«Наука в России» 2004 №6

Одно из приоритетных направлений космических исследований связано с проблемой происхождения жизни. Прежде всего речь идет об использовании достижений молекулярной биологии; математического моделирования, опирающегося на возможности суперкомпьютеров; применении тонких геохимических изотопных методов, позволяющих реконструировать ранние события в Галактике, материальные носители которых исчезли навсегда, оставив лишь косвенные следы своего существования. Огромное значение имело бы обнаружение внеземных форм организмов, что может дать изучение других планет.

Тайна зарождения жизни выходит за рамки науки, затрагивая глубокие пласты мировоззрения и миропонимания. Однако нельзя упускать из виду, что ее разгадка привела бы к решительному прорыву в области биотехнологий. В документах американского стратегического планирования космических исследовании вопрос: «Существует или существовала ли когда-либо жизнь за пределами Земли, как она возникла в Солнечной системе?» — не случайно сформулирован первым в перечне важнейших задач.

Содержание воды в поверхностном слое Марса поданным γ-спектрометрии (Mars Odyssey)
и регистрации плотности потока нейтронов (Mars Global Surveyor).

Другой перспективный поиск — сфера природных ресурсов. В частности, разрабатывают проекты энергетики на Луне, так как считается, что земные источники, включая органическое топливо и ядерное горючее, не удовлетворят потребности производства к середине будущего века. И один из путей преодоления надвигающегося кризиса — использование гелия в термоядерном синтезе, добыча и доставка изотопа которого возможна с Селены. Уже сегодня, согласно некоторым расчетам, этот способ был бы экономически выгоднее, чем эксплуатация традиционных источников, при наличии технологии такого синтеза и соответствующей инфраструктуры.

Вместе с тем естественный спутник Земли может быть удобным и дешевым космодромом при отправке тяжелых аппаратов в дальний космос, поскольку на нем целесообразно добывать окислитель и титан. Благодаря отсутствию атмосферы, сейсмической стабильности и экранированию от земных радиошумов обратная сторона Луны — идеальное место для размещения астрофизических станций и других подобных объектов. Здесь же расположатся базы для постоянного наблюдения за астероидами и обнаружения грозящей от них опасности для людей*, а также технические устройства, позволяющие предотвратить возможные глобальные катастрофы.

* См.: А.И. Финкельштейн, В.А. Шор. Мир малых планет. — Наука в России, 2004, № 2 (прим. ред.).

На состоявшейся в ноябре 2003 г. 5-й лунной конференции (Гавайи, США) важное место занимали вопросы строительства должных пунктов слежения (в том числе, и на случай возникновения на Земле критических ситуаций). Уже сегодня обсуждаются проблемы международного правового регулирования в связи с освоением нашей ближайшей соседки и использования ее ресурсов, среди них — коммерческого.

Иные задачи поставлены в американской программе изучения Марса и спутников Юпитера: в первую очередь выяснить условия появления жизни и поиск ее материальных следов. Выдающимся достижением последних лет в этом направлении стало доказательство наличия на Красной планете воды. Десятки тысяч снимков высокого разрешения, сделанных с борта запущенного в 1998 г. американского орбитального аппарата «Mars Global Surveyor», зафиксировали детали строения извилистых промоин, береговых террас, сотни долин, с большой степенью вероятности интерпретированных как результат водных потоков.

Нейтронный и гамма-спектрометры, установленные на американском орбитальном аппарате «Mars Odyssey», стартовавшем в 2001 г., инструментально обнаружили на Красной планете присутствие воды в полярных районах в приповерхностном слое глубиной 1-2 м, а также на равнине Terra Arabia в экваториальной области.*

* См.: И.Г. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. — Наука в России, 2002, № 6 (прим. ред.).

Итак, есть все основания предполагать, что марсианский почвенный слой, по крайней мере до глубины 2 м, а возможно и большей, содержит воду в виде сухого льда, по разным оценкам составляющего от 20 до 70%. При сезонном прогреве он, похоже, вытаивает, и тогда вода частично испаряется, оставляя осадок пыли. Вот почему льдонасыщенный грунт на склонах, скорее всего, сползает подобно глетчеру, а потоки талой воды формируют рытвины*.

