Удары астероидов выбивают некоторое количество материала с поверхности Земли и Марса в космос. При этом часть обломков не падает назад, а остается в межпланетном пространстве и через некоторое время может попасть на другие тела Солнечной системы.
Согласно результатам моделирования, выполненного американскими учеными, за последние 3,5 млрд лет таким способом на Марс могло попасть около 100 млн тонн, а на спутник Юпитера Европу — около 2000 тонн земного материала, в котором могли оказаться и фрагменты, подходящие для переноса спор микроорганизмов. Таким образом, предположение о возможности переноса жизни в Солнечной системе получает новые подтверждения.
Обитаемые тела Солнечной системы
С начала эпохи межпланетных зондов и до конца XX века считалось, что единственное обитаемое место в Солнечной системе — Земля, но теперь находится все больше подтверждений тому, что это может быть не совсем так. В Солнечной системе есть несколько тел, где имеются (или, возможно, имелись в прошлом) подходящие, и даже комфортные, условия для жизни на углеродно-водной основе. Так, данные исследований автоматическими зондами свидетельствуют, что на Марсе в прошлом имелись все необходимые условия для обитаемости, причем гораздо раньше, чем они стабилизировались на Земле. В эпоху Ноя на Марсе была вода, а пригодные для экстремофилов экологические ниши могли сохраниться и по сей день. Как минимум два тела во внешней части системы — спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад — имеют ледяные поверхности, под которыми с большой вероятностью скрываются резервуары жидкой воды. Условия в них (температура, давление, соленость, наличие питательных веществ) могут быть весьма похожими на таковые в земных океанах.
При падении астероидов на поверхность планеты и образовании кратера часть материала выбрасывается из него со скоростями, достаточно высокими, чтобы преодолеть притяжение планеты и оказаться на орбите вокруг Солнца. Начав свое путешествие в космическом пространстве, эти куски материала рано или поздно могут упасть на другое космическое тело, например на Землю. В качестве примеров можно привести метеорит ALH 84001 (рис. 2) и другие марсианские метеориты, найденные на поверхности нашей планеты. Анализ их изотопного состава, а также микроскопических газовых включений показывает, что он аналогичен составу марсианского грунта и марсианской атмосферы. Метеорит ALH 84001 был выбит на гелиоцентрическую орбиту около 15 миллионов лет назад, а приземлился в Антарктиде около 13 тысяч лет назад, проведя в космосе полтора десятка миллионов лет. В 1996 году ученые НАСА заявили об обнаружении на этом метеорите микроскопических структур, напоминающих окаменевшие бактерии. Впрочем, в научном сообществе есть большой скепсис по этому поводу.
Таким образом, перенос материала (а, может, и чего-то еще...) по крайней мере с Марса на Землю совершенно точно происходит. А возможен ли перенос материала в обратном направлении, с Земли на Марс, да и вообще между двумя любыми твердыми телами Солнечной системы? Если он возможен, то каковы его параметры? Прямых доказательств существования переноса нет, поэтому исследователи используют вычислительные методы. Об одном из этих исследований, выполненном недавно группой ученых с Отделения астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания во главе с Рэйчел Уорт (Rachel J. Worth), и будет рассказано чуть ниже.
Исследование гипотезы о переносе жизни на астероидах можно разделить на нескольких отдельных вопросов:
1) Какая доля выброшенного при падении астероида на планету материала приобретает скорость, превышающую вторую космическую?
2) Каковы должны быть условия выброса, переноса и падения для того, чтобы внутри фрагмента сохранились жизнеспособные организмы?
3) Какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос?
Ответ на первый вопрос зависит от многих факторов, среди которых отношение скорости подлетающего астероида ко второй космической скорости планеты и плотность ее атмосферы. Например, для Земли минимальная скорость падающего астероида, необходимая для заметного выброса материала в космос, составляет 30 км/c. По оценкам, суммарная масса выброшенного (за все время существования Земли) материала составила 0,02% от массы всех астероидов, падавших на Землю. При этом основная доля выбросов с Земли приходится на крупные столкновения, поскольку только в них образуются достаточно большие фрагменты, чтобы их не затормозило сопротивление воздуха.
