Тайна земных океанов

Данные, добытые в ходе космической одиссеи аппарата «Розетта», поставили под сомнение одну из самых популярных гипотез образования водной оболочки нашей планеты.

Совершив 12 ноября 2014 года героическую посадку на поверхность кометы Чурюмова—Герасименко (ее альтернативное техническое обозначение — комета 67Р), исследовательский модуль Philae космического аппарата «Розетта» стал одним из главных научных героев уходящего 2014 года.

Красочные детали этого сложнейшего технического действа подробно описывались ведущими мировыми СМИ, поэтому здесь мы ограничимся лишь кратким дайджестом долгой межпланетной одиссеи «Розетты».

Зонд Европейского космического агентства (ESA) «Розетта» стартовал 2 марта 2004 года с космодрома Куру. Главной целью этой научной миссии было заявлено детальное изучение известной до этого лишь узким специалистам кометы, открытой в 1969 году советскими астрофизиками: первой ее случайно обнаружила в августе 1969 года молодая сотрудница Алма-Атинской обсерватории Светлана Герасименко, а месяц спустя ее научный руководитель Клим Чурюмов, работавший в Киевском университете, изучив сделанные Герасименко фотоснимки, окончательно идентифицировал новый космический объект. Согласно последним оценкам, масса кометы составляет 10^13 кг, а размеры ее ядра — от двух до четырех с небольшим километров.

Первоначально целью миссии «Розетты» в космосе была комета Виртанена, открытая в 1948 году. Однако из-за технических неполадок старт зонда в начале 2003 года был отложен, «окно» для запуска закрылось, и специалистам ESA пришлось срочно искать новый объект для исследований.

Проведенные учеными дополнительные изыскания показали, что лучшей заменой комете Виртанена является именно комета Чурюмова—Герасименко/67Р, которая должна была оказаться в относительной близости от Земли к моменту завершения космическим зондом нескольких точно рассчитанных заранее вспомогательных гравитационных маневров.

Орбиты этой кометы «Розетта» достигла спустя десять лет и три месяца после старта, в июле 2014 года, преодолев в общей сложности около 6,4 млрд километров пути.

Успешную посадку отделившегося от «Розетты» спускаемого аппарата Philae на комету 67Р многие эксперты относят к числу эпохальных событий в истории космонавтики XXI века. Причем несмотря на то, что сам процесс «приземления» Philae на комету был далеко не идеальным (модуль попал в затененную зону среди нависающих скал и не смог четко зафиксироваться на ее поверхности), научные инструменты модуля оказались неповрежденными и смогли собрать и отослать на Землю обширную коллекцию данных о 67P.

Кометная гипотеза

Десятого декабря в журнале Science были опубликованы первые по-настоящему значимые результаты работы, проделанной «Розеттой» еще на начальном этапе ее околокометных изысканий: данные химических анализов изотопного состава водяного пара, испаряемого с поверхности объекта 67P (эту информацию космический зонд смог получить еще в августе 2014-го, задолго до посадки модуля Philae).

Изотопный анализ воды, содержащейся на поверхности кометы, был одной из важнейших научных задач, поставленных перед «Розеттой». Дело в том, что на протяжении уже нескольких десятилетий ученые упорно пытаются найти ответ на принципиальный вопрос, какие именно типы небесных тел, регулярно бомбардировавших Землю, были невольными виновниками обильного пополнения нашей планеты водными ресурсами на ранних этапах ее формирования в Солнечной системе.

Согласно мейнстримовским научным теориям, хотя более двух третей поверхности Земли покрыто водной оболочкой, это нынешнее водное изобилие очень трудно объяснить, исходя из специфики ее эволюции: по канонам космологии наша планета в момент образования из протопланетарного газопылевого диска находилась слишком близко от Солнца, и сильный жар нашего светила должен был практически полностью испарить всю жидкость, которая могла изначально образоваться на ее поверхности.

