Nature (Великобритания): Венера — темный двойник Земли, и космические агентства больше не могут сопротивляться ее притяжению

Космические агентства больше не могут сопротивляться притяжению Венеры. Когда-то она была райским уголком, изобиловавшим водой, а сейчас адская планета может рассказать, как найти обитаемые миры вокруг далеких звезд. Сегодня специалисты готовят миссии к Венере в надежде исследовать давно забытого соседа Земли и понять, что же произошло с темным двойником Голубой планеты.

Шэннон Холл (Shannon Hall)

Вертолет камнем летел вниз. Он падал с высоты 1500 метров над Мэрилендом, земля быстро приближалась, и машину немного закрутило. Хотя все шло по плану, это не помогло Джеймсу Гарвину (James Garvin) успокоиться. Вдобавок он вдруг осознал, что его ремень безопасности не застегнут полностью —в этот момент сердце бешено застучало.

Затем, когда до земли оставалось каких-то шесть метров, полет стал еще более экстремальным: пилоты резко вывели машину из штопора и взмыли в небо, только чтобы снова ухнуть вниз. Вертолет падал десять раз в этот день. И каждый раз Гарвин направлял камеру к земле через открытую дверь, пытаясь заснять топографию каменного карьера внизу — от массивных валунов до гладких слоев песка. Хотя его интересы вряд ли лежали на поверхности Земли.

Гарвин, главный научный сотрудник в Центре космических полетов Годдарда НАСА (Goddard Space Flight Center) в Гринбелте, штат Мэриленд, является ведущим исследователем предполагаемой миссии на Венере, в ходе которой в ее атмосферу должен быть сброшен зонд. Вот почему он нанял двух пилотов в августе 2016 года, чтобы они устремили вертолет к земле, пока он проверит, что сможет заснять зонд на Венере. Мучительный полет стоил того: исследователи хотели бы получить изображения Венеры такой четкости, что пейзаж стал бы узнаваемым. «Это будут такие фотографии, как если бы вы приземлились у себя на заднем дворе», — говорит Гарвин.

Гарвин — не единственный ученый, готовящий такую ​​смелую миссию. Почти все космические агентства по всему миру в настоящее время разрабатывают проекты по исследованию нашего давно забытого соседа. Индийская организация космических исследований (ISRO) будет первым агентством, которое запустит космический аппарат на орбиту на Венеры в 2023 году. Соединенные Штаты могут стать следующими. Гарвин и его коллеги — одна из немногих групп, которые вскоре готовы будут предложить несколько миссий НАСА, и если они будут отобраны, то отправятся на Венеру в 2025 году. Европейское космическое агентство (ЕКА) в настоящее время рассматривает предложение отправить орбитальный аппарат на Венеру в 2032 году. А российское космическое агентство «Роскосмос» работает в сотрудничестве с Соединенными Штатами, чтобы отправить на планету смелую миссию в промежуток с 2026 по 2033 год. Проект будет включать в себя орбитальный аппарат, посадочный аппарат, который рассчитан на краткосрочную работу и отправку данных, и исследовательскую станцию, которая продержится гораздо дольше.

Недавно обострившийся интерес резко контрастирует с тем фактом, что различные страны давно позабыли о Венере, и в основном пытались узнать больше о Марсе, астероидах и других планетах. Например, за последние 65 лет НАСА отправило на Марс 11 орбитальных аппаратов и 8 космических кораблей, а на Венеру — всего 2 орбитальных, и ни одного с 1994 года. Так сложилось не из-за отсутствия научного интереса. С середины 1990-х годов только американские ученые представили НАСА около 30 проектов по Венере. Ни один не был одобрен.

Но сейчас интерес к исследованию Венеры набирает обороты, отчасти потому, что, по словам ученых, именно там может скрываться разгадка того, что делает планету пригодной для жизни. Когда-то она была близнецом Земли, а сегодня Венера — адский уголок, где температура поверхности достигает более 400 °C, атмосферное давление способно сокрушить тяжелую технику, а по небу несутся облака серной кислоты. Если бы исследователи смогли понять, почему условия на Венере стали такими смертоносными, это помогло бы им оценить, может ли существовать жизнь на некоторых из тысячи и одной твердой планеты, которые астрономы открывают по всей Галактике.

Поскольку научных обоснований для исследования Венеры стало больше, ученые-планетологи придумывают новые способы изучения планеты и создают в лабораторных условиях технику, способную выдержать ужасные условия на ее поверхности. Вскоре после того, как Индия проложит путь, может появиться целый парад зондов, направляющихся ко второй от Солнца планете.

