Вердикт для Европы: найдет ли Europa Clipper признаки жизни на спутнике Юпитера?

14 октября 2024 года NASA запустило к планетной системе Юпитера миссию Europa Clipper. Главной задачей космического аппарата станет детальное исследование ледяного спутника Юпитера — Европы. Но этот анализ будет существенно отличаться ото всех предыдущих исследований юпитерианского спутника, ведь его главной целью станет выяснение пригодности Европы для жизни. Предлагаем подробно рассмотреть, как именно космический аппарат будет исследовать один из самых привлекательных для колонизации спутников Солнечной системы.

Приближаясь к Европе: исследования прошлых лет

Интерес к Европе возник у NASA еще в 70-х годах прошлого века. В 1972 и 1973 годах соответственно в отдаленные уголки Солнечной системы были последовательно запущены два космических зонда: Pioneer 10 и Pioneer 11. Именно они стали первыми космическими аппаратами, которые по достижении Юпитера предоставили ученым снимки Европы.

Pioneer 10 вообще первым из космических аппаратов преодолел Главный пояс астероидов, пролетев мимо Европы 3 декабря 1973 года. Тогда дистанция до спутника составила 321 000 км (несколько ближе, чем Луна к Земле). Спустя ровно год после этого события, 3 декабря 1974-го, его последователь, Pioneer 11, также пролетел мимо юпитерианского спутника, хотя и значительно дальше от него — за почти 600 000 км. В обоих случаях столь солидное расстояние до Европы существенно повлияло на качество полученных изображений. Так, на снимках Pioneer 10 видны лишь яркие и темные регионы спутника, но они недостаточно детальные, чтобы распознать особенности рельефа поверхности.

Снимок, сделанный Pioneer 11, тоже не был качественным, впрочем, он дополнил предоставленные Pioneer 10 данные, и главным образом помог с уточнением массы и орбитальных параметров Европы. Во время своих миссий два аппарата исследовали радиационную среду вокруг планетной системы Юпитера. Они впервые обнаружили, что радиационные пояса пятой планеты Солнечной системы были значительно интенсивнее, чем предполагалось ранее, и фактически превышали земные в тысячи раз. Мощность радиационного излучения даже привела к частичному выходу из строя некоторых приборов на борту Pioneer 10 (поэтому Pioneer 11 и пролетел мимо спутника на вдвое большей дистанции). Однако именно этот опыт предоставил очень ценную информацию для разработки надежной противорадиационной защиты в последующих зондах. 

Уже в 1979 году два космических аппарата Voyager 1 и Voyager 2 также совершили очень близкий пролет вокруг Европы. Они и сняли впервые гладкую, почти безкратерную ледяную поверхность спутника, покрытую загадочными линиями и трещинами. Отсутствие кратеров свидетельствовало, что поверхность Европы относительно молодая (дальнейшие исследования оценили возраст этого космического тела в 40-90 млн лет).

Загадочные линии (Lineaments) на поверхности спутника простирались на миллионы километров и внешне весьма напоминали трещины в морском льду на Земле. Ученые предположили, что эти линии вызвали приливные силы Юпитера, которые растягивали и сжимали кору Европы, позволяя материалу из недр (возможно, воде или мягкому льду) подниматься и замерзать. Цветные изображения Voyager показали, что темные полосы на поверхности, пересекающие яркий лед, имеют определенный красноватый оттенок. Это могло свидетельствовать о наличии каких-то неледяных материалов, возможно, солей или соединений серы, которые тоже должны были выходить из недр спутника.

Финальным фактом, подтвержденным аппаратами Voyager, стало свидетельство внутреннего тепла, которое также могли генерировать приливные силы Юпитера, словно разминая внутреннюю часть спутника. Открытие трещин и гладкой поверхности логично привело к революционной гипотезе: под внешней ледяной оболочкой Европы, возможно, скрывается глобальный жидкий океан, а значит — в нем может существовать органическая жизнь.

Космическим аппаратом, что приблизился к Европе следующим, стал Galileo. Миссия зонда NASA пребывала на орбите Юпитера с 1995 по 2003 год, совершив за это время 11 целевых пролетов мимо его ледяного спутника, ближайший из которых состоялся в 2000 году. Тогда зонд пролетел мимо Европы на расстоянии всего 351 км (это до сих пор остается рекордным приближением аппарата к спутнику). Но гораздо ценнее были не рекордные цифры, а научные открытия. Магнитометрические данные, полученные инструментами Galileo, свидетельствовали, что вокруг Европы существует индуцированное магнитное поле. Это вторичное поле образуется, когда магнитное поле Юпитера пронизывает спутник.

