;
Кейсы 18 января 2021

Жизнь на спутниках Юпитера: возможна ли она и когда туда полетят жить люди?

Далее

Приборы межпланетного зонда Juno («Юнона»), который исследует Юпитер, засекли близкий сигнал на частоте около 6,5 МГц, что находится в диапазоне высокочастотных радиоволн. На Земле они используются для ионосферной связи и загоризонтной радиолокации, но на орбите Юпитера их источник — природного происхождения. Рассказываем, откуда взялся этот сигнал, возможна ли там жизнь и сможет ли человечество колонизировать луны Юпитера?

О каких сигналах идет речь?

Подобные сигналы известны давно: они называются декаметровыми радиовсплесками (decametric radio emission). Слово «декаметровое» означает десятки метров, так как длина волны радиовсплесков составляет десятки метров.

После случайного открытия радиовсплесков с Юпитера ученые попытались понять, что вызвало это радиоизлучение. Они начали с тщательных наблюдений, записывая время, когда они слышали Юпитер, и насколько интенсивными были декаметровые радиовсплески Юпитера. (Слово «декаметровое» означает десятки метров, так как длина волны радиовсплесков составляет десятки метров). После сбора этих радиоданных они сравнили их с другой информацией о Юпитере. Они начали согласовывать радиовспышки Юпитера с вращением планеты. Единственный способ узнать, какая часть Юпитера обращена к ним в определенное время, — это знать скорость его вращения. Сначала астрономы знали скорость вращения Юпитера, только наблюдая, как облака движутся по планете; нет никаких объектов поверхности, которые нужно отслеживать.

Наблюдатели поняли, что слышим мы Юпитер или нет, во многом зависит от того, какая часть Юпитера обращена к нам в данный момент. Радиоизлучение зависит от долготы Юпитера. Похоже, есть особые долготы, на которых Юпитер может быть слышен гораздо чаще, чем другие. Эти долготы были подобны «ориентирам» на планете без видимой поверхности. Эти ориентиры также означают, что Юпитер не просто излучает радиоволны во всех направлениях, а скорее излучает радиоволны в космос.

Чем новые радиовсплески примечательны?

Недавно космический аппарат впервые зафиксировал декаметровые радиовсплески в непосредственной близости от места их возникновения. Фактически зонд пролетел через источник радиовсплеска, неподалеку от Ганимеда, крупнейшего спутника Юпитера.

Датчики «Юноны» наблюдали феномен около 5 секунд, а затем радиосигнал слился с фоновым излучением. Учитывая скорость движения зонда — примерно 50 км/с, можно сделать вывод, что область пространства, где генерируется сигнал, оставляет 250 км в поперечнике.

О примечательном наблюдении международная команда исследователей сообщила в новом исследовании. Оригинальная публикация была размещена в рецензируемом журнале Geophysical Research Letters. Внимание общественности она привлекла после передачи на канале KTVX, где выступил представитель НАСА в штате Юта Патрик Виггинс (Patrick Wiggins).

Рассказывая о новом радиосигнале, полученным аппаратом Jino, представитель НАСА особо подчеркнул — происхождение этого сигнала природное. Такие радиовсплески возникают в результате циклотронной мазерной неустойчивости (CMI, cyclotron maser instability). Суть этого эффекта заключается в усилении свободными электронами радиоволн. Происходит это, если частота колебаний электронов в плазме существенно ниже, чем их циклотронная частота. Тогда может стать заметным даже удачно возникший в облаке заряженных частиц случайный сигнал, отмечает Naked Science. Радиовсплески формируются в тех участках магнитосферы Юпитера, где она тесно взаимодействует с магнитным полем Ганимеда. Захваченные магнитными линиями электроны могут не только порождать радиоволны.

Возможна ли жизнь на спутниках Юпитера?

В 1610 году Галилео Галилей стал первым астрономом, открывшим большие спутники Юпитера с помощью телескопа собственной конструкции. Со временем эти луны — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — в совокупности стали называться «Галилеевыми лунами» в честь их первооткрывателя. И с началом космических исследований то, что мы узнали об этих спутниках, очаровало и вдохновило и ученых.

