Фосфин в атмосфере Венеры
Часть 1

Публикация Phosphine gas in the cloud decks of Venus была опубликована 14 сентября 2020 года в журнале Nature Astronomy и определенно наделала шороху. Думаю, сенсация в зомбоящике перетиралась активно. Зомбоящик я не смотрю принципально – соблюдаю гигиену – а вот оригинал статьи найти в Паутине несложно. И не так уж трудно разобраться самостоятельно, что там было и чего там не было.
Суть статьи кратко изложена в одном абзаце резюме в самом начале, сразу под заголовком и списком авторов, как это принято в научных публикациях. Далее идут десять страниц основного текста с графиками и таблицами и десять страниц дополнительной информации.
Итак, краткая суть статьи.
В атмосфере Венеры методами спектрального анализа обнаружен фосфин (PH3). Спектральные линии, идентифицированные как принадлежащие фосфину, зарегистрированы в субмиллиметровом диапазоне с помощью радиотелескопов ALMA (многозеркальный радиотелескоп в чилийской пустыне Атакама) и JCMT (радиотелескоп субмиллиметрового диапазона с 15-метровым зеркалом в обсерватории Мауна Кеа на Гавайях). Содержание фосфина в атмосфере Венеры оценили в 20 частей на миллиард. Причем это не какая-то локальная аномалия, а глобальное содержание – линия фосфина фиксируется в атмосфере вплоть до широты 60°. В атмосфере над полярными областями Венеры фосфин не обнаружен. Что уже делает объяснение феномена нелегкой задачей. В экстремально закисленной атмосфере Венеры фосфор должен существовать лишь в виде окисленных соединений.
Авторы статьи добросовестно проанализировали возможные химические и фотохимические реакции с образованием фосфина в атмосфере, облаках, на поверхности и в грунте Венеры. Они также рассмотрели возможность поступления фосфина извне с метеоритным или кометным веществом (включая сценарий падения большой кометы) и пришли к выводу: ни один из известных механизмов абиогенного синтеза такую высокую концентрацию фосфина в атмосфере не объясняет. Все расчетные оценки дают концентрацию на четыре-восемь порядков ниже наблюдаемой. И стало быть, остаются две возможности. Или мы имеем дело с неизвестным абиогенным механизмом синтеза фосфина, или фосфин является признаком наличия жизни.
Имея статью перед глазами, хочу ясно заявить: прямого утверждения “на Венере обнаружена жизнь” в статье нет. Всего лишь “в свете обнаруженных фактов мы должны серьезно рассмотреть эту возможность”. Но журналюги, понятно, эту мелочь по большей части проигнорировали. Их задача – не информировать аудиторию, а развлекать.

Думаю, есть смысл чуть подробнее рассказать о смысле этого переполоха – так станет понятнее, почему статья вызвала такой резонанс.
И начнем с фосфина. Даже, пожалуй, начнем с фосфора. И не только фосфора.

В Периодической таблице элементов фосфор (элемент № 15) располагается под азотом (элемент № 7). Химически фосфор проявляет определенное сходство с азотом, и фосфину PH3 соответствует аммиак NH3. Однако между азотом и фосфором есть не только сходство, но и очень важные отличия.
Прежде всего, азот в космосе – довольно распространенный элемент. На миллион атомов водорода в Солнечной системе приходится примерно сотня атомов азота. Атомов фосфора примерно в 400 раз меньше, чем азота – то есть примерно 250 атомов на миллиард атомов водорода. Если посмотреть на земную кору, то здесь картина иная. Самый распространенный элемент в земной коре – это кислород, 482 тысячи атомов на миллион (если считать по массе, на первом месте железо). Фосфора в земной коре намного больше, чем азота – фосфора 1000 атомов на миллион, азота 46 атомов на миллион. Этот парадокс объясняется тем, что фосфор в отличие от азота легко реагирует с кислородом и входит в состав горных пород, таких, как апатиты (фосфат кальция с переменным содержанием гидроксильной группы, фтора и/или хлора). Опять же в отличие от азота, который сам по себе в нормальных условиях ведет себя как инертный газ и образует по большей части летучие соединения, более тяжелый фосфор к образованию летучих соединений почти не склонен. Фосфин – одно из немногих исключений (боевые отравляющие вещества и прочие дихлофосы рассматривать не будем). Что касается роли азота и фосфора в живых организмах – здесь только популярной литературой можно книжные полки от пола до потолка уставить, так что постараюсь предельно кратко. Азот – это в первую очередь пептидные связи в белках и азотистые основания в нуклеиновых кислотах (генетический код!). Фосфор, а конкретнее органические фосфаты – это основа энергетики живой клетки (АТФ), опять же скелет молекул нуклеиновых кислот и фосфолипиды клеточных мебран.

