В 1942 г. американский писатель-фантаст Джек Уильямсон опубликовал повесть «Орбита столкновения». Главный герой, молодой инженер, провел терраформирование астероида и сделал его пригодным для жизни. Можно ли воплотить идеи научной фантастики? Что нового узнали ученые о планетах? Рассказывает член-корреспондент РАН Олег Игоревич Кораблев, заведующий отделом физики планет Института космических исследований РАН.

— Олег Игоревич, давайте начнем с определе­ния «планеты земной группы», куда помимо Земли входят Марс и Венера, которые на пер­вый взгляд совершенно непригодны для жиз­ни человека. Почему тогда используется такой термин?

— Тут все просто. Термин указывает не на воз­можность жизни на планете, а на строение пла­нет. Планеты земной группы — это твердые тела, которые имеют преимущественно минераль­ный состав. Напротив, планеты-гиганты — дру­гая группа, представленная в Солнечной систе­ме, по составу они близки к Солнцу, и фактически твердой поверхности у таких планет нет. Поэтому и Марс, и Земля, и Венера, и даже Меркурий, на ко­тором нет атмосферы, относятся к планетам зем­ной группы.

— Есть ли предположение, почему ближе к Солнцу образовались планеты с твердой по­верхностью, а дальше от звезды — газовые ги­ганты?

— Ученые все еще выясняют детали формирова­ния планет, особенно гигантов. Но в самых общих чертах можно сказать, что планеты земной груп­пы образовались внутри так называемой снего­вой линии. Она разделяет теплые и холодные обла­сти протопланетного диска звезды. Ближе к звезде вода оставалась в газовой фазе, и планеты земной группы образовались в результате слипания преи­мущественно пылевых, минеральных частиц. Вода и другие летучие соединения, скорее всего, были занесены на Землю позднее, при столкновениях с телами, прилетевшими из дальних областей.

Когда мы движемся от звезды, по мере пониже­ния температуры первую снеговую линию образу­ет вода, поскольку она замерзает раньше других летучих веществ. За этой линией основную долю «эмбрионов» планет составлял уже лед. В результате они росли быстрее и могли достигнуть пяти-десяти масс Земли. Та­кие тяжелые «эмбрионы» притягивали частицы не только льда и пыли, но и окру­жающего газа протопланетной туманно­сти — того же, из чего в основном состоит и звезда, — водорода и гелия. Образова­лись газовые гиганты: Юпитер, Сатурн. Их спутники содержат много водяного льда. Еще дальше от Солнца при все бо­лее низких температурах конденсируются аммиак, метан. Вместе с водяным льдом эти разновидности льда образуют так на­зываемые ледяные гиганты — Уран, Не­птун. В состав Плутона входит даже азот­ный лед.

— Все ли группы планет устроены та­ким образом или есть различия?

— Сегодня мы наблюдаем большое мно­гообразие планетных систем. И на самом деле систем, похожих на Солнечную систему, мало. Это связано, в том числе и с тем, что системы на­подобие Солнечной трудно наблюдать, поскольку планеты сильно удалены от звезды, а сама звез­да — достаточно яркая. Поэтому при наблюдении мы видим только звезду.

Это характеризуется определением «наблюда­тельная селекция»: мы видим только то, что мо­жем увидеть. В основном это большие планеты, вращающиеся около звезды. Но все же техника со­вершенствуется — и астрономы уже находят пла­неты, похожие на Землю, которые вращаются воз­ле не очень ярких звезд.

— Вернемся к нашей Солнечной системе. В свое время была очень популярна идея терраформи­рования планет. Как вы считаете, насколько это осуществимо в обозримом будущем?

— Мне кажется, в определенных кругах эта идея популярна и сегодня. Конечно, это вдохновляющая мысль — приспособить планету для жизни чело­века. Когда мы окончательно испортим свою, при­дется переселиться на какую-то другую. Между тем проводятся серьезные исследования, которые включают оценку энергетических возможностей человечества. Согласно данным, в ближайшие 100 тыс. лет подобное мероприятие нам пока не под силу, хотя бы потому, что это обойдется недешево. Одно дело — колонизация, возможно, построение постоянно действующей базы, как в Антарктиде. Но другое дело — переделать планету и обеспечить условия, к которым мы привыкли на Земле. Это го­раздо труднее.

