Холодный ледяной мир Урана окружён парой колец, чья орбита вдвое дальше, чем у основной системы колец планеты. Каждое из них рассказывает собственную историю – внешнее кольцо кажется голубым, тогда как внутреннее имеет красноватый оттенок. Многие годы астрономы гадали, почему эти кольца так сильно различаются и как появилось каждое из них.
Команда учёных задействовала обсерваторию W. M. Keck на Гавайях, чтобы изучить состав внешних колец Урана и восстановить их историю. Результаты указывают на два принципиально разных сценария формирования. Одно кольцо состоит из крошечных ледяных крупинок, а второе, по всей видимости, возникло из-за долгой череды жёстких столкновений.
Первые девять колец Урана были открыты в 1977 году группой астрономов, наблюдавших за атмосферой планеты. Почти десятилетие спустя миссия Voyager 2 зафиксировала ещё два внутренних кольца и 10 спутников. А в 2004 году, космический телескоп Hubble сфотографировал пару удалённых колец, которые ранее оставались незамеченными из-за своей крайней тусклости и неожиданно большого расстояния от планеты.
Внешние кольца настолько далеки, что их принято называть второй системой колец Урана. Кольцо μ имеет голубой оттенок, как и кольцо E у Сатурна, что указывает на экстремально мелкие частицы в его составе. Кольцо ν при этом красноватое, наподобие других пыльных колец в Солнечной системе.
Разница в цвете намекала на фундаментальные отличия в размерах частиц и их составе. Однако сами кольца тусклые и узкие, из-за чего наблюдать за ними крайне сложно, а данных по кольцевой системе Урана до недавнего времени было мало.
Чтобы раскрыть состав каждого из колец, авторы нового исследования проанализировали, как солнечный свет отражается от внешних колец планеты.
Имке де Патер, профессор Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор работы заявила:
Декодируя свет этих колец, мы можем проследить как распределение частиц по размеру, так и их состав, что проливает свет на их происхождение и даёт новое понимание того, как формировалась и развивалась система Урана и подобные ей планеты.
Команда объединила наблюдения Keck с данными космических телескопов Уэбба и Хаббла, собрав полный спектр колец на разных длинах волн. Кольцо μ по спектру практически совпало с сигнатурой водяного льда – значит, оно состоит из мельчайших ледяных крупинок, выбитых ударами с поверхности маленького спутника Урана Маб.
Кольцо ν при этом сложено из каменистого материала с примесью 10–15% богатых углеродом органических соединений, типичных для внешней части Солнечной системы.
Материал кольца ν поступает от ударов микрометеоритов и столкновений между невидимыми каменистыми телами, богатыми органикой, которые должны вращаться между несколькими известными спутниками.
Новые данные рождают и новые вопросы. Состав кольца μ подтверждает, что спутник Маб состоит преимущественно из водяного льда, в отличие от остальных внутренних спутников Урана, имеющих каменистую природу. Де Патер отметила, что интересным остаётся вопрос, почему родительские тела этих колец так сильно различаются по составу.
Учёные также зафиксировали признаки того, что яркость кольца μ со временем меняется, но причина таких изменений пока неизвестна. Авторы работы полагают, что будущая специализированная миссия к Урану, способная получить снимки планеты с близкого расстояния, поможет разгадать часть загадок, связанных с хаотичным миром его колец и спутников.
Среди 28 известных лун Урана особое внимание ученых привлекает Ариэль — достаточно массивный спутник, под ледяной поверхностью которого может скрываться глобальный океан жидкой воды.
Спутник Ариэль был открыт 24 октября 1851 года британским астрономом Уильямом Ласселом, но до исторического пролета зонда NASA "Вояджер-2" о нем практически ничего не было известно.
Далекий ледяной мир
24 января 1986 года космический аппарат "Вояджер-2" получил первые в истории детальные изображения Ариэля с расстояния 127 000 километров. Снимки открыли удивительный ледяной мир, покрытый темной пылью, испещренный гигантскими обрывами, горными хребтами и каньонами.
Ариэль занимает четвертое место по размеру среди спутников Урана. При среднем диаметре в 1 158 километров он почти в три раза меньше нашей Луны (средний диаметр 3 475 километров). Гравитация здесь настолько слабая, что 70-килограммовый человек весил бы всего около 1,9 килограмма.
Состав спутника представляет собой почти равную смесь водяного льда и силикатных пород. На поверхности видны кратеры разного возраста, но их сравнительно немного, что, определенно, указывает на относительно недавнюю геологическую активность.
Следы древней активности
Рельеф спутника Урана способен поведать историю бурного геологического прошлого. Например, система каньонов свидетельствует о мощных тектонических процессах. Некоторые из этих образований простираются на сотни километров и достигают глубины до 10 километров.
Кроме того, на поверхности были обнаружены признаки криовулканизма — извержений воды, аммиака, метана и других летучих веществ вместо магмы. Светлые полосы, вероятно, представляют собой застывшие потоки соленой воды, которая в разное время прорывалась через трещины в коре.
Приливные силы Урана разогревают недра Ариэля, а орбитальный резонанс с соседними спутниками Умбриэлем и Мирандой усиливает этот эффект. Исходя из имеющихся данных, внутренняя активность Ариэля значительно снизилась в сравнении с далеким прошлом, но это не означает, что она прекратилась вовсе. Другими словами, на спутнике все еще может сохраняться тектоническая и криовулканическая активности.
В 2023 году, пересматривая архивные данные "Вояджера-2", команда исследователей обнаружила, что Ариэль и/или его сосед Миранда загрязняют окружающее космическое пространство мелкими частицами — вероятно, крупицами льда и пыли. Возможное объяснение заключается в том, что один или оба спутника являются обладателями подповерхностных океанов, которые имеют временный или постоянный доступ к поверхности.
Напомню, что подповерхностные океаны спутников газовых гигантов — одно из наиболее перспективных мест для поиска внеземной жизни в Солнечной системе.
