Фрагменты земной коры, выброшенные в космос при ударах крупных астероидов, могли занести жизнь на спутники Юпитера и Сатурна

Столкновение крупного астероида с планетой в представлении художника

Рис. 1. Столкновение крупного астероида с планетой в представлении художника. Рисунок с сайта donaldedavis.com

Удары астероидов выбивают некоторое количество материала с поверхности Земли и Марса в космос. При этом часть обломков не падает назад, а остается в межпланетном пространстве и через некоторое время может попасть на другие тела Солнечной системы. Согласно результатам моделирования, выполненного американскими учеными, за последние 3,5 млрд лет таким способом на Марс могло попасть около 100 млн тонн, а на спутник Юпитера Европу — около 2000 тонн земного материала, в котором могли оказаться и фрагменты, подходящие для переноса спор микроорганизмов. Таким образом, предположение о возможности переноса жизни в Солнечной системе получает новые подтверждения.

Обитаемые тела Солнечной системы

С начала эпохи межпланетных зондов и до конца XX века считалось, что единственное обитаемое место в Солнечной системе — Земля, но теперь находится все больше подтверждений тому, что это может быть не совсем так. В Солнечной системе есть несколько тел, где имеются (или, возможно, имелись в прошлом) подходящие, и даже комфортные, условия для жизни на углеродно-водной основе. Так, данные исследований автоматическими зондами свидетельствуют, что на Марсе в прошлом имелись все необходимые условия для обитаемости, причем гораздо раньше, чем они стабилизировались на Земле (см.: Caleb A. Scharf. Maybe Mars Seeded Earth’s Life, Maybe It Didn’t, August 29, 2013; В эпоху Ноя на Марсе была вода, «Элементы», 02.12.2006), а пригодные для экстремофилов экологические ниши могли сохраниться и по сей день. Как минимум два тела во внешней части системы — спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад — имеют ледяные поверхности, под которыми с большой вероятностью скрываются резервуары жидкой воды. Условия в них (температура, давление, соленость, наличие питательных веществ) могут быть весьма похожими на таковые в земных океанах (см. также: Новости из Солнечной системы: гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой, «Элементы», 07.02.2014).

Возможная пригодность для жизни других планет и их спутников ставит ряд серьезных практических проблем перед исследователями Солнечной системы. Одна из них — стерилизация межпланетных аппаратов, отправляемых к ним с Земли. По существующим правилам, перед стартом космические аппараты должны проходить сложные и дорогостоящие процедуры, чтобы очиститься от земных (микро-)организмов (см. Planetary protection). Особенно важно это сделать, если предполагается контакт с атмосферой или поверхностью исследуемой планеты. Дело в том, что споры бактерий могут некоторое время переносить космические условия, то есть они могут дожить до конца маршрута и попасть в благоприятную для себя среду. В таком случае произойдет биологическое заражение другой планеты (см. Interplanetary contamination). Это создаст проблемы при поисках жизни или даже может разрушить нативную экосистему (если она есть).

Литопанспермия

Теоретически, жизнь может путешествовать по Солнечной системе не только с помощью спутников и межпланетных станций, но и естественным путем. Гипотеза о том, что жизнь может распространяться между крупными телами во Вселенной, используя в качестве транспорта астероиды, кометы и прочие мелкие объекты, получила название панспермия (см. также Panspermia). Чтобы избежать путаницы с «техногенным» способом переноса жизни, для «естественной» панспермии иногда используют термин литопанспермия (Lithopanspermia).

При падении астероидов на поверхность планеты и образовании кратера часть материала выбрасывается из него со скоростями, достаточно высокими, чтобы преодолеть притяжение планеты и оказаться на орбите вокруг Солнца. Начав свое путешествие в космическом пространстве, эти куски материала рано или поздно могут упасть на другое космическое тело, например на Землю. В качестве примеров можно привести метеорит ALH 84001 (рис. 2) и другие марсианские метеориты, найденные на поверхности нашей планеты. Анализ их изотопного состава, а также микроскопических газовых включений показывает, что он аналогичен составу марсианского грунта и марсианской атмосферы (см., например, статью H. Chennaoui Aoudjehane et al. 2012. Tissint Martian Meteorite: A Fresh Look at the Interior, Surface, and Atmosphere of Mars, в которой описано исследование упавшего в Марокко в 2011 году метеорита — Tissint meteorite). Метеорит ALH 84001 был выбит на гелиоцентрическую орбиту около 15 миллионов лет назад, а приземлился в Антарктиде около 13 тысяч лет назад, проведя в космосе полтора десятка миллионов лет. В 1996 году ученые НАСА заявили об обнаружении на этом метеорите микроскопических структур, напоминающих окаменевшие бактерии. Впрочем, в научном сообществе есть большой скепсис по этому поводу.