Ответ на второй вопрос определяется, в основном, размером выбитого в космос фрагмента. Обломок должен быть достаточно большим, чтобы в нем остались области, не нагретые выше 100°С, и чтобы экранировать космическую радиацию. Минимальный необходимый для защиты от нагрева размер составляет 0,2 м. А вот с защитой от космического излучения сложнее. Согласно расчетам, в центре фрагмента диаметром 3 м споры экстремофильной бактерии Deinococcus Radiodurans — самого устойчивого к радиации из всех известных микроорганизмов — могут просуществовать около 10 млн лет. Ускорение и действие ударных волн при выбросе практически не являются факторами, представляющими опасность. Авторы одного из исследований подсчитали, что при падении на Марс астероида диаметром 200 м, пиковые перегрузки для большинства выброшенных на орбиту фрагментов будут иметь порядок 300 000 g. Они же выяснили экспериментальным путем, что бактерии нечувствительны к перегрузкам до 450 000 g и выживают при действии очень сильных кратковременных ударных волн.
Исследование переноса между телами Солнечной системы
Авторы исследования попытались ответить на третий вопрос: какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос? Поскольку смоделировать поведение такого колоссального числа объектов практически невозможно, ученые просчитывали орбиты около 100 000 фрагментов, выброшенных с Земли и Марса, в течение 10–30 миллионов лет после выброса. Было получено первое достаточно полное исследование вероятностей всех событий, которые могут произойти с фрагментами: падение на другие планеты, падение обратно на исходную планету, падение на Солнце, выход из Солнечной системы и попадание на стабильные гелиоцентрические орбиты. В начальный момент объекты были помещены случайным образом на поверхность сферы Хилла своей планеты (например, для Земли радиус сферы Хилла примерно равен 360 земных радиусов). Начальные скорости подбирались так: к орбитальной скорости планеты добавлялись поправки, которые были распределены случайно в диапазоне от нуля до трех скоростей убегания на таком расстоянии от планеты (для Земли эта скорость равна 0,58 км/с, для Марса 0,28 км/с). Это не естественное распределение, однако оно позволяет качественно оценить влияние скорости выброса на последующую судьбу фрагмента.
При расчете участков орбиты фрагмента, пролегающих вдали от планет, использовался симплектический интегратор, учитывающий сложные орбитальные резонансы в поле тяготения Солнца и восьми планет. А если фрагменту предстоял пролет вблизи от планеты, симуляция автоматически переключалась в другой режим для более точного вычисления последующей траектории с учетом тяготения планеты и ее спутников. Кроме того, для исследования поведения фрагментов при близких пролетах планет-гигантов использовались отдельные симуляции, в которых фрагменты, имеющие случайное распределение скоростей и начальных положений, «помещались» на траектории подлета к Юпитеру и Сатурну. Эти симуляции позволили понять, какая часть фрагментов попадает на крупные спутники, а какая — на саму планету.
Эти результаты позволяют описать механизм, по которому жизнь на Земле появилась сразу после конца Поздней тяжелой бомбардировки. Дело в том, что не найдено почти никаких земных горных пород старше 3,8 млрд лет, что свидетельствует о крайней суровости этого катаклизма, но уже 3,5–3,8 млрд лет назад на Земле была жизнь. Если на планету падает астероид пятисоткилометрового размера (что наверняка случалось в этот период неоднократно), она будет стерилизована, но жизнь может сохраниться на выбитых с ее поверхности осколках коры. Эти фрагменты на некоторое время становятся лучшим местом для жизни, поскольку на самой планете океаны испаряются, а вся поверхность окутывается перегретой смесью скального и водяного пара с давлением в сотни атмосфер и температурой в тысячи градусов. Однако к моменту падения фрагмента обратно условия возвращаются к нормальным.
Перенос материала на другие планеты занимает большее время, чем падение на исходную планету. Чем дальше находится «пункт назначения» от исходной планеты, тем меньше доля перенесенного материала, тем больше среднее время переноса и тем позже первые фрагменты достигают данной планеты. По сравнению с остальными планетами больше всего материала попадает с Земли на Венеру. Но это, конечно же, не может поспособствовать распространению жизни в Солнечной системе: все фрагменты, падающие на ее разогретую до 460°С поверхность, быстро стерилизуются. С Земли на Марс попадает в 30 раз меньше материала, чем с Марса на Землю, но за всю историю Солнечной системы общая масса перенесенного материала может измеряться сотнями миллионов тонн, а количество фрагментов диаметром больше 3 м — сотнями тысяч тонн, чего более чем достаточно для переноса спор микроорганизмов.
Несколько процентов от общего числа выброшенных фрагментов либо упадет на Солнце, либо вылетит из Солнечной системы, а значительная доля окажется на устойчивых орбитах вокруг Солнца (40% с Земли, 75% с Марса). Это открывает поразительные и захватывающие возможности: где-то среди астероидного пояса находятся десятки миллиардов тонн вещества древней земной коры, выброшенные с нее астероидными ударами, и, в отличие от скал на самой Земле, не затронутых эрозией. Идеальное хранилище палеонтологического материала, миллионы законсервированных отпечатков древних эпох, которые только стоит отыскать где-то на гелиоцентрических орбитах...