Если мы пытаемся обнаружить жизнь на других планетах дистанционными методами, то по необходимости задача сводится к обнаружению не самих организмов, а продуктов их жизнедеятельности. Причем таких продуктов жизнедеятельности, накопление которых в окружающей среде очень трудно, если вообще возможно, объяснить иными причинами. Если бы я писал статью в академический научный журнал, мне пришлось бы употребить применительно к таким признакам наличия жизни термин “биосигнатура” (biosignature). Но надеюсь, термин “биомаркер” тоже сойдет – он короче и тоже отражает суть предмета. Вообще говоря, биосигнатура aka биомаркер – это любые признаки жизни в окружающей среде, от аномального изотопного состава донных осадков до раковин фораменифер и костей динозавров. Ограничимся, однако, летучими примесями в атмосфере – они в отличие от раковин фораменифер в принципе могут быть зафиксированы спектральными методами на расстоянии в сотни световых лет.
Как это работает. Допустим, мы наблюдаем Землю с Марса и фиксируем спектральные линии кислорода в ее атмосфере. Если бы речь шла о примесях в сотые доли процента, мы как добросовестные исследователи были бы обязаны заявить: коллеги, мы в первую очередь должны пристально изучить самую вероятную возможность, что кислород в атмосфере Земли образуется в результате фотодиссоциации водяных паров под воздействием солнечного ультафиолета. Допустим даже, какая-то часть наблюдаемого кислорода действительно образуется как продукт жизнедеятельности организмов – но нам нужно провести кучу наблюдений, чтобы обосновать эту возможность, и все равно мы не можем уверенно утверждать, что обнаружили жизнь на Земле, пока не пошлем туда зонд. Но если мы фиксируем обилие кислорода в земной атмосфере порядка 20%, это очень трудно, если вообще возможно, объяснить абиогенными механизмами. Кислород в таких количествах – сильный биомаркер, и не зря энтузиасты поисков жизни во Вселенной топят за развитие наблюдательных методов обнаружения экзопланет с кислородными атмосферами вроде земной.
Проблема с кислородом как биомаркером в том, что нынешняя Земля может быть нетипичным обитаемым миром. Да, кислород распространенный элемент и да, кислород – сильный окислитель. Любая мыслимая форма жизни, по всей видимости, столкнется с общей проблемой – ресурсы энергии в окружающей среде лимитированы и их доступных источников не так уж много. Было бы странно ожидать, что иные формы жизни проигнорируют кислородное дыхание в пользу экзотических менее эффективных источников энергии. Вот только есть такой момент. Свободного кислорода на Земле поначалу не было – ни в атмосфере, ни в океанах. Жизни приходилось использовать те источники энергии, которые имелись на Земле – а это в основном соединения серы и железа, продукт вулканической деятельности. Источник энергии низкого качества, но в районах выхода вулканических газов можно было рассчитывать на регулярное поступление. Жизнь на Земле поначалу поневоле была анаэробной и привязанной к вулканическим источникам химической энергии. Примерно 3.4 миллиарда лет назад в геологической истории земной жизни произошло революционное событие – жизнь научилась использовать неисчерпаемый ресурс солнечной энергии. Однако эта энергия запасалась в уже освоенных формах – опять же в соединениях серы и железа. Поначалу фотосинтез тоже был анаэробным. И лишь позже, примерно 2.7 миллиарда лет назад, возникли фотосистемы современного типа с фиксацией углерода из атмосферного углекислого газа и с использованием воды как донора электронов. В отличие от вулканических газов, вода, углекислый газ и солнечная энергия были в обилии и жизнь уже не была привязана к очагам вулканизма. Вот только с водой как с донором электронов возникла очень серьезная проблема. Кислород был метаболическим ядом, побочным продуктом фотосинтеза. Кислородное дыхание изначально возникло как механизм нейтрализации токсичного кислорода. И только намного позже, когда высвобождающийся кислород окислил горные породы и начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах, кислородное дыхание стало актуально как эффективный источник энергии. Так вот, выделение кислорода в окружающую среду в значительных количествах в результате жизнедеятельности цианобактерий началось примерно 2.45 миллиарда лет назад, но этот кислород растворялся в океанской воде и поглощался донными осадками. Примерно 1.85 миллиарда лет назад буферная емкость океанов насытилась и началось выделение избытка кислорода в атмосферу, но этот кислород поглощался горными породами суши. Парциальное давление кислорода в атмосфере Земли в это время было примерно 0.02...0.04 атмосферы – то есть 2...4% в сравнении с современным содержанием 21%. И лишь примерно 850 миллионов лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере в значительных количествах. Ну и дальше – внезапный расцвет многоклеточной жизни примерно 540 миллионов лет назад, известный как кембрийский взрыв.
Это я к чему веду. По единственному примеру известной обитаемой планеты статистику строить нельзя, но разумно предположить, что какая-то доля обитаемых миров (и возможно, большая их часть) до сих пор представлена экосистемами с одноклеточными формами жизни и кислородная революция в этих мирах еще не произошла. Или попросту не удалась в силу каких-то местных причин. То есть свободный кислород как биомаркер может быть непригодным для таких миров. Нужно искать другие простые летучие соединения, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Метан, аммиак, формальдегид, фосфин. Может быть, сернистый газ SO2. Может быть, что-то еще, что не приходит мне в голову – я все же в этой области не специалист.

Инфографика
Другой обитаемый мир может быт покрытым мелководными водоемами. Или быть с виду безжизненной пустыней - это как повезет. И тогда о жизни на планете придется судить о составе ее атмосферы.
На первом снимке - строматолиты (бактериальные сообщества) в Шарк Бэй, Западная Австралия. Примерно так могли выглядеть ландшафты юной Земли до появления многоклеточной жизни. Снимок сделал Paul Harrison (Reading, UK)
Источник второго снимка, к сожалению, уже не помню.

Фосфин в атмосфере Венеры
Часть 2

Метан как биомаркер в поисках возможной жизни в Солнечной системе уже используют. Метан (CH4) – это простейший предельный углеводород. При нормальном атмосферном давлении плавится при температуре 90.65 K (-182.5 °C), кипит при температуре 111.6 K (-161.55 °C). Бесцветный газ без вкуса и запаха. Легко воспламеняется, в концентрациях от 4.4 до 17% образует взрывоопасные смеси с воздухом. В прочих отношениях химически малоактивен. В воде почти нерастворим, однако при низких температурах склонен встраиваться в кристаллическую решетку льда, образуя метаногидраты. В малых концентрациях нетоксичен, но в высоких концентрациях проявляет слабое наркотическое действие, растворяясь в липидном слое клеточных мембран.
На Земле метан – основной компонент природного газа, попутных нефтяных газов, рудничного и болотного газа. Большие запасы метана связаны в метаногидратах в морских донных отложениях и в зоне вечной мерзлоты. Метан образуется в анаэробных условиях – в болотах, переувлажненных почвах, в кишечнике жвачных животных – в результате деятельности анаэробных бактерий. Метан также может образоваться в результате пиролиза органических веществ. То есть как ни крути, метан на Земле по большей части прямо или косвенно органического происхождения. Какая-то часть метана на Земле вулканического происхождения, однако метан в вулканических газах обычно сопровождается значительным количеством диоксида серы. Метан применительно к Земле – сильный биомаркер. И кстати, метан – третий по значимости парниковый газ после водяных паров и углекислого газа. Наши воображаемые марсианские экзобиологи могли бы сослаться на метан в атмосфере Земли как на дополнительный довод в пользу обитаемости планеты, если кому-то наличие аномально богатой кислородом атмосферы будет недостаточно убедительным само по себе.
Если вы следите за научными новостями, то могли слышать, что локальные выделения метана были обнаружены на Марсе ровером Curiosity. И самое интересное, что прослеживаются сезонные вариации в выделении метана. Было бы заманчиво трактовать обнаруженный метан как свидетельство жизнедеятельности почвенных метанообразующих бактерий, но для этого надо надежно исключить возможные абиогенные механизмы синтеза марсианского метана. Метан может образовываться, к примеру, из углекислого газа и воды в присутствии вулканического минерала оливина. Процесс идет при высоких температурах и давлениях. В марсианской почвенной мерзлоте эти условия отсутствуют, однако метан может образовываться в марсианской коре на большой глубине и просачиваться на поверхность в зонах разломов. Нельзя также исключать возможность, что древние запасы марсианского метана были захоронены в мерзлоте в виде метангидратов и мы наблюдаем их постепенное высвобождение. Есть и более экзотические модели абиогенного синтеза метана. К примеру, метан может быть продуктом фотолиза органики, поступающей на поверхность Марса с метеоритным веществом. Или даже синтезироваться из углекислого газа и воды в результате электрических разрядов при интенсивных пылевых бурях.
Если глянуть на окраины Солнечной системы, то метана абиогенной природы там хватает. Метановые льды составляют заметную примесь к водным и аммиачным льдам в кометном веществе и на поверхности транснептунов. На поверхности Плутона, к примеру, 1.5...3% вещества поверхности приходится на твердый метан, остальное приходится в основном на твердый азот. Обычный водяной лед на Плутоне замаскирован под рыхлой шубой из замерзших газов. Более того, красноватый цвет Плутону и другим транснептунам придают толины. Эта асфальтоподобная органика образуется опять же из метана под воздействием солнечного ультрафиолета и космической ионизирующей радиации. Следы метана обнаружены и в атмосферах планет-гигантов, и опять же там происходят фотохимические реакции с синтезом высших углеводородов. Но самый сказочный мир в этом плане – спутник Сатурна Титан. Это единственная луна в Солнечной системе, имеющая плотную атмосферу. Атмосфера в основном азотная – при температуре 93.7 K (-179.5 °С) углекислый газ полностью вымерзает – но с примесью метана: от 1.5% в стратосфере до 5% у поверхности. Метана на Титане настолько много, что он образует на поверхности многочисленные мелкие, но обширные озера. На Титане настолько холодно, что обычный водяной лед там ведет себя как твердая скальная порода. И тем не менее на Титане есть погода – метан испаряется из водоемов в летнем полушарии и выпадает сезонными дождями в зимнем! И этот атмосферный метан вовлечен в фотохимические реакции с образованием плотной оранжевой дымки. Получается такая огромная экспериментальная установка для синтеза абиогенной органики вроде той, что смастерили в свое время, в далеком 1953 году, Миллер и Юри в поисках разгадки тайны происхождения жизни на Земле. На Титане очень много абиогенной органики – пожалуй что, больше, чем где-либо еще в Солнечной системе, включая Землю. Увы, на поверхности Титана слишком холодно для существования какой-либо известной на Земле формы жизни. И однако...
Гипотетические сценарии жизни, основанной на альтернативной биохимии – любимая тема для дискуссий в тусовках экзобиологов. И один из таких популярных сценариев – альтернативная биохимия, использующая в качестве растворителя не воду, а жидкие углеводороды. Такие формы жизни гипотетически могут использовать для дыхания водород вместо кислорода, использовать ацетилен или его производные вместо глюкозы как источник запасенной энергии и выделять метан вместо углекислого газа как финальный метаболит. И в самом деле, в 2010 году при анализе данных, полученных в ходе миссии Кассини-Гюйгенс, была обнаружена аномалия в распределении водорода в атмосфере Титана – приповерхностные слои атмосферы содержали меньше водорода, чем более высокие слои. В другой публикации, вышедшей в том же году, было отмечено аномально низкое содержание ацетилена у поверхности Титана в сравнении с его содержанием в атмосфере в целом. Такая картина наблюдалась бы, если бы поверхностная биота активно питалась водородом и ацетиленом. Но как и в случае с метаном на Марсе, бритва Оккама требует в первую очередь рассмотреть и по возможности исключить вероятные абиогенные механизмы, которые могли бы объяснить наблюдаемые аномалии. Хотя само по себе открытие катализатора, эффективно вовлекающего водород и ацетилен в химические реакции при таких низких температурах, было бы примечательным достижением. Но конечно, не таким сенсационным, как экзотические формы жизни.