Тем не менее за несколько миллиардов лет, прошедших с момента исходного формирования Земли, наша планета каким-то чудесным образом смогла обзавестись очень мощной водной оболочкой. И одним из наиболее правдоподобных объяснений этого эволюционного фокуса вплоть до самого недавнего времени и была так называемая кометная гипотеза, а именно предположительное активное участие в быстром накоплении Землей водных ресурсов регулярно контактировавших с ее поверхностью инородных небесных тел, комет — маленьких космических объектов, вращающихся вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам, в состав которых помимо всего прочего входят различные замерзшие газы, в том числе водяной лед.

Кометы казались наиболее перспективными кандидатами на эту роль прежде всего потому, что подавляющее их большинство обитает ближе к границам Солнечной системы, то есть почти не подвержено тепловому влиянию нашего светила (за исключением, разумеется, тех относительно коротких периодов своего путешествия в космическом пространстве, когда они приближаются к Солнцу), и следовательно, они могут на протяжении сотен миллионов лет сохранять замерзший лед в нетронутом состоянии.

В свою очередь, сравнение среднего долевого содержания тяжелых атомов водорода (как известно, ядро редкого тяжелого изотопа водорода, дейтерия, состоит из одного протона и одного нейтрона, тогда как обычный водород этого нейтрона лишен) в составе кометной воды с аналогичными изотопными характеристиками природной воды на Земле, по мнению ученых, считается одним из наиболее простых и эффективных методов, позволяющих с достаточно высокой степенью вероятности верифицировать это предположение.

Как известно, в земной воде в среднем на каждые 10 тыс. молекул Н2О приходится лишь три, содержащие тяжелые атомы водорода-дейтерия. И если бы анализ изотопного состава воды на различных кометах дал схожие результаты, это стало бы очень серьезным аргументом в пользу кометной гипотезы.

Однако, как показали данные свежих анализов изотопного состава водяного пара кометы Чурюмова—Герасименко, полученные при помощи специального спектрографа ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis), которым был снабжен зонд «Розетта», содержание в нем атомов дейтерия оказалось аномально высоким — примерно в 3,4 раза выше, чем в земной воде.

Профессор Бернского университета Катрин Альтвегг, научный куратор экспериментального модуля ROSINA и одновременно ключевой автор статьи, опубликованной в Science, отмечает в связи с этим следующее: «Процентное соотношение между атомами тяжелой и обычной воды очень устойчиво и не может резко поменяться даже по прошествии очень длительного по любым космическим меркам времени. Поэтому столь неожиданный результат наших анализов вполне может окончательно похоронить кометную гипотезу происхождения воды на нашей планете и вынуждает нас заняться поисками альтернативных идей».

На задворках Солнечной системы

Безусловно, ставить жирный крест на столь симпатичной кометной версии еще слишком рано, поскольку достоверных данных об изотопных характеристиках воды на поверхности этих небесных объектов наукой до сих пор накоплено очень мало.

Сейчас ученые располагают информацией на сей счет всего из 11 различных источников, собранных на протяжении последних 25–30 лет в результате исследований единичных залетных экземпляров комет, удачно подвернувшихся под руку курсирующим в околоземном пространстве искусственным космическим аппаратам.

Однако пока особых оснований для оптимизма все эти полученные данные действительно не дают: лишь в одном из упомянутых 11 случаев, а именно при исследовании состава воды кометы 103P/Hartley 2, осуществленном в 2011 году при помощи космического телескопа ESA Herschel, ученые установили, что по своим изотопным характеристикам она практически полностью соответствует земной. Относительно благоприятными можно также считать результаты анализа воды родственной Hartley 2 кометы, относящейся к типу комет семейства Юпитера, — 454/H-M-P. В то же время во всех остальных девяти случаях расхождения в изотопном составе проанализированных образцов по сравнению с земным эталоном были весьма серьезными.