На планеты-гиганты попадает значительно меньше материала, чем на внутренние планеты: на Юпитер упало 0,4% земного и 0,04% марсианского материала, на Сатурн — около 0,007% и меньше 0,002% соответственно. Конечно, фрагмент, падающий на газовый гигант, безвозвратно исчезает где-то в океане металлического водорода, но если какое-то их количество падает на сами гиганты, то и мимо тоже что-то пролетает, и некоторые из них могут попасть на их спутники. К примеру, только падение астероида в конце мелового периода и образование кратера Чиксулуб вызвало выброс примерно 7·1011 кг материала в космос, из которых 20 т могло упасть на Европу (спутник Юпитера). За последние 3,5 млрд лет туда могло попасть несколько тысяч тонн земного материала, и в том числе шесть фрагментов размером более трех метров. Значительная доля этого материала, благодаря подвижности ледяной коры Европы, уже могла достичь дна ее океана, на котором условия могут быть похожи на условия в черных курильщиках на дне земных океанов.
Эффект Ярковского
Является ли обсуждаемое исследование достаточно полным? Симплектические интеграторы, использованные при моделировании в упомянутых работах, хорошо учитывают влияние гравитационных возмущений планет Солнечной системы, в том числе резонанс орбитальной прецессии, который вносит основной вклад в изменение орбит фрагментов, однако они не учитывают влияние негравитационных факторов, в первую очередь — эффекта Ярковского. Большинство астероидов вращаются вокруг своей оси. Также они нагреваются Солнцем. За счет этого «вечерняя» сторона фрагмента, нагретая «днем», всегда чуть теплее «утренней», и излучает больше инфракрасного излучения в космос, а поскольку любое излучение переносит импульс, астероид испытывает влияние слабой, но постоянной реактивной силы в направлении своей «утренней» стороны. Это ускорение обратно пропорционально радиусу астероида. Для стометровых тел оно имеет порядок 10–13 м/c2 и способно привести к изменению орбитальной скорости на сотни метров в секунду за характерное время переноса (десятки миллионов лет, то есть 1015 с), а для более мелких могут привести к непредсказуемым последствиям за десятки тысяч лет.
Подготовлено по материалам http://elementy.ru/news/432223
Согласно результатам моделирования, выполненного американскими учеными, за последние 3,5 млрд лет таким способом на Марс могло попасть около 100 млн тонн, а на спутник Юпитера Европу — около 2000 тонн земного материала, в котором могли оказаться и фрагменты, подходящие для переноса спор микроорганизмов. Таким образом, предположение о возможности переноса жизни в Солнечной системе получает новые подтверждения.
Обитаемые тела Солнечной системы
С начала эпохи межпланетных зондов и до конца XX века считалось, что единственное обитаемое место в Солнечной системе — Земля, но теперь находится все больше подтверждений тому, что это может быть не совсем так. В Солнечной системе есть несколько тел, где имеются (или, возможно, имелись в прошлом) подходящие, и даже комфортные, условия для жизни на углеродно-водной основе. Так, данные исследований автоматическими зондами свидетельствуют, что на Марсе в прошлом имелись все необходимые условия для обитаемости, причем гораздо раньше, чем они стабилизировались на Земле. В эпоху Ноя на Марсе была вода, а пригодные для экстремофилов экологические ниши могли сохраниться и по сей день. Как минимум два тела во внешней части системы — спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад — имеют ледяные поверхности, под которыми с большой вероятностью скрываются резервуары жидкой воды. Условия в них (температура, давление, соленость, наличие питательных веществ) могут быть весьма похожими на таковые в земных океанах.
При падении астероидов на поверхность планеты и образовании кратера часть материала выбрасывается из него со скоростями, достаточно высокими, чтобы преодолеть притяжение планеты и оказаться на орбите вокруг Солнца. Начав свое путешествие в космическом пространстве, эти куски материала рано или поздно могут упасть на другое космическое тело, например на Землю. В качестве примеров можно привести метеорит ALH 84001 (рис. 2) и другие марсианские метеориты, найденные на поверхности нашей планеты. Анализ их изотопного состава, а также микроскопических газовых включений показывает, что он аналогичен составу марсианского грунта и марсианской атмосферы. Метеорит ALH 84001 был выбит на гелиоцентрическую орбиту около 15 миллионов лет назад, а приземлился в Антарктиде около 13 тысяч лет назад, проведя в космосе полтора десятка миллионов лет. В 1996 году ученые НАСА заявили об обнаружении на этом метеорите микроскопических структур, напоминающих окаменевшие бактерии. Впрочем, в научном сообществе есть большой скепсис по этому поводу.