Миссии будущего
Система Урана остается одной из наименее изученных областей Солнечной системы. "Вояджер-2", оснащенный примитивными по современным меркам инструментами, провел возле планеты всего несколько дней, собрав лишь базовую информацию о ней и ее спутниках. Прошло почти 40 лет, но человечество больше не отправляло аппараты к этому загадочному миру.
Однако в обозримом будущем ситуация может измениться, если получит финансирование миссия NASA Uranus Orbiter and Probe (UOP), запуск которой намечен на начало 2030-х годов.
Если все пойдет по плану, то благодаря серии гравитационных маневров зонд UOP достигнет системы Урана к 2044 году и приступит к детальному изучению планеты, ее колец и спутников.
Особое внимание будет уделено лунам Ариэль и Миранда. Современные приборы смогут обнаружить гейзеры, проанализировать состав выбрасываемого материала и, если подповерхностные океаны действительно существуют, то установить их потенциальную пригодность для зарождения и поддержания жизни.
Интересный факт: кольца Сатурна настолько большие и яркие, что их видно в относительно небольшие телескопы с Земли с расстояния, превышающего миллиард километров.
24 января 1986 года космический аппарат NASA "Вояджер-2" совершил то, что до сих пор не удалось повторить ни одному рукотворному объекту — он пролетел мимо таинственной планеты Уран и стал свидетелем удивительной космической драмы, разворачивающейся вокруг его ближайшего спутника Миранды (средний диаметр около 470 километров).
Находясь в 36 250 километрах от этого необычного небесного тела, зонд передал на Землю изображения, которые поразили ученых своей уникальностью. Поверхность Миранды оказалась настоящим геологическим хаосом, не имеющим аналогов в Солнечной системе.
Миранда испещрена многочисленными разломами глубиной до пяти километров, созданными чудовищными приливными силами. Особенно впечатляет уступ Верона (лат. Verona Rupes) — самый высокий известный утес во всей Солнечной системе, вздымающийся на 20 километров. В условиях слабой гравитации Миранды свободное падение с его вершины заняло бы около 12 минут!
Эти геологические особенности сформировались в результате мощнейших тектонических процессов, когда огромные блоки коры спутника сталкивались и наползали друг на друга под воздействием мощных гравитационных сил Урана. И словно космический скульптор, гравитация Урана продолжает "лепить" поверхность Миранды, заставляя одни участки погружаться, а другие — вздыматься над поверхностью. Уступ Верона по праву можно считать главным безмолвным свидетелем этих титанических процессов.
Но самое драматичное в истории Миранды — это ее будущее. Нынешний облик спутника — лишь промежуточная стадия его эволюции. Орбита Миранды постепенно снижается из-за приливного взаимодействия с Ураном, и спутник медленно, но неуклонно приближается к так называемому пределу Роша — критической отметке, где приливные силы планеты превышают силы собственной гравитации спутника.
Через несколько миллионов лет, когда Миранда достигнет этой границы, продолжающееся воздействие приливных сил и орбитальных резонансов с другими лунами неизбежно приведет к тому, что спутник расколется на несколько фрагментов, пополнив систему колец ледяного гиганта.
С момента исторического пролета "Вояджера-2" прошло почти четыре десятилетия, но ни один земной аппарат больше не приближался к этому загадочному миру, который заслуживает пристального внимания. Миранда остается одним из самых интригующих объектов дальнего космоса, продолжая хранить историю о непрерывной трансформации и неизбежных изменениях во Вселенной.
Тут это, нашли углерод неясного происхождения, да не где-нибудь, а в Европе. Нет, не в нашей земной, а на спутнике Юпитера.
Европа - интересный спутник, так как он больше похож на объекты земной группы, нежели остальные его "ледяные собратья" - он состоит из камня, то есть различных силикатов, железного ядра и несовместимых с ними примесей, которые формируют кору. В рамках примесей считается стокилометровый слой из воды, верхнюю часть которого в размерах примерно тридцати километров представляет лед. То есть под слоем льда находится вполне себе жиденький океан - на это указывает магнитное поле Европы, обнаруженное аппаратом "Галилео", так как наличие магнитного поля говорит о слое электролитов между корой и ядром, что является, по сути океаном соленой воды. Другой пунктик, указывающий на наличие подповерхностного океана - сдвиг коры Европы на целых 80 градусов относительно недр, что невозможно при плотном прилегании верхних и нижних слоев небесного тела.
Область, где обнаружили углекислоту, зовется "Тара Регио" и ранее она уже светилась в новостях как место выхода поваренной соли, обнаруженной телескопом "Хаббл". Что-то мне подсказывает, что это не последний раз, когда мы о ней слышим - в 24 году к Европе отправится Europa Clipper, спутник, который изучит ее потенциал к поддержанию жизни, а также JUICE, аппарат, захвативший своей исследовательской программой все крупные юпитерианские луны.
Наличие углекислоты не подтверждает наличие жизни, но ясно указывает, на наличие условий для ее поддержания. Будем посмотреть.
Открытие трех тел, вращающихся вокруг Урана и Нептуна достаточно необычно. Последний раз новую луну у Урана находили более 20 лет назад.
До февраля этого года у Урана и Нептуна официально было лишь 27 и 14 спутников соответственно. Это намного больше, чем у Земли, Марса или Плутона, но, в то же время, в несколько раз меньше, чем у Юпитера и Сатурна (две эти планеты имеют пару сотен спутников). Одна из причин такого количественного разрыва с другими планетами-гигантами — слабая изученность спутниковых систем Урана и Нептуна. Они лежат в 19 и 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и в несколько раз дальше, чем пятая и шестая планеты. Если на орбитах вокруг Сатурна и Юпитера работали земные космические зонды, то для седьмой и восьмой планеты Солнечной системы такого не было. Быстро пролетающие мимо них космические аппараты не имели возможностей для детального изучения окрестностей этих планет.
Теперь астрономы из Института Карнеги (США) сообщили об обнаружении еще одного спутника Урана, 28-го по счету, и двух новых спутников Нептуна, 15-го и 16-го. Астроном Скотт Шеппард (Scott S. Sheppard) отмечает, что это самые тусклые спутники, когда-либо открытые у этих тел. Их удалось обнаружить только после специальной процедуры компьютерной обработки изображений.