«С этого может начаться новое десятилетие Венеры», — говорит Томас Вайдеман (Thomas Widemann), планетолог Парижской обсерватории.

Большие неприятности

Когда люди впервые отправились к звездам, они решились исследовать Венеру. Именно она стала объектом первого успешного межпланетного исследования (Соединенные Штаты, 1962); первой планетой, на которой разбилась миссия (Советский Союз, 1965); и первым инопланетным миром, куда удалось совершить успешную посадку (Советский Союз, 1970). Именно во время этой космической гонки к Венере ученые узнали, что это жаркая и ядовитая планета. Это может объяснить, почему интерес к Венере угас. Ученые быстро поняли, что она не может стать ни исследовательской базой, ни местом, где можно искать жизнь. Было бы невообразимо трудно пытаться исследовать ее даже короткое время.

И все же во многих отношениях (по размеру, плотности, химическому составу) Венера — двойник Земли. Недавние исследования даже показали, что на протяжении трех миллиардов лет она могла бы выглядеть как Земля. Возможно, она была покрыта огромными океанами, в которых могла зародиться жизнь. «Вот от чего по-настоящему разыгрывается мое воображение, — говорит Дарби Дьяр (Darby Dyar), ученый-планетолог из Колледжа Маунт-Холиок в Саут-Хэдли, штат Массачусетс. — Если это так, у эволюции было достаточно времени, чтобы развернуться».

Это может означать, что Венера была (удивительным образом) первой обитаемой планетой в Солнечной системе — местом, где жизнь могла возникнуть с такой же вероятностью, как и на Земле. Одно только это —уже причина для возвращения в мир, где раньше были океаны. «Почему мы тратим так много времени на поиски жизни на Марсе, когда вода в жидком состоянии была там всего 400 миллионов лет?— задается вопросом спрашивает Дьяр. — На Венере вода была три миллиарда лет, а ее никто не любит».

Однако нет сомнений, что что-то пошло не так. Хотя Земля и Венера начинали одинаково, они двинулись по совершенно разным путям развития — и разошлись, возможно, еще 715 миллионов лет назад. Казалось бы, это причина, чтобы не навещать эту планету, но ученые теперь утверждают, что они еще больше заинтригованы. Если бы только исследователи могли понять, почему Венера претерпела такое смертоносное превращение, они могли бы лучше понять, отчего Земля стала такой безопасной гаванью для жизни.

«Венера играет ключевую роль для понимания, кто мы такие — как развивалась жизнь на нашей собственной планете», — говорит Адриана Окампо (Adriana Ocampo), руководитель научной программы в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне.

Этот вопрос особенно важен теперь, когда астрономы обнаружили тысячи планет за пределами нашей Солнечной системы, многие из которых представляют собой твердые миры, которые вращаются вокруг своих звезд на расстояниях, сходных с расстоянием от Солнца до Венеры и Земли. Это означает, что многие из этих миров могут быть похожи на Венеру. «В сообществе исследователей экзопланет растет понимание того, что Венера является лучшей в Солнечной системе моделью для многих найденных нами твердых экзопланет», — говорит Лора Шефер (Laura Schaefer), астроном из Стэнфордского университета в Калифорнии, изучающая экзопланеты.

Вне поля зрения

Пока на такой мучительно любопытный вопрос еще не найден ответ, неудивительно, что возвращение индийского агентства ISRO на Венеру вызвало такое большое волнение. «Я в восторге от того, что ISRO занимается этим, — говорит Дьяр. — Я очень рад, что международное сообщество обращает внимание на Венеру и предлагает миссии. Это потрясающе».

Хотя миссия ISRO окутана облаком секретности (журнал «Нэйче» посылал сообщения по электронной почте и звонил ученым, занятым на этом проекте, десятки раз — безуспешно), очевидно, что агентство планирует отправить на планету орбитальный аппарат, напичканный приборами. Когда ISRO объявил о миссии в конце прошлого года, он опубликовал список из дюжины предложенных индийскими учеными измерительных приборов, которые уже были отобраны, — что позволяет получить представление о миссии. Два из этих приборов будут пытаться получить изображение планеты с помощью радара, — возможно, это лучший метод для наблюдения и изучения поверхности Венеры с орбиты сквозь плотные облака.

Тем не менее, ISRO — относительно молодое космическое агентство, у которого за плечами лишь несколько успешных посадок на Луну и Марс. И, подобно программам других неопытных агентств, первая индийская миссия на Венеру может быть экспериментальной проверкой концепции, которая в большей степени ориентирована на инженерию, чем на науку. Но, учитывая, что даже базовой информации о Венере не хватает, любой маленький шаг внесет вклад в науку.