Таким образом, перенос материала (а, может, и чего-то еще...) по крайней мере с Марса на Землю совершенно точно происходит. А возможен ли перенос материала в обратном направлении, с Земли на Марс, да и вообще между двумя любыми твердыми телами Солнечной системы? Если он возможен, то каковы его параметры? Прямых доказательств существования переноса нет, поэтому исследователи используют вычислительные методы. Об одном из этих исследований, выполненном недавно группой ученых с Отделения астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания во главе с Рэйчел Уорт (Rachel J. Worth), и будет рассказано чуть ниже.
Исследование гипотезы о переносе жизни на астероидах можно разделить на нескольких отдельных вопросов:
1) Какая доля выброшенного при падении астероида на планету материала приобретает скорость, превышающую вторую космическую?
2) Каковы должны быть условия выброса, переноса и падения для того, чтобы внутри фрагмента сохранились жизнеспособные организмы?
3) Какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос?
Ответ на первый вопрос зависит от многих факторов, среди которых отношение скорости подлетающего астероида ко второй космической скорости планеты и плотность ее атмосферы. Например, для Земли минимальная скорость падающего астероида, необходимая для заметного выброса материала в космос, составляет 30 км/c. По оценкам, суммарная масса выброшенного (за все время существования Земли) материала составила 0,02% от массы всех астероидов, падавших на Землю. При этом основная доля выбросов с Земли приходится на крупные столкновения, поскольку только в них образуются достаточно большие фрагменты, чтобы их не затормозило сопротивление воздуха.
Ответ на второй вопрос определяется, в основном, размером выбитого в космос фрагмента. Обломок должен быть достаточно большим, чтобы в нем остались области, не нагретые выше 100°С, и чтобы экранировать космическую радиацию. Минимальный необходимый для защиты от нагрева размер составляет 0,2 м. А вот с защитой от космического излучения сложнее. Согласно расчетам, в центре фрагмента диаметром 3 м споры экстремофильной бактерии Deinococcus Radiodurans — самого устойчивого к радиации из всех известных микроорганизмов — могут просуществовать около 10 млн лет. Ускорение и действие ударных волн при выбросе практически не являются факторами, представляющими опасность. Авторы одного из исследований подсчитали, что при падении на Марс астероида диаметром 200 м, пиковые перегрузки для большинства выброшенных на орбиту фрагментов будут иметь порядок 300 000 g. Они же выяснили экспериментальным путем, что бактерии нечувствительны к перегрузкам до 450 000 g и выживают при действии очень сильных кратковременных ударных волн.
Исследование переноса между телами Солнечной системы
Авторы исследования попытались ответить на третий вопрос: какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос? Поскольку смоделировать поведение такого колоссального числа объектов практически невозможно, ученые просчитывали орбиты около 100 000 фрагментов, выброшенных с Земли и Марса, в течение 10–30 миллионов лет после выброса. Было получено первое достаточно полное исследование вероятностей всех событий, которые могут произойти с фрагментами: падение на другие планеты, падение обратно на исходную планету, падение на Солнце, выход из Солнечной системы и попадание на стабильные гелиоцентрические орбиты. В начальный момент объекты были помещены случайным образом на поверхность сферы Хилла своей планеты (например, для Земли радиус сферы Хилла примерно равен 360 земных радиусов). Начальные скорости подбирались так: к орбитальной скорости планеты добавлялись поправки, которые были распределены случайно в диапазоне от нуля до трех скоростей убегания на таком расстоянии от планеты (для Земли эта скорость равна 0,58 км/с, для Марса 0,28 км/с). Это не естественное распределение, однако оно позволяет качественно оценить влияние скорости выброса на последующую судьбу фрагмента.
При расчете участков орбиты фрагмента, пролегающих вдали от планет, использовался симплектический интегратор, учитывающий сложные орбитальные резонансы в поле тяготения Солнца и восьми планет. А если фрагменту предстоял пролет вблизи от планеты, симуляция автоматически переключалась в другой режим для более точного вычисления последующей траектории с учетом тяготения планеты и ее спутников. Кроме того, для исследования поведения фрагментов при близких пролетах планет-гигантов использовались отдельные симуляции, в которых фрагменты, имеющие случайное распределение скоростей и начальных положений, «помещались» на траектории подлета к Юпитеру и Сатурну. Эти симуляции позволили понять, какая часть фрагментов попадает на крупные спутники, а какая — на саму планету.