Эта… всё это, конечно, страшно интересно, но мы же вроде с фосфина начинали, не?
Перейдем и к фосфину, но давайте все же глянем и на аммиак. Вещества с виду по химическому строению похожие, интересно же!
Химические формулы аммиака NH3 и фосфина PH3 очень похожи, а вот химические свойства – не очень.

Аммиак – бесцветный газ с характерным резким запахом. Плавится при температуре 195.4 K (-77.75 °C), при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре 239.8 K (-33.35 °C). В отличие от жидкого метана, жидкий аммиак ведет себя как полярный растворитель. Между молекулами аммиака в жидком состоянии образуются водородные связи. Однако в отличие от воды, аммиак не способен к образованию разветвленных водородных связей между молекулами. Аммиак химически активен. Как и вода, является хорошим растворителем для множества неорганических и органических соединений. Будучи полярным растворителем, аммиак очень хорошо растворяется в воде – при 0°C вода поглощает до 1200 объемов газообразного аммиака. В быту 10% водный раствор аммиака известен как нашатырный спирт. Водные растворы аммиака проявляют щелочную реакцию. Но это относительно привычной нам химии водных растворов. Если бы мы использовали в качестве стандартного растворителя жидкий аммиак, мы бы с таким же основании могли заявить, что растворенная в аммиаке вода проявляет кислую реакцию. Аммиак токсичен в высоких концентрациях, однако для живых организмов это не яд, а финальный продукт метаболизма. В свободном состоянии аммиак естественного происхождения образуется как продукт распада органики.
Определенная схожесть жидкого аммиака и воды как растворителей (и в частности, способность аммиака растворять большое количество органических соединений) делает аммиак хорошим кандидатом на роль растворителя в альтернативной биохимии. В этой альтернативной биохимии широко распространенной в биополимерах гидроксильной группе -OH могла бы соответствовать аминогруппа -NH2. Карбонильная группа C=O, также важная для канонической биохимии, в аммиачных растворах нестабильна, но ей могла бы соответствовать иминогруппа C=NH.
Аммиак как растворитель в сравнении с водой имеет и недостатки, и узкий в сравнении с водой интервал температур существования в жидком виде лишь один из них. Гипотетические аммиачные экосистемы – это экосистемы холодных миров, а скорость химических реакций с понижением температуры падает по экспоненте. Организмы на аммиачной основе будут иметь экстремально замедленный метаболизм в сравнении с водными формами жизни. Но с другой стороны, низкие температуры в принципе позволяют аммиачным организмам использовать в метаболических путях промежуточные продукты, слишком нестабильные в водной среде. Жидкий аммиак имеет меньшую теплоту парообразования, чем вода (аммиак – 1370 кДж/кг, вода – 2260 кДж/кг) и втрое меньшее поверхностное натяжение. Аммиак – менее полярный растворитель, чем вода. Это может затруднить самосборку сложных молекулярных комплексов и клеточных мембран. В отличие от воды аммиак воспламеняется в кислородной атмосфере. Это обстоятельство исключает возникновение в аммиачных мирах кислородных атмосфер и крайне затрудняет переход к эффективному кислородному метаболизму. И наконец, существенное обстоятельство для экосистем с большим диапазоном колебаний сезонных температур – аммиачный лед плотнее жидкого аммиака и тонет в нем. Неглубокие озера и окраинные моря в таком мире будут промерзать до дна, а накопление аммиачного льда на дне изолирует жизнь от поступления минеральных веществ.
По правде говоря, при таком раскладе возникновение аммиачной жизни при наличии воды как более распространенного растворителя с лучшими свойствами сомнительно. Можно ожидать, что такой сценарий будет реализован лишь в достаточно специфичных условиях, исключающих доступность жидкой воды. Холодные суперземли с плотными восстановительными атмосферами, к примеру, вполне могут иметь бассейны жидкого аммиака. Водный лед в таких мирах будет горной породой, почти как на Титане.
Есть, правда, еще одно обстоятельство, но о нем в свое время.

Теперь смотрим на фосфин. В обычных условиях это тоже бесцветное летучее соединение, но на этом сходство фосфина с аммиаком как бы не завершается.
Молекула фосфина в отличие от молекул воды и аммиака образует очень слабые водородные связи. По этой причине фосфин замерзает и кипит при более низких температурах, чем аммиак. Температура плавления фосфина 139.35 K (-133.8 °C), температура кипения при нормальном атмосферном давлении 185.35 K (-87.8 °C). И по этой же причине фосфин в воде растворяется очень плохо, но хорошо растворим в некоторых органических растворителях – бензоле, диэтиловом эфире, сероуглероде. Легко воспламеняется при контакте с воздухом. Чистый фосфин в сухом воздухе относительно стабилен и воспламеняется при температуре 100...150 °C, однако примесь дифосфина P2H4 (аналог гидразина!) вызывает самовоспламенение фосфина при комнатной температуре. Фосфин синтезируют некоторые анаэробные бактерии, но в отличие от метаногенных бактерий их роль в экосистемах малоизучена. Болотные огни – это, кстати, как раз фосфин, а не метан: метан почти вдвое легче воздуха и не может накапливаться в приземном слое в концентрациях, достаточных для воспламенения. Для большинства аэробных высших организмов фосфин ядовит: летальная концентрация фосфина в воздухе – примерно 10 частей на миллион.

