Могли ли кометы доставить строительные блоки жизни и на “Океанические миры”, такие как Европа, Энцелад и Титан?

Могли ли кометы доставить строительные блоки жизни и на “Океанические миры”, такие как Европа, Энцелад и Титан? Вопрос остается открытым

На протяжении всей истории Земли поверхность планеты регулярно подвергалась воздействию комет, метеоритов и иногда крупных астероидов. Хотя эти события часто были разрушительными, иногда вплоть до массового вымирания, они, возможно, также сыграли важную роль в возникновении жизни на Земле. Это особенно верно для эры Хадеан (примерно 4,1-3,8 миллиарда лет назад) и поздней тяжелой бомбардировки, когда на Землю и другие планеты внутренней части Солнечной системы обрушилось большое количество астероидов и комет.

Считается, что именно благодаря этим воздействиям вода была доставлена во внутреннюю часть Солнечной системы и, возможно, строительные блоки жизни. Но как быть со многими ледяными телами во внешней части Солнечной системы, естественными спутниками, вращающимися вокруг газовых гигантов и имеющими внутри океаны жидкой воды (например, Европа, Энцелад, Титан и другие)? Согласно недавнему исследованию, проведенному исследователями из Университета Джона Хопкинса, ударные явления на этих “Океанических мирах” могли внести значительный вклад в химический состав поверхности и недр, что могло привести к возникновению жизни.

Команду возглавляли Шеннон М. Маккензи, ученый-планетолог, и ее коллеги из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHUAPL). К ним присоединились исследователи из Дартмутской инженерной школы Тайера, Университета Западного Онтарио, Школы наук о Земле и планетах Кертинского университета, Лаборатории обитаемости планет (PHL) в UPR в Аресибо, Jacobs Technology, Лаборатории реактивного движения НАСА и Исследовательского центра астроматериалов (ARES) Космического центра Джонсона НАСА.

Экзогенез

Как указано в их статье, столкновения с астероидами, кометами и крупными метеоритами чаще всего связаны с разрушениями и событиями уровня вымирания. Однако многочисленные свидетельства указывают на то, что эти же типы воздействий, возможно, способствовали появлению жизни на Земле примерно 4 миллиарда лет назад. Эти события не только доставили летучие вещества (такие как вода, аммиак и метан) и органические молекулы, но современные исследования показывают, что они также создали новые субстраты и соединения, необходимые для жизни.

Более того, они создали множество условий, которые были необходимы для возникновения и поддержания жизни на Земле. Исследователи сказали:

“Материалы, доставленные экзогенным путем, по оценкам, были важным источником органики на ранней Земле. Ударные волны могли обеспечить энергию для органического синтеза важных предшественников, таких как HCN или аминокислоты. Железо и тепло от очень крупных ударных элементов могут способствовать ухудшению атмосферных условий, необходимых для обильного производства HCN. Столкновения разрушают и, при типичных земных явлениях, расплавляют цель: более проницаемые субстраты и выемка более глубоких слоев горных пород способствуют гидротермальной активности и созданию эндолитических местообитаний.”

Согласно последним ископаемым свидетельствам, самые ранние формы жизни появились на Земле примерно 4,28 миллиарда лет назад. Эти окаменелости были извлечены из осадков гидротермальных источников в зеленокаменном поясе Нуввуагиттук на севере Квебека, Канада, подтверждая, что гидротермальная активность сыграла жизненно важную роль в возникновении жизни на Земле. Но как насчет множества “океанических миров”, расположенных во внешней части Солнечной системы? Сюда входят такие тела, как Европа, Ганимед, Энцелад и Титан, а также спутники Урана Ариэль и Титания, спутник Нептуна Тритон и транснептуновые тела, такие как Плутон, Харон и, возможно, другие.

Океанические миры

Этот термин относится к телам, состоящим преимущественно из летучих элементов, таких как вода, и различающимся между ледяной корой и каменистым и металлическим ядром. На границе ядра и мантии приливное изгибание (результат гравитационного взаимодействия с другим телом) вызывает накопление тепла и энергии, выделяющихся через гидротермальные источники во льду. Это позволяет этим мирам поддерживать океаны жидкой воды в своих недрах. Короче говоря, в этих мирах есть все необходимые ингредиенты для жизни: вода, необходимые химические соединения и энергия.

Более того, данные миссии НАСА / ЕКА Кассини–Гюйгенс подтвердили, что шлейфы, регулярно извергающиеся из южной полярной области Энцелада, содержат органические молекулы. И последнее, но не менее важное: наличие поверхностных кратеров указывает на то, что эти тела испытывали поверхностные воздействия на протяжении всей своей истории. Естественно возникает вопрос: могли ли столкновения доставить необходимые строительные блоки жизни на “Океанические миры” таким же образом, как они доставили их во внутреннюю часть Солнечной системы? И если да, то что это означает относительно их потенциальной обитаемости сегодня? Как написала команда в своей статье:

“Процессы столкновения, вероятно, являются важной частью ответов на эти вопросы, поскольку столкновения могут стимулировать обмен веществ через ледяную кору — либо путем прямого засева, либо вымывания через кору — и, следовательно, вызывать эпизодические притоки органических и неорганических материалов с поверхности и / или от самого ударного элемента. Столкновения также могут порождать эфемерные микрокосмы: любая жидкая вода, расплавившаяся во время столкновения, замерзает за периоды времени, соизмеримые с энергией удара.”

“В этих очагах открылся захватывающий потенциал для развития химии, от концентрирования солей до стимулирования синтеза аминокислот. Более того, ударная химия ледяных, иногда богатых органикой (особенно в случае Титана) материалов-мишеней может привести к образованию новых “исходных” соединений (например, аминокислот или нуклеотидов) в бассейне расплава.”

