около 193 см) объективы Mastcam находились бы ровно на уровне его глаз, обеспечивая идеальный стереообзор, эквивалентный человеческому восприятию.
Размещение микрофонов на разной высоте — у поверхности земли и на высоте около двух метров — преследует важную научную цель. Из-за крайне разреженной марсианской атмосферы даже незначительные колебания давления на разной высоте могут влиять на распространение звуковых волн. Ученые планируют сравнить одновременные записи с обоих датчиков. В то же время Грин с иронией замечает, что не ожидает услышать по ночам «стрекотание сверчков», намекая на отсутствие макроскопической фауны.
🌪️ Настоящий марсианский климат: почему бури не страшны марсоходам 7:14
Отвечая на вопрос ведущего о том, что именно смогут зафиксировать микрофоны, Грин предполагает, что приборы обязательно запишут прохождение пылевых дьяволов (микросмерчей), которые регулярно сталкиваются с исследовательскими аппаратами. Из-за того, что марсианская пыль по своей консистенции напоминает тальк, ее соударение с мембраной микрофона будет слышно как отчетливый прерывистый шорох. Дистанция, на которой будет слышен этот шум, напрямую зависит от скорости ветра.
Данные с метеостанций марсохода Curiosity и посадочного модуля Insight позволили NASA накопить колоссальный массив информации о давлении, температуре и ветре, на основе которых были созданы глобальные модели циркуляции атмосферы Марса. Исследования показывают следующие климатические особенности планеты:
- Скорость ветра во время бурь может достигать 125 миль в час (около 200 км/ч);
- Из-за экстремально низкого атмосферного давления такой ветер не способен даже расправить американский флаг на поверхности;
- Глобальные пылевые штормы происходят регулярно во время лета в южном полушарии планеты (каждые 680 земных суток), когда Марс находится в перигелии своей эллиптической орбиты и сильно нагревается солнцем.
Грин подчеркивает, что реальные марсианские бури в корне отличаются от того, что показано в фантастическом фильме «Марсианин» с персонажем Марком Уотни — разрушительных ураганов там быть не может. Пыль поднимается на очень большие высоты и постепенно заволакивает планету, из-за чего день плавно превращается в сумерки, а при сильном шторме наступает полная темнота.
Когда миссии Spirit и Opportunity только высаживались на Марс, инженеры закладывали срок их службы всего в 90 дней, полагая, что оседающая пыль быстро покроет солнечные панели и лишит роботов энергии. Однако несовершенное на тот момент понимание атмосферной динамики преподнесло сюрприз: вихри стали регулярно очищать панели. В результате Opportunity проработал рекордные 14 лет, пока его окончательно не погубил мощнейший глобальный шторм.
Грин с гордостью вспоминает, как марсоход Spirit продолжал выполнять научные задачи, даже когда у него заклинило одно из колес и робот был вынужден тащить его за собой по грунту. В качестве исторической аналогии изобретательности инженеров ученый приводит пример с аппаратами Voyager, чьи примитивные компьютеры эпохи 1960-х годов многократно перепрограммировались «на лету» ради выполнения сложнейших маневров на краю Солнечной системы [13:06 - 13:45].
⚛️ Плутоний и аэрогель: технологии выживания в марсианской мерзлоте 13:58
В отличие от своих предшественников, марсоходы Curiosity и Perseverance не зависят от капризов погоды и солнечного света, поскольку оснащены радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ). Сердцем этой системы является диоксид плутония-238. Процесс генерации энергии устроен следующим образом: ядра нестабильного изотопа плутония распадаются, испуская альфа-частицы (ядра гелия) и превращаясь в уран. Выделяющееся тепло заставляет накопленный плутоний буквально светиться красным цветом. Термопары преобразуют разницу температур в электрическое напряжение, которое непрерывно заряжает бортовые аккумуляторы.
По словам Грина, начальная мощность РИТЭГа составляет около 110–115 Ватт. Из-за естественного распада изотопа она снижается крайне предсказуемо — примерно на 1–2% в год. Через 5, 8 или 10 лет эксплуатации, когда выработка упадет ниже критической отметки, специалисты перейдут на особый режим энергоменеджмента: марсоход будет долго накапливать заряд в батареях, выполнять короткую энергоемкую сессию исследований и снова уходить на зарядку.