Разница в космическом распространении и химических свойствах азота и фосфора сказывается на их наблюдаемом обилии вне Земли.
Аммиак был обнаружен в составе молекулярных облаков межзвездного газа еще в 1968 году – это была первая открытая в дальнем космосе многоатомная молекула. В Солнечной системе аммиачный лед составляет довольно значительную примесь к обычному водному льду в составе кометных ядер. Можно предполагать по аналогии, что и ледяные поверхности транснептунов содержат значительную долю аммиачного льда. Аммиак содержится в атмосферах Юпитера – 0.026%, Сатурна – 0.012%, и в меньших количествах в атмосферах Урана и Нептуна. На Юпитере облака формируют три слоя: сверху вниз – облака из кристаллов аммиака NH3, гидросульфида аммония NH4SH и обычного водного льда H2O. Есть основания полагать, что подледные океаны ледяных лун планет-гигантов мало похожи на наши арктические океаны – это скорее концентрированные водно-аммиачные рассолы. 25% водный раствор аммиака имеет плотность 0.91 г/см3 – близкую к плотности обычного водного льда – и замерзает при температуре 215.7 K (-57.5 °С). Жизнь, которая сумела бы приспособиться к существованию в таком растворителе, существенно раздвинула бы нынешние критерии жизнепригодности планет, и такой вариант определенно стоило бы проработать в реконструкциях альтернативной биохимии. В отличие от жизни на чисто аммиачной основе, водно-аммиачная жизнь имела бы дело с более распространенным в космосе растворителем.
В свое время была популярна гипотеза о восстановительной первичной атмосфере ранней Земли, состоящей из водорода, аммиака и метана. Собственно, опыты Миллера и Юри в 1953 году по синтезу абиогенных органических молекул были основаны именно на этой гипотезе. Восстановительная атмосфера ранней Земли до сих пор окончательно не отвергнута, но среди планетологов зреет скепсис. Ранняя восстановительная атмосфера с таким составом если и существовала, то очень недолго. Масса Земли недостаточна, чтобы эффективно удерживать плотную водородную атмосферу и водород очень быстро по геологическим меркам утек в космос. Метан и аммиак под воздействием утрафиолетовой части солнечного спектра быстро разлагаются на простые компоненты, образующийся при этом водород опять же утекает в космос. Аммиак с его прекрасной растворимостью в воде и высокой реакционной способностью к тому же был бы быстро вымыт из атмосферы и растворен в океанской воде. Примечательно, что атмосферы современных Венеры и Марса при колоссальной разнице в их физических свойствах имеют очень похожий состав. Марс – 95.3% углекислого газа, 2,7% азота и 1.6% аргона. Венера – 96.5% углекислого газа и 3.5% азота. Атмосфера с преобладанием углекислого газа – именно то, что следует ожидать от атмосферы, сформировавшейся в результате вулканической деятельности, и я бы предположил, что и ранняя Земля имела такую же атмосферу.
Подводя краткий итог по аммиаку – хотя на Земле аммиак естественного прооисхождения в основном связан с жизнедеятельностью, в качестве биомаркера он мало пригоден как раз в силу обилия в космосе аммиака абиогенного происхождения.
Фосфин в межзвездной среде не обнаружен. Следовые количества абиогенного фосфина найдены в атмосферах планет-гигантов, и на этом, пожалуй, всё. Несмотря на токсичность фосфина для высших аэробных организмов, фосфин может быть биомаркером для анаэробных бактериальных экосистем. Фосфин химически активен и быстро разлагается, не накапливаясь в значительных количествах – это минус. Для накопления фосфина в атмосфере в количествах, которые можно обнаружить дистанционными методами, его разложение должно компенсироваться значительным постоянным притоком. Но с другой стороны, сам факт наблюдения фосфина в количествах, которые трудно объяснить абиогенными механизмами – сильный аргумент в пользу возможной жизни.

Инфографика
Типичный марсианский ландшафт глазами ровера Spirit. Район кратера Гусев. Выглядит как земная каменистая пустыня, если не считать, что давление за бортом соответствует высоте 37 км над уровнем моря - это фактически технический вакуум. Тем не менее ученые не теряют надежды обнаружить микробные формы жизни в марсианском грунте под слоем почвенной мерзлоты - там и температура, и давление будут вполне подходящими.
NASA/JPL/Cornell - http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA05108
А это рендер. Примерно так предположительно выглядят метановые озера на поверхности Титана. Оранжевая дымка атмосферы - фотохимический смог, который образуется из метана под воздействием солнечного ультрафиолета.
NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23172.jpg

Фосфин в атмосфере Венеры
Часть 3

Собственно говоря, как оно сплошь и рядом бывает с научными открытиями, цели исследования атмосферы Венеры поначалу были далеко не столь амбициозными. Венера была выбрана как пробное тело для калибровки аппаратуры и отработки методик спектрального анализа атмосфер экзопланет земного типа. В отличие от экзопланет, Венера – неплохо изученное и к тому же очень близкое небесное тело. И в целом нынешняя Венера с ее адскими условиями на поверхности – температура 735 K (460 °C) и атмосферное давление 93 бар – надежно исключает существование каких-либо углеродных форм жизни. Есть, правда, лазейка для фантазии, и оптимистично настроенные энтузиасты ее используют активно. По мере подъема над поверхностью Венеры как давление, так и температура ее атмосферы падают и в диапазоне высот 50...60 км достигаются вполне приемлемые для земной жизни условия. На высоте 55 км температура снижается до 300 K (27 °C) при давлении 0.53 бар и в принципе можно фантазировать о возможном существовании микробной жизни в облаках Венеры. Здесь, правда, возникает два тормоза для фантазии.
Первый момент: облака Венеры состоят не из водяных капель, как земные облака, а из аэрозоли концентрированной серной кислоты. Есть земные ацидофильные бактерии, живущие в сильно закисленных минеральных источниках, но обитание в концентрированной серной кислоте – это уж чересчур. Тут дело даже не в химической агрессивности среды, а в том простом факте, что в облаках Венеры попросту нет свободной воды. Ни одна известная на Земле форма жизни не способна извлекать воду из растворов, в которых ее концентрация ниже 30%. На этом основан, кстати, известный домохозяйкам принцип консервации варений и сиропов. Сахара сами по себе отличная питательная среда для бактерий, но бактерии не могут расти в этой среде, потому что вода находится в недоступном для них состоянии.
Второй момент, который почему-то редко кому приходит в голову. Размножение планктона в земных океанах лимитировано не солнечным светом и не растворенным в воде углекислым газом, а минеральными веществами. Ничего похожего на океанский планктон в земных облаках в ходе эволюции так и не появилось по той простой причине, что в облаках нет минеральных веществ. Все формы жизни, которые можно обнаружить в земных облаках – бактерии, насекомые, птицы и планеристы – заносные. Это Земля с ее атмосферой, которая активно перемешивается восходящими термическими потоками. Атмосфера Венеры сверхстабильна, в ней практически нет вертикального перемешивания. Приповерхностный слой атмосферы Венеры – это по сути дела океан углекислого газа в состоянии сверхкритической жидкости. Каким образом минеральные вещества, экстрагированные этим сверхкритическим флюидом из почвы Венеры, могут попасть на высоту 55 км?
И тут на тебе. Фосфин в концентрации 20 частей на миллиард – это кажется мизерной примесью. Но если прикинуть общее количество фосфина в атмосфере Венеры и согласиться с его биогенным происхождением, то гипотетические микробные сообщества в облаках Венеры не просто влачат скудное существование, как жизнь в антарктических подледных озерах, а процветают и благоденствуют.