Изображение художника ранней марсианской среды (слева), которая, как считается, содержала жидкую воду и более плотную атмосферу, в сравнении с холодной и сухой средой, наблюдаемой на Марсе сегодня (справа)

Изображение художника ранней марсианской среды (слева), которая, как считается, содержала жидкую воду и более плотную атмосферу, в сравнении с холодной и сухой средой, наблюдаемой на Марсе сегодня (справа)

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center

— Чем специалистов-планетологов и энтузи­астов терраформирования привлекает Вене­ра? В свое время ее даже называли младшей се­строй Земли. При этом условия на ней совсем неподходящие.

— Здесь нам стоит рассмотреть такой известный термин, как «зона обитаемости». Он характеризует область расстояний между родительской звездой и планетой, где может существовать жидкая вода. Мы подразумеваем, что именно вода — основа жиз­ни. Зона обитаемости зависит не только от рассто­яния до звезды, но и от того, насколько интенсивно светит сама звезда.

В нашей Солнечной системе Венера попала за границу зоны обитаемости. При этом Вене­ра очень похожа на Землю. И нельзя сказать, что Солнце на ней сильно жарит. Поток приходяще­го солнечного излучения определяется не только расстоянием от Солнца. Так, Венера всего на 30% ближе к Солнцу, чем Земля. Есть другой важный фактор — цвет, который определяет, насколько планета отражает солнечное излучение. А Вене­ра отражает его очень хорошо. По сути, она белая, светлая. Если Земля отражает 30% процентов сол­нечного излучения, то Венера — практически 90%. Поэтому она получает меньше энергии от Солнца, чем Земля.

Венера

Венера

Источник: SSV, MIPL, Magellan Team, NASA

Однако сегодня мы видим, как события про­шлого отразились на настоящем Венеры. Счита­ется, что на ней когда-то был океан, но его судьба была печальной: он перешел в газообразную фор­му — водяного пара, вызвав сильный парнико­вый эффект. На самом деле, водяной пар — глав­ный участник цикла круговорота воды в природе. На Земле вода испаряется и конденсируется, пере­ходя обратно в жидкую форму. Но на Венере этот процесс был нарушен, то есть водяной пар не кон­денсировался из-за близости к Солнцу. И вся вода, которая была на Венере, пе­решла в форму пара, соз­дав жуткую паровую атмо­сферу. Парниковый эффект в такой атмосфере настоль­ко разогрел газ, что произо­шла массовая потеря воды. Фактически Венера сейчас совсем сухая. А то, что оста­лось, — это углекислый газ.

По всей видимости, пер­вичные атмосферы и на Зем­ле, и на Венере, и на Марсе состояли в основном из угле­кислого газа. Кислород на Земле появился уже в ре­зультате деятельности жи­вых организмов, первичных форм жизни. А углекислый газ, азот были всегда. Так вот, на Венере остался толь­ко углекислый газ со следа­ми воды.

Другая интересная осо­бенность Венеры, причина которой до конца не ясна, связана с тем, что на ней отсутствует тектоническое движение литосфер­ных плит. Этот процесс на Земле обеспечивает за­хоронение углекислого газа. В океане из него об­разуются карбонаты, в конечном итоге — извест­няковые массивы, а движение плит опускает его в мантию. Поскольку на Венере такого процесса нет, то и углекислый газ остался почти в полном объеме. Венера — это урок для человечества: вот что бывает с планетой, когда парниковый эффект работает на полную катушку.

— А что случилось с Марсом? Там, как я пони­маю, наоборот очень холодно?

— Марс существенно меньше, чем Земля или Ве­нера. Скорее всего, это главный фактор. И, конеч­но, расстояние от Солнца до Марса больше по срав­нению с другими планетами. Поэтому Марс нахо­дится на внешней границе зоны обитаемости.

Существует множество предположений, поче­му атмосфера Марса так слаба. Некоторые уче­ные предполагают, что углекислый газ был почти полностью удален из атмосферы. Это гипотетиче­ское явление называют гидродинамическим выно­сом. Скорее всего, он происходил на всех планетах на раннем этапе, когда они имели еще расплав­ленную поверхность и подвергались интенсив­ной бомбардировке. Возможно, часть углекисло­ты на Марсе захоронена, как и на Земле, в карбо­натах. Известно, что карбонаты на поверхности есть, но сколько — неясно. Пока они едва уловимы при наблюдениях, мешает пыльная поверхность Марса. Их удалось обнаружить на редких скали­стых участках, и это стало большим открытием.

Дистанционное исследование минералогии Мар­са велось в целом трудно. Сначала не видели глин, потом их удалось обнаружить. Значит, все-таки на Марсе была когда-то вода. Карбонаты тоже ис­кали долго, и только очень высокое разрешение по­зволило их заметить.

Воды на Марсе довольно много, но она находит­ся в основном в форме вечной мерзлоты и немного в виде льда на полярных шапках.