Было понятно, что для возникновения такого индуцированного поля необходим слой электропроводящего материала, пребывающего в постоянном движении. Наиболее вероятным кандидатом рассматривался глобальный соленый жидкий океан под ледяной коркой спутника. Исследования Galileo стали лучшим доказательством того, что соленый океан присутствует под ледяной поверхностью спутника, и именно они заложили научную основу для миссии Europa Clipper. В начале третьего тысячелетия в NASA уже начали допускать, что Европа, вероятно, имеет все три ингредиента, необходимые для зарождения и поддержания жизни: жидкую воду, химические элементы и тепловую энергию.

Последним космическим аппаратом, иногда исследующим Европу, в настоящий момент остается NASA JUNO. Он был запущен в 2011 году и прибыл на орбиту пятой планеты Солнечной системы в 2016-м. Хотя основной его целью был Юпитер, в рамках расширенной миссии зонд сосредоточил свое внимание и на его спутниках. На сегодняшний день космический аппарат совершил только один близкий пролет мимо Европы — 29 сентября 2022 года. В результате было получено много фотографий спутника в высоком разрешении, а также дополнительные данные о магнитном поле Европы и ее атмосфере.

Как раз на снимке JUNO обнаружили уникальный участок хаотичной местности размером 37×67 км, который позже назвали Утконосом и определили одной из самых молодых зон на спутнике. А главное, дальнейшая обработка фото выявила признаки подъема соленой воды из подповерхностного океана на ледяную кору, подтверждая версию, что в хаотичных регионах, подобных Утконосу, есть карманы жидкой воды. На фото местности поблизости видны и двойные хребты с темными пятнами, которые могут оказаться отложениями криовулканических плюмов (гейзеров водяного пара), также выходящих из подповерхностного океана.

То есть, когда космический аппарат Europa Clipper еще только готовился к своему путешествию на Европу, в арсенале исследователей из NASA накопилось уже очень много знаний о спутнике Юпитера. Остался последний шаг — разработать космический аппарат, исследовательские инструменты на борту которого окончательно установят пригодность ледяного спутника к зарождению жизни.

Точность и защита: основные инструменты и инженерный дизайн Europa Clipper

Как мы уже отметили выше, концепт необходимости отдельной космической миссии на Европу фактически появился, после того как мир узнал об открытии миссии Galileo. Научное сообщество принялось решительно настаивать на острой потребности в разработке зонда для детального исследования жизнеспособности спутника. Впрочем, официально NASA одобрило концепцию проекта Europa Clipper лишь в 2015 году.

Инициатива и ее первоначальное финансирование в значительной мере появились благодаря решению Конгресса США. На протяжении долгих лет разработки именно Конгресс неоднократно выделял средства на миссию (часто даже больше, чем запрашивало NASA в своих бюджетных предложениях). Главным в этой поддержке стал тогдашний председатель Комитета по ассигнованиям Палаты представителей, конгрессмен Джон Калберсон, который был ярым сторонником поиска жизни на Европе. В целом ожидаемая стоимость миссии очень скоро превысила $5 млрд.

Ответственность за разработку, строительство и интеграцию самого космического аппарата была возложена на Лабораторию реактивного движения (JPL) NASA, расположенную в Пасадене, Калифорния. Большинство научных инструментов зонда были разработаны именно здесь, однако участие в проекте также принимали специалисты из Лаборатории прикладной физики (APL) при Университете Джона Хопкинса, Юго-западного научно-исследовательского института (SwRI) и Центра космических полетов имени Годдарда (GSFC).

Поскольку исследование Европы надлежит выполнить с беспрецедентной точностью, на борту Europa Clipper решили разместить сразу девять исследовательских инструментов: 

