Сотни тысяч квадриллионов бактерий могли уже достичь спутника Юпитера с Земли

Фото из открытых источников

В неожиданном повороте событий для астробиологии новое исследование, опубликованное ученым Зазой Османовым из Свободного университета Тбилиси и Национальной астрофизической обсерватории Грузии, предполагает, что Земля могла засеивать спутник Юпитера Европу жизнью на протяжении миллионов лет.

В исследовании, опубликованном в International Journal of Astronomy and Astrophysics, предполагается, что частицы пыли, выброшенные с нашей планеты, которые могут содержать бактерии, достигают замерзшей поверхности спутника в астрономических количествах.

Исследование предполагает, что за последние 30–80 миллионов лет — предполагаемый возраст жидкого океана, существовавшего, как считается, под ледяной корой Европы, — на ее поверхность могло обрушиться около 3 × 10²³–8 × 10²³ частиц с потенциально сохранившимися бактериями. Эта цифра, трудно поддающаяся осмыслению человеческим разумом, соответствует 300 000 000 000 000 000 000 000 (триста секстиллионов) частиц.

Но как наземным организмам удаётся достичь столь далёкого и враждебного мира? Объяснение начинается в самых верхних слоях нашей собственной атмосферы.

Идея о том, что жизнь может перемещаться между планетами, не нова. Известная как панспермия, она была предложена более века назад учёным Сванте Аррениусом в 1908 году. Однако профессор Османов опирается на недавние работы (например, Берера, 2017), описывающие гораздо более эффективный механизм спасения.

Всё начинается с падения внеземных микрометеоритов в атмосферу Земли. Когда эти крошечные частицы космической пыли попадают в атмосферу на высокой скорости, они создают турбулентность, которая может поднимать частицы пыли из верхних слоев атмосферы. Это явление сопротивления воздуха может разгонять эти частицы до скоростей, превышающих вторую космическую скорость Земли (около 11,2 км/с).

В исследовании подробно описывается, что для выживания бактерии внутри одной из таких частиц температура во время полета должна оставаться ниже критического порога. Математическая модель автора показывает, что для поддержания температуры ниже 300 Кельвинов (около 27°C, довольно умеренной комнатной температуры) скорость частицы не должна быть чрезмерной. По оценкам, на высоте 150 километров оптимальная скорость составляет около 14 км/с, чего достаточно, чтобы преодолеть земное притяжение.

Освободившись от Земли, эти пылевые частицы размером около 0,001 миллиметра (10⁻⁴ см) становятся путешественниками в межзвездном пространстве. Их путь к внешним орбитам Солнечной системы сложен, поскольку им приходится противостоять двум основным силам: гравитации Солнца и его радиационному давлению. Солнечное излучение выталкивает частицы наружу, а гравитация притягивает их внутрь.

Для расчета вероятности достижения этими частицами Европы автор провел численное моделирование их траектории. В этих симуляциях учитывались не только солнечная гравитация, но и трение с межпланетной средой. Вывод таков: не все частицы, запущенные с Земли, достигают орбиты Юпитера.

Фактически, автор выделяет несколько «фильтров», которые резко сокращают количество частиц, достигающих цели. Первый — это направление запуска. Моделирование показывает, что из-за сложности орбитальной динамики только частицы, запущенные под определенными углами (от 0° до 130° и от 230° до 360°), могут достичь орбиты Юпитера. Это отсеивает примерно 28% частиц.

Второй фильтр — это вопрос времени. Чтобы быть захваченными гравитацией Юпитера, частицы должны прибыть в правильное орбитальное положение, когда планета будет там находиться. В исследовании вероятность такого выравнивания оценивается примерно в 15%.

Как только частица достигает окрестностей Юпитера, гравитационное притяжение гигантской планеты и её спутника Европы направляет её к месту столкновения. Но на этом путь бактерии ещё не заканчивается. Столкновение с ледяной поверхностью Европы, происходящее на относительной скорости около 20,1 км/с, носит катастрофический характер. Трение, возникающее при ударе, повышает температуру частицы до экстремальных значений, что, несомненно, убьёт любую бактерию.

