Астероиды – угроза для человечества или подарок из космоса? А что если жизнь на Земле появилась именно благодаря им? Об этом рассуждает
Валерий Иванович ШЕМАТОВИЧ, заведующий отделом исследований Солнечной системы Института астрономии Российской Академии наук, доктор физико-математических наук.
– Вы исследуете астероиды с точки зрения возможностей формирования жизни. Как эти исследования для вас начались?
– Эта тематика, и в частности исследования малых тел, – одно из важных направлений в деятельности отдела исследования Солнечной системы. Мы знаем о большем населении малых тел в Солнечной системе и в меру наших астрономических возможностей изучаем эти объекты – кометы и астероиды. В последнее время возник активный интерес к изучению этих объектов по разным причинам: одна из причин – кометно-астероидная опасность, вторая – космические ресурсы. Мы знаем, что целый ряд металлических астероидов богаты редкими для Земли веществами, в первую очередь редкоземельными металлами. Это прикладная сторона исследований. Существует несколько космических стартапов, которые всерьёз прорабатывают возможность выбрать астероид и доставить при помощи космических буксиров к Луне, чтобы эти богатства как-то заполучить.
– А почему не к Земле?
– Потому что на Землю такой астероид размером в десятки метров может упасть из-за большой гравитации. У Луны гравитация меньше, и там придумывают различные технологии освоения и добычи ресурсов, например, с 20‑метрового астероида, на котором запасов редкоземельных металлов больше, чем у нас на Земле.
– А кому будут принадлежать эти богатства? Ведь астероиды, как я понимаю, принадлежат всем – или, не принадлежат никому?
– Скорее второе. Это объекты нашего окружающего космического пространства, и права собственности здесь пока что в полной мере не изучены. По-видимому, ООН, ЮНЕСКО этим занимаются, есть соответствующие Советы. Но кроме прикладной стороны исследований есть и фундаментальная сторона: мы хотим разобраться, как возникла наша Солнечная система, Земля, какие процессы привели к их формированию и как возникла жизнь на нашей планете. Какие бы научные исследования мы ни проводили, всегда за ними стоят эти два фундаментальных для естествознания вопроса.
– Каким образом астероиды помогают вам ответить на вопросы о происхождении Солнечной системы?
– Это очень важный вопрос. Есть определённая особенность этих объектов: это малые объекты, они, видимо, остались с самых ранних времён формирования Солнечной системы. Это те избытки «строительного материала», из которого возникли планеты. Солнце составляет 99,95 процента всей массы Солнечной системы, 0,14 процента – это планеты, и остаётся очень небольшая часть – все остальные, малые тела, как мы их называем. Это кометы, астероиды, межпланетная пыль и т.д. К этим малым телам интерес был чисто академическим, потому что астрономические средства, телескопы не позволяли их видеть детально. Возрос этот интерес с началом космической эры, когда у нас появились проекты полётов к этим малым телам. Интерес к ним очень прост: это как раз то первозданное вещество, из которого образовались Солнечная система и наша планета Земля. На нашей планете мы знаем минералы возрастом до четырёх миллиардов лет, но не далее. Первые 600 миллионов лет на ранней Земле был океан магмы, когда всё переплавилось. Это было горячее время: на поверхность нашей планеты падали астероиды, планетезимали[1], всё плавилось и кипело. В общем, было очень жарко, как сейчас в жерлах действующих вулканов.
– И вы считаете, что именно астероиды представляют собой то самое первоначальное вещество?
– Да, ведь с ними практически ничего не происходило с тех ранних времён. Во‑первых, они расположены достаточно далеко, на периферии Солнечной системы, куда приходят ослабленные солнечное излучение и плазменный ветер, но изменения поверхности у них минимальные. Поэтому именно с ними и связывают то первичное вещество, из которого образовалась Солнечная система.