Так, не слишком порадовал специалистов самый первый полученный ими образец — вода со знаменитой кометы Галлея, очень яркой короткопериодической кометы (и к слову, единственной представительницы этого класса, хорошо видимой в небе без помощи специальных приборов), регулярно приближающейся к Солнцу примерно каждые 75–76 лет на протяжении многих столетий.

В 1986 году комету Галлея подробно обследовал космический зонд «Джотто», которому помимо всего прочего удалось получить столь желанную информацию об изотопном составе ее воды. Проанализировав эти данные, ученые пришли к выводу, что содержание в ней тяжелой воды примерно вдвое выше, чем на Земле.

Правда, этот первый блин комом не сильно расстроил ученых: большая часть экспертного сообщества тогда посчитала, что данные по комете Галлея могут быть лишь случайным отклонением от нормы.

Одним из возможных теоретических объяснений этой девиации, в частности, было предположение, что у разного типа комет могут быть совершенно различные изотопные характеристики состава воды. Так, хотя большинство короткопериодических комет (с орбитальным периодом обращения менее 20 лет) относится к вышеупомянутому семейству Юпитера (общее число идентифицированных комет этого семейства составляет более 400), кометы галлеевского типа, к числу которых наука относит порядка 50 известных экземпляров, имеют несколько отличные от юпитерианских характеристики: в частности, их орбитальный период выше (разброс составляет от 20 до 200 лет) и, что не менее важно, они, по всей видимости, на раннем этапе своего существования были долгопериодическими кометами, орбиты которых позднее укоротились под влиянием гравитационного притяжения планет-гигантов.

Причем, согласно текущим представлениям астрофизиков, два самых больших класса комет, долгопериодические и короткопериодические, имеют совершенно разное космическое происхождение. По части первых, долгопериодических (период обращения более 200 лет), общий консенсус пока состоит в том, что они большую часть своего времени пребывают в практически неисследованном наукой облаке Оорта — полугипотетическом огромном кометном рое, предполагаемое расстояние до которого от Солнца — от 50 тыс. до 100 тыс. астрономических единиц (а. е.; 1 а. е. равна среднему расстоянию от Земли до Солнца, это примерно 150 млн километров). Наши знания об облаке Оорта (если оно вообще существует в природе), как это ни удивительно, крайне скудны, оценки возможной суммарной массы составляющих его объектов сильно разнятся, но, скорее всего, именно в нем и скрываются от нас основные представители пестрого кометного зверинца.

Что же касается короткопериодических комет, то вплоть до недавнего времени ученые полагали, что они главным образом происходят из куда более близкого к нам пояса Койпера (или Эджворта—Койпера) — относительно плоского диска небесных объектов, расстояние до которого от Солнца составляет от 30 до 50 а. е. (например, в 30 а. е. от нашего светила пребывает Нептун). Любопытно при этом отметить, что само существование пояса Койпера было впервые экспериментально подтверждено лишь в начале 1990-х, и до сих пор общее число достоверно известных науке его обитателей весьма невелико.

Однако в результате длительных наблюдений за различными малыми небесными телами Солнечной системы, проводившихся в течение последних двух десятилетий, возникла и быстро набрала солидный научный вес новая теория, согласно которой короткопериодические кометы в основном населяют другой таинственный регион, так называемую область рассеянного диска (scattered disc; в русском языке до сих пор нет устоявшегося перевода этого английского термина), внутренняя граница которого якобы частично перекрывается поясом Койпера, тогда как внешняя находится на значительно большем расстоянии от Солнца.

Во избежание терминологической неразберихи пока астрофизики предпочитают относить большинство удаленных (и практически невидимых современными приборами наблюдения) малых небесных объектов Солнечной системы к условному подмножеству так называемого семейства транснептуновых объектов (ТНО).