Марсианский метеорит ALH 84001

Рис. 2. Марсианский метеорит ALH 84001 — возможный переносчик жизни с Марса на Землю. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Таким образом, перенос материала (а, может, и чего-то еще...) по крайней мере с Марса на Землю совершенно точно происходит. А возможен ли перенос материала в обратном направлении, с Земли на Марс, да и вообще между двумя любыми твердыми телами Солнечной системы? Если он возможен, то каковы его параметры? Прямых доказательств существования переноса нет, поэтому исследователи используют вычислительные методы. Об одном из этих исследований, выполненном недавно группой ученых с Отделения астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания во главе с Рэйчел Уорт (Rachel J. Worth), и будет рассказано чуть ниже.

Исследование литопанспермии можно разделить на нескольких отдельных вопросов:
1) Какая доля выброшенного при падении астероида на планету материала приобретает скорость, превышающую вторую космическую?
2) Каковы должны быть условия выброса, переноса и падения для того, чтобы внутри фрагмента сохранились жизнеспособные организмы?
3) Какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос?

Первые два вопроса были исследованы в статье C. Mileikowsky et al. 2000. Natural Transfer of Viable Microbes in Space: 1. From Mars to Earth and Earth to Mars, к которой и обращались авторы обсуждаемого ниже исследования. Ответ на первый вопрос зависит от многих факторов, среди которых отношение скорости подлетающего астероида ко второй космической скорости планеты и плотность ее атмосферы. Например, для Земли минимальная скорость падающего астероида, необходимая для заметного выброса материала в космос, составляет 30 км/c. По оценкам, суммарная масса выброшенного (за все время существования Земли) материала составила 0,02% от массы всех астероидов, падавших на Землю. При этом основная доля выбросов с Земли приходится на крупные столкновения, поскольку только в них образуются достаточно большие фрагменты, чтобы их не затормозило сопротивление воздуха.

Ответ на второй вопрос определяется, в основном, размером выбитого в космос фрагмента. Обломок должен быть достаточно большим, чтобы в нем остались области, не нагретые выше 100°С, и чтобы экранировать космическую радиацию. Минимальный необходимый для защиты от нагрева размер составляет 0,2 м. А вот с защитой от космического излучения сложнее. Согласно расчетам, в центре фрагмента диаметром 3 м споры экстремофильной бактерии Deinococcus Radiodurans — самого устойчивого к радиации из всех известных микроорганизмов — могут просуществовать около 10 млн лет. Ускорение и действие ударных волн при выбросе практически не являются факторами, представляющими опасность. Авторы одного из исследований подсчитали, что при падении на Марс астероида диаметром 200 м, пиковые перегрузки для большинства выброшенных на орбиту фрагментов будут иметь порядок 300 000 g. Они же выяснили экспериментальным путем, что бактерии нечувствительны к перегрузкам до 450 000 g и выживают при действии очень сильных кратковременных ударных волн.

Авторы обсуждаемой статьи проверили полученные группой Милейковского оценки числа выброшенных в космос фрагментов породы Земли и Марса. Получилось, что около 300 миллионов фрагментов подходящего размера было выбито с Земли и около 600 миллионов — с Марса за время, прошедшее с конца Поздней тяжелой бомбардировки, то есть за последние 3,5 миллиарда лет.

Суммируя сказанное, можно заключить, что микроорганизмы в принципе способны пережить и выброс с поверхности планеты в космос, и, возможно, длительное путешествие внутри фрагмента коры, и даже столкновение с другой планетой. Другими словами, пока не видно теоретических препятствий к такому способу распространения жизни.