Таким вкладом могли бы стать новые карты деталей рельефа Венеры — важный шаг с научной точки зрения. Последней миссией по составлению топографической карты планеты был орбитальный аппарат НАСА «Магеллан», запущенный 30 лет назад. Хотя эти радиолокационные карты и сегодня являются базой для изучения геофизики Венеры, они показывают топографические детали с горизонтальным разрешением в среднем всего в 10-20 километров на пиксель (разрешение изображения может быть в десятки раз выше). Поскольку топографические данные настолько скудны, исследователи имеют расплывчатое представление о геологии Венеры, но имеющиеся карты намекают на то, что движение тектонических плит может и сейчас идти полным ходом.

Это особенно любопытно, ведь многие ученые считают, что тектоническая активность является ключевым компонентом жизни. Тектонические плиты — сталкивающиеся друг с другом куски земной коры, которые соединяются вместе, как кусочки головоломки, постоянно движутся, некоторые соскальзывают под другие и погружаются во внутреннее пространство планеты в процессе, называемом субдукцией. В течение миллионов лет этот процесс не позволял Земле становиться слишком горячей или холодной благодаря циркуляции теплоулавливающего углекислого газа между атмосферой и глубинами Земли. Он действует как естественный термостат, а это может означать, что на таких подвижных планетах с большей вероятностью может возникнуть жизнь.

Так что ученые стремятся понять, при каких условиях возникает тектоника плит. Вот почему Сюзанна Смрекар (Suzanne Smrekar), планетолог из Лаборатории реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory) в Пасадене, штат Калифорния, пристально изучает Венеру, особенно те ее участки, которые очень похожи на места на Земле, где сейчас происходит субдукция. Ученые сходятся во мнении, что субдукция — это первый шаг на пути к тектонике плит, и тем не менее на Венере нет явных признаков больших движущихся плит — по крайней мере, на картах, полученных «Магелланом» несколько десятилетий назад. Разлом Сан-Андреас, который, например, образует тектоническую границу между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами Земли, варьируется по ширине от нескольких метров до километра — он слишком узкий, чтобы такой разлом было заметно в топографических данных «Магеллана».

Полученные в будущем карты могут раскрыть такие тектонические особенности. Смрекар — главный исследователь возможной миссии, известной как «Веритас» (VERITAS), которую она и ее команда вскоре предложат НАСА. Эта геофизическая миссия будет использовать радиолокатор, чтобы получить топографические снимки венерианского рельефа с более высоким разрешением, чем раньше-точность возрастет примерно с 15 километров до 250 метров — и позволит ученым впервые обнаруживать такие мелкие объекты, как разлом Сан-Андреас.

Хотя ученые не знают, что они найдут, возможно, они обнаружат доказательства подвижности тектонических плит в прошлом. Такое открытие объяснило бы, почему на Венере миллиарды лет сохранялась подобная Земле среда, говорит Смрекар, — таким естественным термостатом мог бы служить CO2. Это дало бы объяснение тому, как Венера превратилась в ад. Когда тектоника плит прекратилась, в атмосфере могло стать больше CO2, и он удерживал бы столько тепла, что океаны испарились.

Но на планете могут обнаружить не только это. Некоторым ученым не терпится изучить атмосферу планеты, которая таит в себе еще целый ряд дразнящих воображение секретов.

Зонд под названием «Давинчи» (DAVINCI), который Гарвин предлагает отправить на Венеру, должен упасть, пролетев сквозь атмосферу, чтобы измерить количество токсичных соединений. Изотопы благородных газов, в частности, ксенона, могут позволить ученым заглянуть в историю вулканической деятельности планеты и показать, было ли на Венере изначально столько же воды, как на Земле. «Атмосфера Венеры — это таинственная лаборатория, которая рассказывает нам об истории планеты, — говорит Гарвин. — И действительно, большинство замеров, сделанных в атмосфере, удручающе неполноценны». Кроме того, зонд будет делать снимки поверхности — благодаря жутким полетам Гарвина на вертолете — вплоть до последних нескольких секунд перед самым столкновением с поверхностью.

И «Давинчи», и «Веритас» 1 июля примут участие в конкурсе НАСА на будущие миссии «Дискавери» (Discovery) — это линейка недорогих планетарных зондов, каждый из которых стоит всего 500 миллионов долларов США. Ходят слухи, что они не одиноки. Среди десятков предложений по изучению различных объектов в космосе может быть целых пять венерианских миссий (включая аэростат). Например, на предыдущем конкурсе «Дискавери» НАСА в 2015 году было рассмотрено 27 предложений —от зондов, которые будут исследовать астероиды, спутники и планеты по всей Солнечной системе, до телескопов, которые будут ловить изображения ее отдаленных уголков, — прежде чем были одобрены две миссии, которые отправятся в космос.