1. Europa Imaging System (EIS) — система камер, в частности узкоугольная (NAC) и широкоугольная (WAC) для получения изображений с высоким разрешением, детального картографирования поверхности спутника и поиска возможных активных криовулканических плюмов.
2. Mapping Imaging Spectrometer for Europa (MISE) — инфракрасный спектрометр для картографирования химического состава поверхности Европы. Он призван помочь с идентификацией органических молекул, соли, кислых гидратов, а также остатков воды.
3. Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface (REASON) — радиолокатор, способный проникать сквозь лед. Инструмент будет полезен для измерения толщины ледяной коры и поиска водяных карманов (подповерхностных озер) в пределах этой коры. Основной целью REASON станет окончательное подтверждение наличия и глубины подповерхностного океана.
4. Europa Thermal Emission Imaging System (E-THEMIS) — тепловизионная камера, измеряющая температуру поверхности на спутнике. Она сосредоточится на поиске термических аномалий, которые могут указывать на места, где теплая вода или материал поднимаются на поверхность (самые первые кандидаты на подобный тип гейзерной активности — плюмы).
5. Europa Clipper Magnetometer (ECM) — прибор для измерения магнитного поля Европы. Он нужен для точного определения глубины, толщины и солености подповерхностного океана.
6. Plasma Instrument for Magnetic Sounding (PIMS) — инструмент, сосредоточенный на выявлении и исследовании плазмы вокруг Европы. PIMS работает в связке с магнитометром для лучшего понимания индуцированного магнитного поля, вызванного движением соленого океана.
7. Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) — прибор для измерения низкоэнергетических ионов и электронов. Основная цель JADE заключается в исследовании взаимодействия Европы с магнитосферой Юпитера. По замыслу разработчиков, это устройство поможет ученым понять процессы эрозии поверхности спутника.
8. Energetic-Heavy Ion Sensor (E-HIIS) — сенсор для измерения высокоэнергетических тяжелых ионов, необходимый для точного выяснения опасной радиационной среды Юпитера. Именно E-HIIS будет иметь решающее значение для конструкции и защиты последующих аппаратов (в том числе и посадочных модулей), которые отправятся на Европу.
9. Mass Spectrometer for Planetary Exploration (MASPEX) — масс-спектрометр для анализа газового состава тонкой атмосферы Европы, а также материала, выбрасываемого из плюмов. Этот инструмент будет нацелен на поиск следов органических молекул и химических «строительных блоков» жизни.

Как обнаружили первые исследователи Европы — Pioneer 10 и Pioneer 11, космическая радиация в планетарной системе Юпитера была очень ощутимой, что грозило довольно быстро вывести из строя космический аппарат, который будет вращаться непосредственно на его орбите. Чтобы развязать эту «радиоактивную» задачку, инженеры и ученые NASA приняли ключевое для миссии решение, получившее название «Стратегия Клипера». Оно предлагало следующий подход: вместо того чтобы выходить на опасную постоянную орбиту вокруг Европы, аппарат должен вращаться на высокой эллиптической орбите вокруг Юпитера.

Благодаря Стратегии Клипера большую часть времени Europa Clipper сможет пребывать вдали от эпицентра радиационных поясов Юпитера. Пролет мимо Европы будет быстрым, что позволит кратно повысить количество транзитов. Предварительные расчеты показывают, что за время своей миссии зонд должен пролететь мимо спутника около 50 раз. Такой подход убивает сразу двух космических зайцев: с одной стороны, он обеспечивает сбор необходимых данных, а с другой — существенно минимизирует накопление доз радиации, губительной для электроники исследовательского аппарата. 

Конечно, орбитальная траектория будет не последней в вопросе организации противорадиационной защиты космического аппарата — его чувствительная электроника, компьютеры и системы питания спрятаны в специальном сейфе. Это куб с толстыми титановыми стенками для максимальной защиты от высокоэнергетических частиц. Подобная «сейфовая» конструкция предоставит электронике Europa Clipper дополнительную защиту и позволит пережить общую дозу радиации, превышающую ту, которую способен выдержать обычный спутник.

Энергоснабжение космического аппарата обеспечит система солнечных панелей. Изначально конструкторы рассматривали использование радиоизотопных термоэлектрических генераторов, похожих на установленные на Cassini, однако впоследствии от них отказались — из-за высокой стоимости и радиоактивности. В итоге зонд решили оснастить солнечными панелями. Впрочем, учитывая значительную удаленность Юпитера от Солнца (газовый гигант примерно в 25 раз дальше от Солнца, чем Земля), Europa Clipper требуются самые большие солнечные батареи изо всех, что когда-либо попадали в дальний космос. Результатом этих инженерных решений стали гигантские крылья, в развернутом виде длиной около 30,5 м каждое. К тому же, ввиду чрезвычайной удаленности от Солнца, инженерам пришлось разработать сложную систему теплового контроля, чтобы сохранить чувствительные приборы и датчики во время работы. В конструкцию аппарата интегрирована и система радиаторов, чтобы отводить избыточное тепло в космос.

Как видим, дизайн Europa Clipper развивался как прямой ответ на жесткие требования радиационной среды Юпитера, и с учетом потребности в размещении максимального количества научного оборудования. И хотя его эволюция была довольно долгой и сложной, именно она в конце концов и привела к появлению этого столь уникального космического аппарата. 