В поисках альтернатив

Возвращаясь наконец к исходной теме, то есть к исследованиям изотопного состава воды различных типов и видов комет, обитающих в Солнечной системе, уточним, что после не слишком радостных данных по комете Галлея исследователи обратили свои страждущие взоры на предположительных представителей другого класса — долгопериодические кометы, обитателей облака Оорта. Две такие яркие кометы, Hyakutake и Hale-Bopp, ненадолго приблизившиеся к Земле, были успешно протестированы учеными в 1996 и 1997 годах соответственно, но и у них содержание дейтерия в воде оказалось существенно выше ожидаемого (примерно таким же, как у кометы Галлея).

В прошлом десятилетии удалось получить информацию еще примерно о полудюжине оортовских комет, и опять-таки результаты анализов были малоутешительными для сторонников кометной гипотезы.

В 2011 году, как упоминалось выше, благодаря новым данным о комете 103P/Hartley 2 вроде бы наконец появилась надежда, что эту гипотезу все-таки не стоит списывать со счетов, но последние по времени анализы кометы Чурюмова—Герасименко, предположительно являющейся по большей части обитательницей пояса Койпера (а может, и пресловутой области рассеянного диска), стали очередным холодным душем.

Резюмируя не слишком веселые промежуточные итоги анализов изотопного состава воды в кометах, авторы статьи в Science решились сделать весьма ответственное умозаключение: кометы едва ли могли быть источником сколько-нибудь серьезной подпитки Земли водой в ее ранней истории, и если и стоит искать в Солнечной системе других возможных кандидатов на это, то таковыми, по всей видимости, могут быть только астероиды.

Почему астероиды? Ну во-первых, хотя бы потому, что других креативных идей у современной науки практически не осталось (про единственную достойную альтернативу см. чуть ниже1). А во-вторых (и это, пожалуй, куда существеннее), потому, что спектроскопический анализ многочисленных метеоритов, добравшихся до поверхности Земли, практически все из которых, по мнению ученых, являются именно фрагментами астероидов, показал, что молекулы воды, идентифицированные в некоторых из этих объектов (внутри глинистых минеральных пород), практически ничем не отличаются от обычных земных молекул H2O.

Как известно, основная часть астероидов (относительно небольших объектов или малых планет, состоящих из твердых/каменистых материалов) в нашей Солнечной системе сосредоточена в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. По мнению Катрин Альтвегг и ее коллег, именно мощные бомбардировки Земли многочисленными астероидами, предположительно достигшие своего пика спустя примерно 800 млн лет после образования Солнечной системы, и могли привести к быстрому накоплению воды на поверхности нашей планеты.

Впрочем, хотя общее число известных науке астероидов уже превышает 300 тыс. единиц (формально астероидами считаются тела диаметром более 30 м), их совокупная масса в главном астероидном поясе составляет, по текущим оценкам, всего лишь около 4% массы нашего скромного спутника — Луны. Поэтому, несмотря на всю привлекательность астероидной гипотезы, полагать, что именно они были основными поставщиками воды, столь нужной для появления биоты на Земле, наверное, было бы несколько наивно (что, разумеется, отнюдь не исключает их возможной важной роли в этом процессе).

И тогда (если не надеяться на очередной пересмотр «кометного дела»), по сути, остается лишь попробовать реанимировать третий сценарий, сторонников которого среди астрофизиков, кстати, не так уж мало, а именно предположить, что на самом деле вода на поверхности нашей планеты, образовавшаяся на самых ранних этапах ее формирования, все-таки не была полностью испарена жаркими лучами молодого Солнца и смогла в той или иной форме сохраниться вплоть до наступления лучших времен. Возможных вариантов такого развития событий тоже может быть много, упомянем лишь о двух наиболее очевидных. Согласно первому, атмосфера ранней Земли была значительно более плотной, чем сегодня, что помогло воде на ее поверхности (или ее части) удержаться ниже точки кипения. Второй разумный вариант заключается в том, что эта вода просто на время ушла в глубь Земли, образовав так называемый первобытный, или глубинный, океан, и часть этих скрытых водных ресурсов позднее просочилась обратно на ее поверхность.