На протяжении всей истории Земли поверхность планеты регулярно подвергалась воздействию комет, метеоров и иногда крупных астероидов. Хотя эти события часто были разрушительными, иногда вплоть до массового вымирания, они также могли сыграть важную роль в возникновении жизни на Земле. Это особенно касается эры Гадея (примерно 4,1–3,8 млрд лет назад) и Поздней тяжелой бомбардировки, когда Земля и другие планеты внутренней Солнечной системы подверглись воздействию непропорционально большого количества астероидов и комет.
Считается, что эти ударные объекты были тем, как вода была доставлена во внутреннюю часть Солнечной системы и, возможно, строительными блоками жизни. Но что насчет многочисленных ледяных тел во внешней Солнечной системе, естественных спутников, которые вращаются вокруг газовых гигантов и имеют жидкие водные океаны внутри (например, Европа, Энцелад, Титан и другие)? Согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из Университета Джонса Хопкинса, ударные события на этих «океанических мирах» могли внести значительный вклад в поверхностную и подповерхностную химию, которая могла привести к возникновению жизни.
Команду возглавила Шеннон М. Маккензи, планетолог, и ее коллеги из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHUAPL). К ним присоединились исследователи из Школы инженерии Тейера в Дартмуте, Университета Западного Онтарио, Школы наук о Земле и планетах Университета Кертина, Лаборатории планетарной обитаемости (PHL) в UPR в Аресибо, Jacobs Technology, Лаборатории реактивного движения NASA и Научно-исследовательского центра астроматериалов (ARES) в Космическом центре имени Джонсона NASA. Статья, в которой подробно описываются их выводы, недавно появилась в Журнал планетарной науки.
Кредит: NASA/JPL
Экзогенез
Как указано в их статье, удары астероидов, комет и крупных метеоров чаще связаны с событиями уровня разрушений и вымирания. Однако многочисленные линии доказательств указывают на то, что эти же типы ударов могли поддержать возникновение жизни на Земле примерно 4 миллиарда лет назад. Эти события не только доставили летучие вещества (такие как вода, аммиак и метан) и органические молекулы, но современные исследования показывают, что они также создали новые субстраты и соединения, необходимые для жизни.
Более того, они создали разнообразные среды, которые были необходимы для возникновения и поддержания жизни на Земле. Как они писали:
«По оценкам, экзогенно доставленные материалы были важным источником органики на ранней Земле. Ударные волны могли обеспечить энергию для органического синтеза важных прекурсоров, таких как HCN или аминокислоты. Железо и тепло от очень крупных ударников могут способствовать восстановительным атмосферным условиям, необходимым для обильного производства HCN. Удары разрушают и, в типичных земных событиях, расплавляют цель: более проницаемые субстраты и выемка более глубоких слоев горных пород способствуют гидротермальной активности и эндолитным местообитаниям».
Согласно последним окаменелостям, самые ранние формы жизни появились на Земле примерно 4,28 миллиарда лет назад. Эти окаменелости были извлечены из гидротермальных осадков в поясе зеленых камней Нуввуагиттук на севере Квебека, Канада, что подтверждает, что гидротермальная активность сыграла важную роль в возникновении жизни на Земле. Но как насчет многочисленных «океанических миров», которые находятся во внешней Солнечной системе? Сюда входят такие тела, как Европа, Ганимед, Энцелад и Титан, а также луны Урана Ариэль и Титания, луна Нептуна Тритон и транснептуновые тела, такие как Плутон, Харон и, возможно, другие.
Миры Океана
Этот термин относится к телам, в основном состоящим из летучих элементов, таких как вода, и различающимся между ледяной корой и каменистым и металлическим ядром. На границе ядра и мантии приливное сгибание (результат гравитационного взаимодействия с другим телом) вызывает накопление тепла и энергии, выделяемых через гидротермальные источники в лед. Это позволяет этим мирам поддерживать океаны жидкой воды в своих недрах. Короче говоря, эти миры имеют все необходимые ингредиенты для жизни: воду, требуемые химические соединения и энергию.
Кроме того, данные NASA/ESA Кассини–Гюйгенс Миссия подтвердила, что шлейфы, регулярно извергающиеся из южного полярного региона Энцелада, содержат органические молекулы. И последнее, но не менее важное: наличие поверхностных кратеров указывает на то, что эти тела подвергались поверхностным ударам на протяжении всей своей истории. Возникает естественный вопрос: могли ли удары доставить необходимые строительные блоки жизни в «Океанические миры» тем же способом, которым они доставили их во внутреннюю часть Солнечной системы? И если да, что это означает для их потенциальной обитаемости сегодня? Как написала команда в своей статье:
«Процессы удара, вероятно, являются важной частью ответов на эти вопросы, поскольку удары могут управлять обменом через ледяную корку — либо путем прямого засева, либо промывания через корку — и, следовательно, вызывать эпизодические притоки органических и неорганических материалов с поверхности и/или от самого ударника. Удары также могут создавать эфемерные микрокосмы: любая жидкая вода, растаявшая во время удара, замерзает в течение времени, соизмеримого с энергией удара».
«Был установлен захватывающий потенциал для химии в этих карманах, от концентрирования солей до управления синтезом аминокислот. Более того, ударная химия ледяных, иногда богатых органикой (особенно в случае Титана) целевых материалов может генерировать новые «затравочные» соединения (например, аминокислоты или нуклеотиды) в расплавленном бассейне».