Спутник Урана пока имеет временное имя S/2023 U1. Такое название отражает дату первого снимка, на котором его в конце концов смогли различить (он был сделан в ноябре 2023 года, но на обработку и проверку ушло время). Его диаметр — лишь восемь километров, что делает его, по всей видимости, самой малой из лун этой планеты. Полный оборот вокруг планеты-хозяина это тело делает за 680 земных суток. Постоянное имя нового спутника будет назначено позже. По правилам, действующим для этой планеты, его возьмут из имен персонажей Шекспира.
S/2023 U1 на снимках Магеллановых телескопов, 4 ноября 2023 года. Стрелкой отмечен сам спутник. Яркая область левее — край Урана
Две свежеоткрытые луны Нептуна — S/2002 N5 и S/2021. Хотя из названий видно, что самые старые снимки, на которых их нашли, относятся к 2002 и 2021 годам, это совсем не значит, что их открыли в ту пору. Дело в том, что простой фиксации объекта рядом с какой-то планетой недостаточно для понимания того, что это. В основном подобные объекты — тусклые звезды на «заднем фоне» за планетой.
Чтобы подтвердить, что речь именно о спутниках, астрономы сравнили снимки разных лет и исходя из них предсказали места, где можно найти эти же тела в 2022 и 2023 году. После таких наблюдений стало возможно уверенно говорить об их статусе спутников.
S/2002 N5 имеет 23 километра в диаметре и делает один оборот вокруг Нептуна за девять земных лет, то есть речь о спутнике, весьма удаленном от своей планеты. S/2021 N1 меньше, только 14 километров в диаметре, и делает один оборот вокруг Нептуна за 27 лет. Постоянные имена этих спутников, по традиции, будут взяты из греческого пантеона.
Новые открытия, скорее всего, последние для спутников настолько крупных размеров. Почти наверняка Нептун и Уран имеют еще немало подобных тусклых лун на сильно вытянутых и удаленных от них орбитах. Однако размеры еще неоткрытых тел меньше. Судя по опыту Юпитера и Сатурна, находящихся ближе к земным телескопам, там может быть немало тел размерами менее 8-10 километров. Чтобы увидеть их надежно, нужны зонды на орбитах седьмой и восьмой планет — или специальные наблюдения космических телескопов.
Среди 29 известных спутников Урана особое место занимает 1200-километровый Ариэль — четвертый по размеру и, вероятно, самый геологически активный в прошлом. Эта луна, открытая британским астрономом Уильямом Ласселом 24 октября 1851 года, продолжает хранить массу тайн, которые будут оставаться неразгаданными еще довольно долго.
Лучший на сегодняшний день цветной снимок Ариэля был получен космическим аппаратом NASA "Вояджер-2" 24 января 1986 года.
Съемка велась с расстояния 170 000 километров, а разрешение составило около трех километров на пиксель.
Южное полушарие Ариэля — мозаика из трех типов местности: древние кратерированные равнины, изрезанный разломами рельеф и загадочные гладкие области. Эти особенности прекрасно видны на улучшенном изображении.
Большая часть видимой поверхности представлена древней корой, усыпанной бесчисленным множеством ударных образований, уступами и грабенами — вытянутыми участками, опущенными относительно окружающей территории.
Особый интерес вызывают крупные долины у терминатора (границы света и тени), покрытые более молодыми отложениями с меньшим количеством кратеров. Это косвенное свидетельство того, что спутник весьма долго оставался геологически активным после формирования.
Вероятно, геологическую активность столь малому небесному телу обеспечили приливные силы: постоянное растяжение и сжатие Ариэля в процессе гравитационного взаимодействия с Ураном и другими массивными спутниками, поддерживало тепло недр продолжительное время.
И снова океан?
В октябре 2025 года ученые из Планетологического института (США) опубликовали исследование, согласно которому под ледяной корой Ариэля может скрываться глобальный океан глубиной более 170 километров. Для сравнения: средняя глубина Тихого океана составляет всего четыре километра.
Еще раньше, в июле 2024 года, космический телескоп NASA "Джеймс Уэбб" обнаружил на поверхности Ариэля одни из самых богатых залежей углекислого газа в Солнечной системе, а также угарный газ. Вдали от Солнца, без атмосферы и магнитосферы эти соединения должны быстро разрушаться под воздействием космических лучей. Но они есть! Следовательно, существует механизм, обеспечивающий постоянное пополнение этих залежей. Скорее всего, ответственен за это подповерхностный океан, который находит выход наружу через криовулканы.
В феврале 2025 года исследователи из Лаборатории прикладной физики имени Джонса Хопкинса (США) предположили, что глубокие борозды на поверхности Ариэля могут быть "окнами" в недра спутника, подобно разломам на южном полюсе сатурнианского Энцелада.
Система Урана настолько удивительна, что научное сообщество настаивает на отправке специальной миссии по изучению как самой планеты, так и ее крупных спутников, включая Ариэль. И уже существует концепция такой миссии, получившей название Uranus Orbiter and Probe. Ее запуск намечен на вторую половину 2030-х годов с прибытием в систему ледяного гиганта в 2044 году.
24 января 1986 года космический аппарат NASA "Вояджер-2" совершил то, что до сих пор не удалось повторить ни одному рукотворному объекту — он пролетел мимо таинственной планеты Уран и стал свидетелем удивительной космической драмы, разворачивающейся вокруг его ближайшего спутника Миранды (средний диаметр около 470 километров).
Находясь в 36 250 километрах от этого необычного небесного тела, зонд передал на Землю изображения, которые поразили ученых своей уникальностью. Поверхность Миранды оказалась настоящим геологическим хаосом, не имеющим аналогов в Солнечной системе.
Миранда испещрена многочисленными разломами глубиной до пяти километров, созданными чудовищными приливными силами. Особенно впечатляет уступ Верона (лат. Verona Rupes) — самый высокий известный утес во всей Солнечной системе, вздымающийся на 20 километров. В условиях слабой гравитации Миранды свободное падение с его вершины заняло бы около 12 минут!
