скачать книгу бесплатно
Это была крутая, абсолютно светоизолированная комната для проявления негативов с тусклым красным светом и фотоувеличителем для экспонирования отпечатков, с запасом сменных светофильтров от желтого до пурпурного и ящиком, наполненным масками для изменения яркости отдельных участков изображения. Там же мы держали кюветы с проявителем, который следовало приготовить в нужной концентрации и довести до необходимой температуры. Ты помещаешь туда свой отпечаток на определенное число секунд, а потом промываешь его в закрепителе. Сегодня все существует в виде цифровых данных. Вместо химических опытов в темной комнате или карандашных зарисовок мы пялимся в мониторы и редактируем пиксели. Отчуждение между нами и тем, что мы изучаем, все нарастает.
Однажды вечером, когда я уже работал в университете, мы с другом установили во дворе телескоп, чтобы студенты, посещавшие мой вводный курс по планетологии, могли получить дополнительные баллы, посмотрев на Луну и Венеру. Молодые люди сменяли друг друга около окуляра, когда мимо, направляясь к автобусной остановке, проходила аспирантка с кафедры астрономии[24 - Аспирант – это студент, который сдал все квалификационные экзамены, закончил посещать занятия и теперь работает над тем, чтобы стать экспертом мирового уровня в какой-либо области.].
– Ой, а можно мне взглянуть?
– Да, пожалуйста!
– Это Луна?
– Нет, Луна вон там! – показываю на яркий полумесяц несколько левее. – Это Венера.
Аспирантка, подобно Галилею, поразилась, что Венера выглядит совсем как серп Луны, только размытый и ярко-желтый, и воскликнула:
– Никогда еще не смотрела в телескоп!
Непосредственное восприятие фотонов солнечного света, которые доходят до нас, отразившись от верхней поверхности облаков Венеры, создает прямую связь с планетой. Но в использовании теоретических моделей, цифровых данных и компьютеров есть одно неоспоримое преимущество. С помощью опосредованных, но мощных методов мы можем уловить то, что никогда и не надеялись уловить, а потом бесчисленными способами обработать огромные потоки информации. В последнее время компьютеры все чаще упорядочивают, сжимают и даже интерпретируют такие потоки еще до того, как они доходят до нас. Такова реальность современного мира больших данных. Машины соединяют анаглифические стереопары в трехмерные изображения, позволяя нам воспринимать сложные цифровые ландшафты и даже летать над ними. Еще компьютеры обеспечивают нам свободный доступ к огромному количеству астрономической информации и данных об исследованиях планет, делая занятие наукой возможным для каждого, у кого есть интернет. Наберите в поисковой строке браузера слово «Энцелад», и у вас на экране появится прекрасный ледяной мир. Одно нажатие мышью на ссылку сайта лунных экспедиций – и вы уже садитесь на Луну на «Аполлоне-17». Подключитесь к архиву Системы планетных данных (Planetary Data System) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (National Aeronautics and Space Administration, NASA) – и станьте первым исследователем какого-нибудь марсианского кратера.
Не так уж долго осталось ждать и настоящего телеприсутствия, когда вместо того, чтобы возить пальцем по объемной физической карте, вы будете в реальном времени совершать виртуальные экскурсии: скажем, ваш аватар прогуливается по освещенной тысячами огней лунной лавовой трубе в сотни метров высотой и километр шириной, наблюдая за тем, как еще до прибытия первых астронавтов прямо из лунной почвы печатается новое поселение. Этот опыт можно будет сделать настолько реалистичным, насколько вы пожелаете.
* * *
К середине 1980-х запуски космических шаттлов вызывали куда меньше интереса, чем исторические пуски аппаратов серии «Аполлон». Шаттлы не летали на Луну, они поднимались всего на несколько сотен километров на низкую околоземную орбиту, чтобы запускать спутники, проверять оборудование и технологии, а также строить Международную космическую станцию. Все это очень круто, и пуски были чрезвычайно зрелищными, но процесс превращался в рутину – на самом деле NASA хотело, чтобы он стал рутиной, отсюда их плакаты «На работу в космос»[25 - Старты пилотируемых «Союзов» с космодрома Байконур были еще более рутинными, но их не показывали по телевидению.]. Тем не менее в школе, где я работал, мы все пристально следили за десятым стартом «Челленджера», потому что в его экипаже находилась первая учительница-астронавтка[26 - Криста Маколифф, учительница из Нью-Гэмпшира, была выбрана из более чем 11 000 кандидатов, чтобы стать первым учителем в космосе.]. Тем ясным январским утром каждый шестой американец смотрел трансляцию этого пуска в прямом эфире. Ракета взорвалась, а все члены экипажа погибли, рухнув в море, как Икары.
После того как прошел период вызванного шоком отрицания[27 - Ожидалось, что провальным будет примерно один запуск на каждые 25, так что катастрофа не была совсем уж ошеломляющей. Участвовавший в расследовании ее причин физик Ричард Фейнман пришел к выводу, что дизайн уплотнительного кольца не соответствовал ожидаемым погодным условиям и это привело к разрыву топливного бака «Челленджера». Ущербным было и общее конструктивное решение, когда носовой конус располагался прямо перед пилотируемым космическим кораблем. Куски теплоизоляции бака, отлетавшие с обтекателя ракеты, повреждали облицовку челнока, что в 2003 г. привело к катастрофе шаттла «Колумбия», который развалился во время входа в атмосферу. Тогда погибли все семь человек, находившиеся на борту.], катастрофа «Челленджера» заставила пилотируемую программу NASA остановиться на несколько лет[28 - Это также создало интересную геополитическую ситуацию, когда нам пришлось полагаться на русских, чтобы доставлять в космос наших астронавтов. Ракета-носитель «Союз», которая продолжает оставаться одним из самых успешных крупных средств выведения на орбиту, никогда не подвергалась никаким серьезным изменениям в конструкции. Зачем портить хорошую вещь? Соединенным Штатам следовало бы продолжать использовать ракеты «Сатурн-5».]. Шаттлы были единственными аппаратами NASA, которые могли отправлять в космос большое количество научных грузов, так что наука тоже на какое-то время замерла. Автоматическая межпланетная станция «Галилео» стояла следующей в очереди пусков: это была тяжелая, но хрупкая птичка, разработанная для того, чтобы провести годы на орбите вокруг Юпитера. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA использовала наиболее современные технологии[29 - Технологии, используемые в программе «Галилео», застыли на уровне 1970-х гг. Такая «техническая заморозка» характерна для всех космических экспедиций, поскольку там используются только сертифицированные для космоса компоненты. Так, например, на «Галилео» для хранения информации использовались катушки магнитной пленки. По мере того как некоторые ее сектора портились, инженеры подгружали на борт программный код, позволявший пропускать каждый новый плохой сектор.], чтобы этот аппарат мог выдержать самые тяжелые испытания. Он был рассчитан на семь лет полета в глубоком космосе, но в итоге провел там четырнадцать[30 - Электроэнергию аппарат получал от радиоактивного распада 25 кг диоксида плутония. Поскольку период его полураспада равен 87 годам, на мощности источника энергии задержки почти не сказались.].