Сравнение атмосфер Марса и Земли

Сравнение атмосфер Марса и Земли

Источник: ESA

Если вместо Марса взять идеальный шар и рас­пределить по нему всю разведанную воду, как буд­то она жидкая, то глубина такого сферического слоя воды на Марсе будет примерно равна 30 м. Для сравнения: средняя глубина Мирового океана на Земле — 3736 м, или примерно 2,7 тыс. м сфе­рического слоя. Что касается Марса, то это неко­торая минимальная оценка. Несмотря на все уси­лия и исследования, ведущиеся на Марсе широ­ким фронтом, мы не можем точно сказать, сколько воды содержится в вечной мерзлоте. Мы знаем, сколько воды на глубине до 1-2 м, но не знаем, сколько ее на глубине 500 или 1 тыс. м, где она, по всей вероятности, есть, пусть и в виде льда.

В ближайшее время нам предстоит узнать, что же произошло с Марсом, почему и как исчезли вода и атмосфера. Считается, что это случилось более 3,5 млрд лет назад. С тех пор Марс менялся отно­сительно слабо. По сравнению с Марсом то, что мы видим вокруг себя на Земле, очень молодо. В мас­штабах миллионов лет ландшафты, которые нас окружают, постоянно меняются.

На Венере возраст поверхности более солидный, но она гораздо моложе Марса — около 700-800 млн лет. Поэтому Марс и его поверхность для нас — на­стоящий заповедник, хранящий историю Солнеч­ной системы.

— А какие варианты событий предлагают уче­ные?

— Скорее всего, произошла перестройка внутреннего строения планеты. Пропало магнитное поле, был недолгий эпизод вулка­нической активности, которая затем утих­ла.

Согласно теориям, в атмосфере Марса когда-то было вполне приемлемое давле­ние, а по его поверхности текла вода. Может быть, не в таких количествах, как на Земле, но и на Марсе был океан. Северное полуша­рие планеты представляет собой обширную впадину, которая раньше, вероятно, была заполнена водой.

— В одном из выступлений вы сказали, что на Марс человек уж точно сможет от­правиться. Когда это станет возможно и как в таком случае решить проблему с радиацией, которая на Марсе достаточ­но высокая?

— Этот вопрос стоит задавать не ученым, а ско­рее политикам или энтузиастам. Речь идет о же­лании выделить средства, потому что, в общем-то, технологии полета на Марс уже существуют. Оста­ется собраться с духом и, может быть, проявить определенную смелость.

Сегодня по сравнению с эпохой «Аполлона» при­нять такую степень риска для экипажа, которая была допустима тогда, общество вряд ли сможет. А полет на Марс — по-настоящему рискованная затея. Конечно, энтузиасты найдутся. Но вся от­ветственность ляжет на плечи тех, кто возьмется за организацию такого полета.

Что касается радиации, мне кажется, главный вопрос в перелете. Все-таки на поверхности Мар­са радиация меньше. И можно построить убежи­ще, использовать местный грунт, рельеф. Во вре­мя перелета, скорее всего, потребуются какие- то защитные конструкции. Это уже технический вопрос. Очевидно, что полет на Марс отличается от времени, проведенного на МКС, потому что ор­бита станции находится под радиационными по­ясами Земли. Все, что за ними, в том числе орбита Луны, — это уже совсем космос. Поэтому сегодня, прежде всего обсуждаются полеты к Луне для от­работки будущего полета на Марс.

— Не раз было сказано, что человеку незачем лететь к другим планетам. Намного проще от­правлять автономные станции и аппараты, спо­собные доставлять грунт. Можно ли утверж­дать, что дальние полеты человека в космос — скорее доказательство того, что человечество может это сделать?

Да, конечно. В 2021 г. мы наблюдали старт кос­мического корабля с киноэкипажем. И сразу все вспомнили, как, оказывается, сложно отправлять человека в космос, — сколько необходимо учесть разных деталей. И до этого космонавты летали ре­гулярно, но это, в общем-то, уже мало кого интере­совало.

Поэтому, конечно, полет человека в космос всегда вдохновляет общество. Грустно, что мы до сих пор соревнуемся. В 1960-х гг. соревновались, кто бы­стрее довезет атомную бомбу, и сейчас все еще со­ревнуемся, кто на Марс лучше слетает.

— В этом году мы ожидаем запуска нового ап­парата, который отправится на Луну. А нуж­но ли человечеству снова туда возвращаться, строить базы?