Второй важнейшей задачей является защита электроники от экстремального холода. Средняя температура на Марсе составляет от –40 до –50 градусов ниже нуля, а суточные колебания в районе экватора могут достигать 160 градусов по Фаренгейту (около 88 градусов Цельсия) за одни сутки. Чтобы уберечь аккумуляторы, NASA использует уникальный теплоизолятор — аэрогель. Грин отмечает, что это вещество обладает невероятно малым весом и феноменальной эффективностью. Точно такой же аэрогель использовался в космическом аппарате Stardust, который пролетел сквозь хвост кометы, поймал частицы кометной пыли в пористую структуру геля и доставил их на Землю, где они до сих пор изучаются в специальной лаборатории Космического центра имени Джонсона.
🛸 Вертолет Ingenuity: первая авиация на другой планете 20:15
Главной технологической сенсацией миссии Perseverance стал миниатюрный вертолет Ingenuity. Грин сравнивает его значимость с крошечным марсоходом Sojourner из миссии 1997 года: тогда ученые просто доказывали возможность передвижения колесных роботов по Марсу, что привело к созданию тяжелых современных роверов. Вертолет представляет собой кубический корпус размером примерно 5–6 дюймов (около 13–15 см), в котором размещены батарея, камера и радиопередатчик. Подъемную силу обеспечивают соосные четырехфутовые лопасти, которые вращаются в противоположных направлениях на огромных оборотах, что избавляет конструкцию от необходимости в хвостовом винте.
Программа испытаний Ingenuity включает несколько усложняющихся этапов:
- Первый полет: подъем на высоту около 5 футов (1,5 метра), кратковременное зависание и вертикальная посадка.
- Второй полет: подъем, горизонтальное смещение параллельно поверхности на 10 метров и возвращение по U-образной траектории.
- Третий полет: подъем на высоту около 10 футов (3 метра), полет на дистанцию более 50 метров и возвращение строго на точку старта.
Вся собранная информация передается на марсоход, который перенаправляет ее на орбитальные аппараты, выполняющие роль ретрансляторов для связи с Землей. Это избавляет колесные аппараты от необходимости буксировать за собой тяжелые спутниковые тарелки. По мнению Грина, в случае успеха этой демонстрации перед исследователями откроются огромные перспективы. Вертолеты смогут выполнять роль разведчиков, заглядывая за холмы и выявляя коварные песчаные ловушки, в одной из которых в свое время навсегда увяз марсоход Spirit [25:09 - 25:34].
В будущем Грин видит использование целых флотилий крупных дронов, способных исследовать самые недоступные участки Марса. В частности, речь идет о так называемых повторяющихся удлиненных склоновых линиях (RSL) на стенах кратеров. Ученые предполагают, что это следы бромных, очень соленых грунтовых вод, которые прорываются наружу в летний период. По гипотезе NASA, под поверхностью находятся водоносные горизонты (аквиферы), запертые ледяными пробками. Когда солнце нагревает склон, лед сублимируется, и жидкая вода на несколько минут устремляется вниз по склону, после чего испаряется. Вертолеты — единственный тип транспорта, способный подлететь вплотную к этим источникам, чтобы измерить уровень метана и проверить их на наличие жизни.
🌊 Кратер Езеро: дельта древней реки на когда-то «голубом» Марсе 28:14
Местом посадки Perseverance был выбран кратер Езеро, поскольку научное сообщество имеет высокую степень уверенности в том, что именно там могут сохраняться следы древней марсианской жизни. Этот кратер образовался в результате падения крупного метеорита миллиарды лет назад в уникальном месте — там, где разветвленная речная система впадала в огромный марсианский океан. Джеймс Грин напоминает, что в далеком прошлом Марс был по-настоящему «голубой планетой»: до двух третей его северного полушария занимал водный океан, глубина которого в отдельных регионах превышала полторы мили (около 2,4 км). Из-за резкого изменения климата атмосфера истончилась, вода испарилась, превратив Марс в засушливую пустыню.