Проект «Галилео» и ранее сталкивался с отставаниями от графика, характерными для любой значительной экспедиции, но теперь ему пришлось выносить тяготы складирования в условиях земного притяжения три лишних года, включая тряску в грузовике по пути от JPL до стартовой площадки во Флориде, потом демонтаж, путь обратно в JPL на хранение, а затем, несколько лет спустя, еще одну транспортировку во Флориду. Его радиоизотопный источник энергии был еще в полном порядке, но один из главных механизмов все же отказал. Когда «Галилео» наконец запустили, его похожая на зонтик антенна дальней связи для передачи данных на Землю не смогла раскрыться, поскольку застряли несколько ее спиц. Вся исследовательская программа оказалась зависимой от запасной антенны, способной передавать менее 0,1 % данных. (Благодаря изобретению алгоритма сжатия изображений, который мы сегодня называем форматом JPEG[31 - В начале 1980-х гг., когда работа над программным обеспечением для «Галилео» завершилась, такой вещи, как сжатие изображений, еще не существовало. Инженеры, изучавшие новейшие технологии сжатия, основанные на вейвлетах, решили проблему передачи данных с Юпитера и разработали алгоритмы, которые должны были быть подгружены в компьютерную систему космического аппарата и тщательно протестированы на борту. Это был значительный риск для уже и так подвергшейся испытаниям экспедиции, экранированный от радиации компьютер которой равнялся по мощности выпускавшейся в то время машине Apple II.], большинства целей экспедиции оказалось возможно достичь, если передавать только самую необходимую информацию.) Едва ли тогда я мог предположить, что пять лет спустя стану новоявленным участником этой полной приключений экспедиции.
Вскоре после катастрофы «Челленджера» профессор геологии местного университета повез нас на экскурсию в пустыню к западу от города[32 - Если у вас есть идея, чем можно час (или даже все утро) заниматься с целым классом школьников, сделайте доброе дело и сообщите в вашу местную школу. Учителя будут вам благодарны. А если у вас есть какое-либо качественное оборудование, например микроскопы и телескопы, которое можно пожертвовать маленькой школе, это тоже будет здорово!], в красивый, богатый резкими контрастами и интересными деталями ландшафт, где я часто бродил и в одиночку, но скорее подражая Уильяму Вордсворту, а не Джеймсу Геттону[33 - Уильям Вордсворт – английский поэт начала XIX в., чей подход к странствиям на природе мне очень нравится. Джеймс Геттон – шотландский геолог середины XVIII в., который первоначально был фермером. Он основал седиментологию и привил западной науке представления о глубоком геологическом времени.]. Я со своими подопечными, а также учителя биологии и химии со своими – мы все рано поутру набились в желтый автобус и отправились в небольшое путешествие. К нашему восторгу, до рассвета выпал сантиметр снега, поэтому кактусы стояли в белых шапках – великолепное зрелище! Когда мы заехали на грунтовую парковку, высыпавшие из автобуса дети сразу принялись играть в снежки и валять дурака. Потом мы прошли километр вниз по тропе, следовавшей вдоль старого русла[34 - Русла пустынных потоков могут быть широкими, как река, но вода по ним течет только в период муссонов.]. Мы обошли его изгиб – по какой-то причине это тоже отпечаталось в моей памяти – и вышли к огромной наклонной плите, сложенной песчаниками и аргиллитами, красными и желтовато-коричневыми, с глубокими следами волновой ряби в несколько пальцев шириной. Когда-то она была частью древнего пляжа, сказал нам профессор, а потом на протяжении миллионов лет то погружалась вглубь, то вновь выходила на поверхность.
Я был заворожен текстурой этой скалы. То, что говорилось на этой и других геологических экскурсиях, начало рассеивать некий туман, понятийный застой в моей голове. Профессор рассказывал, что там, где мы стояли, когда-то – сотни миллионов лет назад – был берег океана. Пыль и наносы, которые откладывались в виде ила, формируя эти покрытые рябью слои, поступали с востока, преодолевая расстояние в добрую сотню километров. Это был результат эрозии поднимавшихся там в тот момент гор. Осадочный материал перемещался древними реками по давно исчезнувшим долинами и приносился в виде пыли миллионами бурь.
Это то, что я помню. Уверен, какие-то детали я путаю, но это описание казалось осмысленным… Реки текут и вызывают эрозию, океаны катят волны на песок, горы поднимаются… Трудно было понять следующую часть – то, что эти борозды в песке и иле были захоронены под слоями нового ила, стали частью дна древнего моря, затвердели под тяжестью более поздних отложений, тоже со временем превратившихся в камень, а миллионы лет спустя были вновь выведены на поверхность, когда из-под всего этого поднялись ввысь новые горы. От таких мыслей начинала кружиться голова. Время и пространство расширялись.
Солнце палило. Посвятив еще некоторое время серьезным делам, мы принялись по очереди позировать для дурацких фото, притворяясь, что мы занимаемся серфингом на пляже. Но у меня возникло беспокойное чувство, которое в следующие несколько дней превратилось в настоящее откровение. Мне приходилось проходить в этом месте и раньше, я смотрел на холмы, высохшие русла и далекие горы, но никогда не знал, что было вокруг меня и под моими ногами. Прежде чем уйти, я снова провел пальцами по песчаной ряби, появившейся 10 млрд дней назад. Реальность оказалась гораздо масштабнее, чем я себе представлял.