Исследование переноса между телами Солнечной системы

Авторы попытались ответить на третий вопрос: какая доля выброшенного на гелиоцентрическую орбиту материала падает на другие тела и сколько времени занимает перенос? Поскольку смоделировать поведение такого колоссального числа объектов практически невозможно, ученые просчитывали орбиты около 100 000 фрагментов, выброшенных с Земли и Марса, в течение 10–30 миллионов лет после выброса. Было получено первое достаточно полное исследование вероятностей всех событий, которые могут произойти с фрагментами: падение на другие планеты, падение обратно на исходную планету, падение на Солнце, выход из Солнечной системы и попадание на стабильные гелиоцентрические орбиты. В начальный момент объекты были помещены случайным образом на поверхность сферы Хилла своей планеты (например, для Земли радиус сферы Хилла примерно равен 360 земных радиусов). Начальные скорости подбирались так: к орбитальной скорости планеты добавлялись поправки, которые были распределены случайно в диапазоне от нуля до трех скоростей убегания на таком расстоянии от планеты (для Земли эта скорость равна 0,58 км/с, для Марса 0,28 км/с). Это не естественное распределение, однако оно позволяет качественно оценить влияние скорости выброса на последующую судьбу фрагмента.

При расчете участков орбиты фрагмента, пролегающих вдали от планет, использовался симплектический интегратор (см.: Symplectic integrator), учитывающий сложные орбитальные резонансы в поле тяготения Солнца и восьми планет. А если фрагменту предстоял пролет вблизи от планеты, симуляция автоматически переключалась в другой режим для более точного вычисления последующей траектории с учетом тяготения планеты и ее спутников. Кроме того, для исследования поведения фрагментов при близких пролетах планет-гигантов использовались отдельные симуляции, в которых фрагменты, имеющие случайное распределение скоростей и начальных положений, «помещались» на траектории подлета к Юпитеру и Сатурну. Эти симуляции позволили понять, какая часть фрагментов попадает на крупные спутники, а какая — на саму планету.

Основные полученные результаты представлены на рисунке 3 и в таблице. Как видно, значительная часть фрагментов, «покружив» на гелиоцентрических орбитах, падает обратно на исходную планету. Это и неудивительно, ведь сначала «медленные» фрагменты расположены на орбитах, мало отличающихся от орбиты родной планеты, и часто подходят к ней близко. Доля фрагментов, упавших обратно, составляет 40% для Земли и 16% для Марса. Причем большая часть падает обратно за первый миллион лет, а затем количество возвращающихся на «родную» планету фрагментов быстро снижается.

Распределение по времени для переноса материала

Рис. 3. Распределение переноса материала по времени. По горизонтали указано время переноса (в млн лет), по вертикали — проценты от общего числа выброшенного материала, для которого перенос занял данное время. Рисунок из обсуждаемой статьи в Astrobiology

Эти результаты позволяют описать механизм, по которому жизнь на Земле появилась сразу после конца Поздней тяжелой бомбардировки. Дело в том, что не найдено почти никаких земных горных пород старше 3,8 млрд лет, что свидетельствует о крайней суровости этого катаклизма, но уже 3,5–3,8 млрд лет назад на Земле была жизнь. Если на планету падает астероид пятисоткилометрового размера (что наверняка случалось в этот период неоднократно), она будет стерилизована, но жизнь может сохраниться на выбитых с ее поверхности осколках коры. Эти фрагменты на некоторое время становятся лучшим местом для жизни, поскольку на самой планете океаны испаряются, а вся поверхность окутывается перегретой смесью скального и водяного пара с давлением в сотни атмосфер и температурой в тысячи градусов. Однако к моменту падения фрагмента обратно условия возвращаются к нормальным. Таким образом, литопанспермия, возможно, позволяет сохранить планетарную биосферу при самых крупных столкновениях.