С орбиты в кратере Езеро отчетливо видна колоссальная по своим масштабам высохшая речная дельта. Потоки воды веками несли сюда донные отложения со всего плато, формируя слои осадочных пород. Грин проводит прямую аналогию с Землей: когда геологи исследуют русла древних высохших земных рек, в их осадочных отложениях всегда находят окаменелые следы микробной жизни. Именно в этих дельтовых отложениях марсианский грунт мог наилучшим образом законсервировать древние биосигнатуры, которые и предстоит обнаружить роверу.
🧬 Инструменты Perseverance и сложнейшая космическая эстафета 31:36
Для поиска наиболее перспективных точек бурения Perseverance использует комплекс приборов на конце своего роботизированного манипулятора. Там установлены ультрафиолетовый спектрометр SHERLOC, изучающий минералогию и органику, и рентгеновский спектрометр PIXL, который облучает породу и по вторичному свечению определяет ее точный химический состав [32:13 - 32:52]. Помогают им макрокамера WATSON (названная так в пару к SHERLOC) и лазер SuperCam на мачте ровера, способный испарять породу для спектрального анализа с расстояния до 20 метров. Кроме того, георадар непрерывно сканирует стратиграфию слоев под колесами марсохода.
Процесс сбора образцов и их последующей доставки выглядит как беспрецедентная многоэтапная эстафета:
- Ровер высверливает цилиндрические керны размером с большой восковой мелок;
- Каждый образец герметично запечатывается в прочную металлическую трубку-рукав;
- Аппарат может пробурить более 40 таких кернов и оставляет их группами на поверхности Марса в виде специальных тайников;
- В рамках будущей совместной миссии NASA и ESA на Марс прибудет небольшой маневренный марсоход (Fetch rover), задача которого — собрать эти разбросанные трубки;
- Собранные капсулы перегрузят во взлетную ракету Mars Ascent Vehicle (MAV), которая стартует с марсианской поверхности и выведет контейнер-сферу на орбиту высотой около 400 километров [36:01 - 36:26];
- Специальный возвращаемый аппарат перехватит контейнер на орбите, покинет Марс и доставит его на Землю.
После прибытия на Землю капсулы будут перемещены в высокозащищенную лабораторию четвертого уровня биологической безопасности (BSL-4). Только после подтверждения полной безопасности образцов к их изучению допустят ведущие мировые институты. Грин считает, что этот грунт станет бесценной геологической летописью, которая позволит понять историю климата Марса и, возможно, найти следы не только микробов, но и древнейшей растительной жизни, как это было на ранней Земле [37:55 - 38:09].
Ученый шутит, что будущие человеческие экспедиции на Марс могли бы повторить успех астронавтов «Аполлона-12», которые демонтировали камеру со старого аппарата Surveyor, и привезти Mastcam обратно на Землю для Смитсоновского музея [38:22 - 38:36].
💨 Загадка «дышащих» газов: метан, кислород и минеральные биосигнатуры 38:36
Одной из самых интригующих загадок современного Марса остаются сезонные выбросы газов. На борту марсохода Curiosity успешно функционирует прибор SAM (Sample Analysis at Mars), разработанный в Центре космических полетов имени Годдарда. Инструмент регулярно производит забор воздуха и фиксирует резкие всплески концентрации метана и свободного кислорода в летний период, которые сменяются падением объемов осенью и зимой [39:16 - 39:28]. При этом кислород исчезает из атмосферы значительно быстрее метана, что ставит ученых в тупик: механизмы его столь быстрой генерации и поглощения до сих пор неизвестны.
Джеймс Грин указывает на то, что метан и кислород считаются главными биогенными газами. Однако на Марсе они могут иметь как биологическое, так и абиотическое (геологическое) происхождение. По одной из версий, газы могут образовываться глубоко под землей в ходе химических реакций между минералами, водой и теплом. Зимой они заперты под почвой, а летом, когда грунт прогревается и становится более пористым, они просачиваются наружу [41:14 - 41:41]. Тем не менее биологическая гипотеза не опровергнута.
