Недавно журнал Universe Today рассказал о важности изучения ударных кратеров и о том, чему они могут научить нас в области поисков жизни за пределами Земли. Ударные кратеры считаются одним из многих поверхностных процессов (среди других — вулканизм, выветривание, эрозия и тектоника плит), формирующих поверхности многочисленных планетарных тел, причём все они происходят и на Земле. Здесь мы рассмотрим, как и почему учёные-планетологи изучают планетарные поверхности, с какими проблемами сталкиваются при изучении планетарных поверхностей других планет, чему могут научить нас планетарные поверхности в поисках жизни, а также как будущие студенты могут заняться изучением планетарных поверхностей. Почему же так важно изучать планетарные поверхности в Солнечной системе?

Хотя возраст Земли составляет около 4,6 миллиарда лет, причина отсутствия древних особенностей её поверхности кроется в вышеупомянутых поверхностных процессах — все они очень активно идут на Земле и приводят к радикальному изменению поверхности за время существования планеты. Однако наибольший вклад в изменение земной поверхности вносит тектоника плит. В этом процессе происходит переработка материалов поверхности и недр Земли в результате взаимодействия семи основных и восьми малых тектонических плит нашей планеты друг с другом в течение долгих геологических периодов, когда они раздвигаются, разбиваются и даже скользят друг мимо друга через три типа границ плит, известных как дивергентные, конвергентные и трансформные плиты. В то время как изучение всех этих процессов на Земле осуществляется с помощью непосредственного осмотра, лабораторных анализов и спутниковых снимков, с какими трудностями сталкиваются учёные при изучении планетарных поверхностей в других мирах?

Доктор Бирн рассказал Universe Today: «Изучение поверхности других миров является сложной задачей по нескольким причинам, первая (и самая главная) из которых заключается в том, что нам нужно туда попасть! Мы ограничены в том, что можем узнать с помощью телескопов с Земли (как на поверхности, так и в космосе), потому что эти телескопы обычно предназначены для изучения действительно огромных и очень далёких объектов, таких как туманности. Поэтому, чтобы как следует "разглядеть" поверхности тел в Солнечной системе, нам нужно отправить туда космические аппараты: либо пролететь мимо этих тел, либо, что предпочтительнее, выйти на орбиту рядом с ними. Во многих случаях, оказавшись там, мы сможем получить изображение поверхности и провести другие измерения относительно легко».

Доктор Бирн продолжил свой рассказ: «Но для таких миров, как Венера и Титан, с плотной атмосферой, нам нужен радар, чтобы увидеть поверхность. Затем нам нужно понять, что мы видим на самом деле! Именно здесь мы используем "сравнительную планетологию", применяя то, что мы знаем о Земле (и других местах, которые мы посещали), чтобы собрать воедино историю того, что мы видим. Это непросто, особенно для мест, которые мы никогда раньше не посещали — но чрезвычайно увлекательно!»

Спутники и орбитальные аппараты, проводящие дистанционное зондирование, во время пролёта мимо или находясь на орбите планетарного тела выполняют целый ряд задач: от получения прямых изображений до других научных измерений, включая спектроскопию, температуру и состав поверхности, и это лишь некоторые из них. Как следует из названия, пролёт — это процесс, в котором космический аппарат разработан специально для пролёта мимо планетарного тела или тел и проведения как можно большего количества научных исследований в это время. Две самые известные миссии пролёта в истории освоения космоса — это космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Эти отважные первопроходцы совершили облёт внешних планет, что значительно расширило наши знания и понимание не только самих планет, но и их многочисленных лун.

Они обнаружили вулканическую активность на спутнике Юпитера Ио и отсутствие кратеров на Европе, что указывает на возможное существование океана жидкой воды под её ледяной поверхностью. Они получили первые изображения спутника Сатурна, Пана, в дополнение к нескольким другим сатурнианским спутникам, которые они также обнаружили. Кроме того, они сделали снимки нескольких других ранее открытых спутников, включая Титан, Рею, Диону, Тетис, Энцелад и Мимас. В то время как траектория «Вояджера-1» вывела его за пределы Солнечной системы, «Вояджер-2» продолжил движение к Урану и Нептуну, сделав снимки их спутников: Миранды и Тритона соответственно — причём на последней есть гейзеры, выбрасывающие в космос несколько километров. Совсем недавно космический аппарат НАСА «Новые горизонты» пролетел мимо Плутона, сделав снимки его поверхности и обнаружив ландшафт из гор и долин, которых, как предполагали учёные, раньше не существовало.

Космический аппарат НАСА «Новые горизонты» во время пролёта в июле 2015 года сделал этот невероятный снимок карликовой планеты Плутон, на котором видны гладкие азотные равнины (Sputnik Planitia; белая область в форме сердца) и массивные горные хребты, покрытые водяным льдом. (Масштаб: 35 миль = 56 километров)

Что касается орбитальных аппаратов, то НАСА и ряд космических агентств мира отправили множество космических аппаратов на орбиты вокруг Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» — единственный космический аппарат, посетивший Уран и Нептун. В качестве примера одной из бесчисленных орбитальных миссий прошлого можно привести космический аппарат НАСА «Кассини», который исследовал систему Сатурна в период с 2004 по 2017 год. Эта историческая миссия предоставила учёным новые ценные данные о кольцевой планете и её многочисленных лунах, в том числе подтвердила существование озёр жидкого метана на Титане и гейзеров, бьющих из южного полюса Энцелада, через который пролетел «Кассини» и взял пробы на органику. Кроме того, зонд Европейского космического агентства «Гюйгенс» отделился от «Кассини» и совершил посадку на Титан, став первым космическим аппаратом, совершившим посадку на планетарное тело внешней Солнечной системы, где он получил изображение округлых камешков на поверхности, которые могли образоваться в результате активности жидкостей.