Абсолютные и относительные данные численного моделирования орбит фрагментов

Таблица. Абсолютные и относительные данные численного моделирования орбит фрагментов. Два левых столбца с числами содержат данные по выброшенным с Земли осколкам, два правых — с Марса. Видно, что в обоих случаях большинство фрагментов оставались на устойчивых орбитах (Orbit) или падали на свою «родительскую» планету. Существенная часть фрагментов покинула пределы Солнечной системы. Также видно, что на Солнце и внутренние планеты попадает больше фрагментов, чем на внешние. Таблица из обсуждаемой статьи в Astrobiology

Перенос материала на другие планеты занимает большее время, чем падение на исходную планету. Чем дальше находится «пункт назначения» от исходной планеты, тем меньше доля перенесенного материала, тем больше среднее время переноса и тем позже первые фрагменты достигают данной планеты. По сравнению с остальными планетами больше всего материала попадает с Земли на Венеру. Но это, конечно же, не может поспособствовать распространению жизни в Солнечной системе: все фрагменты, падающие на ее разогретую до 460°С поверхность, быстро стерилизуются. С Земли на Марс попадает в 30 раз меньше материала, чем с Марса на Землю, но за всю историю Солнечной системы общая масса перенесенного материала может измеряться сотнями миллионов тонн, а количество фрагментов диаметром больше 3 м — сотнями тысяч тонн, чего более чем достаточно для переноса спор микроорганизмов.

Несколько процентов от общего числа выброшенных фрагментов либо упадет на Солнце, либо вылетит из Солнечной системы, а значительная доля окажется на устойчивых орбитах вокруг Солнца (40% с Земли, 75% с Марса). Это открывает поразительные и захватывающие возможности: где-то среди астероидного пояса находятся десятки миллиардов тонн вещества древней земной коры, выброшенные с нее астероидными ударами, и, в отличие от скал на самой Земле, не затронутых эрозией. Идеальное хранилище палеонтологического материала, миллионы законсервированных отпечатков древних эпох, которые только стоит отыскать где-то на гелиоцентрических орбитах...

На планеты-гиганты попадает значительно меньше материала, чем на внутренние планеты: на Юпитер упало 0,4% земного и 0,04% марсианского материала, на Сатурн — около 0,007% и меньше 0,002% соответственно. Конечно, фрагмент, падающий на газовый гигант, безвозвратно исчезает где-то в океане металлического водорода, но если какое-то их количество падает на сами гиганты, то и мимо тоже что-то пролетает, и некоторые из них могут попасть на их спутники. Вероятности этих событий, рассчитанные на основе моделирования, малы, но они все равно дают существенное количество материала, если учитывать все крупные астероидные удары за всю историю Солнечной системы. К примеру, только падение астероида в конце мелового периода и образование кратера Чиксулуб вызвало выброс примерно 7·1011 кг материала в космос, из которых 20 т могло упасть на Европу (спутник Юпитера). За последние 3,5 млрд лет туда могло попасть несколько тысяч тонн земного материала, и в том числе шесть фрагментов размером более трех метров. Значительная доля этого материала, благодаря подвижности ледяной коры Европы, уже могла достичь дна ее океана, на котором условия могут быть похожи на условия в черных курильщиках на дне земных океанов.

Направление выброса нисколько не влияет на вероятности и времена переноса выброшенных фрагментов, и, что менее ожидаемо, на них практически не влияет и скорость выброса. Скорость 0–2 км/c является малой добавкой к гелиоцентрической скорости исходной планеты (у Земли это 30 км/c), и потому все фрагменты оказываются на очень похожих орбитах. Влияние орбитальных резонансов на них, а значит, и характерное время изменения эксцентриситета для этих орбит примерно одинаково. Однако чем медленнее фрагмент, тем ближе его орбита к орбите исходной планеты, поэтому для медленных фрагментов больше вероятность падения на исходную планету, а для более быстрых — на другие только за счет того, что они реже падают обратно.

Эффект Ярковского

Является ли обсуждаемое исследование достаточно полным? Симплектические интеграторы, использованные при моделировании в упомянутых работах, хорошо учитывают влияние гравитационных возмущений планет Солнечной системы, в том числе резонанс орбитальной прецессии, который вносит основной вклад в изменение орбит фрагментов, однако они не учитывают влияние негравитационных факторов, в первую очередь — эффекта Ярковского. Большинство астероидов вращаются вокруг своей оси. Также они нагреваются Солнцем. За счет этого «вечерняя» сторона фрагмента, нагретая «днем», всегда чуть теплее «утренней», и излучает больше инфракрасного излучения в космос, а поскольку любое излучение переносит импульс, астероид испытывает влияние слабой, но постоянной реактивной силы в направлении своей «утренней» стороны. Это ускорение обратно пропорционально радиусу астероида. Для стометровых тел оно имеет порядок 10–13 м/c2 и способно привести к изменению орбитальной скорости на сотни метров в секунду за характерное время переноса (десятки миллионов лет, то есть 1015 с), а для более мелких могут привести к непредсказуемым последствиям за десятки тысяч лет.