Исследование

Первым шагом Маккензи и ее команды было исследование начальных ударных уровней, вызванных наиболее распространенными для океанических миров столкновениями — кометами, которые, вероятно, произошли из пояса Койпера и облака Оорта. Для этого команда рассчитала скорости и максимальное давление, которые были бы достигнуты при столкновении с ледяными и скалистыми телами. Они также рассмотрели, как это могло измениться в зависимости от первичных или вторичных воздействий и какие системы были задействованы – например, Юпитер или Сатурн. В то время как первичные столкновения связаны с кометами или астероидами, вторичные столкновения вызваны создаваемыми ими выбросами.

В случае систем Юпитера и Сатурна вторичные ударные элементы могут быть ледяными или каменистыми в зависимости от того, где они возникли (ледяные тела, такие как Европа, Энцелад и Титан, каменистое тело, такое как Ио, и более крупные астероиды). В то время как первичные столкновения имеют более высокие скорости и приводят к увеличению объемов расплава, вторичные столкновения происходят чаще. Чтобы определить размеры расплава, команда обратилась к наблюдаемым размерам кратеров на Европе, Энцеладе и Титане, а также к динамическим моделям, которые рассчитывают совокупную скорость образования кратеров с течением времени. Затем они сравнили пиковое давление при столкновении с пороговыми значениями выживаемости элементов, необходимых для жизни, органических молекул, аминокислот и даже микробов, выявленных в предыдущих исследованиях.

Исходя из этого, они определили, что при большинстве столкновений на Европе и Энцеладе наблюдается пиковое давление, превышающее то, которое могут пережить споры бактерий. Однако они также определили, что значительное количество материала все еще переживает эти столкновения и что более высокое давление при первом контакте также может способствовать синтезу органических соединений в талой воде, заполняющей кратеры. Между тем, в среднем Титан и Энцелад подвергались столкновениям с меньшей скоростью, создавая пиковые давления, которые находятся в пределах допустимого диапазона как для бактериальных спор, так и для аминокислот.

Следующим шагом было рассмотреть, как долго сохранятся свежие кратеры и будет ли этого достаточно для синтеза биологических материалов. Основываясь на наблюдаемых размерах кратеров на Энцеладе и Европе, они определили, что срок существования самых долгоживущих кратеров составляет всего несколько сотен лет, в то время как на Титане может потребоваться от столетий до десятков тысяч лет, чтобы замерзли свежие кратеры. В то время как Европа и Энцелад подвергаются более высокоскоростным ударам (из-за плотной атмосферы Титана), долгоживущая природа кратеров Титана означает, что на всех трех телах есть шанс на проведение экспериментов по органической химии.

Они также рассмотрели скорость повторного появления на Европе, Энцеладе и Титане и то, как они будут доставлять биологический материал в их недра. Во всех трех случаях спутники имеют относительно “молодой” рельеф, что подразумевает регулярные события повторного появления.

Результаты

Основываясь на этих соображениях, Маккензи и ее команда определили, что расплавы, вызванные столкновениями комет с Европой, Энцеладом и Титаном, были частыми и достаточно долгоживущими, чтобы представлять астробиологический интерес. Однако это зависит от состава комет и рассматриваемого поверхностного льда. Как они резюмировали:

“На Европе и Энцеладе выживание и отложение органических веществ, поражающих поверхность, более важно, поскольку в ледяной коре меньше поверхностной органики, которая может образовать бассейн таяния. На Титане выживание таких элементов, как фосфор, может быть более важным. Таким образом, даже небольшие, более частые столкновения вносят вклад в астробиологический потенциал, доставляя на поверхность менее модифицированные соединения, которые доступны либо для немедленной реакции в случае образования расплава, либо для дальнейшей переработки (в том числе при последующих столкновениях).”

Например, они обнаружили, что комета, столкнувшаяся с Европой со средней скоростью удара, создала бы кратер протяженностью 15 км (9,3 мили) и выделила бы ~ 1 км 3 (0,24 мили 3) талой воды. Основываясь на обилии глицина (незаменимой аминокислоты), обнаруженного на комете 67P Чурюмова–Герасименко, они определили, что выживет несколько частей на миллион – примерно на три порядка больше, чем наблюдалось вокруг гидротермальных источников здесь, на Земле. “Таким образом, ударные элементы определяют химический состав расплава, обеспечивая органические и другие необходимые элементы в зависимости от состава ударного элемента”, - добавили они.

Хотя это не обязательно означает, что эти и другие “Океанические миры” в настоящее время пригодны для жизни или активно поддерживают жизнь, они демонстрируют потенциал для будущих исследований. В ближайшие годы такие миссии, как " Исследователь ледяных лун ЮПитера" ЕКА (JUICE) и миссии "Europa Clipper" и "Dragonfly" НАСА, достигнут Ганимеда, Европы и Титана (соответственно). Также планируется создать орбитальный аппарат "Энцелад", чтобы продолжить с того места, где остановился зонд "Кассини-Гюйгенс", более внимательно изучив активность шлейфа на Энцеладе.

Таким образом, проведение отбора проб и анализа на этих спутниках могло бы дать глубокое представление о пребиотических химических процессах и определить, при каких условиях может возникнуть жизнь. Эти выборочные исследования также позволят ответить на более широкий вопрос о том, могла ли жизнь существовать во внутренних частях “Океанических миров”, предоставляя предварительное представление о том, что обнаружат будущие миссии, подготовленные для исследования подо льдом.

Источник: The Planetary Science Journal

На изображении:

"Океанические миры" Солнечной системы.

Фото: NASA / JPL

Источник: www.astrophoto.by