Космическому аппарату «Галилео» выпал, вероятно, самый интересный в научном плане начальный этап миссии за всю нашу короткую историю исследования планет Солнечной системы. По завету Карла Сагана, «Галилео» включил находящиеся у него на борту приборы во время гравитационного маневра рядом с Землей в 1990 г. и выполнил ряд наблюдений, которые можно назвать первым астробиологическим обследованием Земли с целью обнаружения жизни (мы еще вернемся к этой идее в главе 8).
Далее путь экспедиции «Галилео» проходил через пояс астероидов, где космический зонд обнаружил астероид, обладающий собственным спутником, — было замечено, что крошечный каменный астероид Дактиль обращался вокруг другого каменного астероида, Иды, немного превосходящего его размерами. Это открытие, а также полученные аппаратом снимки общего плана столкновения кометы Шумейкера — Леви с Юпитером, сделанные в 1994 г., позволяют говорить, что миссия «Галилео» стала успешной еще до того, как аппарат прибыл к Юпитеру в декабре 1995 г.
Ближе, ближе, ближе к делу
«Галилео» нес на борту спускаемый зонд, который должен был отделиться от основного аппарата и совершить ультразвуковой прыжок в неизвестные глубины юпитерианской атмосферы. Зонд отделился от «Галилео» в июле 1995 г., а 7 декабря началась стадия снижения. Вход в атмосферу происходил на сумасшедшей скорости — 47 км/с (приблизительно 170 000 км/ч). Однако за первые две минуты вхождения аппарата в атмосферу планеты сопротивление ее верхних слоев уменьшило его скорость до нескольких сотен метров в секунду. При этом спускаемый аппарат испытывал почти запредельные, достигавшие 230 g перегрузки‹‹2››, а примерно половина теплозащитного экрана, весившего 150 кг, полностью сгорела и испарилась.
На этом этапе миссия едва не закончилось катастрофой. Предполагалось, что спускаемый аппарат выпустит парашют, который должен был затормозить зонд до скорости 160 км/ч, что позволило бы приступить к измерениям параметров атмосферы. Но парашют раскрылся на минуту позже, чем планировалось, заставив ученых изрядно понервничать. Вообще-то парашют мог и вовсе не сработать, поскольку акселерометр, который должен был активировать открытие парашюта, был установлен задом наперед, и что именно заставило парашют в конечном итоге открыться, остается загадкой. После открытия парашюта зонд спустился еще на 156 км в атмосферу Юпитера. В течение часа он передавал на Землю данные телеметрии, которые дают нам картину химически разнообразного, неспокойного, пребывающего в постоянном движении мира.
В конце концов зонд погрузился во внутренние области атмосферы и разрушился под воздействием высокой температуры и давления: сначала расплавился парашют, затем началось свободное падение в глубины планеты. Поскольку у Юпитера нет твердой поверхности, части аппарата одна за другой постепенно плавились и испарялись, пока наконец его отдельные атомы не смешались со слоем жидкого металлического водорода в ядре Юпитера.
Юпитер по курсу!
«Галилео» вышел на орбиту Юпитера 8 декабря, на следующий день после героического самопожертвования спускаемого аппарата. Хотя «Галилео» находился на орбите Юпитера, близость к Ио, Европе, Ганимеду и Каллисто позволила ему несколько раз проходить на рекордно малом расстоянии от спутников. За восемь лет «Галилео» 35 раз облетел вокруг Юпитера и 11 раз сближался с Европой (и это еще очень немного, если учесть, сколько всего нового мы узнали). Вероятно, самым важным инструментом из всех, имевшихся на борту «Галилео», был магнитометр — два набора детекторов, расположенных на 11-метровой выносной ферме, чтобы изолировать их от магнитного поля самого аппарата‹‹3››. Этот прибор был создан для исследования обширного магнитного поля Юпитера — второго по величине после солнечного, — которое генерируется циркуляцией металлического водорода в его внешнем ядре.
Однако никто не ожидал, что магнитное поле Юпитера будет в свою очередь создавать (правильнее было бы говорить «индуцировать») магнитное поле внутри самих Галилеевых спутников. Больше всех удивила Европа. Хотя она относительно велика для спутника (чуть меньше Луны), ее недра должны были давно застыть, превратившись в камень. Открытие «Галилео» было в равной степени неожиданно и эффектно: Европа обладает слабым магнитным полем. Если сопоставить следующие три факта — магнитное поле Европы меняет свое направление каждые 11 часов; Юпитер совершает оборот вокруг оси за 11 часов; и сама Европа совершает оборот вокруг своей оси за 3,55 земных суток, — то можно прийти к однозначному выводу, что магнитное поле не присуще самой Европе, а индуцировано Юпитером. Это означает, что на Европе есть слой с хорошей электропроводностью. В случае планет таким электропроводным слоем может быть жидкое металлическое ядро. Но что может служить проводником на Европе, на что оказывает воздействие магнитное поле Юпитера? Оказалось, что там есть жидкая вода.