Есть ещё одна очень важная особенность: Солнечная система сейчас, по прошествии ~4,6 миллиарда лет, – это устойчивое образование, в котором Солнце и планеты находятся на своих хорошо определённых орбитах. Но есть малые тела, которые мобильны, они перемещаются между разными областями Солнечной системы. Видимо, эта мобильность была очень важна на самых ранних стадиях формирования Солнечной системы, потому что они переносят вещество из внешних областей во внутренние.
– Для чего?
– Современная теория образования планетных систем – как у нашего Солнца, так и у других звёзд – говорит, что внутренние каменистые планеты возникли из пылевой фракции и поэтому являются относительно небольшими планетами по своим характерным размерам. За орбитой Марса присутствует «линия снега», где присутствуют ледяные объекты. А мы знаем, что на Земле много воды. Откуда она появилась? Её было очень мало на ранней стадии, потому что молодое Солнце активно светило в инфракрасном диапазоне и испаряло ледяные мантии пылевой фракции во внутренних областях прото-солнечной туманности. И только на нашей планете сохранился водный океан на поверхности, в отличие от соседних планет земного типа – Венеры и Марса. Понятно, что эта вода была привнесена на нашу планету.
– Вы считаете, что это астероиды приносили вещество, и в том числе воду? Но как?
– Астероиды состоят из углистых хондритов– это такие твёрдые первичные образования, где вода присутствует, но связанная, плюс там ещё есть льды. Сначала предполагалось, что воду на нашу планету принесли кометы, поскольку их ядра содержат много водяного льда. Мы измеряем изотопы водорода – это соотношение дейтерия к водороду, а измеренное соотношение для малых тел в нашей Солнечной системе указывает на область их образования. Другими словами, это сходно с адресом места их образования в Солнечной системе. Если это соотношение измерено для изучаемого малого тела, то мы знаем, на каком расстоянии от звезды это произошло и какие химические процессы там работают. Оказалось, что когда, например, кометы прилетают во внутреннюю область Солнечной системы, наши инструменты на Земле или на специализированных космических аппаратах позволяют изучить кометные ядра и, в частности, измерить соотношение дейтерия к водороду для ряда комет. Так вот, это соотношение оказалось в несколько раз больше, чем в случае нашего земного океана. А это соотношение по времени практически не меняется.
– А что у астероидов?
– А у астероидов есть связанная вода и отношение дейтерия к водороду, как в земном океане. Поэтому сейчас мы говорим, что «космическую доставку» осуществляют скорее астероиды. Но это не вся правда. Где-то у орбиты Юпитера нашли несколько комет, у которых соотношение такое же, как в океане на нашей планете. Это говорит о том, что тут ещё много открытых вопросов, и выборки малых небесных тел нужно изучать дальше. Более того, сейчас господствующей стала теория о том, что кометы и астероиды – это континуум малых тел.
– Что это значит?
– Возможно, некоторые астероиды – это остатки ядер комет. Недавно были открыты и широко изучаются активные астероиды, представляющие собой не просто груду связанных гравитацией булыжников, летающих в космическом пространстве: иногда из них выходит пыль, пар. То же самое, что и на кометах. Видимо, их свойства непрерывно распределяются. Возвращаясь к астероидам, это первичное вещество, исследовать которое в лаборатории – «голубая мечта» всех учёных, занимающихся космохимией и астрохимией.
– И астробиологией?
– Да. До последнего времени у нас было только внеземное вещество, доставленное с Луны. Конечно, к нам падает внеземное вещество – метеориты, которые мы находим в Антарктике и других местах. Но мы всегда на них смотрим с осторожностью, потому что они проходили через атмосферу и потом, упав на поверхность, загрязнились нашей химией, на них влияет атмосфера. Их, конечно, разрезают, изучают при помощи электронных микроскопов, они дают представление об исходном первичном веществе, но тем не менее всегда оставалась идея доставить вещество с других небесных тел. Астероиды – это небольшие объекты, и есть техническая возможность забрать вещество и доставить на Землю. Это не столь дорого, как, например, доставить на Землю вещество с Марса, хотя сейчас марсоходы работают на марсианской поверхности и проводят первичный анализ интересных минералов. На астероиде гравитация меньше, не нужно возить топливо, чтобы улететь обратно.