Эти геологические особенности сформировались в результате мощнейших тектонических процессов, когда огромные блоки коры спутника сталкивались и наползали друг на друга под воздействием мощных гравитационных сил Урана. И словно космический скульптор, гравитация Урана продолжает "лепить" поверхность Миранды, заставляя одни участки погружаться, а другие — вздыматься над поверхностью. Уступ Верона по праву можно считать главным безмолвным свидетелем этих титанических процессов.
Но самое драматичное в истории Миранды — это ее будущее. Нынешний облик спутника — лишь промежуточная стадия его эволюции. Орбита Миранды постепенно снижается из-за приливного взаимодействия с Ураном, и спутник медленно, но неуклонно приближается к так называемому пределу Роша — критической отметке, где приливные силы планеты превышают силы собственной гравитации спутника.
Через несколько миллионов лет, когда Миранда достигнет этой границы, продолжающееся воздействие приливных сил и орбитальных резонансов с другими лунами неизбежно приведет к тому, что спутник расколется на несколько фрагментов, пополнив систему колец ледяного гиганта.
С момента исторического пролета "Вояджера-2" прошло почти четыре десятилетия, но ни один земной аппарат больше не приближался к этому загадочному миру, который заслуживает пристального внимания. Миранда остается одним из самых интригующих объектов дальнего космоса, продолжая хранить историю о непрерывной трансформации и неизбежных изменениях во Вселенной.
Сегодня сутки на Земле, смена которых обеспечивается оборотом планеты вокруг своей оси, длятся 24 часа (23 часа 56 минут и 4 секунды, если быть точнее). Но так было не всегда. В ходе уникальных исследований ученые выяснили: в далеком прошлом продолжительность суток на нашей планете была короче современных почти на четверть.
Роль удивительных хранителей времени досталась... кораллам. При росте эти морские животные формируют известковый скелет, в котором образуются тончайшие годовые кольца, похожие на кольца деревьев. Но самое интересное, что в скелете кораллов образуются не только годовые, но и суточные кольца роста. В современных кораллах за год образуется 365 суточных колец, но когда ученые исследовали ископаемые кораллы возрастом около 400 миллионов лет, они обнаружили нечто поразительное — за один годовой цикл формировалось в среднем 390 суточных колец! Это открытие стало первым прямым доказательством того, что в древности сутки на Земле были короче. Но кораллы оказались не единственными свидетелями изменения скорости вращения нашей планеты.
Лунный дирижер времени
Ключевую роль в истории земных суток сыграла Луна. Гравитационное притяжение нашего спутника вызывает приливы и отливы на Земле. Это постоянное движение водных масс создает приливное трение, которое постепенно замедляет вращение планеты. В результате такого взаимодействия Луна получает дополнительный импульс и медленно удаляется от Земли примерно на 3,8 сантиметра в год.
И именно благодаря этому древнему танцу Земли и Луны ученые получили еще одно удивительное свидетельство изменения продолжительности земных суток. На дне древних морей* сохранились уникальные слоистые отложения. Ритмичное чередование приливов и отливов создавало в осадочных породах последовательные слои — своеобразные отметки времени в каменной летописи Земли. Изучая количество приливных слоев в годовых отложениях и зная законы небесной механики, ученые смогли определить, как менялась продолжительность суток на разных этапах истории нашей планеты.
*Речь идет о морях, существовавших на Земле сотни миллионов лет назад, когда материки имели совсем другие очертания, а в водах только начинала зарождаться сложная жизнь.
Молекулярные часы в горных породах
В 2019 году ученые обнаружили, что приливные силы вызывают тончайшие изменения в структуре некоторых минералов. Эти едва уловимые перестройки на молекулярном уровне сохраняются в кристаллах как своеобразные "отпечатки времени", которые можно расшифровать с помощью современных технологий. Такой метод не только подтвердил результаты предыдущих исследований, но и позволил получить более точные данные о продолжительности суток в различные геологические эпохи.
Благодаря этим разнообразным методам исследований ученые установили, что:
1,4 миллиарда лет назад земные сутки длились всего около 18 часов;
620 миллионов лет назад сутки длились примерно 21,9 часа;
400 миллионов лет назад сутки длились около 22,7 часа;
70 миллионов лет назад, во времена динозавров, продолжительность суток составляла уже примерно 23,5 часа.
Взгляд в прошлое и будущее
Анализ изменений продолжительности суток позволил ученым не только реконструировать историю Земли, но и лучше понять множество важных процессов: от эволюции климата до формирования магнитного поля. Эти исследования показывают, насколько тесно связаны все компоненты нашей планеты — от движения небесных тел до микроскопических изменений в кристаллах минералов.
Более того, даже сейчас, в наши дни, процесс замедления вращения Земли продолжается. Каждое столетие продолжительность суток увеличивается примерно на 1,8 миллисекунды. И хотя это изменение настолько мало, что мы его не замечаем в повседневной жизни, сверхточные атомные часы способны уловить этот неумолимый ритм трансформации нашей планеты.
Земля — это динамическая система, находящаяся в постоянном развитии. Каждое мгновение в недрах планеты, в океанах и атмосфере происходят сложнейшие процессы, меняющие облик нашего мира. И чем глубже мы погружаемся в изучение прошлого Земли, тем яснее осознаем, насколько удивителен и хрупок этот голубой шар, который мы называем своим домом.
В системе Урана, на поверхности 470-километрового спутника с романтическим названием Миранда, природа создала нечто поистине грандиозное — самый высокий утес в Солнечной системе.
Уступ Верона (лат. Verona Rupes), как назвали это колоссальное образование, поражает своими масштабами: его высота достигает 20 километров, а протяженность составляет 116 километров. Эквивалентный утес на Земле имел бы высоту более 270 километров!
Происхождение этого гиганта окутано космической драмой. Ученые полагают, что уступ Верона — безмолвный свидетель древней космической катастрофы, когда в Миранду врезалось массивное небесное тело.