Грин предлагает сопоставить все имеющиеся косвенные улики в пользу обитаемости Марса:
- Наличие воды в различных агрегатных состояниях (преимущественно лед, но местами бромные растворы);
- Присутствие биогенных газов (метан, кислород);
- Наличие сложных органических молекул и базовых элементов жизни (углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера) в грунте;
- Высокое содержание нитратов, служащих отличным удобрением и сохраняющих влагу.
Решающий ответ, по мнению ученого, дадут минералогические исследования доставленного грунта. На Земле открыто более 4700 минералов, и около 300 из них могут формироваться исключительно при участии живых организмов. Если хотя бы один из этих специфических минералов обнаружится в марсианских образцах, это, как образно выразился Грин, будет означать «конец игры» и стопроцентное доказательство существования жизни в прошлом. Сегодня, если жизнь на Марсе и уцелела, она обязана скрываться в подземных аквиферах от жесткой радиации на поверхности. Грин подчеркивает уникальность нашей системы, где Венера, Земля и Марс представляют собой разные стадии планетарной эволюции, помогая понять будущее нашей собственной планеты [46:45 - 47:12].
🪐 Ледяные океаны Европы: почему время — главный фактор зарождения жизни 47:27
Джеймс Грин называет Солнечную систему «очень мокрым местом». Колоссальные запасы воды распределены повсюду: в недрах планет-гигантов, на Плутоне и в объектах пояса Койпера [49:36 - 49:48]. На многих открытых экзопланетах у других звезд тоже может быть вода, хотя часть из них рискует оказаться безжизненными аналогами раскаленной Венеры. При этом Грин напоминает, что на заре своего существования Венера, Земля и Марс одновременно являлись полноценными водными мирами. Огромные надежды в анализе атмосфер ближних экзопланет NASA связывает с запуском инфракрасного космического телескопа James Webb, намеченным на октябрь 2021 года [50:55 - 51:47].
Однако самые захватывающие перспективы поиска жизни скрываются не на экзопланетах, а на ледяных лунах внешних областей нашей собственной системы — Европе, Энцеладе, Ганимеде и Обероне. Европа, спутник Юпитера размером с нашу Луну, находится в мощнейшем гравитационном поле планеты-гиганта. Двигаясь по слегка вытянутой орбите, она регулярно переживает приливное сжатие в перицентре и расширение в апоцентре. Как утверждает Грин, из-за этих чудовищных гравитационных тисков ледяная поверхность Европы каждые несколько дней поднимается и опускается на колоссальные 30 метров.
Постоянное трение и деформация генерируют колоссальное внутреннее тепло, которое плавит нижние слои льда и поддерживает гигантский подледный океан в жидком состоянии [53:35 - 53:48]. Для сравнения Грин указывает на спутник Ио, расположенный еще ближе к Юпитеру: там гравитационный нагрев полностью испарил всю воду и лед, превратив луну в сплошной вулканический ад с сотней постоянно действующих вулканов, из-за чего карту Ио приходится полностью перерисовывать каждые 80 лет [54:16 - 54:57]. Европа же находится на идеальном расстоянии, сохраняя свой океан жидким с момента формирования системы 4,5 миллиарда лет назад.
Грин убежден, что ключевым ресурсом для возникновения жизни является время. На Земле биологические процессы зародились не мгновенно, им потребовалась длительная стабилизация условий. Поскольку океан Европы существует без изменений 4,5 миллиарда лет, ученый готов поставить именно на эту луну в споре о внеземной жизни. Более того, по его мнению, там могла эволюционировать не просто примитивная микробная, а сложная многоклеточная жизнь.
В качестве аналогов исследователь приводит земную Антарктиду, где на стыке океана и ледяных щитов процветают уникальные экосистемы, а также глубоководные гидротермальные источники, открытые на Земле в 1978 году [56:33 - 57:14]. Из 300 исследованных земных гидротермальных вентилей (которых на дне океанов могут быть десятки тысяч) каждый буквально кишит слепыми крабами, червями и бактериями, независимо от кислотности или щелочности среды [57:27 - 57:40]. Грин считает, что дно океана Европы устроено идентичным образом.