Были три такие миссии. Японское космическое агентство запустило миссию «Хаябуса», это «Сокол» по-японски. Они выбрали астероид под названием «Итокава», по имени основателя японской космической программы. Это миссия 2003–2010 годов. Они решили подлететь к поверхности, выпустить «хобот», на котором были две капсулы со сжатым воздухом. Поддуваешь – и поднимется пыль с поверхности астероида. Космическая станция была оборудована экраном из аэрогеля, где собирались сохранить пылевые частицы с поверхности астероида, а потом вернуть этот экран на Землю. Но в самый ответственный момент, когда началась стадия подлёта к поверхности астероида и захвата вещества, пропала телеметрия. Восстановить связь удалось лишь через полгода!
– Но через полгода восстановили?
– Да, и ещё порядка нескольких лет потребовалось, чтобы поправить орбиту так, чтобы он пролетел мимо нашей планеты. Эту операцию космическому агентству Японии удалось выполнить, они сбросили капсулу с аэрогелевым экраном, чтобы не было загрязнения, в пустыню в Австралии. Когда они вскрыли этот экран, они нашли там, по разным источникам, около полутора тысяч пылевых микрочастиц. Они поделились с другими космохимическими лабораториями, и, в частности, одна из лабораторий, по-моему, в США, провела детальный анализ минералов в полученной микрочастице, что позволило посмотреть во времени, как образовывался этот астероид, увидеть его эволюционный путь.
Этого не было даже в наших представлениях о формировании Солнечной системы: астероид Итокава – это такая большая «картофелина» размером около 300 метров. Оказалось, что в самом начале, приблизительно 5,572 миллиарда лет назад, когда возникали первые твёрдые тела в Солнечной системе, когда происходила агрегация пыли, первые примерно 2,6 миллиона лет родительским телом этого астероида была планетезималь с размером порядка 20 километров. Но самое удивительное, что внутри этого родительского тела, возможно, был жидкий океан!
– Неужели можно всё это понять по микроскопической частичке?
– В том и дело, и это потрясающе. Это позволяет строить теории, а теория имеет ценность, если её можно сравнить с наблюдениями. Мы можем сравнить доставленные с астероида минералы с известными в космохимии минералами, которые, оказывается, возникли при низких температурах – 30°, но в жидкой среде. Это должен быть океан с солёной водой, где довольно много минералов, а жидкость появилась благодаря радиоактивному изотопу алюминия Al26, который распадается довольно быстро и греет внутренние слои исходной планетезимали. Это известный для космохимии факт. Калий 40, алюминий 26 греют, и именно это привело к тому, что океан был жидкий. Мы и по минералам видим, что они образовывались именно в такой среде. Важно, что этот астероид S‑класса, силикатный, из картографии там были обнаружены несколько песчаных областей на поверхности. Такие полянки песка.
– Какой-то вполне земной пейзаж: полянки песка, солёная водичка. А рыбки там не плавали?
– Нет, ведь океан был не на поверхности, а внутри. Это тело образовалось где-то на уровне орбиты Юпитера, где внешняя граница пояса астероидов, а может, и дальше. Там очень холодно, всё покрыто льдом. Но внутри было вещество с радиоактивным алюминием, который всё разогрел, и там пошли процессы образования минералов.
Японские учёные тут же предложили вторую миссию, «Хаябуса‑2», и выбрали астероид Рюгу с диаметром порядка 900 метров, орбита которого пересекает орбиты Марса и Земли. Нас такие астероиды особенно интересуют: во‑первых, они могут так неудачно пересечь нашу орбиту, что станут опасными; во‑вторых, если на поверхности таких астероидов есть что-то очень интересное с точки зрения освоения космических ресурсов, то, когда он пересекает нашу орбиту, мы можем попробовать это утилизировать.
– И опять отправили аппарат с экраном?