В конце этого года администрация выберет несколько миссий для дальнейшей разработки и через два года определит, каким будет окончательный проект. И Смрекар, и Гарвин надеются, что каждая из их миссий окажется в финале, отчасти потому, что они уже предлагали аналогичные миссии на последнем конкурсе «Дискавери», и их отобрали для дальнейшего изучения наряду с тремя другими. Если одна из венерианских миссий успешно дойдет до последнего этапа, она будет запущена в середине 2020-х годов.

Даже по прошествии этих лет Венера может оставаться главной магистралью межпланетной активности. ЕКА (Европейское космическое агентство) недавно отобрало венерианский зонд под названием «Энвижн» (EnVision) наряду с двумя другими финалистами в качестве миссии, которая может быть запущена уже в 2032 году. Как и «Веритас», «Энвижн» представляет из себя орбитальный космический аппарат. Но в отличие от «Веритас», который призван получить изображение всей планеты с разрешением 15-30 метров, «Энвижн» будет анализировать отдельные участки планеты с разрешением до 1 метра. На этом уровне точности ученые смогут увидеть следы посадок, оставленные Советским Союзом.

Возможно, они даже смогут узнать, на каком минерале покоятся посадочные модули. Это возможно благодаря открытию, сделанному астрономами в начале 1990-х годов, что определенные длины волн света могут проходить через туман CO2, который затянул поверхность Венеры. Орбитальный аппарат со спектрометром, настроенным на эти прозрачные «окна» в световом спектре, мог бы изучать состав поверхности планеты, пролетая над облаками. Это захватывающая перспектива, особенно если ученые смогут обнаружить гранит.

Как и базальт, гранит образуется, когда расплавленная магма остывает и затвердевает. Но в отличие от базальта, для формирования гранита обычно требуется значительное количество воды — именно так он образуется на Земле, когда залитая водой океаническая плита погружается под другую плиту. Так что, если окажется, что Венера богата гранитом, она, вероятно, в когда-то была покрыта водой.

И это может быть лучшим свидетельством того, что Венера раньше была бледно-голубой, совсем как сегодняшняя Земля — ещё одна подсказка для воссоздания истории того, как и почему они стали такими разными.

Проблема в том, что в атмосфере Венеры есть только пять узких спектральных окон, которые на самом деле прозрачны. С таким небольшим количеством данных ученые не были уверены, смогут ли они отличить гранит от базальта. Поэтому Йорн Хелберт (Jörn Helbert), ученый-планетолог из Института планетарных исследований в Берлине, поместил оба типа породы в условия, подобные венерианским и получил их изображения с помощью такого узкого спектра частот. Его эксперимент показал, что спектральные характеристики этих двух пород радикально отличны друг от друга, так что будущие миссии могут использовать для исследований «окна». Вместе с коллегами он создал прибор, который сможет использовать эту хитрость для того, чтобы разыскать и отметить на карте гранит на поверхности Венеры. Прибор будет входить в состав оборудования «Веритас» и «Энвижн».

Рукой подать

Чтобы как следует изучить поверхность, некоторые ученые подумывают о том, чтобы посадить туда космический аппарат — совершить этот подвиг так по-настоящему никому и не удалось за 35 лет. Хотя Советский Союз отправил несколько кораблей на Венеру, те, что до нее добрались, быстро уступили суровым условиям планеты: самый стойкий продержался всего 127 минут.

Но ученые надеются побить этот рекорд и уже разработали технологию, которая может пробыть на планете не минуты, а месяцы. Команда исследовательского центра Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо, строит станцию, которая должна просуществовать не менее 60 дней. Вместо того, чтобы задействовать большую часть энергии аппарата для поглощения тепла или противодействия условиям среды с помощью охлаждения, спускаемый аппарат оснастили бы простой электроникой, сделанной из карбида кремния (соединение кремния и углерода, которое обычно применяют для изготовления наждачной бумаги и фальшивых алмазов), который может быть устойчив к окружающей среде Венеры. «Это бы в корне изменило подход к исследованию Венеры», — говорит Филипп Нойдек (Philip Neudeck), инженер по радиоэлектронике из Исследовательского центра Гленна.

