Неизвестная Церера (бонусные материалы к "Космической шпане")

В комментариях к книге задавали вопрос, откуда %данные удалены% на Церере. В качестве развернутого ответа, приведу перевод-пересказ научной статьи, написанной по итогам полёта к Церере АМС Dawn. Там много интересного, что сильно меняет представление о том, какие тела Солнечной Системы интересны для освоения.

Коротко о том, что нашел Dawn.

Первой особенностью Цереры, заметной при ближайшем рассмотрении, стало белое пятно в кратере Оккатор, выглядящее как выделение хлорида натрия. Более подробный осмотр показал наличие обширных поверхностных отложений карбоната натрия и солей аммония. 

Карбонат натрия, он же пищевая сода, это ключевой компонент мыла, отбеливателей и стиральных порошков. Очень важен не только как чистящее средство, но также для подкормки растений, в металлургии и стекольной промышленности (например, снижает температуру плавления оксида кремния). Соли аммония это ключевые удобрения, используемые в сельском хозяйстве на Земле. Также применяются как флюс при пайке, важный компонент сухих батарей и некоторых лекарственных средств, разрыхлитель и регулятор кислотности в пищевой промышленности. Последнее, но не по значению, — удобный источник азота для любых других азотных соединений, которые на Земле человечество получило только с открытием процесса Габера на рубеже XIX и XX веков. На Церере готовые соли аммония попросту лежат на поверхности. Как же так получилось?

Егорычев расценил это как проверочный вопрос, предвидел что-то такое и достаточно долго думал над ответом.

— Клуб наследников жидкой воды. Хотя нет, плохое название. Клуб некромантов океана.

Наблюдения показывают, что близкого к поверхности слоя жидкой воды, как в случае Европы или Энцелада, на Церере нет. Но лучшим объяснением солей на поверхности является существование подлёдного океана в прошлом, между ~0,5 и 2 миллиардами лет после образования Цереры.

И в этом исчезнувшем океане могли быть необходимые для жизни условия окружающей среды: температура, давление, pH и наличие ключевых элементов. Вопрос только в источнике энергии, который могла бы использовать жизнь. Как и в подлёдном океане Европы/Энцелада, лишенном света, она могла быть только хемотрофной. То есть, использовать для своего поддержания энергию химических реакций на границе океана с каменистыми слоями ядра.

На этой иллюстрации приведены основные этапы формирования Цереры. Схема актуальна для любых ледяных тел среднего размера (~500-1000 км в диаметре). То есть, под неё попадает большинство крупных спутников Сатурна и Урана, а также Плутон, Харон и ещё пучок за пятачок транснептуновых объектов.

1) Формирование тела из аккреционного диска.

2) Дифференциация льда и горных пород примерно через 4 млн лет создает условия для разогрева недр.

3) Летучие вещества попадают в океан примерно через 0,5–2 млрд лет после формирования и греют его химическими реакциями.

4) Замерзание океана.

Диаграмма предполагает, что ледяная оболочка состоит из чистого водяного льда, а это не совсем так: для многих ледяных тел предполагается наличие в подлёдном океане аммиака, работающего как антифриз. И не учитывает внешнее воздействие, например, приливной разогрев, которому часто подвергаются спутники газовых гигантов. Из-за этих двух факторов океан может не замерзать и дольше.

Самое интересное для нас здесь — этап 3. Моделью предполагается, что ядро Цереры формировалось из хондритов типа Ивуна, которые содержат ~22% воды и органических соединений в виде различных гидроксидов. При сплющивании хондритов в ядро под действием гравитации выделяется тепло, гидроксиды разрушаются, вода и органика идут в океан. Еще там есть в количестве долгоживущие радиоактивные изотопы алюминия и кальция, которые могут довольно долго (до ~2 млрд. лет) греть океан. Приток воды от дегидратации хондритов позволяет ему существовать ещё дольше. Всего этого в сумме недостаточно для поддержания глобального подлёдного океана до наших дней. По модели, где есть только вода и никаких внешних воздействий, океан почти полностью замерзает ко времени 3,5 млрд лет после формирования Цереры.

Этот срок может отодвинуть растворенный в воде аммиак — а соли аммония на поверхности Цереры есть. И могут отодвинуть локально столкновения Цереры с астероидами, которые разогревают недра, создавая в них водные полости. Этот механизм считается ответственным за обнаруженные на Цереры следы недавней вулканической деятельности. А вулканы — ну да, те самые проводники минерального концентрата между мантией и поверхностью. Везде работают одинаково. Кроме того, столкновения, пробивающие корку, могли доставлять в океан кислород, который образуется на поверхности в результате распада молекул льда под ионизирующим излучением. Менее стохастический механизм такой доставки — тектоника ледяных плит. Судя по концентрации кратеров на поверхности, она остановилась на Церере ~1 млрд лет назад. Но как раз в интересующий нас период была вполне себе активна.

Что именно попало в океан Цереры из ядра? В основном силикаты, сульфиды железа и карбонаты.

Вся тройка наиболее используемых в промышленности элементов. Были, естественно, и другие, но не так много.

Дегидрация силикатов и карбонатов происходит с выделением не только энергии, которая греет океан, но и углерода в виде углекислого газа и метана (соотношение зависит от температуры), и водорода. Короче, в океане начинает крутиться реакция Сабатье по экзотермальному варианту.