– На сей раз нет. Японские учёные придумали другую концепцию миссии: когда увидели покрытые песком области на астероиде Итокава, а также булыжники на поверхности, стало понятно, какая технология забора вещества подходит. Они предположили: мы полетим и привезём вещество, выбранное непосредственно с поверхности астероида. Более того, они решили сделать один забор с поверхности, а второй– сбросить танталовую пулю, создать искусственный кратер и забрать то первичное вещество, которое скрыто под поверхностью. Ведь важно вещество не только с поверхности, но и из недр астероида – это вещество будет уже гарантированно первичным. Им удалось выполнить эту изящную инженерную процедуру и сбросить на Землю в 2020 году две капсулы с забранным из разных областей астероида Рюгу веществом.
Когда они подлетали к нему, появлялись первые снимки – мы наконец увидели, что такое астероиды размером меньше одного километра. Совершенно неожиданная форма – мы-то думали, сфера, может быть, нерегулярная фигура. А это совершенно потрясающе – волчок, состоящий из камней! Оказалось, что это очень много булыжников, сдерживаемых относительно слабой гравитацией и поверхностной адгезией, причём плотность вещества – чуть больше единицы, потому что очень много пустот внутри астероида. Есть даже специальный термин, который это состояние обозначает, по-английски – rubble pile, куча щебня. На фотографиях видно, что там есть большие булыжники, причём они перемещаются по поверхности. Это удивительно устойчивый объект: он почти четыре миллиарда лет прожил в таком состоянии, хотя и испытывал столкновения с другими астероидами.
– А что было на первых этапах? Делали такой же анализ, как в первом случае?
– Да, в 2020 году, перед пандемией, содержимое капсул, сброшенных в пустыне в Австралии, изучили в лаборатории. Провели анализ, аналогичный первому, и оказалось, действительно, что родительское тело было планетезималью с океаном. Это говорит об универсальности механизма.
– Может быть, это совпадение?
– Там, в главном поясе астероидов, естественно, есть астероиды и без океанов – металлические, например. Но родительские тела астероидов из углистых хондритов обладали первичными подлёдными океанами. Теперь мы знаем космогонический путь этих тел.
– Но была ещё и третья миссия…
– Да, американская космическая миссия OSIRIS-RЕx к астероиду Бенну. Его иногда называют «астероид судного дня»: он когда-то, лет через 150, пройдёт довольно близко к Земле, и есть вероятность столкновения. Поэтому в какой-то мере его и выбрали. Он в два раза меньше, чем Рюгу. Американские учёные и специалисты испытали шок, когда станция OSIRIS-RЕx прилетела и встала на орбиту у астероида Бенну. Оказалось, что поверхность этого астероида почти полностью покрыта камнями разного размера, и практически отсутствует мелкая пылевая фракция. Всё покрыто булыжниками, а пыль лишь их склеивает. А методика забора вещества была та же самая: подуть сжатым воздухом и набрать поднявшуюся пылевую фракцию в заборное устройство механического хобота. Они два года кружили вокруг этого астероида, изучали особенности поверхности, выбирали место для надёжного забора вещества. На булыжники поддуете – ничего не поднимется.
В конце концов, они провели детальную картографию этого объекта: диаметр у него 500 метров, но это оказалась такая же юла, представляющая собой груду щебня. Два относительно случайно выбранных объекта, а структура объекта та же самая! Когда привезли вещество, проанализировали, опять оказалось, что там в самые ранние времена был мир с океаном.
– Как же всё это попадало на Землю и, возможно, на другие планеты?