* См.: М.Л. Литвак, И.Г. Митрофанов. Времена года на Марсе. — Наука в России, 2004, № 4 (прим. ред.).

Далее. Угол наклона оси вращения Марса к плоскости эклиптики испытывает значительные колебания из-за гравитационного влияния Юпитера. В настоящее время он составляет 25,2°, хотя в масштабе миллионолетия варьировал от 15 до 35°. Это приводило к существенным изменениям климатических условий на поверхности планеты и, соответственно, ареала распространения льда и его влияния на формы рельефа. Этим можно объяснить присутствие погребенной воды не только в полярных, но и в экваториальной областях.

Судя по всему, марсианский климат резко менялся от теплого и влажного вначале к сухому и холодному. Значит, некогда там были водоемы, где формировались осадочные слои, поныне вскрываемые на некоторых участках эрозией. Конечно, пока неизвестно как долго существовали тут условия, благоприятные для зарождения живых организмов. Насколько успела продвинуться предбиологическая эволюция? Достигла ли она стадии появления клетки?

Жизнь, по-видимому, всегда развивается лавинообразно, пройдя рубеж становления генетического кода, являющийся критическим порогом эволюции. Не случайно для Земли вопрос об ее продолжительности остается открытым: ведь замечательная пластичность, адаптивные возможности неизвестных и известных нам организмов обеспечивали их сохранность и развитие миллиарды лет даже при неблагоприятной обстановке (хотя бы в сравнительно примитивных микроскопических формах). Вместе с тем существование на нашей планете водных бассейнов при углекислой атмосфере делало обязательным отложение карбонатов (углекислых солей), составляющих значительную часть осадочных пород. Однако на Марсе их практически нет. Почему? Можно предположить, что ранняя атмосфера Красной планеты была восстановительной и содержала метан, а также окись углерода. В таком случае образовавшиеся там карбонаты, оставшиеся как минералогические реликты, должны быть обогащены тяжелым изотопом углерода (¹³С), что ныне и наблюдается в действительности. На Земле же атмосфера сохранялась, постепенно преобразовываясь в результате окислительной эволюции и обогащаясь углекислым газом.

Восстановительная атмосфера создает благоприятную обстановку для возникновения жизни и имеет принципиальное значение для синтеза АТФ (аденозинтрифосфат, универсальный аккумулятор и переносчик энергии у всех живых организмов) — ключевой молекулы предбиологической химической эволюции*.

Пролить свет на зарождение и сохранение организмов могут, в частности, спутники Юпитера — Европа и Каллисто. Американский космический аппарат Galileo произвел высокоразрешающую съемку поверхности первого. Предполагается, что он покрыт панцирем льда. Плиты и пластины разбиты трещинами, имеют признаки торошения, развернуты относительно друг друга. Похоже, они как будто плавают в океане жидкой воды. При этом крупные метеориты должны время от времени пробивать ледяную кору, чья мощность оценивается примерно в 20 км, освобождая путь воде к дневной поверхности. Сформировавшаяся здесь на более ранних стадиях эволюции планеты жизнь могла приспособиться к столь трудным условиям во мраке глубокого океана (ведь доказано: в аналогичных условиях на Земле микроорганизмы встречаются**).

* См.: Э.М. Галимов. Феномен жизни. — Наука в России, 2003, № 5 (прим. ред.).

** См.: А.П. Лисицын, A.M. Сагалевич. Главное открытие в океане. — Наука в России, 2001, № 1 (прим. ред.).

Наконец, проблему происхождения жизни прояснят исследования внеземных вулканических явлений. Кроме того, они предоставят интереснейший материал для познания эволюции земной литосферы, образования коры континентального и океанического типов, тектонических процессов.

Тем не менее подчеркну: для комплекса фундаментальных научных проблем наибольшее значение имеет изучение Марса. Этому посвящена многоцелевая и долговременная американская программа. В соответствии с ней в августе 2005 г. должна стартовать рекогносцировочная орбитальная экспедиция (Mars Reconnaissance Orbiter Mission), призванная прежде всего выяснить роль воды в формировании марсианских структур до глубины порядка 100 м.

