Фрагменты земной коры, выброшенные в космос при ударах крупных астероидов, могли занести жизнь на другие планеты

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 (см.: Caleb A. Scharf. Maybe Mars Seeded Earth’s Life, Maybe It Didn’t, August 29, 2013; В эпоху Ноя на Марсе была вода, «Элементы», 02.12.2006), а пригодные для экстремофилов экологические ниши могли сохраниться и по сей день.

Литопанспермия

Теоретически, жизнь может путешествовать по Солнечной системе не только с помощью спутников и межпланетных станций, но и естественным путем. Гипотеза о том, что жизнь может распространяться между крупными телами во Вселенной, используя в качестве транспорта астероиды, кометы и прочие мелкие объекты, получила название панспермия (см. также Panspermia). Чтобы избежать путаницы с «техногенным» способом переноса жизни, для «естественной» панспермии иногда используют термин литопанспермия (Lithopanspermia).

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 (см., например, статью H. Chennaoui Aoudjehane et al. 2012. Tissint Martian Meteorite: A Fresh Look at the Interior, Surface, and Atmosphere of Mars, в которой описано исследование упавшего в Марокко в 2011 году метеорита — Tissint meteorite).

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.

Рис. 2. Марсианский метеорит ALH 84001 — возможный переносчик жизни с Марса на Землю. Фото с сайта ru.wikipedia.org

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 литопанспермии 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?

Первые два вопроса были исследованы в статье C. Mileikowsky et al. 2000. Natural Transfer of Viable Microbes in Space: 1. From Mars to Earth and Earth to Mars, к которой и обращались авторы обсуждаемого ниже исследования. 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.

Авторы обсуждаемой статьи проверили полученные группой Милейковского оценки числа выброшенных в космос фрагментов породы Земли и Марса. Получилось, что около 300 миллионов фрагментов подходящего размера было выбито с Земли и около 600 миллионов — с Марса за время, прошедшее с конца Поздней тяжелой бомбардировки, то есть за последние 3,5 миллиарда лет.

Суммируя сказанное, можно заключить, что микроорганизмы в принципе способны пережить и выброс с поверхности планеты в космос, и, возможно, длительное путешествие внутри фрагмента коры, и даже столкновение с другой планетой. Другими словами, пока не видно теоретических препятствий к такому способу распространения жизни.
Исследование переноса между телами Солнечной системы

Авторы 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 (см.: Symplectic integrator), 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.

Основные полученные результаты представлены на рисунке 3 и в таблице. Как видно, значительная часть фрагментов, «покружив» на гелиоцентрических орбитах, падает обратно на исходную планету. Это и неудивительно, ведь сначала «медленные» фрагменты расположены на орбитах, мало отличающихся от орбиты родной планеты, и часто подходят к ней близко. Доля фрагментов, упавших обратно, составляет 40% для Земли и 16% для Марса. Причем большая часть падает обратно за первый миллион лет, а затем количество возвращающихся на «родную» планету фрагментов быстро снижается.

Рис. 3. Распределение переноса материала по времени. По горизонтали указано время переноса (в млн лет), по вертикали — проценты от общего числа выброшенного материала, для которого перенос занял данное время. Рисунок из обсуждаемой статьи в Astrobiology

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. Таким образом, литопанспермия, возможно, позволяет сохранить планетарную биосферу при самых крупных столкновениях.

Таблица. Абсолютные и относительные данные численного моделирования орбит фрагментов. Два левых столбца с числами содержат данные по выброшенным с Земли осколкам, два правых — с Марса. Видно, что в обоих случаях большинство фрагментов оставались на устойчивых орбитах (Orbit) или падали на свою «родительскую» планету. Существенная часть фрагментов покинула пределы Солнечной системы. Также видно, что на Солнце и внутренние планеты попадает больше фрагментов, чем на внешние. Таблица из обсуждаемой статьи в Astrobiology

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. Вероятности этих событий, рассчитанные на основе моделирования, малы, но они все равно дают существенное количество материала, если учитывать все крупные астероидные удары за всю историю Солнечной системы. 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.

Направление выброса нисколько не влияет на вероятности и времена переноса выброшенных фрагментов, и, что менее ожидаемо, на них практически не влияет и скорость выброса. Скорость 0–2 км/c является малой добавкой к гелиоцентрической скорости исходной планеты (у Земли это 30 км/c), и потому все фрагменты оказываются на очень похожих орбитах. Влияние орбитальных резонансов на них, а значит, и характерное время изменения эксцентриситета для этих орбит примерно одинаково. Однако чем медленнее фрагмент, тем ближе его орбита к орбите исходной планеты, поэтому для медленных фрагментов больше вероятность падения на исходную планету, а для более быстрых — на другие только за счет того, что они реже падают обратно.

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.

Включать в модели эффект Ярковского крайне сложно, поскольку здесь многое зависит от физики прогрева астероида, его формы и излучательной способности, текущих параметров орбиты, а также некоторых других факторов. Самое лучшее, чего можно добиться с нынешним уровнем развития вычислительной техники, — это определить, при каких орбитальных параметрах (включая частоты прецессии) влияние на эти параметры малого дополнительного ускорения компенсируется, а при каких — нет.

Благодаря проведенному исследованию появляются доводы в пользу возможности влияния литопанспермии на распространение жизни в Солнечной системе, однако еще многое в этой теме остается неисследованным.

Источник: R. J. Worth, Steinn Sigurdsson, Cristopher H. House. Seeding Life on the Moons of Outer Planets via Lithopanspermia // Astrobiology. 2013. V. 13. P. 1155–1165. DOI:10.1089/ast.2013.1028.

Иван Лаврёнов

Исчтоник: www.elementy.ru