* * *
Ученые постоянно размышляют на ходу над одним или двумя большими вопросами, из-за чего им случается терять счет времени или натыкаться на ветки. Мой собственный большой вопрос звучит так: если планеты появились из облаков первичного вещества, обращающегося вокруг Солнца, почему они не оказались более или менее одинаковыми, как дождевые капли, сконденсировавшиеся из тучи, или стога сена на скошенном поле? Две самые большие планеты нашей системы, Юпитер и Сатурн, действительно в чем-то схожи – это две сферы, состоящие по большей части из водорода (H) и гелия (He). Следующие по величине планеты, Нептун и Уран, кажется, схожи еще больше – гигантские сферы, состоящие в основном из H
O, H и He, хотя, если уж начистоту, мы пока не посылали экспедицию ни к одной из них. Все это гигантские тела, имеющие атмосферу. Если говорить о среднем размере – о том, что мы можем назвать планетами человеческого масштаба, о телах, по которым мы могли бы гулять, по крайней мере в принципе, – то они так же разнообразны, как государства Европы, особенно если учитывать такие тела, как Плутон и Титан, обладающие всеми геологическими характеристиками планеты.
Фотография поверхности Титана, спутника Сатурна, переданная 14 января 2005 г. посадочным модулем «Гюйгенс» (ESA/NASA).
ESA/NASA/JPL/University of Arizona
Наша планета Земля началась с роя ледяных и каменистых тел, обращавшихся вокруг Солнца и постепенно выраставших в планеты. Сформировавшиеся первоначально планеты сталкивались друг с другом, соединяясь в более крупные тела и их спутники. От них откалывался всякий мусор, смешивавшийся с остатками первоначального роя в хаотичный ансамбль, известный нам теперь как кометы и астероиды. Спустя 100 млн лет суматоха поутихла: столкновения продолжались, пока планеты не стали двигаться по непересекавшимся путям. Все крупные соударения, которые должны были произойти, произошли, и система стала стабильной, как часовой механизм. Ну или почти как часовой механизм.
В этой книге рассказывается об истоках многообразия планет. Чтобы не опережать ход повествования, давайте просто скажем, что почти каждая планета и почти каждый спутник планеты, когда-либо существовавшие в Солнечной системе, были поглощены телом более крупным, чем они сами, и что этот факт невероятно важен. Большинство планет сейчас находятся внутри газовых гигантов (Юпитера и Сатурна) или Солнца, а еще часть – внутри Урана или Нептуна. Считается, что существовало еще два или три гиганта, по массе примерно равных Нептуну, но они были поглощены Солнцем или выброшены из системы скитаться по Галактике. Многообразие – это вопрос того, что у нас осталось: ни одной обыкновенной планеты мы не наблюдаем. Почти каждое из когда-либо существовавших тел поглощено более крупными; оставшиеся – это счастливчики, необычные уже тем, что они выжили.
Человеческое любопытство, ведомое наукой и усиленное гигантскими телескопами, обнаружило сотни миллиардов галактик, в каждой из которых есть сотни миллиардов звезд. Звезд во Вселенной намного больше, чем песчинок на Земле, – 100 млрд триллионов, или 10
, – и мы полагаем, что у большинства из них есть планеты. Мы живем на сложно устроенной голубой планете, и это так необыкновенно, что вопросы встают перед нами практически помимо нашей воли: что такое реальность? Что такое время? Уникальны ли мы во Вселенной? Геологические явления, которые нам предстоит обнаружить по всему космосу, могут заставить Венеру, Энцелад, Ио и Хаумею показаться чем-то заурядным; мы только начинаем догадываться о странностях, которые, возможно, ждут нас там.
* * *
Улитка – это геолог, который ощущает неровности камня, его температуру и влажность. То же самое можно сказать о еноте, исследующем отмель в поисках улиток. Геологические исследования приматов более изощрены. Можно ли поцарапать этот камень тем? Пойдет ли он трещинами? Раскрошится ли он или расколется в основном в одном направлении? Какого камень цвета, какая у него поверхность, какой вес? Как он пахнет? Все это ощутимые факты, они доступны любому существу, имеющему органы чувств. Из такого опыта можно извлечь непосредственную пользу.
Неощутимое – это то, что нельзя почувствовать, но можно обнаружить с помощью более совершенных технологий. Классические примеры – это телескоп, который расширяет охват наших органов чувств, и микроскоп, который его сужает. В обоих приборах стеклянные линзы используются для того, чтобы изменить и усовершенствовать зрение, причем (в классическом случае) наши глаза воспринимают те самые фотоны, которые отражаются или испускаются звездой, планетой или крылом мотылька.
Современные исследовательские микроскопы занимают целые здания, а зеркала телескопов весят десятки тонн[35 - Главное зеркало Большого обзорного телескопа весит 17 тонн и имеет диаметр 8,5 м; его отлили в огромной вращающейся печи, что позволило центробежным силам придать ему почти параболическую форму. Архимед был бы впечатлен.]. От совершенствования оптики и усиления увеличения мы перешли к сбору данных дистанционных измерений всеми возможными способами по всему спектру электромагнитного излучения. Космический аппарат на орбите какой-нибудь далекой планеты может собирать потоки информации от лазерных интерферометров, тепловизоров, рентгенофлуоресцентных спектрометров, детекторов нейтронов, подповерхностных радаров и так далее. Современный космический аппарат, хоть он и не способен принимать научные решения, имеет доступ к куда большему числу способов восприятия, чем астронавт, который в лучшем случае может рассматривать мир вокруг через стекло шлема и осязать поверхности сквозь громоздкие перчатки, но в чьем разуме заложена способность видения – того рода, которое никак не связано с глазами, – и исследования и чье тело обеспечивает взаимодействие разума с тем, что его окружает.