Следующий аппарат (Mars Smart Lander) осуществит мягкую посадку; бурением будут добыты образцы пород и, возможно, воды, органического вещества, а также изучены геохимический и минералогический состав почвенного слоя. Проект Mars Long-Lived Lander Network нацелен на создание в 2007-м или 2009 г. сети станций с главной задачей — изучить внутреннее строение планеты, включая ядро. Геофизические приборы получат сведения о механических свойствах местных недр, тепловом потоке и т.д. Наконец, в 2011 г. или несколько позже предполагается доставить на Землю образцы марсианского грунта.

В рамках программы New Frontires до 2013 г. намечен запуск аппарата Kuiper Belt Pluto Explorer. Он передаст информацию из еще совершенно неисследованной части Солнечной системы: пролетит мимо Плутона и более отдаленных от нас Харона и объектов пояса Койпера. Возможно, именно там сохраняется первичное вещество, из которого формировались планеты.

В 2009 г. должна состояться экспедиция на Луну с отбором и доставкой на Землю образцов из самой крупной, наиболее глубокой и древней структуры Южный Полюс — Бассейн Эйткен. Не исключено, что здесь будут обнаружены породы мантии нашей ближайшей соседки и скопления льда.

К числу очень интересных проектов относится Jupiter Polar Orbiter with Probe. Орбитальная станция, войдя в верхнюю часть атмосферы Юпитера, измерит его магнитное поле, полярную ионосферу, состав газовой оболочки и определит наличие центрального ядра. К спутнику этой крупнейшей планеты Солнечной системы — Европе — отправится Europa Geophysical Explorer с целью исследовать ледовое покрытие и находящееся под ним вещество для оценки возможности существования здесь живых организмов. А прежде чем выйти на орбиту Европы, этот космический аппарат обследует в астробиологическом аспекте два других спутника Юпитера — Ганимед и Каллисто.

Формы марсианского рельефа, обусловленные присутствием «грязного льда».



Относительно молодые промоины в марсианском кратере.

После 2011 г. намечено изучить изотопный и химический состав атмосферы Венеры, а также произвести геохимические и минералогические анализы на ее поверхности. Предстоит создать технологию отбора пробы, чтобы затем доставить на Землю образцы венерианского грунта.

Далее начнется разработка Comet Surface Sample Retorn для получения информации о структуре и сцеплении кометного вещества, его составе с возвращением аппарата на Землю.

Отметим: в ходе упомянутых космических исследований ученые США усовершенствуют ряд важных технологий, в частности, использование ядерно-электрических двигателей и радиоизотопных источников энергии (прежде американцы из экологических соображений осуждали применение таких генераторов в нашей стране).

Распределение благородных газов для углистых хондритов, Солнца и трех планет.

Помимо США планетами вплотную занимаются Европейское космическое агентство (ESA) и Япония, запустившая аппарат Muses-C для отбора образца с относительно близкого к Земле астероида 1998SF36 (используется ионный двигатель). Результат будет известен в 2007 г. На тот же год намечен старт индийского орбитального спутника Луны, оснащенного радаром, спектрометрами, высокоразрешающей камерой. Начиная с 2005 г. ESA намерено развернуть обширную программу «Аврора», рассчитанную на четверть века (изучение Луны и Марса с экспедициями посещения обеих планет).

К сожалению, на фоне мировой активности отечественные исследования Солнечной системы выглядят не столь впечатляющими. После того, как России не удалось в ноябре 1996 г. вывести на орбиту «Марс-96», по финансовым обстоятельствам в 1998-2002 гг. не состоялась астрофизическая программа «Спектр», предусматривавшая запуск трех спутников с телескопами для анализа внеземного излучения в разных диапазонах спектра.

В 1997 г. был утвержден план, по которому к 2000 г. нам предстояло направить аппарат к Луне, а через 4 года — к Фобосу. Однако затем после дискуссий решили ограничиться проектом «Фобос-Грунт» (до 2005 г.). Он предполагает доставку образца с этого спутника Марса, имеющего неправильную форму (размеры 27x22x19 км) и невысокую плотность (1,9-2,0 г/см³). Его поверхность испещрена кратерами (самый крупный из них — Стикни — диаметром 11 км), а также бороздами глубиной до 20 и шириной до 200 м.