Включать в модели эффект Ярковского крайне сложно, поскольку здесь многое зависит от физики прогрева астероида, его формы и излучательной способности, текущих параметров орбиты, а также некоторых других факторов. Самое лучшее, чего можно добиться с нынешним уровнем развития вычислительной техники, — это определить, при каких орбитальных параметрах (включая частоты прецессии) влияние на эти параметры малого дополнительного ускорения компенсируется, а при каких — нет.

Благодаря проведенному исследованию появляются доводы в пользу возможности влияния литопанспермии на распространение жизни в Солнечной системе, однако еще многое в этой теме остается неисследованным.

Источник: R. J. Worth, Steinn Sigurdsson, Cristopher H. House. Seeding Life on the Moons of Outer Planets via Lithopanspermia // Astrobiology. 2013. V. 13. P. 1155–1165. DOI:10.1089/ast.2013.1028.

Иван Лаврёнов


27
Показать комментарии (27)
Свернуть комментарии (27)

  • Athei  | 02.04.2014 | 23:41 Ответить
    Отличная статья, спасибо!
    Ответить
  • PavelS  | 03.04.2014 | 01:59 Ответить
    Окончание статьи в стиле "слона-то мы и не заметили". Т.к. если учитывать эффект Ярковского, то возможно самые мелкие фрагменты размером порядка 20см будут менять свою орбиту так быстро, что уже за тысячи лет долетят до пункта назначения. К тому же их численно будет больше. Возможно эта скорость также защитит от радиации.
    Ответить
    • torque_xtr > PavelS | 03.04.2014 | 13:43 Ответить
      И однако марсианские метеориты летали достаточно долго, тот же ALH 84001 - пятнадцать миллионов лет. Поэтому, как минимум в некоторых случаях, эффект Ярковского компенсируется. Мне кажется, этому есть и еще более сильное свидетельство, то, что распределение болидов по яркостям (а следовательно, околоземных метеороидов по размерам) не демонстрирует сильных отклонений от той же общей зависимости, которая известна для больших объектов, а иначе бы популяция мелких объектов была бы очень снижена... Иначе бы у нас не было падающих звезд, а были бы только редкие, но меткие челябинские метеориты :-) Скорее, мы чего-то еще не знаем об эффекте Ярковского - в большинстве случаев есть компенсация.
      Ответить
      • Combinator > torque_xtr | 03.04.2014 | 14:45 Ответить
        Да, похоже. Например, два других марсианских метеорита (Ямато и Нахла), в которых тоже нашли структуры, напоминающие биогенные, летели до Земли соответственно 12 и 11 млн. лет.
        Ответить
        • torque_xtr > Combinator | 03.04.2014 | 15:51 Ответить
          С другой стороны, строго говоря в распределении метеороидов по размеру среднее влияние эффекта Ярковского, наверное, уже отражено - тут надо сравнивать наблюдаемое с модельным. Однако мелких тел все равно намного больше, чем крупных, и следовательно, нет эффективного механизма их удаления. А вот на микронном уровне вступает в действие эффект Пойнтинга-Робертсона, http://en.wikipedia.org/wiki/Poynting%E2%80%93Robertson_effect тормозящий частицы с ускорением, обратно пропорциональным их радиусу, и еще чуть позже - выметание световым давлением. Для их действия компенсирующего эффекта нет - на микронном масштабе наблюдается резкий обрыв, и более мелких частиц не наблюдается.
          Ответить
      • PavelS > torque_xtr | 03.04.2014 | 16:09 Ответить
        Тут нет нужды считать "среднюю температуру по больнице" вычисляя статистику. Не соль важно какой процент метеоритов стабилизируется, какой нет. Важно то, что если допустить что мелкие песчинки будут очень быстро долетать до своей цели - то они столь же быстро занесут жизнь на далёкие от Земли объекты. И тут уже не важно, что трёхметровые валуны будут лететь годами.
        Ответить
        • torque_xtr > PavelS | 03.04.2014 | 16:36 Ответить
          Если брать верхний предел на влияние эффекта, как у астероида Голевка, и считать от него, то те же метровые тела могут изменять орбиты за десятки тысяч лет, а самые мелкие из пригодных фрагментов - и за тысячу, так что эффект Ярковского может влиять на все рассматриваемые тела. А фрагменты меньше сантиметра сгорают в атмосфере и испаряются при столкновении даже с ледяной поверхностью полностью, так что они непригодны.
          Тут уже вопросы, хватит ли размеров "быстрой популяции" на эффективный перенос, или таких тел слишком мало...
          Ответить
  • GogaRostov  | 03.04.2014 | 12:46 Ответить
    А вопрос о существовании сложных органических форм, потенциально разумных, в пределах Солнечной системы, насколько я понимаю, уже давно закрыт?
    Ответить
    • torque_xtr > GogaRostov | 03.04.2014 | 13:36 Ответить
      В исследованных местах да. Я бы оставил заметную ненулевую вероятность многоклеточной жизни в океанах Европы, но достаточно маловероятно, что там что-то доэволюционирует до разумности. На Марсе, с учетом литопанспермии, скорее удивлюсь, если _не_ найдут жизнь (хотя и нескоро), а где-то глубоко под поверхностью, может, и сохранилась примитивная многоклеточная, но для разумной и даже сложной многоклеточной там условия совсем не те, очень мало и питания, и источников энергии. Насколько понимаю, ограничение на мощность биосферы приблизительно следует из темпа производства метана на Марсе, которое следует из верхних границ на содержание метана в атмосфере (там что-то в диапазоне меньше одной миллиардной) и темпов его разрушения в атмосфере. Получается, если не ошибаюсь, меньше десяти грамм в секунду на всю планету, и суммарный темп метаболизма не может быть намного больше этого. Какой тут разум?...
      А вот экзопланеты - дело другое, пригодных для жизни по всем статистикам получатся предостаточно, и времени для распространения по всей Галактике хотя бы раз возникшей цивилизации, (десятки миллионов лет, даже если много медленнее света) - тоже. Парадокс Ферми в наше время обостряется необычайно...
      Ответить
      • lesnik > torque_xtr | 03.04.2014 | 14:46 Ответить
        >Парадокс Ферми в наше время обостряется необычайно