Вполне предсказуемо, что вслед за фосфиновой сенсацией появились и другие косвенные аргументы в пользу предполагаемой жизни. Специалисты заново проанализировали данные, полученные в свое время советскими зондами серии “Венера” и американскими Pioneer-Venus и Magellan. В верхних слоях атмосферы Венеры вроде как обнаружили и другие вещества возможно биогенного происхождения – сероводород H2S, сернистый газ SO2 и карбонилсульфид O=C=S. Сероводород и сернистый газ должны реагировать друг с другом и должен быть источник их пополнения, а карбонилсульфид вообще трудно получить чисто химическим путем без эффективных катализаторов. Кроме того, зонд “Венера-16” обнаружил на высотах от 60 до 45 км хлор, и эти данные вроде как подтверждаются показаниями аэростатных зондов “Вега-1” и “Вега-2”. Повторный анализ данных Pioneer-Venus, однако, дал основания для альтернативной трактовки: как минимум часть спектральных линий, которые приписывали хлору, и практически весь сероводород – это опять же фосфин.
Припомнили и старую загадку внешнего вида Венеры. На фотографиях, сделанных в видимом диапазоне, Венера выглядит матово-белым шаром без каких-либо контрастных деталей. В ультрафиолетовых лучах, однако, диск Венеры расчерчен контрастными темными полосами. Намеки на темные зоны в ультрафиолетовых лучах были и при наблюдениях с Земли, но именно зонд Mariner 10, совершив 5 февраля 1974 года пролет Венеры на пути к Меркурию, получил знаменитые снимки, на которых Венера похожа на сферическую зебру в вакууме. Природа “неизвестного поглотителя ультрафиолета” до сих пор непонятна. 26 августа 2019 года, за год с небольшим до фосфиновой сенсации, в очень даже серьезном академическом журнале The Astronomical Journal было опубликовано исследование долгосрочных изменений интенсивности темных зон. Исследователи пришли к выводу, что темные зоны не просто отражают какие-то динамические процессы в атмосфере Венеры, а формируют ее климат, влияя на радиационый баланс. При всем несходстве атмосфер Земли и Венеры климат Венеры неожиданно оказался похож на земной. Только на Земле большую часть солнечной радиации поглощает ее поверхность, а на Венере таким поглотителем служит плотная облачность. Исследователи перебрали возможные неорганические источники феномена – аэрозоли хлорида железа, аллотропных модификаций серы, димера оксида серы S2O2, и опять же ни одно из этих веществ не объясняет феномен в должной степени. Что опять же дало повод для смелой гипотезы: темные зоны – облака бактерий. Любопытно, что динамика роста и распада темных пятен напоминает вспышки размножения планктона в земных водоемах. Но как известно, аналогия – это не доказательство.

Вполне вероятно, что Венера не всегда была экстремально жарким обезвоженным миром.
Если не принимать во внимание атмосферу, Венера по своим физическим характеристикам – почти идентичный двойник Земли. Радиус Венеры 0.95 земных, ускорение силы тяжести на поверхности 0.90 g. Среднее расстояние Венеры от Солнца 0.723 а. е., то есть по закону обратных квадратов Венера получает в 1.911 раз больший поток солнечной энергии на единицу поверхности, чем Земля. Это обстоятельство частично компенсировалось тем, что юное Солнце имело светимость 70% от современного значения. Состав участков протопланетного диска, из которого сформировались Земля и Венера, не сильно отличался. Имея сходные с Землей размеры и химический состав, ранняя Венера по идее должна была иметь и сходный уровень вулканической активности. То есть резонно полагать, что ранняя Венера была планетой с океанами и с атмосферой, похожей на атмосферу ранней Земли. И оптимисты идут дальше в этой цепочке допущений, предполагая, что более теплые океаны ранней Венеры были даже более благоприятной средой для возникновения жизни, чем океаны ранней Земли. По мере ухудшения условий на поверхности возникшая в водоемах Венеры жизнь была вынуждена заселить единственное оставшееся убежище – слои атмосферы с приемлемой для жизни температурой.
Вода вносит двоякий вклад в климат планеты земного типа. С одной стороны, пары воды в атмосфере – парниковый газ, блокирующий утечку тепла в космос и повышающий температуру атмосферы. Именно водяные пары, а не пресловутый углекислый газ, дают наибольший вклад в парниковый эффект земной атмосферы. С повышением температуры атмосферы испарение с зеркала открытых водоемов усиливается И воздух может удержать больше водяных паров, что приводит к дальнейшему усилению парникового эффекта и росту температуры. То есть формируется петля положительной обратной связи. С другой стороны, при увеличении влажности атмосферы в ней формируются облака, эффективно отражающие солнечный свет и снижающие нагрев земной поверхности. Возникает петля отрицательной обратной связи, стабилизирующая температуру. По счастью для земной биосферы, отрицательная обратная связь сильнее. Проблема в том, что эта петля отрицательной обратной связи эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне температур.
При снижении температуры ниже критического уровня водяные пары вымерзают не только в полярных шапках, но и на возвышенностях в умеренных широтах. Формируются общирные ледники, эффективно отражающие солнечный свет. Поверхность планеты получает все меньше тепла, атмосфера становится все холоднее, ледники спускаются с гор на равнины и дело кончается тотальным замерзанием водоемов. Такой катастрофический сценарий разгона обледенения (runaway glaciation effect) известен как Земля-снежок и наша планета проваливалась в него неоднократно. И каждый раз Земля выходила из кризиса благодаря наличию еще одной петли отрицательной обратной связи – углеродному циклу. В отсутствии зеленых растений, поглощающих углекислый газ из атмосферы, углекислый газ из вулканических источников накапливается в атмосфере и она понемногу разогревается, что приводит к таянию ледников и возвращению водоемов и биосферы в нормальное состояние.
Почти весь углекислый газ на Земле связан в ее коре в форме известняка CaCO3. Известняк выпадает в виде осадка из водного раствора, если в нем достаточно солей кальция и присутствует растворенный CO2. Так как кальций один из самых обильных элементов в земной коре, он имеется в достатке практически всегда. Океан и отложения известняка - буферная система: увеличение концентрации CO2 в атмосфере увеличивает его растворимость в океане и избыток CO2 связывается. Увеличение концентрации CO2 в атмосфере и рост температуры также ускоряет эрозию горных пород и поступление кальция в океан. Подкисление воды избытком CO2 также увеличивает эффективность выветривания.
Для поддержания карбонатно-силикатного цикла
а) необходимы водоемы для формирования известняка
б) должна сохраняться тектоническая активность, чтобы захороненный известняк освобождал углекислый газ обратно в атмосферу.
При повышении температуры свыше критического предела все намного хуже. Облака распадаются, превращаясь в равномерно размазанную полупрозрачную дымку. Петля отрицательной обратной связи больше не работает и начинается катастрофический разгон парникового эффекта (runaway greenhouse effect), доводя температуру океанов до точки кипения. В разогретой атмосфере вода больше не вымораживается в холодной ловушке верхних слоев тропосферы, а проникает в стратосферу, разлагается солнечным ультрафиолетом и водород беспрепятственно утекает в космос. Океаны имеют огромную теплоемкость, но все же она не беспредельна. В отсутствии океанов геохимический цикл углерода тоже размыкается. Больше нет океанов, связывающих углекислый газ в донных осадках. Вулканический углекислый газ накапливается в атмосфере, температура продолжает расти и наконец начинается разложение известняков с выбросом в атмосферу огромных количеств углекислого газа. Бывшая планета с океанами превращается в обезвоженный экстремально жаркий ад. Добавлю к этому, что обезвоженная кора такой планеты теряет пластичность и геотермальная энергия накапливается в ее толще, эпизодически высвобождаясь яростными приступами вулканической активности планетарного масштаба.
По счастью, Земле такой сценарий уготован лишь в будущем. Примерно так через 500 миллионов лет, а то и через миллиард, если повезет. Есть время подумать о переезде. А вот Венере – увы, не повезло. Близость к Солнцу в конечном итоге оказалась губительной.