Самый мелкий масштаб нашего непосредственного восприятия – это то, чем ограничено осязание и зрение, примерно 0,1 миллиметра, тонкий волос или крупная песчинка. В нашем распоряжении есть и множество куда более чувствительных специализированных сенсоров, работающих вплоть до молекулярного уровня. Самые большие значения на той же шкале – размеры человеческого тела, метр или два[36 - Тело сухопутного млекопитающего имеет размер порядка 1 м, потому что оно должно удерживаться вместе в гравитационном поле планеты, а это требует 10 кг кожи и еще нескольких килограммов расположенных под ней фасций и соединительной ткани, которые вертикально поддерживаются скелетом и длинными сильными мышцами. Более крупные тела требуют гораздо более прочной конструкции, больших расходов энергии и более крупной мускулатуры, которая выполняет больше работы. Это приводит к выделению большего количества тепла, которое нужно выводить из более массивного тела. Так что для более крупных тел самое важное – это строение; мы должны быть достаточно велики, чтобы поддерживать работоспособность большого мозга, но достаточно малы, чтобы перемещать его туда, куда нужно. То есть тот наш размер, возможно, является оптимальным для разумных существ, живущих на поверхности планеты с земной гравитацией.]. Менее заметная, но столь же фундаментальная характеристика нашего восприятия – примерно шесть сантиметров, в среднем разделяющие человеческие зрачки. За этими разнесенными объективами наши сетчатки создают стереопары, которые направляются в левое и правое полушария мозга. По некоторым оценкам, мы задействуем до половины вычислительных ресурсов бодрствующего мозга, совмещая в зрительной коре левые и правые изображения, чтобы создавать свою трехмерную реальность.
Вследствие этого чуть ли не самыми важными для людей данными, получаемыми в ходе космических исследований, становятся пары фотографий, сделанные в одинаковых условиях освещенности (обычно примерно в одно и то же время), которые разнесены на угловое расстояние около 7°, чтобы имитировать стереоизображение предмета у нас в руке, если надеть очки с красным и синим стеклами[37 - Самый простой и недорогой способ создания трехмерных изображений – это анаглиф, где левое изображение стереопары проецируется в красном свете, а правое – в синем. Зритель надевает очки с соответствующими стеклами, которые пропускают в левый глаз только красный свет, а в правый – только синий. Мозг совмещает эти два набора данных как один черно-белый объемный объект.]. Используя наши биологические возможности по обработке данных, мы можем рассматривать гору Олимп на Марсе, как будто она находится прямо перед нами. С помощью компьютерной мыши мы можем поворачивать невероятно странное по форме ядро кометы, известной как 67P/комета Чурюмова – Герасименко, и накладывать на него любую другую информацию, например данные спектроскопии или сведения о температуре, создавая тем самым многоцветный виртуальный объект, который можно рассмотреть с разных точек зрения или даже прогуляться в его внутреннем пространстве[38 - Используя трехмерные данные сейсмической разведки с помощью радаров, мы, в принципе, можем получить для примитивного тела (ядра кометы или маленького объекта пояса Койпера) что-то похожее на КТ или УЗИ в высоком разрешении. Это достаточно простая научная задача. P. Sava and E. Asphaug, "3D Radar Wavefield Tomography of Comet Interiors," Advances in Space Research 61, 2018.], расширив тем самым границы того, что мы ощущаем как реальность.
Узнавать более труднодоступные неощутимые факты можно в базовых лабораториях по всему миру, где самые точные инструменты используются для того, чтобы фиксировать отдельные атомы во фрагментах земных пород, метеоритов и лунных образцов. Занимающие целые комнаты масс-спектрометры могут определить точное содержание химических элементов в частичке, которая в миллион раз меньше песчинки. («В одном мгновенье видеть вечность, огромный мир – в зерне песка…»[39 - Пер. С. Я. Маршака.][40 - Уильям Блейк, «Прорицания невинности» (Auguries of Innocence, 1803).]) Из такой информации исследователи могут понять условия (состав, температуру, давление, момент времени, присутствие кислорода и водорода), в которых вырос конкретный кристалл, и его атомную структуру. На основе этого мы можем выстраивать целые истории и опровергать или уточнять другие истории – например, о том, как формировались планетезимали и планеты. Такие аналитические лаборатории так же дорого строить и содержать, как и астрономические обсерватории; отличие лишь в том, что, вместо того чтобы смотреть вовне, их сотрудники вглядываются внутрь фрагмента породы, совершая открытия в нанодиапазоне, ненамного превышающем размеры самих атомов.
Комета 67P/Чурюмова – Герасименко, около 4 км длиной от одного конца до другого, – первая комета, на орбиту вокруг которой вышел космический аппарат. Эта фотография сделана с расстояния 28 км от центра ядра, размер кадра составляет 4,6 ? 4,3 км.
ESA/Rosetta/NAVCAM (CC BY-SA IGO 3.0)
Это кажется волшебством, но вся эта абракадабра тесно связана с математикой, поскольку доводит дедукцию до ее теоретически возможного предела. В науке вы следуете за математикой туда, куда она вас ведет. И очень часто – почти всегда – вы обнаруживаете, что хвост виляет собакой, иначе говоря, что именно данные о самых мелких или самых отдаленных объектах, которые только можно представить, опрокидывают устоявшиеся теории и порождают новые. Совсем как в детективных рассказах, где случайно найденная мелкая улика меняет все. Для того чтобы делать такие скрупулезные замеры, требуется невероятная техническая точность – например, умение использовать в качестве зонда пучок ионов толщиной в нанометры или улавливать свет из самых далеких уголков Вселенной[41 - Открытие того, что невозможно ощутить, зависит от достижений физики и инженерных наук: например, от фокусировки ионного луча с точностью до нанометров или от запуска в космос гигантского телескопа. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» должен будет закрепиться в стабильной точке L
системы Земля – Солнце, где его сегменты соединятся, чтобы сформировать зеркало диаметром 6,5 м, в три раза больше, чем у космического телескопа «Хаббл». Поскольку там не будет никакой силы тяжести, ветра или атмосферы, а температура может быть точно отрегулирована с помощью светозащиты, мы сможем забыть о главных проблемах всех гигантских оптических зеркал. Штука только в том, чтобы доставить все оборудование на место. Это может звучать странно, но оптические телескопы диаметром в несколько километров возможны, и даже вероятны. Используя флот маленьких космических аппаратов, несущих зеркала в строго определенном порядке, мы сможем выяснить скрытые от нас пока характеристики Вселенной и ее планет. Научный прогресс идет в ногу с технологиями фиксации явлений внешнего мира.].