🛰️ Миссия Europa Clipper и жизнь в инфракрасном свете Юпитера 58:06
Для детального изучения спутника Юпитера NASA готовит миссию Europa Clipper. Открытия последних десяти лет доказали, что подледный океан активно взаимодействует с поверхностью. На Европе практически нет метеоритных кратеров, поскольку прорывающаяся снизу вода оперативно заполняет и разглаживает любые шрамы от ударов. Спутник буквально испещрен трещинами, а телескоп Hubble зафиксировал гигантские водяные гейзеры [58:45 - 58:57]. Перепроверив архивные данные старого зонда Galileo, ученые с изумлением обнаружили, что аппарат дважды пролетал прямо сквозь эти водяные плюмы, но в то время специалисты просто не смогли интерпретировать аномальные показания приборов [59:10 - 59:23].
«Мы надеемся, что жизнь сама выйдет к нам», — заявляет Грин. Зонд Europa Clipper будет вращаться вокруг Юпитера, регулярно выходя из зоны жестких радиационных поясов, совершать близкие пролеты над Европой и целенаправленно проходить сквозь гейзерные выбросы для анализа их состава [59:37 - 1:00:02]. В случае обнаружения органики следующими шагами станут посадочные миссии для проникновения в ледяные трещины.
Говоря о возможной конвергентной эволюции местных организмов, Грин делится завораживающей научной гипотезой. Даже если гипотетически отключить Солнце, Юпитер продолжит ярко светиться в инфракрасном диапазоне. Обладая массой в 300 раз больше земной, эта огромная планета до сих пор остывает после своего рождения, выделяя гигантские объемы тепла (Грин сравнивает Юпитер с горячим пирогом, который только что достали из духовки) [1:00:56 - 1:01:10].
Это мощное инфракрасное излучение непрерывно омывает Европу. Через глубокие ледяные трещины тепловые лучи Юпитера проникают в глобальный океан, что могло стать мощнейшим эволюционным триггером для развития у местных глубоководных существ сложного зрения или биолюминесценции [1:01:24 - 1:02:02]. Обнаружение даже одного уникального коренного микроба на Марсе или Европе, не связанного общим происхождением с Землей, окончательно докажет, что жизнь во Вселенной является правилом, а не редким исключением [1:02:28 - 1:03:11].
📡 Техносигнатуры экзопланет и метановые обитатели Титана 1:03:38
Поиск внеземного разума (SETI) в NASA больше не ограничивается банальным прослушиванием радиоэфира. Современная концепция поиска техносигнатур переживает взрывной рост благодаря открытию тысяч экзопланет. Новые оптические приборы позволят изолировать свет далекой планеты во время ее транзита мимо своей звезды и проводить прецизионный спектральный анализ атмосферы [1:04:17 - 1:04:45]. Как утверждает Грин, ученые смогут выявлять специфические trace-газы — искусственные промышленные загрязнения, свидетельствующие о развитой индустриальной цивилизации.
Наблюдая за изменением альбедо (отражательной способности) по мере вращения планеты, можно будет картировать океаны, материки и облачные покрова [1:05:12 - 1:05:24]. Более того, приборы смогут фиксировать избыточное тепловое излучение на ночной стороне экзопланет, указывающее на выбросы энергии от мегаполисов или искусственное освещение [1:05:38 - 1:06:04]. Грин подчеркивает: планет во Вселенной официально больше, чем звезд, и у астрономов впереди колоссальный объем работы.
В финале беседы ученые затронули тему «странной жизни» на Титане, куда NASA планирует отправить тяжелый квадрокоптер Dragonfly. На Титане царят экстремально низкие температуры, а роль жидкого метаболического агента вместо воды там выполняет жидкий метан [1:06:58 - 1:07:11]. Потенциальные обитатели метановых озер Сатурна будут иметь совершенно чуждую нам биохимию.
В завершение Джеймс Грин рассказал о своем авторском подкасте Gravity Assist («Гравитационный маневр»), который выходит уже четвертый сезон и полностью посвящен поискам жизни [1:07:24 - 1:07:51]. Название проекта родилось из финального вопроса, который Грин задает каждому приглашенному ученому: какое событие, человек или книга послужили для них тем самым импульсом, который, подобно гравитационному маневру планеты для космического зонда, придал им ускорение и определил всю их дальнейшую научную судьбу [1:08:04 - 1:08:16].