Удар был настолько мощным, что из-за него спутник буквально раскололся. После этого произошло смещение 30-километровой ледяной коры, сформировавшее этот колоссальный утес. Последствия этого катастрофического события до сих пор видны на поверхности спутника в виде обширной сети разломов и деформаций.
В условиях слабого гравитационного поля Миранды прыжок с вершины утеса продлился бы около 12 минут — время, достаточное для того, чтобы осмыслить все величие этого уникального места.
Первые — и до сих пор последние — детальные снимки этого удивительного образования были получены космическим аппаратом NASA "Вояджер-2" 24 января 1986 года. С тех пор уступ Верона остается одним из самых впечатляющих геологических объектов, известных человечеству.
Исследователи из Сколтеха и их китайские коллеги определили, что предсказанный ранее экзотический молекулярный ион акводий (aquodiium) должен быть стабилен в условиях недр Урана и Нептуна. Эту необычную частицу можно представить себе как молекулу воды, к которой прицепились два «лишних» протона, что дает ей двойной положительный заряд. Если акводий действительно присутствует внутри ледяных гигантов, то он участвует в формировании их необычных по сравнению с другими планетами магнитных полей.
Соединения одного атома кислорода (O) в sp3-гибридизации с водородом. Кислород легко связывается с двумя атомами водорода (H), образуя с ними ковалентные связи, — получаем нейтральную молекулу воды H2O. При условии достаточной концентрации свободных ионов водорода (H+), то есть протонов, один из них может присоединиться к готовой электронной паре молекулы воды — получится гидроксоний H3O+. Но можно ли повторить этот трюк и получить «дважды протонированный» ион H4O2+?
Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. Магнитные поля Урана и Нептуна до сих пор вызывают у ученых куда больше вопросов, чем поля Юпитера, Сатурна и Земли. Источник магнетизма в недрах нашей планеты — циркуляция жидкого электропроводящего железоникелевого сплава. Считается, что подобным образом поля Юпитера и Сатурна порождает циркулирующий на большой глубине водород, который при столь высоких давлениях и температурах переходит в металлическое состояние и тоже обладает электронной проводимостью.
Предполагается, что магнитные поля Урана и Нептуна вызваны циркуляцией вещества, для которого характерна не электронная, а ионная проводимость. Иными словами, не электроны, а электрически заряженные атомы или молекулы — то есть ионы — сами направленно движутся и тем самым переносят электрический заряд. Какие именно ионы и в каком соотношении циркулируют в недрах ледяных гигантов — пока неясно. И здесь может крыться часть разгадки того, почему их магнитные поля так необычны: сильно отклонены от осей вращения этих планет и исходят не из их центров.
Один из авторов посвященного акводию исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов, поясняет различие между двумя типами проводимости — и причем тут новый ион: «В условиях, которые существуют в недрах Юпитера, водород становится жидким металлом, его электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, которые все атомы водорода сбрасывают „в общий котел“ при столь сильном сжатии. А в Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов H+, а, например, в виде гидроксония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование дополняет этот ряд ионом H4O2+, химия которого представляет большой интерес».
Гибридизациями в химии называют стандартные варианты совмещения двух и более электронных орбиталей атома, на основании которых можно получить своего рода шаблоны молекул и молекулярных ионов с участием этого атома. Один из таких шаблонов имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого располагается атом с так называемой sp3-гибридизацией — например, углерод, азот или кислород. А в каждой из четырех вершин — либо валентный электрон, либо целая электронная пара, которая самодостаточна и не участвует в формировании нормальных (ковалентных) связей с другими атомами. Простейший пример — атом углерода с четырьмя валентными электронами по вершинам тетраэдра. Если добавить четыре атома водорода, получится молекула метана CH4.
У кислорода на внешней электронной оболочке уже есть две укомплектованные электронные пары в добавок к двум одиночным валентным электронам, поэтому «шаблон» sp3-гибридизации реализуется так: две вершины тетраэдра заняты электронными парами, а в оставшихся двух валентные электроны могут образовать связи с атомами водорода — получится молекула воды H2O. Если к одной из «родных» электронных пар кислорода присоединить протон, то есть лишенный собственного электрона атом водорода, то получится ион гидроксония H3O+ — кстати, именно его концентрацией в действительности определяется водородный показатель (известный как pH) водных растворов, ведь выделяемые кислотами в раствор протоны тут же присоединяются к молекулам воды.
«Вопрос был в том, можно ли к гидроксонию присоединить еще один протон и получить недостающее звено в этой цепи? В нормальных условиях такая конфигурация чрезвычайно невыгодна с энергетической точки зрения, но наши расчеты говорят, что она реализуется при выполнении двух условий, — рассказывает профессор Сяо Дун из Нанькайского университета (Китай), идея которого легла в основу работы. — Во-первых, нужно высокое давление, которое вынуждает вещество уменьшить свой объем, и тут разделить неиспользованную электронную пару кислорода с еще одним ионом водорода — хороший выход. Получается как бы третья ковалентная связь с водородом, только оба электрона в ней — от кислорода. И второе условие: нужно много свободных протонов, то есть сильнокислая среда».
Авторы опубликованного в Physical Review B исследования использовали самые современные методы моделирования, чтобы понять, как вода и плавиковая кислота поведут себя в экстремальных условиях. При давлении порядка 1,5 млн атмосфер и температуре 3 тыс. градусов Цельсия в симуляции стали четко различимы ионы акводия H4O2+.
Ученые считают, что открытый таким образом новый ион может влиять на поведение и свойства водных сред, в частности кислых сред под большим давлением. Условия, о которых идет речь, примерно соответствуют тому, чего можно было бы ожидать от Урана и Нептуна, где немыслимая толща водного океана оказывает колоссальное давление на глубинные слои вещества и присутствие кислот тоже возможно. А значит, должен образовываться акводий, который будет циркулировать вместе с другими ионами и делать свой вклад в магнитные поля этих планет. Быть может, он даже участвует в формировании неизвестных нам земных минералов, устойчивых в экстремальных условиях. Освещенное в пресс-релизе исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Астрономы получили уникальные снимки, запечатлевшие момент взрыва двух разных звёзд. Изображения, сделанные несколькими телескопами массива CHARA в Университете штата Джорджия, фиксируют звёздную катастрофу, известную как новая звезда (nova) – явление, при котором плотный остаток звезды, похожей на Солнце, называемый белым карликом, высасывает материал у близко вращающейся звезды-компаньона, что в итоге вызывает термоядерный взрыв, который белый карлик переживает.