Комплексное исследование грунта Фобоса не только предоставит ценные сведения о нем, но и о происхождении Солнечной системы, планет и их спутников. Тем более, что в распоряжении ученых, возможно, уже имеется марсианское вещество. На эту роль претендуют метеориты Schergotty, Nakhla и Chassigny, образующие группу SNC (по первым буквам их названий), у представителей которой соотношение трех изотопов кислорода отличается от какого-либо другого класса космических объектов (их могли выбить с поверхности Марса удары астероидов). Таким образом, изучение образца с Фобоса позволит уточнить генезис SNC-метеоритов, установить степень родства Красной планеты с ее спутником.

Следует отметить: по своим отражающим характеристикам последний напоминает асфальтизированное вещество. Вероятно, в нем присутствуют органические соединения. Выяснение их природы, установление наличия аминокислот и нуклеиновых оснований имело бы большое значение для решения общей проблемы происхождения живых организмов.

Российский космический аппарат «Фобос-Грунт».

Кстати, в России разработана аппаратура, позволяющая получить колонку грунта длиной 100 см и весом около 100 г, а также подобрать отдельные обломки пород с помощью микровидеоустройства. В состав научного комплекса входят навигационные приборы, сейсмометр, масс-спектрометр, газовый хроматограф, термосенсор и др. Применение в них весьма экономичных технологий позволило почти наполовину уменьшить первоначальную стоимость проекта — до 25 млн. дол. (плюс ракета-носитель среднего класса). Напомню, что «дешевые» американские проекты Discovery обходятся в 320 млн. дол.

Планируемые места посадки приборов в Российском лунном проекте: HSP — группа высокоскоростных пенетраторов, несущих сейсмоприемники; PL-1 и PL-2 — пенетраторы с широкополосными сейсмоприемниками; PS — полярная станция, дополнительно оснащенная масс-спектрометром, γ-спектрометром, телевизионной камерой и другими приборами.

Экспедиция «Фобос-Грунт» даст шанс нашим ученым выйти на передовые позиции в планетологии, активно включиться в международную программу исследования Марса. Дополнительно требуется подготовить на Земле адекватные средства лабораторного анализа отобранных образцов. В противном случае мы окажемся лишь перевозчиками, а научные результаты станут достоянием в первую очередь западных коллег.

Другой крупный отечественный проект — «Луна-Глоб» — имеет целью с помощью 10 сейсмоприемников изучить внутреннее строение естественного спутника нашей планеты, в частности определить размер его ядра. Это важно для познания происхождения и ранней истории системы Земля-Луна. Кроме того, химический и изотопный анализ вещества из затененного полярного кратера, где прогнозируется наличие льда и накапливается космическая пыль, позволит выяснить возможность панспермии — переноса спор, зародышей жизни в межзвездном и межпланетном пространстве.

Лунные проекты, помимо научного значения, имеют ряд преимуществ: они экономичны благодаря использованию ракет-носителей среднего класса (типа «Молния», «Союз»)*; их несложно оперативно подготовить, так как нами накоплен опыт исследования Луны автоматическими аппаратами в 70-е годы XX в.; они не связаны с жесткими датами запусков; могут служить для тщательной отработки дорогостоящих экспедиций к удаленным небесным телам.

* См.: Ю.М. Марков. Станция назначения — Красная планета. — Наука в России, 2003, № 5 (прим. ред.).

...Космические исследования по сути предполагают тесное международное сотрудничество. И, разумеется, в бюджете Росавиакосмоса необходимо предусматривать участие наших ученых и организаций в соответствующих работах, проводимых другими странами и космическими агентствами. Тем более что уже есть примеры плодотворного партнерства, в частности в американской программе «Mars Odyssey». Вместе с тем, конечно, нам нужно развивать и крупные национальные проекты, в том числе связанные с планетологией. Говоря об ее перспективах, нельзя забывать: речь идет о научных и технических разработках, чрезвычайно важных для решения многих земных проблем.

Иллюстрации предоставлены автором