— Движение человечества в космос, к дру­гим планетам, а в будущем и к другим звездам не остановить. Очевидно, что с развитием циви­лизации мы продолжим продвигаться все глуб­же и глубже в космос. Луна, как мне кажется, — очень разумный этап такого продвижения. Она относительно близка. К тому же нельзя сказать, что мы возвращаемся. То, что было в 1960-х гг., уже в прошлом. Сегодня все устроено иначе. Другие системы, другие допустимые степени ри­ска. По сути, все нужно делать заново. Поэтому то, что сейчас во многих странах, в том числе в Рос­сии, вновь возникла идея полета на Луну, совер­шенно понятно и резонно.

— С точки зрения космических исследований удобна ли Луна, например, для установки кос­мических телескопов?

— После первых полетов считалось, что Луна для таких установок не подходит, поскольку там очень пыльно. Астронавты вернулись грязные, черные, в этой самой лунной пыли. При этом она липкая и имеет какой-то странный запах.

Между тем известен опыт китайских коллег, ко­торые на первом посадочном аппарате установи­ли небольшой телескоп в ультрафиолетовом ди­апазоне. У него не было амбициозных задач, но, насколько мне известно, он работает до сих пор. Может быть, его не очень интенсивно используют, поскольку у него нет системы наведения, он смо­трит просто в зенит.

Оптические телескопы на Луне имеют пра­во на существование. Возможно, у специалистов по внеатмосферной астрономии в будущем поя­вится такая база. Вряд ли подобные лунные теле­скопы станут серьезными конкурентами специа­лизированным спутникам-обсерваториям. Хотя при строительстве лунной базы это может стать одной из побочных, но очень полезных сфер дея­тельности.

На Луне можно использовать диапазон достаточ­но длинных волн, которые недоступны на Земле из-за ионосферы. На обратной стороне Луны почти нет радиопомех. К тому же можно ставить большие и относительно легкие антенны. Ветра нет, осад­ков нет, ничего с ними не будет. То есть в принци­пе это могут быть долгоживущие полуроботизиро­ванные установки с редким обслуживанием чело­веком. Хорошие перспективы для науки.

— Поговорим о космических исследовани­ях. Расскажите немного об истории проекта «ЭкзоМарс». На каком этапе он сейчас находит­ся? Какие значимые научные результаты были получены благодаря миссии?

— Действительно, «ЭкзоМарс» — это проект с историей. Идея создания подобной миссии при­надлежала Европейскому космическому агент­ству (ЕКА, ESA). Первый запрос на эксперименты для марсохода был в 2000 г. Основная идея про­екта — пробурить поверхность Красной планеты. За годы подготовки проекта подобное никем боль­ше не планировалось. Это сложная технологиче­ская операция, но она того стоит.

Марсоход и посадочная платформа миссии «ЭкзоМарс-2022»

Марсоход и посадочная платформа миссии «ЭкзоМарс-2022»

Источник: ESA

Марс постоянно испытывает воздействие радиа­ции, космических лучей. А значит, поверхность все время подвергается эрозии. И если мы хотим най­ти на Марсе следы жизни, нужно искать на глуби­не, там, где грунт не затронут радиацией. Для это­го создано буровое устройство для марсохода «Ро­залинд Франклин», которое, мы надеемся, сможет достичь глубины двух метров.

Система очень сложная. Бур состоит из секций, они наращиваются. Затем нужно вынуть керн, ко­торый загружается в специальный отсек. В нем керн измельчается, полученное вещество исследу­ется с помощью продвинутых современных прибо­ров так называемой аналитической лаборатории ровера.

За 20 лет работы миссия так или иначе видоиз­менялась. В какой-то момент в ЕКА и NASA созре­ло решение сделать совместный проект, дополнив его спутником для измерения малых атмосферных составляющих. Кстати, раньше атмосферы планет были единственными объектами, которые мож­но было изучать методами наземной астрономии. А когда стали запускать первые спутники и мар­соходы, на первый план вышла геология. Именно она десятилетиями доминировала. Но сейчас про­изошел некий поворот и все вновь стали интересо­ваться атмосферой.

Равнина Оксия на снимке камеры высокого разрешения HiRISE на борту аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (НАСА)

Равнина Оксия на снимке камеры высокого разрешения HiRISE на борту аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (НАСА)

Источник: NASA/JPL/University of Arizona

— С чем это связано?

— Во-первых, возникла идея, что малые газы в атмосфере могут о многом рассказать: о вулка­нической или тектонической активности на пла­нете. Во-вторых, появилось и активно развивает­ся направление по исследованию экзопланет. Есть надежда, что скоро мы получим такие телескопы, которые позволят оценить состав атмосферы и на внесолнечных планетах.