Три внутренних Галилеевых спутника вращаются в резонансе 4:2:1

Например, с тех пор, как зонды «Пионер» и «Вояджер» прошли через систему лун несколько десятилетий назад, ученые подозревали, что спутники, подобные Европе, могут стать лучшим выбором для поиска жизни за пределами Земли во внешней Солнечной системе. Все дело в наличии водяного льда, внутренних океанов, минералов и органических молекул. С первыми открытиями о природе лун Юпитера появились предположения о том, что человечество сможет однажды колонизировать их.

Кстати, концепция колонизированной системы Юпитера представлена ​​во многих научно-фантастических публикациях. Например, роман Роберта Хайнлайна «Фермер в небе» (1953) рассказывает о мальчике-подростке и его семье, переезжающих на Ганимед. По сюжету, эта луна Юпитера находится в процессе терраформирования и фермеров нанимают, чтобы помочь превратить ее в сельскохозяйственную колонию.

Как ученые предлагали колонизировать луны Юпитера?

С тех пор, как зонды «Вояджер» прошли через систему Юпитера, астрономы сделали несколько предложений для миссий с экипажем на спутники Юпитера и даже для создания там поселений. Например, в 1994 году было создано частное космическое предприятие, известное как «Проект Артемида», с целью колонизации Луны в XXI веке. Сейчас, спустя много лет, этот проект снова ожил и активно развивается.

«Семейный портрет» четырех галилеевых спутников (Ио Европа, Ганимед и Каллисто) вокруг Юпитера, сделанный космическим кораблем New Horizons и опубликованный в 2007 году. Фото: НАСА/Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса / Юго-западный исследовательский институт

Позже, в 1997 году ученые разработали планы по колонизации Европы, в которых предусматривалось создание иглу на ее поверхности. Предполагалось, что позже эти постройки будут служить базой для ученых. Они смогут «углубиться» в ледяную кору Европы и исследовать подповерхностный океан. В этом плане также обсуждалась возможность использования «воздушных ям» в ледяном покрове для длительного проживания людей.

  • Проект HOPE

В 2003 году NASA подготовила исследование под названием Human Outer Planet Exploration (HOPE), которое было сосредоточено на исследовании будущего Солнечной системы. Из-за удаленности от Юпитера и, следовательно, более низкого уровня солнечной радиации целью в этом исследовании была луна Каллисто.

План подразумевал начало операций в 2045 году. В начале необходимо создать базу на Каллисто, где научные группы смогут дистанционно управлять роботизированной подводной лодкой. Она, в свою очередь, будет использоваться для исследования внутреннего океана Европы. Эти научные группы также будут добывать образцы поверхности недалеко от места посадки на Каллисто.

Наконец, что не менее важно, экспедиция на Каллисто создаст многоразовую надводную среду обитания, где водяной лед можно собирать и превращать в ракетное топливо. Таким образом, эта база могла бы служить базой снабжения для всех будущих миссий по эксплуатации в системе Юпитера.

Также в 2003 году НАСА сообщило, что пилотируемая миссия на Каллисто может быть возможна в 2040-х годах. Согласно совместному исследованию, опубликованному Исследовательским центром Гленна и Аэрокосмическим институтом Огайо, эта основой миссии станет космический корабль, оборудованный ядерной электродвигательной установкой (ЯЭДУ) и искусственной гравитацией. Этот корабль должен доставить экипаж для пятилетней миссии по созданию базы на Каллисто.

В своей книге «Выход в космос: создание космической цивилизации» (1999) Роберт Зубрин выступал за разработку атмосферы внешних планет, включая Юпитер, для получения топлива гелия-3.


Гелий-3 — стабильный изотоп гелия. Ядро гелия-3 состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжелого другого стабильного итозопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона. Гелий-3 иногда рассматривается как гипотетическое термоядерное топливо. У такого топлива много преимуществ — к ним относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции. Это резко уменьшает наведенную радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора. Кроме того, протоны — один из продуктов реакции, в отличие от нейтронов, легко улавливаются. Их можно использовать для дополнительной генерации электроэнергии. При этом и гелий-3, и дейтерий сами по себе неактивны. Это значит, что их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю. Однако у гелий-дейтериевой реакции и серьезный недостаток — значительно более высокий температурный порог (для начала реакции требуется температура порядка миллиарда градусов).


Для этого потребуется база на одной или нескольких галилеевых спутниках. В НАСА также размышляли о такой возможности, ссылаясь на то, что находка позволит обеспечить безграничные запасы топлива для термоядерных реакторов здесь, на Земле, и где-либо еще в Солнечной системе, где будут существовать колонии.