Детонация происходит, когда материал (в основном водород) накапливается на поверхности белого карлика и достигает критической массы. Новые звёзды, по сути, представляют собой естественные водородные бомбы, высвобождающие за считанные мгновения энергию, которую наша звезда излучает примерно за 100 000 лет. Несмотря на то что они освещают ночное небо, астрономы могли лишь предполагать, что происходит на ранних стадиях этих мощных взрывов, так как прямые наблюдения оказывались сложными – взорвавшийся материал казался единой точкой света, недоступной для детального изучения.
Элиас Айди, ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy и профессор физики и астрономии в Техасском технологическом университете, заявил:
Эти наблюдения позволяют нам наблюдать звёздный взрыв в реальном времени, что очень сложно и долгое время считалось чрезвычайно трудным. Вместо того чтобы видеть просто вспышку света, мы теперь раскрываем истинную сложность того, как разворачиваются эти взрывы.
Снимки получены с использованием техники интерферометрии, при которой несколько источников света объединяются для создания интерференционной картины, которую астрономы могут анализировать. Это стало возможным благодаря сбору данных с помощью телескопных массивов вроде CHARA, состоящего из десятков антенн, распределённых на большой площади, которые при наведении на одну точку неба работают как один массивный телескоп. Данные CHARA были дополнены снимками других телескопов, таких как космический телескоп Fermi, который отслеживает высокоэнергетические излучения, известные как гамма-лучи, и обсерватория Gemini на Гавайях.
Работа показала, что новые звёзды гораздо сложнее, чем мы думали, и не сводятся к одному разрушительному взрыву. Одна из запечатлённых новых, V1674 Herculis, оказалась одной из самых быстрых новых в истории наблюдений, достигнув пиковой яркости и погаснув всего за несколько дней. Она показала два отдельных потока газа, предполагая, что взрыв включал множественные мощные выбросы материала, взаимодействовавшие друг с другом. Эти выбросы испускали гамма-лучи, зафиксированные телескопом Fermi, демонстрируя, что взрывы способны производить одни из самых энергетических излучений в космосе, обычно связанные со сверхновыми, формирующими чёрные дыры.
Другая новая, V1405 Cassiopeiae, развивалась в эффектном замедленном режиме, потратив более пятидесяти дней, прежде чем наконец выбросила весь взорвавшийся материал. В течение этого почти двухмесячного периода белый карлик окутал себя сферой газа, которая в итоге поглотила обе звезды, сформировав чрезвычайно редкую структуру, называемую общей оболочкой. Когда эта оболочка наконец рассеялась, выброс произвёл собственную вспышку гамма-лучей.
То, что оба события произвели обнаруживаемые гамма-лучи, показывает, что новые звёзды – это то, что называют "лабораториями экстремальной физики", которые могут помочь "соединить точки между ядерными реакциями на поверхности звезды, геометрией выброшенного материала и высокоэнергетическим излучением, которое мы обнаруживаем из космоса".
Сегодня Красная планета встречает роботизированных гостей с Земли безжизненной пустыней, окутанной ржавой пылью. Температура здесь редко поднимается выше нуля, а атмосфера настолько разрежена, что жидкая вода не может существовать в стабильном состоянии на поверхности. Однако ученые почти единодушно сходятся во мнении, что миллиарды лет назад Марс был совсем другим – с бурными реками, глубокими озерами и, возможно, даже огромными океанами.
Как же исследователи пришли к такому удивительному выводу? Давайте же отправимся в увлекательное путешествие в прошлое Марса.
Древние русла рек – первое яркое свидетельство
Все началось в 1971 году, когда космический аппарат NASA "Маринер-9" передал на Землю снимки марсианской поверхности. Ученые были ошеломлены: планета оказалась испещренной извилистыми каналами, поразительно напоминающими высохшие русла земных рек.
Особенно впечатляющим примером стала долина Нанеди (лат. Nanedi Valles), представляющая собой сеть извилистых каналов с притоками и меандрами, которые на Земле формируются только под воздействием постоянных водных потоков. Такие структуры не могли возникнуть в результате кратковременного таяния льда или случайных потоков – они свидетельствовали о длительном существовании стабильных водных потоков.
Еще более интригующими оказались гигантские каналы оттока, такие как долина Арес (лат. Ares Vallis). Их колоссальные размеры (шириной до 100 километров) указывают на катастрофические наводнения невообразимой силы, когда огромные объемы воды внезапно вырывались на поверхность, сметая все на своем пути. Вероятно, в прошлом Марс переживал апокалиптические потопы.
Глинистые минералы – отпечатки древних озер
Окончательно развеяли сомнения марсоходы, которые смогли изучить местный грунт вблизи. Так, ровер NASA Curiosity, исследуя кратер Гейл, обнаружил слоистые отложения глинистых минералов – верный признак того, что он когда-то был заполнен водой. Другими словами, в далеком прошлом кратер Гейл представлял собой глубоководное озеро.
Глина на Земле образуется только при длительном контакте горных пород с водой. Ее присутствие в кратере Гейл означает, что вода существовала здесь достаточно долго – возможно, миллионы лет (достаточный срок для химического преобразования окружающих пород).
Особенно важно, что эти глинистые минералы свидетельствуют о нейтральной среде, в которой они формировались – не слишком кислой и не слишком щелочной. Именно такие условия благоприятны для зарождения жизни, какой мы ее знаем, исходя из "земного опыта".