Помимо этого, исследования атмосферы связаны с поиском следов жизни на Марсе. Например, на­личие метана на Красной планете позволяет пред­положить, что его производят какие-то микроор­ганизмы. Существует гипотеза, что на Марсе есть так называемые клатраты — газогидраты с сое­динением метана. Этот газ — самый интересный кандидат для исследователя.

Исследования атмосферы позволяют также ве­сти общий мониторинг атмосферы и климата Марса. Климат здесь влияет и на формирование поверхности планеты, его изучение значимо для планирования будущих экспедиций. Вспомни­те фильм «Марсианин». Там буря принесла немало бед главным героям. Конечно, в фильме есть некоторые пре­увеличения. Тем не менее, усло­вия на поверхности планеты су­щественно меняются в зависимо­сти от погоды.

Во второй половине 2000-х гг. разрабатывалась концепция спутника для исследования ма­лых атмосферных составляю­щих и ровера. NASA предложи­ло свой уникальный опыт посад­ки на поверхность, в том числе достаточно тяжелых аппара­тов. Но в 2011 г. NASA отказа­лось от участия в проекте. Одна­ко поскольку у «Роскосмоса» (в те годы Федерального космическо­го агентства) и Европейского кос­мического агентства были давние тесные связи, работа продолжи­лась. Было достигнуто соглашение, в рамках кото­рого запуск спутника должен был осуществлять­ся с помощью российской ракеты. А еще через не­сколько месяцев было решено, что и вторая часть экспедиции с марсоходом будет запущена россий­ской ракетой.

Возник вопрос, как она сядет. Ведь ранее за эту часть должны были отвечать специалисты из NASA. Тогда европейские коллеги решили соз­дать демонстратор посадки (Entry Decent Module). Его назвали «Скиапарелли». К сожалению, его по­садка прошла неудачно из-за досадной ошиб­ки в компьютерной программе, которая отвечала за обработку данных при посадке. Но все же был приобретен ценный опыт.

Макет «Скиапарелли» в Европейском центре управления космическими полётами

Макет «Скиапарелли» в Европейском центре управления космическими полётами

Источник: Wikipedia

— Как вы оцениваете вклад российских коллег?

— Вклад очень большой. Разработка системы по­садки марсохода, который будет запущен в 2022 г., совместная. Аэродинамический экран, да и сам посадочный аппарат разработаны в России. Пара­шютная система и система управления посадкой европейские. Наш ровер унаследовал самое луч­шее от «Скиапарелли», при этом проведена соот­ветствующая работа над ошибками.

Напомню, что на борту марсохода установлены два российских эксперимента. Плюс ко всему мы серьезно поработали над посадочной платформой, которая тоже оснащена приборами и предназна­чена для исследований, которые удобно и целесо­образно проводить на неподвижной автоматиче­ской станции. Основная часть приборов на ней российская, с небольшим участием европейских коллег. То есть техническая симметрия соблюде­на, как и на космическом аппарате TGO, который продолжает успешно работать.

На борту орбитального аппарата установлены четыре прибора: два европейских, два российских. Один из них измеряет малые атмосферные состав­ляющие и анализирует особенности атмосферы, второй занимается исследованием воды на поверх­ности.

— Недавно была опубликована новость, что российский спектрометр обнаружил следы хло­роводорода на Марсе. Что это может значить для научного сообщества и для нашего понима­ния того, как устроен Марс?

— В принципе, мы и раньше знали, что на по­верхности Марса есть хлор. Скорее всего, его про­исхождение связано с существованием океана. Но было странно, что его нет в атмосфере, ведь со­единения хлора очень активные. Благодаря наше­му прибору его наконец обнаружили. И теперь фо­тохимия марсианской атмосферы нуждается в су­щественной доработке. Но пока ни одной модели опубликовано не было.

Такая вот маленькая атмосфера, почти в сто раз слабее земной, но каждый раз преподносит что-то новое. Поэтому прежде чем кого-то туда посылать, надо еще немного поработать.

— Чего мы ждем от запуска в 2022 году?

— Мы ждем успешного запуска, перелета и по­садки на Марс. Это самое главное для миссии. А дальше мы начнем реализацию научной про­граммы. Сверхзадача — пробурить поверхность, возможно, найти следы или свидетельства биоло­гических процессов в прошлом планеты, а может и в настоящем.

И, конечно, необходимо выполнить большую про­грамму экспериментов и на марсоходе, и на поса­дочной платформе. Наконец-то мы и европейские коллеги вступим в дружную семью людей, которые «прикоснулись» к поверхности Марса.

Беседовала Анастасия Рогачева