В принципе описанный сценарий эволюции климата Венеры выглядит убедительным. Спор вызывают конкретные детали. Как долго на Венере существовали океаны и как давно они исчезли? По осторожным оценкам, океаны на Венере существовали в первые 600 миллионов лет с момента ее формирования. В сентябре 2019 года, однако, в научном докладе на ежегодной конференции European Planetary Science Congress, был изложен более оптимистический сценарий. Океаны на Венере исчезли примерно 700...750 миллионов лет назад и катастрофическое геологическое событие, вызвавшее высвобождение огромных количеств углекислого газа в атмосферу, было причиной их исчезновения, а не следствием.
Вулканические события – еще одна нерешенная загадка Венеры. На данный момент Венера выглядит тектонически мертвой планетой. Никаких признаков вулканической активности на Венере не зафиксировано. Однако на радарных картах с высоким разрешением, составленных с помощью АМС Magellan, мы увидели молодую поверхность, сплошь преобразованную излияниями лавы в планетарном масштабе. Ландшафт в местах посадок советских зондов “Венера” тоже образован базальтовыми вулканическими породами. На Венере попросту нет древних участков коры с возрастом порядка миллиардов лет, как на геологически активной Земле. И не связана ли парниковая катастрофа с этим катаклизмом планетарного масштаба? Было ли это единовременное событие или серия эпизодов вулканической активности?

Однако вернемся к фосфину.
Скептические голоса прозвучали практически сразу после публикации статьи, с которой я начал рассказ. Скептики обратили внимание на два спорных момента.
Во первых, как я уже упоминал, заявленное содержание фосфина в атмосфере двадцать частей на миллиард – это до неприличия много. И во вторых, сомнение вызвала обоснованность вывода, что известные механизмы абиогенного синтеза фосфина не в состоянии объяснить его накопление в наблюдаемых количествах. Фосфин может, к примеру, образовываться при взаимодействии концентрированной серной кислоты с фосфидами металлов. В метеоритном веществе содержится минерал шрейберзит – фосфид железа и никеля (Fe, Ni)3P. На Земле с ее окислительной атмосферой фосфиды в составе обычных горных пород встречаются крайне редко. Шрейберзит земного происхождения может образоваться в сильно восстановительной среде, возникающей при проникновении магмы в месторождение угля или лигнита. Недавно, однако, фосфиды металлов были обнаружены в земных вулканических базальтах. На Венере оба химических ингредиента для абиотического синтеза фосфина в изобилии: поверхность планеты покрыта обширными излияниями вулканического базальта, а концентрированная серная кислота при давлении 90 бар кипит при температуре около 500 °C. Так что эти застывшие базальтовые лавы вполне могут орошаться дождем серной кислоты. Скептики также упирают на недостаточность экспериментальных данных по кинетике распада фосфина в условиях венерианской атмосферы. Ну и добавлю от себя – возможно, мы недооцениваем интенсивность перемешивания слоев атмосферы Венеры.
До поры до времени аргументы скептиков тоже были спекулятивными, однако холодный душ последовал довольно быстро. В октябре 2020 года был проведен повторный анализ наблюдательных данных в инфракрасном диапазоне за 2015 год. Признаков фосфина в атмосфере Венеры не было обнаружено. Чувствительность метода составляла порядка 5 частей фосфина на миллиард, то есть четверть от заявленной в сентябрьской публикации величины, однако измерения проводились на длине волны 10 нм и фосфин мог быть обнаружен лишь в верхнем слое облаков. 15 октября 2020 года АМС BepiColombo совершила первый успешный гравитационный маневр у Венеры в ходе полета к Меркурию. Инфракрасный спектрометр на борту АМС в принципе мог бы подтвердить наличие фосфина в атмосфере Венеры, но научные специалисты программы очень осторожно оценивают шансы на успех, указывая на то, что инструмент может оказаться недостаточно чувствительным для этой задачи. Никаких позитивных сообщений после пролета пока не было опубликовано. И наконец, в конце октября 2020 года независимой группой ученых был проведен повторный анализ данных, полученных с помощью телескопов ALMA и JCMT. Исследователи пришли к выводу, что линии фосфина в спектрах – ложный сигнал, связанный с ошибками алгоритма обработки. После корректного вычитания фонового шума фантомные линии фосфина или исчезают полностью, или остаются следовые количества порядка одной части на миллиард.

Итак, сенсация снова не выдержала проверки.
В принципе можно было бы ограничиться коротким изложением сенсации, как было сделано в самом начале, и завершающим абзацем выше. Хватило бы в страницы формата A4, а не десятка с лишним. Но по мне так история интересная. Перекапывая материал, я по ходу узнал кое-что новое, время не потрачено зря.
И знаете что? Мне тут с дивана представляется, что во все этой многолетней истории поисков жизни где-то помимо Земли обрисовалось большое слепое пятно.
Мы ищем жизнь, опираясь на единственный известный нам обитаемый мир. Да, он неплохо изучен. Но мы по сути дела лишь в последнее время начинаем понимать, насколько сложной может быть химия на планетах, где жизнь не маскирует эту химию.
И насколько сложно может оказаться выделить непохожую на земную жизнь на фоне непривычной для нашего мира химии.

Инфографика
Атмосфера Венеры, снятая АМС Mariner 10.
Слева - оригинальный снимок 1974 года. Справа - обработка 2020 года с усилением контраста.
NASA/JPL-Caltech - https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA23791.jpg

Весна 2022 года оказалась удивительно урожайной на астрономические сенсации. Три астрономических объекта с рекордными параметрами всего за декаду.