* * *
Легко попасть в ловушку восприятия земной геологии как данности. Вот мы вдыхаем и выдыхаем азот, кислород и некоторое количество аргона, углекислого газа и других газов, заменяя часть O
на CO
в рамках нашего самого важного биологического процесса – дыхания. Кислород хорошо знаком нам в газообразном состоянии; тем не менее почти все запасы кислорода на Земле находятся в составе горных пород, где бы и оказался весь атмосферный кислород, если бы он постоянно не высвобождался из CO
и H
O занятыми фотосинтезом растениями[42 - Основное уравнение фотосинтеза, использующего солнечный свет для производства глюкозы, выглядит так: 6CO
+ 6H
O ? C
H
O
+ 6O
. Эрозия горных пород также связана с углекислым газом, который, растворяясь в воде (например, в океане), создает слабый раствор углекислоты H
CO
, разлагающей минералы до глин и карбонатов. Если бы не фотосинтез, весь свободный кислород уходил бы на создание на морском дне грязи из минералов, смываемых в океан течением рек. Так что присутствие кислорода в атмосфере планеты является указанием на наличие там фотосинтеза, хотя существуют и абиотические пути синтеза свободного кислорода.].
Половина массы силикатной оболочки Земли – всего, что окружает металлическое ядро, – приходится на кислород. Он содержится в минералах вроде оливина (Mg, Fe)
SiO
, который состоит из двух атомов магния или железа, а также одного атома кремния и четырех атомов кислорода. (В космохимии горные породы относятся к оксидам.) Рассуждая таким образом, мы должны немного углубиться в историю кислорода, но не переживайте, если не сможете чего-то понять – на самом деле ее не понимает никто.
Каждый из этих атомов был создан в ходе термоядерного синтеза в ядрах древних звезд – об этом мы более подробно поговорим через несколько глав. Тип атома определяется числом протонов в его ядре; например, атом кислорода содержит восемь протонов, вокруг которых обращаются восемь электронов (чтобы атом оставался электрически нейтральным), а также некоторое число нейтронов. В стабильном атоме кислорода может быть восемь, девять или десять нейтронов – так получаются изотопы
O (с огромным отрывом самый распространенный),
O и
O, обозначаемые в соответствии с их атомной массой (суммарным количеством нейтронов и протонов). Химически все они ведут себя практически одинаково, хотя
O и
O несколько тяжелее и чуть более инертны в ходе реакций.
Относительное содержание изотопов незаметно, если не использовать масс-спектрометр – прибор, который определяет долю отдельных атомов в минерале[43 - Масс-спектрометр – одно из самых замечательных изобретений в истории. Основная идея состоит в том, что вы ионизируете (изымаете один электрон) атомы, придавая им единичный заряд. Затем пучок этих ионов проходит через магнитное поле и расщепляется. Чем массивнее атом, тем меньше он отклоняется при одном и том же заряде. Так что по сути вы просто взвешиваете атомы и обнаруживаете, что в некоторых из них на один или два нейтрона больше, чем в других. У большинства элементов есть один или два стабильных изотопа, то есть изотопа, которые не подвергаются радиоактивному распаду, превращаясь в другие элементы. Очень интересен элемент ксенон, у которого стабильных изотопов восемь (
Xe,
Xe,
Xe,
Xe,
Xe,
Xe,
Xe,
Xe). Поскольку ксенон является благородным газом и не вступает в реакции с другими веществами, соотношение этих изотопов остается постоянным на протяжении геологической эволюции планеты и ее атмосферы, за исключением тех случаев, когда присутствует разделение их по массе. Каждый элемент и его изотопы рассказывают свои истории: ксенон говорит об атмосферах, кислород – об оксидах (горных породах и воде), гафний дает информацию о формировании ядра, а свинец – о кристаллизации.]. Но, поскольку они имеют разную массу, изотопы кислорода отбираются и сортируются. Испарить молекулу H
O с изотопом
О немного труднее, чем такую же молекулу с изотопом
О. К примеру, в ледниковый период, когда испаряющаяся из океанов вода переносится на сушу и оседает в виде снега на все расширяющийся ледяной щит, получившиеся в результате ледники накапливают более легкий кислород, тогда как океаны оказываются обогащенными тяжелым кислородом. Когда в разгар ледникового периода мелкозернистые осадки и карбонаты оседают на дно такого моря, возникающие в итоге породы, в свою очередь, также обогащены тяжелым кислородом. Применив масс-спектрометрию к образцам, полученным при глубоководном бурении, любой дипломник может проследить древние климатические процессы, как на элементарном графике.
Сегодня полярные льды тают, поэтому в летописи осадочных пород нашему времени будет соответствовать более легкий кислород. Более легкая вода, попавшая когда-то в ледяную ловушку, наконец возвращается обратно в океан. Свидетельства того, что происходит на суше, в океане и в воздухе, сохранятся в будущих горных породах. Это одна из причин, по которой нам важно получить образцы ранних осадочных пород с Марса: не только для того, чтобы найти там окаменелости микроорганизмов (если они вообще есть), но и потому, что, если аккуратно отбирать пробы, эти породы могут содержать комплексную информацию об океанах и оледенении Марса в далеком прошлом. Если даже окаменелости живых организмов никогда не будут там обнаружены, характерные признаки жизни можно будет разглядеть в изотопном составе органических компонентов горных пород – аналоге той летописи, которую мы расшифровываем, чтобы узнать о жизни на Земле 4 млрд лет назад.
Земля испещрена метеоритами. Почти все они являются фрагментами околоземных объектов, которые, в свою очередь, по большей части представляют собой осколки астероидов Главного пояса и комет. Но удивительно заметная их доля попала к нам с поверхности Марса. Доказывается это так: метеориты группируются по соотношению изотопов кислорода и других элементов, соответствующему различным астероидам, сформированным в той или другой области вокруг Солнца[44 - О том, как возникло разнообразие в изотопном составе кислорода, идут бурные споры. Кислород Солнца на 7 % легче (более обогащен
О) по сравнению с любым метеоритом или с горными породами на Земле, Луне и Марсе. Выходит, что некие процессы в туманности отводили более легкий кислород в значительном количестве. Возможно, это напоминало то, как при замерзании и таянии ледников легкий кислород может вытесняться и накапливаться на Земле. Эти процессы вытеснения шли в разных местах по-разному, создав различные резервуары кислорода на расстояниях орбиты Марса и орбиты Земли. По крайней мере, такова гипотеза.]. Одна из этих групп любопытна, потому что состоит в основном из базальтовых пород. Кислород можно обнаружить в любой породе, поэтому эта группа метеоритов должна была прибыть с планетоида достаточно крупного, чтобы на нем были вулканы. Марс богат огромными вулканами и находится относительно недалеко от Земли; то же самое относится и к Луне.