Здесь исследование выявляет важный момент. Автор опирается на физику косых ударов, чтобы показать, что максимальная температура, достигаемая частицей, зависит от угла удара о поверхность. Чем перпендикулярнее удар (90°), тем выше температура. Для выживания бактерии нагрев должен быть ограничен.

Чтобы температура оставалась ниже порога выживания в 300 К, частица должна ударяться под чрезвычайно малым углом. Расчеты показывают, что максимальный угол наклона, необходимый для выживания бактерий, составляет всего 1 градус относительно поверхности. Это как если бы частица, вместо того чтобы падать как стрела, почти касалась поверхности, как камень, скользящий по воде.

В статье говорится, что, рассматривая косые удары, мы продемонстрировали, что максимальный угол наклона, при котором пылевые частицы могут выжить, составляет порядка 1°. Это означает, что из всех возможных углов удара (360 градусов) лишь ничтожно малая доля (примерно 1 из 360, или 0,28%) позволяет бактериям выжить.

К этому фактору автор добавляет еще два: вероятность того, что частица, попавшая в гравитационную зону влияния Юпитера (называемую сферой Хилла), будет захвачена Европой, и вероятность того, что после захвата она упадет на поверхность спутника. В исследовании подсчитано, что менее 0,015% частиц, попадающих в сферу Хилла Юпитера, в конечном итоге падают на поверхность Европы.

Несмотря на все эти фильтры — угол запуска, синхронизацию с Юпитером, направление выброса, угол удара и вероятность захвата — конечный результат остается поразительным.

Отправной точкой является общий поток пылевых частиц, покидающих Землю. Предыдущие исследования показывают, что поток частиц, покидающих атмосферу Земли, составляет примерно 1 частицу на квадратный сантиметр в секунду. Учитывая размеры Земли, это соответствует ошеломляющему количеству частиц в секунду.

Применив все коэффициенты редукции, автор рассчитывает поток частиц, падающих на Европу и несущих выжившие бактерии: приблизительно 320 миллионов частиц в секунду достигают поверхности Европы, неся потенциально живые земные бактерии.

Но достижение поверхности — это не конец пути. Поверхность Европы — чрезвычайно враждебное место. Без значительной атмосферы, обеспечивающей защиту, спутник подвергается интенсивному излучению поясов заряженных частиц Юпитера. Любые бактерии на поверхности деактивировались бы примерно через 10 000 лет.

Итак, как же эти бактерии могли попасть в жидкий океан, который, как считается, существует подо льдом? В исследовании рассматривается этот вопрос с точки зрения ключевого геологического процесса: образования трещин на поверхности.

Ледяная кора Европы не статична. Она подвергается огромным приливным силам из-за гравитации Юпитера, что приводит к периодическому растрескиванию и разрушению. Поверхность обновляется и распадается с интервалами от 1000 до 100 000 лет.

Этот геологический процесс в сочетании с активностью в так называемых «зонах хаоса», покрывающих от 20% до 40% поверхности, может приводить к образованию трещин, позволяющих частицам пыли, замерзшим во льду, переноситься в более глубокие и теплые слои, в конечном итоге достигая подповерхностного океана.

Возраст ледяной поверхности Европы оценивается в 30–80 миллионов лет. Если поток в 320 миллионов частиц в секунду оставался постоянным на протяжении всего этого времени, то общее количество земных частиц, достигших поверхности с сохранившимися бактериями, составляет от 3×10²³ до 8×10²³.

Эта цифра настолько колоссальна, что, по словам автора, она убедительно свидетельствует о вероятности существования жизни в подповерхностном океане Европы, если биологические и биохимические условия совместимы с возникновением жизни на Земле.

Работа профессора Османова не доказывает существование жизни на Европе, но предоставляет очень убедительные статистические и физические аргументы в пользу того, что такая возможность реальна и что Земля могла быть источником этой жизни. Исследование дополняет долгую и увлекательную дискуссию о панспермии — идее о возможности распространения жизни в космосе.

Это исследование открывает двери для нового направления работы. Следующим логическим шагом стало бы изучение того, действительно ли физико-химические условия океана Европы (его температура, соленость и химический состав) совместимы с земными бактериями. Если да, то сценарий заселения Землей жизни на ее юпитерианском соседе перестает быть простой гипотезой и превращается почти в математическую вероятность.