Сейчас этот изотоп планируется добывать на Луне для нужд термоядерной энергетики. Однако это дело далекого будущего. Тем не менее, гелий-3 чрезвычайно востребован уже сегодня — в частности в медицине.

  • Lifeboat Foundation

В 2000-х годах был основан проект Lifeboat Foundation. Это некоммерческая организация, деятельность которой направлена ​​на сохранение человечества. В 2012 году они выпустили исследование под названием «Колонизация спутников Юпитера: оценка наших возможностей и альтернатив», в котором колонизация галилеевых спутников рассматривалась как потенциальная альтернатива колониям на Луне или Марсе.

Зачем колонизировать луны Юпитера?

У создания колоний на галилейских лунах есть много потенциальных преимуществ для человечества.

Во-первых, система Юпитера невероятно богата летучими веществами, в том числе водой, диоксидом углерода и аммиачным льдом, а также органическими молекулами. Кроме того, считается, что спутники Юпитера также содержат огромное количество жидкой воды.

Например, оценки объема внутреннего океана Европы предполагают, что он может содержать до трех квадриллионов кубических километров воды. Это чуть более чем в два раза превышает совокупный объем всех океанов Земли. Кроме того, колонии на спутниках Юпитера могут позволить миссии к самому Юпитеру, где водород и гелий-3 могут быть получены в качестве ядерного топлива.

Иллюстрация Европы (на переднем плане), Юпитера (справа) и Ио (в центре) показывает водные шлейфы, достигающие поверхности. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения — Caltech

Во-вторых, колонии, основанные на Европе и Ганимеде, также позволят провести несколько исследовательских миссий во внутренних океанах, которые, как считается, есть у этих спутников. Учитывая, что эти океаны также считаются одними из наиболее вероятных мест для внеземной жизни в нашей Солнечной системе, возможность исследовать их вблизи станет отличной возможностью.

В-третьих, колонии на спутниках Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто также будут способствовать выполнению миссий дальше в Солнечную систему. Эти колонии могут служить пунктами остановки и базами пополнения запасов для миссий, направляющихся в систему Croian (система лун Сатурна) и из нее, где можно собирать дополнительные ресурсы.

В общем, колонии в системе Юпитера предоставят человечеству доступ к богатым ресурсам и огромным исследовательским возможностям. 

Проблемы колонизации

Проблемы в освоении лун Юпитера также огромны, как и сам газовый гигант. Они включают, помимо прочего, радиацию, долгосрочные последствия низкой гравитации, проблемы с транспортировкой, отсутствие инфраструктуры и, конечно же, огромные затраты. Учитывая опасность, которую радиация представляет для геологоразведочных работ, целесообразно сначала рассмотреть этот аспект.

  • Радиация

Ио и Европа, являясь ближайшими к Юпитеру галилеями, получают больше всего излучения из всех этих лун. Это усугубляется тем фактом, что у них нет защитного магнитного поля и очень разреженной атмосферы. Таким образом, поверхность Ио получает в среднем около 3 600 бэр в день, в то время как Европа получает около 540 бэр в день.


100 бэр — нижний уровень развития легкой степени лучевой болезни;

450 бэр — тяжелая степень лучевой болезни (погибает 50% облученных);

600–700 бэр и более — однократно полученная доза считается абсолютно смертельной.


Магнитное поле Юпитера и совместное вращение вызывают токи. Предоставлено: Wikipedia Commons.

Для сравнения, люди здесь, на Земле, подвергаются воздействию менее 1 бэр в день (0,62 для жителей развитых стран). Воздействие 500 бэр в день может быть фатальным, а воздействие примерно 75 бэр в течение нескольких дней достаточно, чтобы вызвать серьезные проблемы со здоровьем и радиационное отравление.

Ганимед — единственная галилеевская луна (и единственное негазовое гигантское тело, кроме Земли), имеющая магнитосферу. В среднем Луна получает около 8 рад радиации в день. Это эквивалентно воздействию на поверхность Марса в  реднем за год.

Только Каллисто находится достаточно далеко от Юпитера. Здесь уровни радиации достигают всего 0,01 бэр в день. Однако его удаленность от Юпитера означает отсутствие приливного нагрева Луны.