"Черника" и другие водные минералы Марса
Марсоход NASA Opportunity сделал еще одно удивительное открытие – крошечные сферические образования, прозванные в шутку "черникой" за их форму и размер. Анализ показал, что это гематит – оксид железа, который на Земле обычно формируется в водной среде, например, в горячих источниках.
Помимо "черники", на Марсе найдены и другие минералы-индикаторы воды: гипс, ярозит и различные сульфаты. Все они на нашей планете образуются только в присутствии воды – от пресной до соленой, от нейтральной до кислой. Изучая распределение этих минералов, ученые получают возможность воссоздать историю марсианского водного прошлого – от обширных пресных водоемов ранней эпохи до соленых озер позднего периода.
Дельты рек – природные архивы
В кратере Езеро, где сейчас работает марсоход NASA Perseverance, обнаружена прекрасно сохранившаяся дельта древней реки, ради которой это место и было выбрано для посадки. На снимках четко видны веерообразные отложения наносов – точно такие же, как у земных рек, впадающих в озера или моря.
Дельты особенно важны для исследований, поскольку они не только доказывают существование воды в прошлом, но и служат природными "ловушками" для органических веществ. На Земле такие места часто хранят ископаемые остатки, и именно поэтому NASA выбрало Езеро для поиска возможных следов древней марсианской жизни.
Марсианские метеориты рассказывают свою историю
Удивительно, но часть доказательств водного прошлого Марса прибыла к нам сама! Среди метеоритов, найденных в Антарктиде, ученые идентифицировали фрагменты Красной планеты, выбитые с ее поверхности ударами астероидов.
Один из таких метеоритов – ALH 84001 – стал сенсацией 1996 года, когда исследователи заявили, что обнаружили в нем возможные следы марсианской жизни. Хотя биологическая природа найденных структур остается спорной, метеорит содержит карбонатные минералы, которые на Земле образуются только в водной среде. ALH 84001 доказал, что жидкая вода была на Марсе уже около четырех миллиардов лет назад. Это при том, что возраст Красной планеты оценивается примерно в 4,6 миллиарда лет.
Современные ледяные запасы – наследие водного прошлого
Сегодня вода на Марсе существует преимущественно в замерзшем состоянии. Гигантские полярные шапки, содержащие как водяной лед, так и замерзший углекислый газ (сухой лед), сверкают так, что видны даже в любительский телескоп. Кроме того, обширные ледяные массивы скрываются и под поверхностью — словно природные хранилища, которые берегут водные запасы Марса от испарения в космос.
А радарные данные, полученные с помощью орбитальных аппаратов, намекают на существование соленого озера под южной шапкой, которое остается жидким благодаря экстремальной концентрации солей и давлению километрового ледяного щита.
О богатом водой прошлом Марса свидетельствует и химический состав его современной атмосферы. Было обнаружено, что в ней непропорционально много тяжелых изотопов водорода (дейтерия) и кислорода (O-18) по сравнению с их более легкими "собратьями". Дело в том, что легкие изотопы легче покидают атмосферу планеты, улетучиваясь в космос, тогда как тяжелые остаются. Подобное соотношение изотопов возможно только в одном случае — если на Марсе когда-то существовали огромные объемы воды (моря и океаны), которые постепенно испарились в космическое пространство, оставив после себя этот изотопный след.
Что произошло с марсианской водой?
Собрав все улики воедино, ученые смогли воссоздать удивительную и в тот же момент драматичную историю Марса. Когда-то он был влажным миром, похожим на раннюю Землю, но потом случился климатический коллапс, и постепенно планета превратилась в промерзлую пустыню.
Ключевую роль в этой трансформации сыграли два фактора, усиливающие друг друга. Во-первых, малая масса планеты — всего 10% от земной — означала слабую гравитацию, недостаточную для удержания легких газов. Во-вторых, Марс лишился своего глобального магнитного поля (или оно изначально было слабым), которое на Земле действует как щит, отражающий солнечный ветер. Без этой защиты заряженные частицы со стороны Солнца беспрепятственно бомбардировали верхние слои атмосферы, буквально "сдувая" их в космос атом за атомом. Эти два процесса запустили необратимую цепную реакцию: истончение атмосферы → падение давления → испарение воды в космос → дальнейшее высыхание планеты.
Каждая новая миссия на Марс добавляет бесценные детали к этой удивительной истории. Марсоходы и орбитальные аппараты, получающие все более совершенные инструменты, продолжают собирать доказательства того, что Красная планета когда-то была голубой – с полноводными реками, глубокими озерами и, возможно, обширными океанами.
Гравитационная яма под Антарктидой – область с аномально слабой гравитацией – давно занимала умы ученых. В условиях нарастающих климатических угроз исследователи стремятся лучше понять это явление, и недавно получили важную зацепку.
Как выяснилось, изменения гравитации Антарктиды тесно связаны с серьезными климатическими и геологическими сдвигами в регионе. Историческая реконструкция гравитационной ямы, описанная в журнале Scientific Reports, показала, что аномалия изначально была слабее, но усилилась между 50 и 30 миллионами лет назад, когда континент покрылся массивными ледниками.
Впрочем, ученые пока не определили, как именно гравитационная яма может влиять на Антарктиду, особенно на фоне усугубляющихся последствий изменения климата.
Геоид – это неровная поверхность океана, форма которой определяется гравитационным влиянием Земли. Сила тяжести варьируется в разных регионах планеты, хотя эти различия настолько малы, что люди их не ощущают. Для человека изменения гравитации незаметны, но для воды даже небольшие колебания имеют значение.
Эти вариации существенно влияют на земные океаны. Вода стремится в области с более сильной гравитацией, так что уровень моря в регионах с относительно низкой гравитацией, вроде Антарктиды, обычно ниже ожидаемого.
"Низкое" здесь означает "широкую впадину в гравитационном поле Земли, вызванную дефицитом массы на глубине", – пояснили исследователи из Парижского института физики Земли.
Для реконструкции трехмерной структуры недр Земли команда использовала записи землетрясений по всему миру, а также сейсмические, геодинамические и минерально-физические данные. Модель учитывала динамику мантии, данные гравитационного поля и изменения в ротационном поведении планеты.