Расследование
Первым шагом для Маккензи и ее команды было исследование начальных уровней ударов, создаваемых наиболее распространенными ударами для Ocean Worlds — кометами, которые, вероятно, произошли из пояса Койпера и облака Оорта. Для этого команда рассчитала скорости и максимальное давление, которые будут достигнуты ударами с участием ледяных и каменистых тел. Они также рассмотрели, как это будет меняться в зависимости от различных семейств (первичные или вторичные удары) и от того, какие системы были вовлечены — например, Юпитер или Сатурн. В то время как первичные удары связаны с кометами или астероидами, вторичные удары вызваны выбросами, которые они создают.
В случае систем Юпитера и Сатурна вторичные ударники могут быть ледяными или каменистыми в зависимости от того, где они возникли (ледяное тело, такое как Европа, Энцелад и Титан, каменистое тело, такое как Ио, и более крупные астероиды). В то время как первичные удары имеют более высокие скорости и производят большие объемы расплава), вторичные удары происходят чаще. Чтобы определить размеры расплава, команда консультировалась с наблюдаемыми размерами кратеров на Европе, Энцеладе и Титане и динамическими моделями, которые рассчитывают кумулятивную скорость кратерообразования с течением времени. Затем они сравнили пиковые давления при ударе с пороговыми значениями выживаемости элементов, необходимых для жизни, органических молекул, аминокислот и даже микробов, выявленных в предыдущих исследованиях.
Из этого они определили, что большинство столкновений на Европе и Энцеладе испытывают пиковые давления, превышающие те, которые могут выжить бактериальные споры. Однако они также определили, что значительное количество материала все еще переживает эти столкновения и что более высокие давления первого контакта также могут способствовать синтезу органических соединений в талой воде, заполняющей кратеры. Между тем, в среднем Титан и Энцелад испытывали столкновения с более низкими скоростями удара, создавая пиковые давления, которые попадают в диапазон толерантности как для бактериальных спор, так и для аминокислот.
Следующим шагом было рассмотрение того, как долго будут существовать свежие кратеры и будет ли этого достаточно для синтеза биологических материалов. Основываясь на наблюдаемых размерах кратеров на Энцеладе и Европе, они определили, что самые долгоживущие кратеры существуют всего несколько сотен лет, тогда как на Титане для замерзания свежих кратеров могут потребоваться столетия или десятки тысяч лет. В то время как Европа и Энцелад испытывают больше высокоскоростных ударов (из-за плотной атмосферы Титана), долгоживущая природа кратеров Титана означает, что все три тела имеют шанс для проведения экспериментов по органической химии.
Они также рассмотрели скорость обновления поверхности на Европе, Энцеладе и Титане и то, как они будут циклически переносить биологический материал в их недра. Во всех трех случаях спутники имеют относительно «молодую» поверхность, что подразумевает регулярные события обновления поверхности.
Результаты
На основании этих соображений Маккензи и ее команда определили, что таяния, вызванные ударами комет по Европе, Энцеладу и Титану, были частыми и достаточно продолжительными, чтобы представлять астробиологический интерес. Однако это зависит от состава комет и поверхностного льда. Как они резюмировали:
«На Европе и Энцеладе выживание и осаждение органики ударника важнее, поскольку в ледяной корке меньше поверхностной органики, которая могла бы засеять расплавленный бассейн. На Титане выживание элементов, таких как фосфор, может быть важнее. Таким образом, даже небольшие, более частые события удара вносят вклад в астробиологический потенциал, доставляя на поверхность менее модифицированные соединения, которые доступны либо для немедленной реакции, если расплав образуется, либо для будущей обработки (включая последующие события удара)».
Например, они обнаружили, что комета, падающая на Европу со средней скоростью удара, создаст кратер размером 15 км (9,3 мили) и обеспечит около 1 км3 (0,24 куб. миль) талой воды. Основываясь на обилии глицина (незаменимой аминокислоты), обнаруженного на комете 67P Чурюмова-Герасименко, они определили, что выживет несколько частей на миллион — примерно на три порядка больше, чем то, что наблюдалось вокруг гидротермальных источников здесь, на Земле. «Таким образом, импакторы засевают всю химию, происходящую в расплаве, обеспечивая органические и другие необходимые элементы в зависимости от состава импактора», — добавили они.
Хотя это не обязательно означает, что эти и другие «Океанические миры» в настоящее время пригодны для жизни или активно поддерживают жизнь, они демонстрируют потенциал для будущего изучения. В ближайшие годы миссии, такие как ESA Юпитер ICy луны Исследователь (JUICE) и НАСА Европа Клиппер и Стрекоза миссии достигнут Ганимеда, Европы и Титана (соответственно). Также есть планы создать орбитальный аппарат Энцелада, чтобы подобрать там, где Кассини-Гюйгенс Зондирование было прекращено после более тщательного изучения активности шлейфа Энцелада.
Таким образом, проведение отбора проб и анализа на месте на этих лунах может дать мощное представление о пребиотических химических путях и определить, при каких условиях может возникнуть жизнь. Эти исследования образцов также рассмотрят более широкий вопрос о том, может ли существовать жизнь в недрах «Океанических миров», предоставляя предварительный просмотр того, что найдут будущие миссии, готовые исследовать подо льдом.
Дальнейшее чтение: Журнал планетарной науки