Впечатление художника от базы по Каллисто. Предоставлено: НАСА.

Еще одна серьезная проблема — это долгосрочное влияние низкой гравитации на эти спутники на здоровье человека. На галилеевых спутниках поверхностная сила тяжести колеблется от 0,126 г (для Каллисто) до 0,183 г (для Ио). Это сопоставимо с Луной (0,1654 г), но существенно меньше, чем на Марсе (0,376 г). И хотя эффекты такого явления не изучены до конца, известно, что долгосрочные эффекты микрогравитации включают потерю плотности костей и дегенерацию мышц.

  • Расстояние

По сравнению с другими потенциальными местами для колонизации, система Юпитера также очень далека от Земли. Таким образом, транспортировка экипажей и всего тяжелого оборудования, необходимого для строительства колонии, займет очень много времени, как и миссии, в которых ресурсы доставляются на спутники Юпитера и обратно.

Чтобы дать вам представление о том, сколько времени это займет, рассмотрим несколько реальных миссий к Юпитеру. Первым космическим кораблем, совершившим путешествие с Земли на Юпитер, был зонд НАСА Pioneer 10, который был запущен 3 марта 1972 года и достиг системы Юпитера 3 декабря 1973 года — за 640 дней (1,75 года) полетного времени.

Pioneer 11 совершил путешествие за 606 дней, но, как и его предшественник, он просто проходил через систему на пути к Внешним планетам. Точно так жезонды Voyager 1 и 2 , которые также проходили через систему, заняли 546 и 688 дней соответственно. 

Художественная концепция бимодальной ядерной тепловой ракеты на низкой околоземной орбите. Предоставлено: НАСА

В случае миссии «Галилео» зонд покинул Землю 18 октября 1989 года и прибыл к Юпитеру 7 декабря 1995 года. Другими словами, потребовалось 6 лет, 1 месяц и 19 дней, чтобы добраться до Юпитера с Земли без полета. «Юнона» была запущена с Земли 5 августа 2011 года и вышла на орбиту вокруг Юпитера 5 июля 2016 года. Путь занял 1796 дней, или чуть менее 5 лет.

Следует отметить, что это были миссии без экипажа, в которых участвовал только роботизированный зонд, а не судно, достаточно большое для размещения людей, припасов и тяжелого оборудования. В результате колониальные корабли должны были быть намного больше и тяжелее Для них потребовались бы продвинутые двигательные установки, такие как ядерно-тепловые/ядерно-электрические двигатели. Они должны гарантировать, что путешествие займет разумное время.

Для полетов к спутникам Юпитера и обратно потребуются базы между Землей и Юпитером, чтобы обеспечить дозаправку и пополнение запасов, а также сократить расходы на отдельные миссии. Это означало бы, что постоянные аванпосты необходимо будет создать на Луне, Марсе и, скорее всего, в поясе астероидов, прежде чем любые миссии к спутникам Юпитера будут сочтены осуществимыми или экономически эффективными.

  • Стоимость

Эти последние две проблемы поднимают вопрос о стоимости. Между постройкой кораблей, способных совершить путешествие к Юпитеру за изрядное количество времени, созданием баз, необходимых для их поддержки, и затратами на создание самих колоний, колонизация спутников Юпитера будет невероятно дорогой, отмечает Universe Today.

Что в итоге?

Учитывая все опасности, время и высокую стоимость следует задаться вопросом, многие задаются вопросом «а стоит ли оно того?». С другой стороны, в контексте освоения космоса и колонизации идея создания постоянных человеческих форпостов на спутниках Юпитера имеет смысл. Все проблемы можно решить при условии принятия надлежащих мер предосторожности и выделения необходимых ресурсов. И хотя ему придется подождать, пока аналогичные колонии/базы будут созданы на Луне и Марсе, это неплохая идея для «следующего шага».

Имея колонии на любой из галилеевых спутников, человечество получит плацдарм во внешней Солнечной системе, точку остановки для будущих миссий на Сатурн и за его пределы, а также доступ к новым ресурсам. Опять же, все сводится к тому, сколько человечество готово потратить средств. Принципиально новый вид топлива может сделать полет более бюджетым. Однако пока его не существует.


Читать далее

Земля достигнет критической отметки температуры через 20 лет

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Названо растение, которому не страшно изменение климата. Им питается миллиард человек

Загрузка...