Эти результаты позволяют описать механизм, по которому жизнь на Земле появилась сразу после конца Поздней тяжелой бомбардировки. Дело в том, что не найдено почти никаких земных горных пород старше 3,8 млрд лет, что свидетельствует о крайней суровости этого катаклизма, но уже 3,5–3,8 млрд лет назад на Земле была жизнь. Если на планету падает астероид пятисоткилометрового размера (что наверняка случалось в этот период неоднократно), она будет стерилизована, но жизнь может сохраниться на выбитых с ее поверхности осколках коры. Эти фрагменты на некоторое время становятся лучшим местом для жизни, поскольку на самой планете океаны испаряются, а вся поверхность окутывается перегретой смесью скального и водяного пара с давлением в сотни атмосфер и температурой в тысячи градусов. Однако к моменту падения фрагмента обратно условия возвращаются к нормальным.
Перенос материала на другие планеты занимает большее время, чем падение на исходную планету. Чем дальше находится «пункт назначения» от исходной планеты, тем меньше доля перенесенного материала, тем больше среднее время переноса и тем позже первые фрагменты достигают данной планеты. По сравнению с остальными планетами больше всего материала попадает с Земли на Венеру. Но это, конечно же, не может поспособствовать распространению жизни в Солнечной системе: все фрагменты, падающие на ее разогретую до 460°С поверхность, быстро стерилизуются. С Земли на Марс попадает в 30 раз меньше материала, чем с Марса на Землю, но за всю историю Солнечной системы общая масса перенесенного материала может измеряться сотнями миллионов тонн, а количество фрагментов диаметром больше 3 м — сотнями тысяч тонн, чего более чем достаточно для переноса спор микроорганизмов.
Несколько процентов от общего числа выброшенных фрагментов либо упадет на Солнце, либо вылетит из Солнечной системы, а значительная доля окажется на устойчивых орбитах вокруг Солнца (40% с Земли, 75% с Марса). Это открывает поразительные и захватывающие возможности: где-то среди астероидного пояса находятся десятки миллиардов тонн вещества древней земной коры, выброшенные с нее астероидными ударами, и, в отличие от скал на самой Земле, не затронутых эрозией. Идеальное хранилище палеонтологического материала, миллионы законсервированных отпечатков древних эпох, которые только стоит отыскать где-то на гелиоцентрических орбитах...
На планеты-гиганты попадает значительно меньше материала, чем на внутренние планеты: на Юпитер упало 0,4% земного и 0,04% марсианского материала, на Сатурн — около 0,007% и меньше 0,002% соответственно. Конечно, фрагмент, падающий на газовый гигант, безвозвратно исчезает где-то в океане металлического водорода, но если какое-то их количество падает на сами гиганты, то и мимо тоже что-то пролетает, и некоторые из них могут попасть на их спутники. К примеру, только падение астероида в конце мелового периода и образование кратера Чиксулуб вызвало выброс примерно 7·1011 кг материала в космос, из которых 20 т могло упасть на Европу (спутник Юпитера). За последние 3,5 млрд лет туда могло попасть несколько тысяч тонн земного материала, и в том числе шесть фрагментов размером более трех метров. Значительная доля этого материала, благодаря подвижности ледяной коры Европы, уже могла достичь дна ее океана, на котором условия могут быть похожи на условия в черных курильщиках на дне земных океанов.
Эффект Ярковского
Является ли обсуждаемое исследование достаточно полным? Симплектические интеграторы, использованные при моделировании в упомянутых работах, хорошо учитывают влияние гравитационных возмущений планет Солнечной системы, в том числе резонанс орбитальной прецессии, который вносит основной вклад в изменение орбит фрагментов, однако они не учитывают влияние негравитационных факторов, в первую очередь — эффекта Ярковского. Большинство астероидов вращаются вокруг своей оси. Также они нагреваются Солнцем. За счет этого «вечерняя» сторона фрагмента, нагретая «днем», всегда чуть теплее «утренней», и излучает больше инфракрасного излучения в космос, а поскольку любое излучение переносит импульс, астероид испытывает влияние слабой, но постоянной реактивной силы в направлении своей «утренней» стороны. Это ускорение обратно пропорционально радиусу астероида. Для стометровых тел оно имеет порядок 10–13 м/c2 и способно привести к изменению орбитальной скорости на сотни метров в секунду за характерное время переноса (десятки миллионов лет, то есть 1015 с), а для более мелких могут привести к непредсказуемым последствиям за десятки тысяч лет.
Подготовлено по материалам http://elementy.ru/news/432223
Комментариев нет:
Отправить комментарий