Команда уже провела испытания электронных схем в камере-симуляторе «Венера-14» —резервуаре из нержавеющей стали объемом 14 тонн, который может имитировать температуру, давление и особый химический состав поверхности Венеры. Исследователи использовали эти результаты для разработки стационарного поверхностного зонда под названием LLISSE (Long-Lived In-Situ Solar System Explorer, «Долговременный местный исследователь солнечной системы»), который должен быть готов к полету к середине 2020-х годов и будет предложен и другим странам. «Любая миссия на Венеру сможет использовать LLISSE», — говорит инженер-электронщик Гэри Хантер (Gary Hunter), который также работает в Исследовательском центре Гленна. Он и его команда приложили все усилия, чтобы спроектировать посадочный аппарат, который будет размером с тостер, — чтобы он был легким и компактным и мог путешествовать с целым рядом будущих миссий.

Несмотря на свои небольшие размеры, LLISSE сможет регистрировать температуру, давление, скорость ветра, направление ветра, количество солнечной энергии на поверхности и некоторые специфические химические вещества в нижних слоях атмосферы. И он сможет делать это на протяжении нескольких месяцев, внося критически важный вклад в моделирование атмосферы Венеры. «Представьте себе, что кто-то попытается сказать, что изучил земную погоду, выйдя на улицу на 127 минут», — говорит Хантер. Именно таков текущий рекорд записи метеорологических данных на Венере.

Ученые Роскосмоса уже стремятся использовать эту новую технологию. В совместном проекте с НАСА они работают над миссией, известной как «Венера-Долгоживущая», или просто «Венера-Д». В составе этой миссии будет целая коллекция компонентов — орбитальный аппарат, посадочный модуль и долгоживущую станцию. На спускаемом аппарате будет целый ряд приборов, но он сможет продержаться лишь несколько часов; станция с длительным сроком службы будет проще по конструкции, но продолжит проводить измерения в течение нескольких месяцев. Станция, вероятно, будет аппаратом "LLISSE" НАСА.

По крайней мере, такова основная структура, однако миссия может быть расширена. В этом году команда «Венеры-Д» выпустила отчет, который охватывал ряд потенциальных дополнений, в том числе аэростат, который мог бы исследовать облачную атмосферу. И это открывает возможность поиска жизни на Венере. Все другие предложенные миссии пока направлены на то, чтобы оценить, была ли Венера пригодна для жизни в прошлом. Но воздушный шар мог бы искать жизнь в единственной среде, где она могла бы выжить сегодня: в небе.

«Давайте представим, что где-то между горячей враждебной поверхностью и холодным вакуумом космического пространства существует область с такими условиями, где могла бы существовать жизнь, как "зона Златовласки" (обитаемая зона — прим. перев.)», — говорит Дьяр. В этом слое не только приятные температурные условия, там также могут быть питательные вещества, жидкая вода и энергия Солнца. Если бы жизнь когда-либо существовала на планете, она могла бы переместиться в облака и выжить там после того, как поверхность стала токсичной.

Но даже без аэростата три главных компонента миссии «Венера-Д» смогут собрать отличные научные данные, утверждает Окампо. «Это была бы прорывная для изучения Венеры миссия, — говорит она. —У нас раньше не было ничего подобного».

К сожалению, «Венера-Д» пока не одобрена, и многие ученые выразили некоторую обеспокоенность по поводу того, что проект уже давно обсуждается и все еще не получил соответствующего финансирования. Но Людмила Засова, ведущий научный сотрудник миссии «Венера-Д» в Институте космических исследований в Москве, надеется, что в этом году все изменится.

Это не единственная крупная амбициозная миссия, которая находится в разработке. Некоторые американские команды планируют представить венерианские проекты для программы НАСА «Новые рубежи» (New Frontiers), которая ограничена одним миллиардом долларов США, и для программы флагманских миссий, которая стоит еще дороже. Поскольку предложения запуска миссий на Венеру имели успех в предыдущих конкурсах (и зачастую шли с минимальным отрывом от одобренных предложений), ученые думают, что есть хороший шанс, что теперь они дойдут до финала.

Все космические агентства не упускают из виду нашего соседа, и в ближайшие несколько десятилетий Венера, вероятно, примет целый отряд посетителей. И хотя все они планируют так или иначе решить вопрос обитаемости, Гарвин убежден, что все, что они найдут, будет «за гранью наших самых смелых фантазий». Возможно, они докажут, что Венера раньше была покрыта океаном. Или, может быть, они обнаружат, что сегодня на планете присутствует тектоническая активность. «Нам нужно это выяснить, — говорит он. — Она только и ждет возможности поведать нам свои тайны, и я бы не хотел упустить такой шанс».