Самая далекая звезда

30 марта 2022 года в журнале Nature вышла публикация об открытии с помощью телескопа Хаббла самой далекой из известных звезд. Свет звезды имеет красное смещение 6.0 и был испущен 12.9 миллиардов лет назад, через 900 миллионов лет после Большого Взрыва. Но за счет расширения Вселенной сейчас звезда находится на расстоянии 28 миллиардов световых лет от Солнца. Звезда WHL0137-LS получила собственное имя Earendel – “Утренняя звезда” или “Восходящий свет” в переводе со староанглийского. Авторы открытия не скрывают, что это была намеренная отсылка к профессору Толкиену.
Эарендил, судя по спектру – это голубой гигант с массой примерно 50...100 солнечных. Несмотря на колоссальную абсолютную светимость, видимый блеск Эарендила на таком расстоянии был бы слишком слабым даже для КТХ, если бы не исключительно удачная геометрия наблюдения: свет звезды усилен в несколько тысяч раз за счет гравитационного линзирования более близким к Солнцу скоплением галактик.
Тут дело даже не в рекорде дальности, а в возрасте объекта. Не исключено, что мы наконец получили возможность наблюдать в природе звезду популяции III. Стоит пояснить, что в астрономии исторически сложилась классификация звездных популяций, обратная бытовой логике. Звезды популяции I – это типичное население галактического диска: молодые звезды с высоким содержанием металлов (под металлами в астрономии опять же в отличие от химии традиционно понимают все элементы тяжелее гелия). Солнце относится к популяции I. Звезды популяции II – старое население шаровых скоплений с пониженным содержанием металлов. Но даже самые старые из изученных звезд популяции II не образовались изначально из первичного вещества ранней Вселенной, а возникли из вещества, уже прошедшего термоядерную переработку в недрах ранее существовавших звезд. Популяция III вплоть до настоящего времени была лишь обоснованной гипотезой. Судя по тому, что мы знаем о звездной эволюции, это были яркие, массивные, горячие звезды, сформировавшиеся из первичного вещества – водорода и гелия – после Большого Взрыва. Первые звезды в нашей Вселенной. И не исключено, что мы обнаружили одну из них.

Самая далекая галактика

7 апреля 2022 года, публикация в New Scientist – обнаружена рекордно далекая галактика HD1 с красным смещением 13.27, что соответствует возрасту Вселенной 330 миллионов лет после Большого Взрыва. Расстояние до HD1 на данный момент опять же за счет расширения Вселенной 33.4 миллиарда световых лет. На этот раз отличился не старичок Хаббл – это была совместная работа международного коллектива на нескольких телескопах: космический телескоп Spitzer и наземные телескопы Subaru, VISTA, UK Infrared Telescope. Ученых озадачил аномально высокий избыток яркости галактики в ультафиолетовой части спектра. Пока что в работе две гипотезы. Возможно, в галактике происходит бурная вспышка звездообразования тех самых ярких горячих звезд популяции III. А возможно, мы наблюдаем приступ активности сверхмассивной черной дыры массой около 100 миллионов солнечных. Если наблюдательные данные будут в пользу второй гипотезы, ученым придется искать ответ на вопрос, как это чудовище умудрилось нажрать такую массу за такое короткое время.
В общем, телескопу Уэбба работа найдется. И не исключено, что та ранняя Вселенная, в которую он сможет заглянуть, будет очень непохожа на тот уголок Вселенной, в котором мы на данный момент осмотрелись и как-то с ним пообвыклись.

Метеороид из другой звездной системы

Третье примечательное открытие, похоже, прошло незамеченным в новостных каналах. На то были резонные причины. Само событие произошло довольно давно по нынешним меркам, а новостные каналы любят свеженькие факты.
8 января 2014 года в 17:05:34 UTC в атмосфере над Папуа – Новой Гвинеей (координаты 1.3 S 147.6 E) на высоте 18.7 км взорвался болид. Энергия взрыва была относительно небольшой, 460 ГДж (примерно 110 тонн тротилового эквивалента), но примечательной оказалась необычно высокая скорость метеороида, восстановленная по данным сети мониторинга болидов CNEOS. Объект вошел в Солнечную систему со скоростью 42.1 км/с, то есть он пришел из дальнего космоса. И это произошло за три с лишним года до сенсационного открытия астероида 1I/Оумуамуа!
Статья о метеороиде из чужой звездной системы была подготовлена к печати в The Astrophysical Journal Letters еще в июне 2019 года, но с ее публикацией произошла непредвиденная авторами задержка. CNEOS (Center for Near Earth Object Studies) – это одно из исследовательских подразделений NASA, а NASA – это гражданская организация и каталоги CNEOS открыты для доступа без каких-либо ограничений. Но проблема была в том, что часть исходных данных была получена с камер, работающих под управлением Министерства обороны США. Военные имеют свою сеть телескопов для отслеживания всяких подозрительных объектов на околоземной орбите и для оперативного оповещения о ядерных взрывах в атмосфере. Понятно, что эта военно-прикладная часть астрономии не афишируется и часть исходных данных проходила по категории засекреченных. Как раз та критически важная часть, изъятие которых из статьи не позволяло убедительно доказать аккуратность расчетов траектории метеороида. В общем, там был почти трехлетний эпический поход по бюрократическим закоулкам Национальной лаборатории Лос Аламос, NASA и нескольких подразделений военной науки, пока в начале апреля 2022 года материалы не оказались на столе шефа научного подразделения Космического оперативного командования, который оказался вменяемым человеком и дал добро на публикацию. Пока что доступен препринт исходного варианта статьи на arXiv с датой ревизии 6 июня 2019, но авторы готовят доработанную публикацию. Там пять страниц текста с обилием специальной терминологии, на первоапрельскую шутку непохоже.
Вернемся к метеороиду. Имея кинетическую энергию метеороида 460 ГДж и его скорость при входе в атмосферу 44.8 км/с, получаем массу метеороида примерно 460 кг. Размер метеороида определить сложнее, так как он зависит от плотности. Принимая плотность от 0.9 (водяной лед) до 1.7 г/см^3 (силикатные породы), получаем диаметр в пределах 0.8...1.0 м.
Исходя из траектории метеороида, авторы открытия предполагают, что метеороид пришел из звездной системы, принадлежащей толстому диску Млечного Пути. Толстый диск – это промежуточный слой между тонким диском и гало. Звезды толстого диска старше Солнца, но не настолько стары, как звезды шаровых скоплений.
Имеем ли мы шансы заполучить в руки образцы вещества из другой звездной системы при жизни нынешнего поколения, не дожидаясь развития технологий до уровня межзвездных полетов? Если конкретно про данный болид, то шансы на успех крайне невелики. Метеороид разрушился на большой высоте над Индийским океаном на мелкие фрагменты, которые теперь разбросаны по большой площади океанского дна. Но кто знает, возможно, образцы межзвездного вещества попадутся в руки исследователям где-нибудь в Антарктиде. Почему именно Антарктида? По трем причинам. Камень, лежащий на льду, приметить неизмеримо проще, чем камень, упавший на почву. Камень на километровом слое льда наверняка упал с неба, а не свалился со скалы. И наконец, ледники работают как конвейерные ленты – сползая из центра ледового щита к побережью, ледники выносят упавшие метеориты в определенные известные места, где собиратели метеоритов снимают богатый улов.
Помнится, в заметке об астероиде 1I/Оумуамуа я писал об огромной популяции малых тел, предположительно населяющих межзвездное пространство. И какая-то часть этой популяции неизбежно должна проникать в Солнечную систему. В то время это была лишь логически обоснованная гипотеза. Теперь мы имеем три документированных визита межзвездных странников (второй случай, напоминаю, комета 2I/Borisov).
Согласен, трех прямых наблюдений для масштабных выводов и уверенных прогнозов маловато. Но давайте подойдем к задаче с другой стороны, что и сделали авторы публикации.
Статистика, если ее использовать с умом, всё же довольно мощный метод. К примеру, практически все тела астероидного пояса с размерами порядка нескольких километров обнаружены и внесены в каталоги. Зная их распределение по размерам, можно оценить размер популяции более мелких тел, которые мы не можем наблюдать непосредственно. В распределении астероидов по размерам проявляется степенной закон. В популяции астероидного пояса Солнечной системы насчитывается примерно 200 астероидов диаметром свыше 100 км, 10 000 астероидов размером свыше 10 км и 750 000 астероидов размером свыше 1 километра. Малые тела метровых размеров мы наблюдать в дальнем космосе за пределами околоземного пространства (примерно так до орбиты Луны) не можем, но исходя из экстраполяции степенного закона можно оценить общую популяцию тел с размерами свыше 100 метров в 25 000 000. Есть хорошая статистика наблюдения метеоров и болидов, которая тоже отлично укладывается в степенной закон. Каждый год в атмосферу Земли проникает примерно сорок метеороидов размером примерно в метр. Вероятность встречи с телом размером в десять метров – шесть шансов в столетие. Степенной закон можно экстраполировать за пределы исторического опыта. И тогда получается примерно такой расклад. Столкновение Земли со стометровым астероидом происходит раз в десять тысяч лет. Вероятность столкновения с километровым астероидом – один шанс на пятьсот тысяч лет. И наконец, десятикилометровый астероид, убийца динозавров, попадается на пути Земли раз в сто миллионов лет.
Степенной закон действует и в распределении скоростей метеороидов. Если исключить из выборки метеорные потоки, в которых метеороиды происходят из одного источника и имеют сходную кинематику, и оставить только спорадические метеоры, то функция распределения скоростей указывает на то, что какая-то часть быстрых метеороидов имеет внесолнечное происхождение. Авторы работы экстраполировали функцию скоростей на более крупные тела и получили такой результат расчетов: метеороиды внесолнечного происхождения размером в метр, вроде того, что взорвался над Индийским океаном 8 января 2014 года, вторгаются в атмосферу Земли примерно раз в десять лет.
Можем ли мы заблаговременно обнаружить такого межвездного странника еще на подлете? Вообще говоря, существующие программы мониторинга неба нацелены на заблаговременное обнаружение потенциально опасных астероидов диаметром свыше 140 метров. Более мелкие астероиды сплошь и рядом остаются незамеченными вплоть до сближения с Землей на минимальное расстояние. Челябинский метеороид диаметром около 20 метров так вообще остался незамеченным вплоть до входа в атмосферу.
По счастью, сама атмосфера Земли по сути дела может быть использована как детектор для обнаружения и изучения метеороидов. Сеть автоматизированных камер как на земле, так и на околоземных орбитах может не только фиксировать треки метеоров, но и регистрировать их спектры, что даст крайне ценную информацию о химическом составе вещества из других звездных систем. И развертывание такой сети обойдется сравнительно недорого.