Изображение шлейфов водяного пара, выходящих из южного полюса луны Сатурна Энцелада, полученное космическим аппаратом НАСА «Кассини».

Пример активного орбитального аппарата — орбитальный аппарат НАСА Mars Reconnaissance Orbiter, который использует свою камеру High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) для получения самых потрясающих изображений всех когда-либо исследованных планетарных тел. Он не только предоставляет ценные научные данные о Красной планете, но и неоднократно снимал активные лавины на марсианской поверхности. Но если учесть все эти миссии и их научные снимки и данные, чему могут научить нас поверхности планет в поисках жизни за пределами Земли?

Изображение лавины на Марсе, сделанное камерой НАСА HiRISE в апреле 2008 года.

«Один из самых больших вопросов, который мы задаём себе, — это почему и когда на Земле возникла жизнь, и для ответа на него нам необходимо понять, когда и почему Земля стала пригодной для жизни, — рассказывает доктор Бирн в интервью Universe Today. — Таким образом, изучение других планетарных поверхностей может рассказать нам об условиях на раннем этапе истории Солнечной системы, а также о процессах, которые характерны для планетарных тел в целом или кажутся уникальными для Земли. Полный ответ мы получим благодаря сочетанию химии, биологии, полевых исследований на Земле и планетарных наблюдений, но, безусловно, ключевой частью головоломки является изучение других миров».

Доктор Бирн с гордостью рассказывает Universe Today, что его любимая планетарная поверхность, которую он изучал в течение своей карьеры, — это Венера, известная своими экстремальными температурами на поверхности — около 464 градусов по Цельсию и сокрушительным давлением на поверхности, которое более чем в 90 раз превышает земное. Радарные изображения, полученные с космического аппарата НАСА «Магеллан» в 1990-х годах, выявили поразительные особенности поверхности, свидетельствующие о вулканической активности в прошлом или настоящем. К ним относятся массивные щитовые вулканы, некоторые из которых более чем в 100 раз превышают размеры всех лавовых куполов на Земле, что, вероятно, объясняется экстремальными температурами и давлением на поверхности. Несмотря на это, учёные предполагают, что микробная жизнь все ещё может существовать в облаках, температура и давление в которых больше похожи на земные. Кроме того, несмотря на чрезвычайно суровые условия, существующие сегодня, учёные также предполагают, что в глубоком прошлом поверхность Венеры была более похожа на земную.

«Это невероятный мир, почти такой же по размеру, как Земля, но с совершенно другими условиями на поверхности по причинам, которые мы до сих пор не понимаем, — говорит доктор Бирн в интервью Universe Today. — На Венере есть множество объектов, которые мы можем узнать на Земле: вулканы, лавовые потоки, тектонические структуры, ударные кратеры и даже пара дюнных полей. Но на ней также есть формы рельефа, очевидных аналогов которых мы не видим ни на Земле, ни в других мирах. И, возможно, наиболее интригующими являются "тессеральные рельефы" Венеры — тип ландшафта, который действительно не похож ни на что другое в Солнечной системе, за исключением, возможно, земных континентов. Выяснить, почему Венера так фантастически отличается от Земли, — очень важная задача для планетологов, не только для понимания Венеры, но и для того, чтобы понять, как два больших скалистых мира могут оказаться такими разными, один из которых является домом для нас, а другой — совершенно негостеприимным».

Учитывая множество миров, которые были исследованы в космическую эру, изучение планетарных поверхностей включает в себя множество научных знаний и дисциплин, которые помогают собрать воедино сложнейшую головоломку того, как наша Солнечная система и её многочисленные планеты, луны и астероиды стали такими, какими они являются сегодня. Помимо изучения спутниковых снимков, дополнительные исследования включают в себя лабораторные эксперименты, реальные и компьютерные симуляции, анализ данных, полевые работы, бесчисленные измерения и расчёты и многое другое. Что же советует доктор Бирн будущим студентам, желающим заняться изучением планетарных поверхностей?

«Конечно, стандартная подготовка в области математики, физики и химии поможет, но не менее (если не более) важна прочная основа в геологии, — говорит доктор Бирн в интервью Universe Today. — Но даже такая подготовка может принимать самые разные формы, например, как часть образования в области экологии или в области наук о Земле, геологии или даже геофизики. Опыт работы с программным обеспечением для дистанционного зондирования и методами обработки данных будет очень полезен. Но, пожалуй, самое важное — это знакомство с различными видами ландшафтов на Земле и в Солнечной системе, которое может начаться ещё в детстве, когда вам просто интересно, как выглядит ваша местность!»

Какие новые открытия сделают учёные о поверхностях планет в Солнечной системе и, возможно, в других местах в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет — и именно поэтому мы занимаемся наукой!

Зачем нужно изучать поверхности других планет?