Гладкая ледяная кора Европы стала первым намеком, заставившим ученых заподозрить наличие на спутнике невидимых резервуаров жидкой воды, которые могут играть важную роль в формировании поверхности планеты. Измерения, выполненные с помощью магнитометра «Галилео», предоставили ученым беспрецедентную возможность заглянуть под ледяную кору и обнаружить там глобальный океан глубиной до 100 км. Более того, ученым известно, что вода, не содержащая примесей, относительно плохо проводит электрический ток, и для генерации магнитного поля наблюдаемой величины необходимо, чтобы вода была соленой. В свою очередь, соленость океана зависит от типа растворенных в воде солей. У нас есть все основания полагать, что океан на Европе такой же соленый, как на Земле, или даже более того.
О каком количестве жидкой воды мы говорим, когда речь идет о Европе? Если ее океан действительно такой глубокий, как показывают измерения магнитометра «Галилео», общий объем воды на Европе приблизительно в два раза больше, чем на Земле. Удивительно сознавать, что один небольшой спутник, меньший, чем Луна, содержит больше воды, чем вся наша планета. Если какое-либо открытие и должно заставить нас задуматься, так это то, что это ледяное тело и его дальние родственники, обращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна, возможно, содержат главные запасы жидкой воды в Солнечной системе.
Но, прежде чем мы начнем рассуждать о перспективах существования жизни на этих спутниках, полагаю, нам стоило бы остановиться и проверить, не помутился ли наш разум. Мы знаем, что поверхность Европы состоит из воды — мы можем судить об этом на основании отчетливых линий поглощения, свойственных воде в спектре отраженного солнечного света. Однако средняя температура на поверхности Европы на экваторе составляет –160 °C, а на полюсах и вовсе –220 °C. Как может на Европе образовываться жидкая вода — не забудьте, что для этого нужна температура между 0 и 100 °C при «нормальном» давлении? Откуда берется энергия, чтобы произвести это тепло в ледяных глубинах внешней Солнечной системы?
Приливы, резонанс и энергия
В наше время, когда мы стремимся максимально использовать возобновляемые источники энергии, задумывались ли вы когда-нибудь, откуда берется энергия приливов? Приливы возникают потому, что гравитационное воздействие, которое оказывают на Землю Луна и Солнце, немного больше на обращенной к ним стороне планеты. Это, в свою очередь, вызывает еле заметную деформацию Земли, и она принимает форму эллипсоида. Поскольку вода пластичнее камня, водная оболочка вытягивается немного сильнее. Два прилива, которые мы наблюдаем каждый день, связаны с тем, что вращение Земли буквально заносит нас под ближайший к Луне и противоположный от нее горб океанской воды, которые следуют за движением Луны вокруг Земли.
Энергия, за счет которой образуются приливные горбы, — гравитационная, она возникает за счет движения Земли по орбите вокруг Солнца и движения Луны по орбите вокруг Земли. В результате радиусы орбит и Земли вокруг Солнца, и Луны вокруг Земли с течением времени увеличиваются на очень малую величину. Так что электрическая энергия, которой вы пользуетесь у себя дома и которая генерируется приливной электростанцией (если, скажем, вы живете рядом с устьем реки Ранс во Франции), в конечном итоге образуется за счет движения Земли и Луны.
Но какое отношение это имеет к Юпитеру и Галилеевым спутникам? В данном случае мы наблюдаем абсолютно тот же самый эффект: энергия приливов разогревает недра всех спутников. Ио, Европа и в меньшей степени Ганимед и Каллисто деформируются под воздействием гравитационного поля Юпитера. Существенное различие заключается в том, что орбиты Галилеевых спутников гораздо более вытянуты, чем орбита Луны. Это приводит к тому, что в каких-то точках своей орбиты они находятся ближе к Юпитеру, а в каких-то — дальше. Возникающие вследствие этого приливные деформации заставляют Ио сплющиваться и растягиваться, так что значение его экваториального диаметра изменяется почти на 100 м в течение тех 42 часов, за которые спутник совершает оборот вокруг Юпитера.
Чтобы проиллюстрировать этот процесс более наглядно, вообразите себе мяч для игры в сквош. Перед началом матча игроки специально сжимают мяч, чтобы увеличить его упругость. Энергия, затраченная на деформацию мяча, создает тепло, возникающее от трения между молекулами, входящими в состав резины. Точно так же периодическая деформация Галилеевых спутников Юпитера приводит к разогреву их твердых ядер. Но есть еще один момент, исключительно важный для поддержания приливного эффекта.
В системе, где у планеты есть один-единственный спутник, его орбита быстро становится круговой, поскольку гравитационные взаимодействия ее выравнивают. Но Галилеевы спутники находятся в орбитальном резонансе, и это означает, что под воздействием гравитационных сил их орбиты синхронизировались: за то время, что Ио совершает четыре оборота, Европа совершает два, а Ганимед — всего один