Решающим аргументом в изучении того, что мы сегодня называем марсианскими метеоритами, стал точный геохимический анализ содержания благородных газов – элементов вроде аргона и ксенона, у которых полностью заполнена внешняя электронная оболочка, в результате чего они не вступают в реакции. Эти газы не создают молекул, поэтому, когда лава кристаллизуется на планете с атмосферой, а не на спутнике, они захватываются в пустоты и могут быть проанализированы спустя миллиарды лет. Таким образом, нагрев образец такой породы, мы можем получить сведения о составе атмосферы в момент ее образования. Соотношение благородных газов в этих метеоритах совпадало с составом атмосферы Марса по данным, полученным в 1970-е гг. посадочными модулями программы «Викинг».
Выяснилось, что марсианские метеориты достаточно широко распространены. Тех, что хранятся в музеях, хватило бы на целую садовую тачку, а это только находки последних веков. Оглядываясь в прошлое, как и пристало геологам, мы можем предположить, что миллиарды тонн камней, выбитых кометами и астероидами с марсианской поверхности, попали на Землю за примерно 4 млрд лет существования тут жизни. Так зачем лететь на Марс, чтобы собирать образцы, когда метеориты доставляют их нам совершенно бесплатно? Затем, что те камни, которые нам бы хотелось изучить, все еще находятся на Марсе.
Большинство марсианских метеоритов состоят из прочных поверхностных пород магматического происхождения вроде базальтов. У нас нет ни одного образца осадочных пород, которые представляли бы наибольший интерес с точки зрения биологии. Такие породы обычно непрочны и не выдерживают выброса в космос. Если они не разрушаются при первоначальном столкновении, то подвергаются термическому растрескиванию по пути к Земле[45 - Для полноты картины не будем упускать возможность того, что достаточно крупный фрагмент станет околоземным объектом марсианского происхождения, а затем разрушится, бомбардировав Землю марсианскими метеоритами.]; если и этого не происходит, они взрываются при входе в земную атмосферу со скоростью 20 км/с. Базальты с большой вероятностью переживут все эти испытания, а вот осадочные породы – едва ли.
Тем не менее осадочные породы могут попасть с Марса на Землю. В целом для этого требуется, чтобы в космос был выброшен более массивный скальный фрагмент, для чего нужно столкновение с астероидом, диаметр которого будет составлять несколько десятков километров, а такого не случалось уже миллиард лет. Но 4 млрд лет назад, в период зарождения жизни на Земле, подобные события происходили постоянно. Нам нужно отправиться на Марс и собрать образцы осадочных пород не только для того, чтобы узнать, есть ли там жизнь (в виде живых организмов или окаменелостей), но и для того, чтобы дополнить наши представления о панспермии – возможном процессе распространения жизни по небесным телам Солнечной системы, а может, и разных галактик.
Располагаясь гораздо ближе, Луна посылает на Землю еще больше бесплатных образцов в форме метеоритов. Их сейчас собрано более 300 кг. Такие метеориты находят внутри ледяных щитов и в песчаных пустынях. Объяснить это очень просто: если метеорит приземляется там, где много земных камней, вы едва ли сможете различить его среди прочих. Лунные камни также имеют магматическое происхождение и несут следы ударов, полученных и за время пребывания на Луне, и в момент столкновения, в результате которого они были выброшены в космос. Многие из них повреждены космическими лучами и несут ионы солнечного ветра, из чего можно сделать вывод о целых геологических эрах, проведенных ими на поверхности лишенного атмосферы небесного тела[46 - А как насчет метеоритов, выброшенных с Земли и снова вернувшихся на нее тысячи или даже миллионы лет спустя? Горные породы легко выбрасываются с поверхности Луны в ходе образования кратеров достаточно скромного размера, и они с большой вероятностью падают на Землю, если им удается вырваться из пут лунного тяготения. С Землей все по-другому. Она обладает мощной атмосферой, так что только очень крупный импактный кратер может извергнуть большое количество осколков, которые смогут преодолеть значительную гравитацию Земли. Почти все они в течение миллиона лет либо столкнутся с Землей, либо будут рассеяны, так что, если только крупный кратер не появился на нашей планете достаточно недавно (а такого не было), метеоритов с Земли будет очень мало, если они вообще будут. Как мы обсудим ниже, порода, изверженная из древних крупных кратеров на Земле, с большей вероятностью может сохраниться на геологически неактивной Луне.]. После того как астронавты программы «Аполлон» доставили на Землю сотни килограммов лунных пород, надежная идентификация лунных метеоритов не представляет особых трудностей.
Однако анализ относительного содержания изотопов кислорода не позволяет отличать лунные камни от земных, как это происходит в случае Марса. В том, что касается изотопного баланса кислорода и других элементов, они идентичны с точностью до одной миллионной доли. В самом деле, валовый состав Луны с точки зрения космохимии практически неотличим от сухой мантии Земли. Это открытие подорвало доверие к гипотезе ударного образования Луны, поскольку, согласно классическому ее варианту, Луна состоит в основном из материала столкнувшейся с Землей планеты Тейя, который должен походить на земной не больше марсианского. Пока специалисты по компьютерному моделированию и теоретики продолжают выдвигать новые предположения и варианты, дискуссия о механизме формирования Луны в целом вернулась к позициям XIX в., когда многие полагали, что спутник был вырван из Земли с образованием бассейна Тихого океана. Возможно, эта идея в конечном итоге не так уж плоха? Вся эта неопределенность показывает, как скромны наши знания.
* * *
Если вы заблудились, идите назад по своим следам. Вернитесь к исходной точке. Водород, имеющий единственный протон, – самый распространенный элемент во Вселенной, а следующий за ним – это гелий с двумя протонами. Они сформировались в ходе Большого взрыва. Кислород идет третьим: его стало куда больше после того, как взорвались ядра первых гигантских звезд. Таким образом, одно из самых часто встречающихся химических соединений – это вода, H
O.