Океан у поверхности имеет нормальную температуру, а вот на глубине довольно горяч. Как мы знаем, теплая вода в поле силы тяжести поднимается к поверности. И несёт с собой всё, что выделилось в глубинах, туда, где оно будет смешиваться с ледяной корой. Дальше эта корка по мере остывания будет сжиматься и раскалываться на плиты, наползающие друг на друга. Следы таких процессов мы наблюдаем на Церере как катены. На границах сколов будет накапливаться минеральный концентрат. Как много? Во время пика дегидратации поток жидкости, несущий наверх нужные для жизни элементы, может достигать 300 кг/с.

На последнем графике указано количество одноклеточных бактерий, которые могут поддерживаться таким количеством энергии и углерода. Потенциально такие бактерии могли бы даже сформировать нефть и другие углеводороды, которые тектоникой ледяных плит тоже вынесло бы к поверхности. Конечно точное число клеток, которое может поддерживаться заданной энергией, зависит от типа клетки и окружающей среды. И если принимать разные допущения, может отличаться на порядки. Поэтому приведённую в статье оценку предельного размера биосферы следует воспринимать как ориентировочную границу сверху.

Много это или мало? Если предположить, что бактерии облепляют ледяную кору изнутри слоем толщиной 1 м, их концентрация будет 1000 клеток на килограмм воды. В миллион раз меньше, чем ожидается на морском дне Земли.

Ничего удивительного. Расстояние, которое жидкость из каменистого ядра Цереры должна преодолеть, чтобы достичь коры, намного больше, чем у аналогичных гидротермальных систем на Земле. На Земле даже относительно прохладные гидротермальные системы имеют гораздо более резкие перепады температур.

Обнаруженное учеными в 2000 году на глубине более 700 метров, гидротермальное поле «Затерянный город» является самой долгоживущей вентиляционной средой, известной в океане. Ничего подобного не было найдено за всю историю исследований.

В течение как минимум 120 000 лет, а может и дольше, вздымающаяся мантия в этой части мира реагировала с морской водой, выбрасывая водород, метан и другие растворенные газы в океан. В трещинах и расщелинах жерл месторождения углеводороды питают новые микробные сообщества даже без присутствия кислорода.

Жерла, извергающие газы с температурой до 40 °C, являются домом для множества улиток и ракообразных. Более крупные животные, такие как крабы, креветки, морские ежи и угри, встречаются редко, но все же присутствуют. Несмотря на экстремальный характер окружающей среды, она, кажется, кишит жизнью, и некоторые исследователи считают, что она заслуживает нашего внимания и защиты.

Так вот в Затеряном городе речь о циркуляции в масштабе километров, отсюда и высокий градиент. А на Церере гидротермальные жидкости могли зарождаться на глубине многих десятков километров. Миграция жидкости вверх могла занимать тысячи лет в зависимости от проницаемости системы. И это, кстати, один из пунктов научной критики самой концепции жизни в подлёдном океане. Энергия, высвобождаемая ядром в океан за счёт химических реакций, зависит от пористости и проницаемости ядра. При неудачном стечении констант могло быть и такое, что ядро достигло химического равновесия быстрее, чем жидкость достигла поверхности.

Перенося эти результаты на тела внешней системы, важно понимать, что в них при формировании доля хондритов была меньше, а кометного льда — больше. Это может означать, что там изначально было до 40% органического вещества, до 10% углеродного и метанового льда. Кстати, это могло быть актуально и для Цереры. Обилие аммониевых солей порождает гипотезу, что её забросило на актуальную орбиту из внешней системы. Сделать это могли, например, формирующиеся газовые гиганты. Если всё правда так и было, возникают три основных следствия:

1) твёрдое ядро становится больше, поскольку плотность органического вещество меньше, чем у силикатных породы;

2) океаническая/ледяная оболочка, становится относительно тоньше, что улучшает занос кислорода через столкновения и тектонику плит;

3) ядро производит меньше тепла, поскольку относительное количество радиоиактивных изотопов сокращается.

То есть, присутствуют факторы, работающие для жизни в обе стороны, и экстраполировать сложно.

В общем, наша модель сильно завязана на благостные допущения, а реальность остаётся загадочной. И требует получить больше данных, которые может дать только непосредственно высадка на Цереру с забором грунта. Или хотя бы низкий пролёт с забором испарившихся с поверхности частиц. Но фантастика всегда содержит спекуляции в сторону красивого. Причем чем ближе допущение к таким областям, где учёный скажет «остаётся загадочным», тем научнее фантастика. Потому что отдаляться можно либо в сторону отрицания надёжно известных фактов (фэнтези), либо в сторону «если бы мы знали, что это такое, но мы не знаем, что это такое» (космоопера).

При благостных допущениях вполне можно предположить, что примерно 2.5 млрд лет назад самой распространённой в Солнечной Системе средой для жизни были подповерхностные океаны ледяных тел. Это очень интересно и в контексте разговора о происхождении жизни на Земле. Наша планета на том этапе представляла собой более богатую, но значительно менее стабильную среду, где микробная жизнь могла несколько раз независимо появляться и полностью вымирать. Мантийный океан Цереры и других подобных тел — это возможность для бактерий сформироваться в бедной, но стабильной среде. Откуда они потом вылетят в кусках льда при столкновениях с астероидами. И попадут на Землю вместе с обломками. Чисто гипотетически некоторые из этих обломков могли и до соседних звёздных систем долететь. Так называемая гипотеза панспермии.

Для фантастики она особенно интересна тем, что рассуждения про конвергентную эволюцию, благодаря которой инопланетные животные будут похожи на нас, имеют в своей основе обычно умалчиваемое допущение — что базовые «кирпичики» те же. Ну, из которых эволюция потом будет собирать своё решение.