– Дело в том, что вскоре после образования планетгигантов, Юпитера и Сатурна, была миграция этих планет. Это мы узнали благодаря исследованию экзопланет. Мы видим планетные системы у других звёзд, иногда у молодых звёзд, у которых наблюдаются планеты-гиганты на близких к родительской звезде орбитах. То есть на самой ранней стадии была миграция не только малых тел, но и больших планет, и мы сейчас уже знаем физику этих процессов. А когда образовались наши каменистые планеты и газовые гиганты, Юпитер стал двигаться к Солнцу. Он как бы хотел стать горячим. Но тут образовался Сатурн, который динамически захватил его и не позволил приблизиться к Солнцу. По разным оценкам, Юпитер дошёл чуть ли не до орбиты Марса. А потом они вернулись в устойчивую конфигурацию с близкими теперешним орбитами. Сейчас существуют численные модели, которые повторяют все эти процессы. Так вот, большие планеты начали вычищать из Солнечной системы все малые тела, которые не были использованы для строительства планет: часть уходила на периферию – это пояс Койпера, часть – в облако Оорта. А часть малых тел была вытолкнута во внутренние области Солнечной системы, где образовались каменистые планеты земного типа. Они падали на эти планеты, и этот процесс принёс воду на планеты земного типа. Мало того – он принёс, видимо, почти всю органику, необходимую для образования жизни.
– Насколько велика вероятность, что и жизнь принесли именно они?
– Скорее нет – они принесли всё, что нужно для строительства, все необходимые для возникновения жизни соединения.
– А что необходимо? Атмосфера, вода?
– Нужна каменистая планета с водой и хорошим климатом. Хоть мы сегодня и ругаем свой климат, но, к сожалению, в Солнечной системе это единственный такой объект, пригодный для жизни.
– Может, это сейчас он единственный?
– Вполне возможно. Кроме того, есть такая краеугольная фраза для космохимии и астробиологии: мы изучаем углеродную жизнь, которую знаем на Земле. О других формах жизни мы пока ничего не знаем.
– Но вы допускаете, что не исключены другие формы жизни?
– С формальной точки зрения, с точки зрения химии, биологии такое возможно. Даже искусственно строят разные формы жизни – есть же синтетическая биология, химия, и они небезуспешны.
– Главный вопрос: как же зародилась жизнь из того, что было необходимо?
– Мы до конца не знаем, как возникла жизнь. Есть несколько довольно продвинутых теорий, как возникала жизнь на Земле, но точного ответа на этот вопрос пока нет. Мы знаем, что жизнь возникла довольно рано: эти почти четыре миллиарда лет назад, когда завершалось остывание океана магмы на поверхности нашей планеты, начала формироваться вторичная атмосфера, тогда уже жизнь, видимо, была, но в самых простейших формах. В Австралии есть минералы, которым 4,1–4,2 миллиарда лет. Учёные видят в этих породах следы простейших форм жизни. Она довольно долго жила в океанах, а согласно одной из теорий – не в океанах, а в лужах, которые пересыхали, потом приходил океан, и они попадали туда.
Я не зря сказал про четыре миллиарда лет назад, когда Юпитер начал «большую чистку» Солнечной системы. Это период, когда появились кратеры на Луне, да и у нас на Земле тоже много кратеров – тогда астероиды и кометы падали на Землю. Это был период так называемой тяжёлой бомбардировки. Они принесли воду, но не только воду. Мы теперь знаем, изучая состав вещества астероидов, их астробиологический потенциал. Это совершенно фантастический результат перечисленных выше космических миссий к астероидам Рюгу и Бенну: астероиды – это химические фабрики.
– А какую функцию в Солнечной системе выполняют металлические астероиды?
– Сейчас космическая станция НАСА Psyche летит к астероиду Психея, это как раз металлический астероид. Мы хотим узнать, что находится в ядре нашей планеты. Ответ на этот вопрос могут дать металлические астероиды. Видимо, там имело место столкновение уже больших планетезималей, может, даже протопланетных ядер, когда произошла дифференциация. Дифференциация – это когда тяжёлые элементы, железо и никель, опускаются к ядру, а лёгкие, всякие силикаты, поднимаются к поверхности небесного тела. Это, видимо, плод таких столкновений тех астероидов, которые пошли на образование планетезималей – мы же знаем, что планеты у нас возникли не сразу. Они сталкивались друг с другом, объединялись, и осколки этих столкновений – как раз металлические астероиды. Это другой эволюционный путь. Но всё начиналось с тел с океанами.