Что за удивительная молекула! Еще до того, как появились планеты, вода играла главенствующую роль в определении структуры будущей Солнечной системы. Диск вокруг Солнца, из которого сформировались планеты, первоначально был в основном газообразной протопланетной туманностью. Давление в ней оставалось достаточно низким, чтобы вода существовала там только в виде пара, за исключением тех мест, где она могла кристаллизоваться в твердое вещество. На далеких расстояниях свыше двух или трех астрономических единиц вода могла конденсироваться в иней, и он, возможно, образовал зародыши так называемых кометезималей, отдаленных предков комет. Ближе к Солнцу температура была выше, так что там конденсировались в основном силикаты, образовывая состоящие из горных пород планетезимали. Эта идея «ледяной линии» получила популярность как основа для понимания того, почему ближе к Солнцу расположены землеподобные планеты, состоящие из горных пород, а дальше от него – газовые и ледяные гиганты, а также ледяные карлики. Однако строение экзопланетных систем может заставить нас пересмотреть эти воззрения.
Значительные объемы жидкой воды не могли образоваться, пока планетезимали не стали достаточно большими, чтобы обеспечивать силу тяготения, способную удерживать атмосферу, и поверхность, где такая вода могла бы конденсироваться. Так появились первые океаны, которые подогревались или сверху энергией Солнца, если находились достаточно близко к нему, или снизу, благодаря радиоактивному распаду. На этих добиологических кухнях жизни закипела работа. Сегодня мы наслаждаемся существованием на планете, физические условия на поверхности которой позволяют воде находиться в состоянии бесконечного круговорота между жидким, твердым и газообразным состоянием в окрестности так называемой тройной точки воды. При давлении и температуре в этом диапазоне вода может снова и снова проливаться дождем, выпадать в виде снега, таять и испаряться, оказывая влияние на самые разные физические и химические процессы и циклы, которые определяют земную геологию и биогеохимию[47 - Да, такая наука существует. Это то, что случается, когда геолог не может решить, не биолог ли он, но проводит почти все свое время в химической лаборатории, анализируя образцы.].
Вода, этот универсальный растворитель, вымывает молекулы из мелких зерен минералов в горных породах, образует и переносит осадочные материалы, а также облегчает или делает возможным почти неограниченный спектр химических и физических процессов, начиная с разрушения твердых веществ и их переноса флюидами. Где-то в ходе этих процессов молекулы научились распадаться на части и собираться обратно, воспроизводя самих себя.
Жидкая вода распространена и во внешней части Солнечной системы, где тепло поступает из-под поверхности ледяных спутников и изнутри их объема. Приливы, которые вызывает планета, циклически деформируют очертания спутника, заставляя его ледяную оболочку и горные породы тереться друг о друга, выделяя тепло; к нему добавляется тепло радиоактивного распада, идущего в каменистой мантии самых крупных спутников. Благодаря этому на Европе, ледяном спутнике Юпитера размером с Луну, существует подповерхностный океан жидкой воды, по объему равный всем земным океанам вместе взятым и защищенный от экстремальных условий космоса многокилометровым термоизолирующим слоем льда. На Энцеладе, 500-километровом в диаметре спутнике Сатурна, жидкая вода бьет гейзерами, рассеивается в космосе и кристаллизуется ярким плюмажем, который превращается в тусклое кольцо вокруг планеты. На спутнике Юпитера Ганимеде и спутнике Сатурна Титане, двух самых крупных лунах Солнечной системы, также существуют подповерхностные глобальные океаны – такой вывод можно сделать на основании размеров и химического состава этих небесных тел, а также количества тепла, которое предположительно выделяется внутри них. Подповерхностные массивы воды так распространены, что мы можем с большой долей уверенности утверждать, что по всей Галактике существуют миллиарды покрытых льдом океанов. Неужели ни один из них не породил жизни?
В нашей Солнечной системе только на Земле условия на поверхности находятся около тройной точки воды[48 - «А как же Марс?» – спросите вы. На Марсе так холодно, что его климат определяется не тройной точкой воды, а точкой замерзания углекислого газа. Именно из него состоит марсианская атмосфера, и какая-то часть этого газа затвердевает каждую зиму, образовывая новый слой полярной шапки. Вода на Марсе практически всегда пребывает в твердом состоянии, и ее немного.]. Предположим, что это обязательное требование для образования жизни. (Если мыслить нешаблонно, можно предположить, что вода для жизни вообще не требуется. Тогда биологическая эволюция должна быть основана на каком-то другом растворителе, например на жидком метане; но пока не будем отвлекаться от H
O.) Это требование не исключает Европы; там просто потребуется наличие под слоем льда газовых карманов. Планета, живые обитатели которой могут эволюционно достичь развитого сознания, иногда называемого разумом[49 - На латыни слово sapiens означает «разумный», хотя к Homo sapiens это не всегда применимо.], должна удовлетворять и другим требованиям. Возможно, например, что возникновение разума требует наличия чего-то неизмеримо большего, чем само существо, например, звездного неба, или Луны с Солнцем, или гор на горизонте. Тогда нам придется исключить планеты, окутанные вечным смогом, или темные океаны под многокилометровым слоем льда, хотя даже в самых темных слоях земного океана и в самых глубоких земных пещерах киты и летучие мыши используют эхолокацию, чтобы ощутить расстояние и пространство без помощи зрения. Возможно, кора и мантия подходящей для жизни планеты должны быть достаточно активными, чтобы сформировать горы, континенты, бассейны океанов и вулканические острова для обеспечения достаточного числа экологических ниш; только тогда один из всего разнообразия видов сможет подняться до самой вершины эволюционной лестницы. Несомненно, звезда такой планеты должна быть стабильна в течение нескольких миллиардов лет. Может быть, у планеты должен иметься спутник – и не просто какой угодно спутник, но обращающийся достаточно близко, чтобы случались полные солнечные затмения, которые приведут живых существ в смятение и зажгут в них искру разума. Не исключено, что где-то поблизости должна взорваться сверхновая. Сформулируйте сколь угодно точные требования, а потом задайте себе вопрос: «С какой вероятностью это могло случиться?»