Метеороид метрового диаметра, попадающий в атмосферу Земли раз в десять лет – это около полумиллиарда таких объектов за геологическую историю Земли. Примерно двести миллионов тонн вещества из других звездных систем уже находятся на нашей планете. А если учесть суммарный поток внесолнечных метеороидов в диапазоне размеров примерно от 3 сантиметров до 30 метров (более мелкие сгорают в атмосфере полностью, более крупные пробивают атмосферу насквозь и испаряются при ударе о поверхность), то набирается в сумме 500...1000 миллионов тонн. Такой поток вещества из других звездных систем наводит на мысли по новому оценить гипотезу панспермии – заноса жизни на Землю откуда-то извне.
Хочу сразу ясно предупредить. Авторы публикации панспермию затронули, но эту тему в статье не развивали. И правильно сделали. Тема довольно скользкая. Так что все дальнейшие расуждения исключительно на моей совести.

Вообще говоря, мне как биологу идея панспермии как решения загадки возникновения жизни на Земле никогда не нравилась. По мне так это не решение загадки, а запихивание куда-то в дальний угол. Если у нас всё еще недостаточно знаний для уверенной реконструкции химических процессов на ранней Земле, то что мы можем вообще обоснованно предположить об условиях возникновения жизни где-то в других звездных системах?
Технически в гипотезе панспермии тоже куча слабых мест. Подавляющая часть метеоритного вещества, достигающего поверхности Земли – это строительный мусор, сохранившийся с тех времен, когда жизни где-либо в Солнечной системе в помине не было, так как планеты и их луны еще только формировались. Да, есть метеориты, выбитые с поверхности Марса, и в них теоретически могла бы сохраниться жизнь в виде спор микроорганизмов. Но такие метеориты составляют ничтожный процесс от полной массы выпавших на Землю метеоритов. И какова вероятность, что выбитый с поверхности Марса метеорит вылетит за пределы Солнечной системы? Есть разумные основания полагать, что и в других звездных системах далеко не все тамошние небесные тела жизнепригодны.
Ну ладно. В принципе есть идея, как это возражение обойти. Голливудский сценарий “вот была планета с процветающей жизнью и продвинутой цивилизацией, а потом всё это нахрен взорвалось и разлетелось по космосу” не обсуждаем. Возьмем сценарий поинтереснее. Планета-гигант где-нибудь на окраине звездной системы. Не слишком массивная, размером с Нептун. Ледяная луна планеты-гиганта с подледным океаном, в котором возникла жизнь. Удар большой кометы. Ледяная луна разрушена и какая-то часть распыленного материала вполне может быть выброшена за пределы звездной системы с гиперболической скоростью.
Может ли такой сценарий гипотетически привести к заносу жизни на Землю из другой звездной системы? Прикинем. Есть неопределенность в оценке интервала времени от формирования земных океанов до появления жизни. Но в общем, есть основания для предположения, что жизнь на Земле на геологической шкале времени появилась почти сразу после того, как Земля стала жизнепригодной. Где-то от ста до пятисот миллионов лет. Примем скорость путешествия метеороида со спорами микроорганизмов в межзвездном пространстве 45 км/с – это 0.00015 скорости света. За 100 миллионов лет метеороид преодолеет дистанцию 15 000 световых лет. Так что с этой стороны возражений нет – жизнь, возникшая в одной из звездных систем, теоретически может обсеменить пространство на расстояниях, соизмеримых с размером Млечного Пути.
На практике такие колоссальные расстояния переносчику жизни преодолевать нет нужды. В пределах 50 световых световых лет от Солнца насчитывается примерно 2 тысячи звезд. Из них 64 звезды – желтые звезды спектрального класса G, похожие на наше Солнце. По умеренно оптимистичным оценкам, какая-то часть из них вполне может иметь жизнепригодные планеты, похожие на Землю. Принимая 50 световых лет как среднее расстояние между потенциально жизнепригодными системами, получаем характерное время переноса жизни между ними 333 тысячи лет. В принципе почти мгновение на геолгической шкале времени – в 10 тысяч раз меньше времени существования жизни на Земле.