– Как вы думаете, эти процессы универсальны для других звёздных систем?
– Думаю, да. Современными наземными и космическими телескопами мы видим очень молодые звёздные системы, где формируются планеты. Мы, конечно, не видим малых тел, но уже знаем по наблюдаемым избыткам излучения в инфракрасном диапазоне, что у некоторых звёзд в их планетных системах есть пояса астероидов. Космический телескоп имени Джеймса Вебба (James Webb) нам помогает с такими наблюдениями.
– Как вы думаете, жизнь – это случайность или неизбежность?
– Это вопрос открытый. Мы пока не можем на него ответить однозначно. Но у нас есть важнейшие результаты полётов к астероидам, и среди них – то, что там очень много сложных соединений. Сейчас, когда проводится детальный химический анализ доставленного на Землю вещества астероидов, установлено, что, например, в веществе с астероида Бенну присутствуют 14 аминокислот, а жизнь на Земле основана на 20 аминокислотах. Там много аммиака, довольно сложных органических молекул – например, витамин В3, важный для метаболизма. Там очень много органики, и некоторые «горячие головы» из НАСА и Японского космического агентства говорят: непонятно, почему там не возникла жизнь.
– Кстати, почему?
– Потому что океан довольно быстро замерз. Атмосферы там нет. Но мы видим там очень много органики, а эти тела падали на Землю и приносили всё это с собой. Есть ещё один фактор, необходимый для формирования жизни, о котором часто забывают: нужно довольно много времени и устойчивость системы. Вот четыре необходимых фактора – атмосфера, вода на скалистой поверхности астероида, химическое разнообразие среды и время. Может, их недостаточно, но они необходимы, по край‑ ней мере, для нашей Земли. Какой-то из этих факторов не сработал на астероидах.
Сейчас две космические миссии – ESA JUICE и NASA Europа Сlipper – находятся в пути к ледяным спутникам Юпитера – Европе и Ганимеду. Это большие тела, и это в настоящее время миры с океанами: слой льда сверху, ядро спутника окружено достаточно глубоким океаном и сильно солёной воды. В самом начале нашей Солнечной системы было довольно много таких тел с океанами. Поэтому, изучая астероиды, мы видим, что там выполняются все условия формирования жизни, за исключением последнего: времени. Океаны замёрзли быстро, и эти планетезимали на самой ранней стадии испытывали столкновения между собой. А вот относительно большие ледяные спутники планет-гигантов ещё не замерзли. Мы летим туда в надежде увидеть хотя бы простейшую биологическую активность. Ничто этого не гарантирует, но человечество упорно ищет внеземную жизнь.
– Как вы думаете, почему мы так хотим найти жизнь?
– Потому что, увидев жизнь в другом месте, мы поймём, как она возникла у нас. Сейчас астробиологи говорят, что космос должен кишеть жизнью, но мы пока её не видим.
– Значит, всё дело в нашем любопытстве?
– Вот представьте: мы сейчас сидим с вами вдвоём в офисе и говорим о небесных телах на безумно далёких расстояниях, безумно больших размеров, существующих в невероятных для нашего понимания диапазонах времени и пространства. Жизнь и её высшая интеллектуальная форма позволяют нам представлять всю эту картину окружающего мира. Понятно, что встаёт вопрос, насколько это универсально. Та живность, которая сейчас щебечет за окном, – они же таких вопросов не задают, эти вопросы гложут нас и движут нами. Не зря мы с вами после рабочего времени это обсуждаем. Мы горазды строить различные модели, представления, но мы движемся в этом направлении, и космические миссии, о которых я кратко рассказал, много дали нашему пониманию вопросов, как рождалась Солнечная система и как могла сформироваться жизнь на нашей планете. Хотя ещё больше того, что мы пока не понимаем, и это подстёгивает наш интерес.
Источник: НИР №7, 2025
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
[1] Планетезималь – небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного приращения более мелких тел.