Аргументы за и против: удастся ли Europa Clipper доказать пригодность юпитерианского спутника для жизни? 

Миссия Europa Clipper является фактически самой большой ставкой на подтверждение внеземной жизни в Солнечной системе, которую когда-либо делали в NASA. Но пока до момента, когда космический аппарат выйдет на свою рабочую орбиту, остается около пяти лет (старт основной фазы исследований запланирован на 2030 год). Так что рассмотрим главные аргументы за и против относительно пригодности Европы к жизни. 

Самые сильные аргументы в пользу успеха миссии Clipper основываются на трех столпах жизни, которые, как считают ученые, могут существовать на Европе.

1. Наличие жидкой воды — едва ли не самый убедительный аргумент, ведь это косвенно уже подтвердил Galileo собранными данными. Магнитометрия действительно показала существование глобального соленого океана под ледяной оболочкой, а именно вода является важнейшим компонентом для зарождения и поддержания органической жизни, какой мы ее знаем. Радар REASON на борту Europa Clipper сумеет измерить толщину льда и, вероятно, локализовать водяные карманы, которые могут оказаться подповерхностными озерами — наиболее пригодной для жизни средой.
2. Наличие энергии (энергетический градиент) — жесткая радиация Юпитера, опасная для космического аппарата, наряду с этим может служить источником питания для жизни. Приборы JADE и MASPEX будут изучать химические соединения, созданные радиацией на поверхности спутника, к примеру кислород, а также то, как они могут попадать в океан. Эти соединения обеспечивают необходимый химический дисбаланс (градиент), способный питать микроорганизмы, подобные тем, что существуют в глубоководных гидротермальных источниках на Земле.
3. Обнаружение органических веществ и геологической активности — если жизнь на Европе существует, она, вероятно, оставит органические или соляные следы, которые могут извергаться на поверхность спутника через уже известные гейзеры, или плюмы. Приборы MASPEX и MISE специально разработаны для прямого анализа этих следов. Им предстоит исследовать состав поверхности непосредственно вблизи гейзеров. Наибольший успех ждет, если Europa Clipper удастся пролететь сквозь активный плюм в момент извержения, ведь в таком случае зонд сможет получить образцы воды из океана без необходимости посадки в будущем. Именно вода является наиболее вероятным источником присутствия биологических маркеров (например, аминокислот или других сложных органических молекул), если жизнь действительно существует на Европе.

Однако аргументы против того, что на спутнике присутствует жизнь, также уже нашли подтверждение в исследованиях прошлого.

1. Радиационное разрушение поверхности. Радиационные пояса Юпитера чрезвычайно интенсивны, поэтому поверхность Европы может оказаться абсолютно стерильной. В таком случае ни одна органическая молекула, выброшенная из океана на поверхность, не просуществует там долго: радиация молниеносно разрушит химические связи. Даже если Clipper найдет органические молекулы на поверхности (скажем, с помощью инструмента MISE), ученые не смогут на 100% убедиться, что они происходят именно из океана, а не занесены на спутник метеоритами.
2. Толщина льда может сделать океан недоступным. Хотя сейчас мы уже знаем, что жидкий океан там существует, его отделяет от поверхности толстая ледяная оболочка. В определенном смысле эта естественная защита может оказаться слишком эффективной. Если лед будет слишком толстым (10-30 км) и активных гейзеров там недостаточно, зонд просто физически не сможет получить образцы океанической воды.
3. Отсутствие гидротермальных источников. На Земле жизнь в океанских глубинах питается энергией от гидротермальных источников (взаимодействие воды с горячим каменистым дном), но мы пока не знаем, продолжаются ли подобные процессы на Европе. Если океан там слишком холодный и не имеет активной вулканической деятельности на дне, в нем может не хватать геотермальной энергии и необходимых минералов, чтобы поддерживать сложную жизнь. Однако Europa Clipper сможет лишь косвенно оценить это, наблюдая за химическим составом.

Как видим, у каждой из этих версий довольно существенные основания, чтобы оказаться реальностью. И только прямые эксперименты, что должны стартовать в 2030 году, могут либо подтвердить, либо опровергнуть каждую из них. Следует также помнить, что Europa Clipper не будет нести на борту микроскопы, а значит, наверняка не сможет доказать существование жизни на спутнике. Главная цель космического аппарата будет заключаться в предоставлении ученым решающих доводов именно о пригодности Европы для жизни.