* * *
Пятьдесят лет назад мы совершили посадку на Луну «для всего человечества». Это стало первым случаем присутствия людей на другой планете. С тех пор астронавты летают в лабораториях на низкой околоземной орбите, а роботы занимаются исследованиями глубокого космоса. В этом есть смысл, поскольку роботы не дышат, их не нужно возвращать домой, и они стали настоящими мастерами в том, чтобы делать фотографии и собирать прочую информацию о разных далеких уголках, причем все чаще им при этом вообще не нужно участие человека. Первая волна исследований Солнечной системы людьми и роботами завершилась, охватив объекты всех типов: Луну, планеты, спутники, малые спутники, кольца планет, карликовые планеты, ледяные миры, кометы, астероиды и кентавры. Мы видели азотные равнины Плутона, каньоны Марса, гейзеры Энцелада и разноцветные вихри Юпитера. На орбиту выводятся огромные телескопы, а космические аппараты, запущенные с помощью перепрофилированных военных ракет, летят к Плутону и дальше, пересекая гелиопаузу, где давление межзвездного пространства останавливает солнечный ветер – и где начинается по-настоящему глубокий космос.
Следующая волна исследований только начинается. Она не продвинется намного дальше, но задействует более мелкие и более функциональные космические аппараты, которые посетят сотни самых странных и впечатляющих точек, заполняя пробелы в нашей картине миров, окружающих Солнце: другие спутники, другие астероиды, внешние планеты и, возможно, Планету X. Изучат они и сотни километров лавовых труб под лунной поверхностью. Думаю, следующей волной после этой станет колонизация людьми Луны, Марса и, возможно, Венеры, а также запуск роботов-эмиссаров, наделенных искусственным интеллектом, в «соседние» планетные системы.
Огромные области Луны[50 - Интерфейс просмотра изображений LROC и его домашняя страница на сайте Университета Аризоны находятся здесь: http://lroc.sese.asu.edu (http://lroc.sese.asu.edu/).] уже сфотографированы с разрешением в полметра. Аналогичным образом Марс[51 - Интерфейс просмотра изображений HiRISE Университета Аризоны находится здесь: https://www.uahirise.org (https://www.uahirise.org/).] в целом отснят в масштабе примерно шесть метров на пиксель[52 - Масштаб говорит нам, сколько метров укладывается в один пиксель изображения. Это не то же самое, что разрешение снимка, которое в два или три раза больше первой цифры и определяется размером самых мелких различимых деталей изображения.], а в определенных районах – треть метра. Все научные данные, собранные NASA, находятся в открытом доступе[53 - NASA требует, чтобы все научные данные экспедиций архивировались и выкладывались в открытый доступ обычно не позднее чем через шесть месяцев после окончания полета.], и почти все эти изображения еще ждут того, чтобы на них взглянул человеческий глаз. Щелкните на любое из них, увеличьте масштаб, и вы с большой долей вероятности станете первым человеком, который заметил нечто особенное – например, булыжник, расколотый пополам микрометеоритом. А может, вы обнаружите новую пещеру, представляющую огромный интерес для исследователей и будущих колонистов.
Что же касается астрономии, в мире постоянно начинают работать новые телескопы, обладающие возможностями, о которых десять лет назад можно было только мечтать. Большой синоптический обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) будет выдавать 20 терабайт данных за одну ночь, занимаясь представляющим новый этап в астрономии поиском скоротечных событий вроде движения астероидов, прохождений планет и взрывов звезд[54 - Примерно тот же объем видеоданных каждый день загружался на YouTube в 2016 г.]. Это приводит к фундаментальному гносеологическому переходу, когда объем больших данных становится так велик, что для того, чтобы его обработать или даже составить о нем первоначальное представление, нам требуется искусственный интеллект. Мы обучаем компьютеры обучать нас смыслу наших данных.
Это возвращает меня к геологии, где все, что вам нужно, – любопытство, благоприятная возможность и справочник. Поднимайте камни и смотрите на них внимательно. Раскалывайте их и изучайте с помощью лупы. Делайте зарисовки и читайте геологические описания своих участков. Посещайте полевые занятия, где вас научат замерять падения и уклоны. Пытайтесь выполнять палеореконструкции ландшафтов. Рассматривайте стены старых каменных зданий. Читайте путеводители или установите на телефон приложение, чтобы отправиться в прошлое во время любой загородной прогулки. В самой глубине Большого каньона Колорадо исследуйте кристаллические сланцы Вишну – возникшие из непримечательного протерозойского ила породы метаморфического основания, – само название которых напоминает об акте творения.
Сколько мы ни искали, мы пока не нашли ничего, что можно было бы назвать второй Землей. У нас есть несколько кандидатов, но пройдут еще десятки лет, прежде чем мы будем знать, так ли это. Что тогда? Если подтвердится существование землеподобных планет, обращающихся вокруг одной из соседних звезд, – скажем, в пределах 30 световых лет, – попытаются ли люди до нее добраться? Если говорить о периоде в тысячи лет, мы, кажется, неизбежно это сделаем: один из наших прапраправнуков[55 - На самом деле тысячелетие соответствует примерно 30-кратному повторению приставки пра-.] отправится сквозь бесконечную пустоту в путешествие в один конец, которое будет продолжаться веками, на протяжении жизни многих поколений. Мне этот путь видится чрезвычайно опасным и наполненным одиночеством, сюжетом для классического научно-фантастического романа. Задолго до этого мы, на мой взгляд, создадим вторую Землю где-то неподалеку, скажем, освоив биопреципитацию углекислого газа из атмосферы Венеры и создав там экзотический сказочный ландшафт, который можно будет заселить земными организмами. Мы можем поспорить, этично ли менять геологию других планет, но эта дискуссия уже стала неактуальной с учетом того, как своевольно мы меняем биосферу нашей собственной.
* * *
Если исследование – это «ян» науки, то понимание – ее «инь». Одно не может двигаться вперед без другого. Жажда исследований у нас в крови, но мы испытываем сравнимое удовлетворение от понимания того, почему что-то обстоит так, а не иначе, как оно таким стало и как оно функционирует. После пяти лет работы над созданием научных инструментов и уникального по своей быстроте и легкости космического аппарата, после всей детальной подготовки к его старту, после еще десяти лет и 4,8 млрд километров космического перелета сотрудники программы «Новые горизонты»[56 - Научный руководитель экспедиции Алан Стерн и его соавтор Дэвид Гринспун пишут об этом в книге Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto (Picador: New York, 2018). Русский перевод: Стерн А., Гринспун Д. За новыми горизонтами. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019.] стали первыми людьми, увидевшими геологию девятой планеты, которая со времени ее открытия в 1930 г. оставалась просто точкой на фотографической эмульсии. Только в 1990-е космический телескоп «Хаббл» смог разглядеть в ней пару точек – двойную планету, два пятнышка света.