Представьте, что вы делаете компьютерную томографию всей Земли, но у нас нет рентгеновских лучей, как в больнице. У нас есть землетрясения. Волны от землетрясений обеспечивают "свет", который освещает недра планеты.
Затем исследователи применили схожую технику, чтобы "перемотать назад движение пород внутри Земли и проследить изменения за последние 70 миллионов лет". Симуляции показали, что изначально гравитационную яму вблизи Антарктиды создавал холодный плотный материал, погружающийся в глубокие слои мантии.
Примерно между 50 и 30 миллионами лет назад более горячая и легкая мантия начала подниматься из глубин, перераспределяя массу по континенту. Сочетание опускающейся холодной мантии и поднимающейся горячей усилило общий дефицит массы под Антарктидой.
Так как уровень моря и динамика приливов влияют на климатические паттерны, ученые считают, что лучшее понимание гравитационной ямы даст новые знания о геологической истории Антарктиды – особенно с учетом угроз, нависших над регионом сегодня.
10 марта 2023 года орбитальный аппарат "Аль-Амаль" (в переводе — "Надежда"), запущенный в 2021 году Космическим агентством Объединенных Арабских Эмиратов (UAESA) для изучения марсианской атмосферы, приблизился к Деймосу на рекордные 104 километра.
Это было максимальное сближение с естественным спутником за всю историю исследования системы Красной планеты. Результат: самые детализированные снимки и данные, которые меняют наше понимание его происхождения.
Что мы знаем о Деймосе?
Деймос — меньший и наиболее удаленный из двух спутников Марса (второй — Фобос). Его средний диаметр составляет всего 12,4 километра, а орбита проходит на высоте около 23 500 километров от поверхности планеты. Этот каменистый спутник неправильной формы был открыт в 1877 году и назван в честь древнегреческого бога ужаса.
Первые снимки Деймоса были получены автоматической межпланетной станцией NASA "Маринер-9" в 1971 году. С тех пор спутник попадал в кадр многих миссий, но всегда издалека.
Зонд "Надежда" изменил это, сделав детальный снимок обратной стороны спутника и получив подробную информацию о его составе и структуре.
Революционное открытие
Продолжительное время господствовала гипотеза, что Деймос и Фобос — астероиды, попавшие в гравитационную ловушку Марса. Аргументация этой концепции была просто абсурдна: спутники слишком маленькие, кривые и непохожи на "нормальные" луны.
Инфракрасный спектрометр "Надежды" показал, что состав Деймоса ближе к марсианскому базальту, чем к астероидам класса D (темным объектам с красноватым спектром, которые очень плохо отражают свет).
Это весомое доказательство в пользу гипотезы, предложенной в 2018 году планетологом (планетологиней?) Робин Кануп, которая гласит, что спутники Марса являются фрагментами самой планеты, выброшенными в космос в результате древнего столкновения с массивным объектом. Моделирование показывает, что диаметр ударного тела мог достигать 1 000 километров. Для сравнения: средний диаметр Марса составляет 6 792 километра.
Примечательно, что эта гипотеза не только объясняет происхождение спутников Марса, но и дает подсказки касательно катастрофических климатических изменений, превративших Марс в промерзлую пустыню.
Они могут светиться, жить под землей и дышать метаном. Вопреки кинематографическим клише, инопланетяне вряд ли будут похожи на людей; и все же их формы жизни могут оказаться достаточно интересными.
«Есть ли жизнь во Вселенной?» — один из самых старых и сложных вопросов, на который наука пока не дала ответа. Но если жизнь вне Земли все-таки существует, то как могут выглядеть ее представители?
Учитывая экстремальные условия на других планетах, биология инопланетян способна радикально отличаться от всего, что мы знаем.
Как могут выглядеть инопланетяне?
Подземные грибы, ледяные существа и светящиеся организмы
Фантастические фильмы из поп-культуры приучили большинство людей к образу двуногих, гуманоподобных пришельцев.
Однако в реальности инопланетные формы жизни, вероятно, адаптированы к своей среде — будь то атмосфера, радиация или гравитация.
Например, на планетах с плотной атмосферой существа могут развить способность к полету, а при сильной гравитации — стать приземистыми и массивными, как слоны.
На планетах с высоким уровнем радиации жизнь может уйти под землю. В этом случае, по словам химика Валентины Эрастовой, пришельцы могут напоминать грибницы — разветвленные подземные сети, как у земных мицелиев.
Есть и другие гипотезы. В условиях экстремального ультрафиолета существа могли бы светиться красным, синим или зеленым светом, как кораллы, защищаясь от вредного излучения за счет специальных пигментов.
А на холодных планетах, вроде Титана — спутника Сатурна, — возможна жизнь в метановых морях, где обитатели будут обладать сверхмедленным метаболизмом, как земные ленивцы.
Ближе к микробам, чем к монстрам
Но чем больше ученые узнают о зарождении жизни, тем более вероятным кажется ее микроскопический характер.
Астробиолог Сара Ругхаймер подчеркивает: большую часть истории Земли на ней существовали только одноклеточные организмы. Даже сегодня подавляющее большинство биомассы состоит из микробов.
Поэтому, если мы и найдем жизнь за пределами Земли, она, скорее всего, окажется микробной — а не разумной.
Впрочем, эволюция может пойти по пути конвергентного развития: органы зрения, конечности, средства передвижения. Однако человеческая форма — результат миллиона лет адаптаций к очень специфическим земным условиям. На других планетах все может быть совсем иначе. Особенно если жизнь там построена на другом элементе — например, на основе кремния.
Правда, по мнению ученых, такой вариант маловероятен: углерод проще формирует сложные молекулы, а значит, более пригоден для жизни.
«Мы понятия не имеем, какими они могут быть», — говорила Сара Ругхаймер в 2024 году.
Это и пугает, и вдохновляет одновременно. Пока ученые ищут разумные сигналы или микробные следы, инопланетная жизнь остается самой захватывающей загадкой XXI века.
Комментарии