        Да, действительно, до альфа Центавры (или оттуда) спутник мог бы долететь за какие-нибудь 100 тысяч лет и выйти на орбиту какой-нибудь подходящей планеты или даже спуститься на неё. С другой стороны надо угадать ещё и со временем. За 4,5 млрд. лет существования Земли, разумная жизнь длится не более 100 тысяч лет. И надо попасть в этот промежуток.
        Ответить
        • torque_xtr > lesnik | 03.04.2014 | 15:32 Ответить
          >>до альфа Центавры (или оттуда) спутник мог бы долететь за какие-нибудь 100 тысяч лет

          на химической тяге - да, а вообще скорости до нескольких процентов от световой находятся целиком в пределах известных технологий. Ядерный или термоядерный источник энергии + достаточно эффективный электрореактивный двигатель + достаточные масштабы = корабль-ковчег со скоростью 0,03 c. Если изобретут термоядерный двигатель с прямым выхлопом - предел поднимается до 0,1 - 0,15 с, и до Gliese 581 лететь менее двухсот лет. Если цивилизация не уничтожит себя, то при таких темпах прогресса вряд ли она не найдет способов впрячь хотя бы термоядерную энергию за 5000 лет от начала НТР, к примеру... А оттуда можно стартовать и к другим звездам. Повторить процесс достаточное количество раз, чтобы можно было распространиться по Галактике... Вот так появилась оценка в десятки миллионов лет. Галактика почти втрое старше Земли, в ней есть много старых металличных звезд, и наверняка в ней много землеподобных планет на миллиарды лет старше нашей. Так что (оставляя более спекулятивные предположения) достаточно было одного случая возникновения межзвездной экспансивной цивилизации за все это время, чтобы теперь "они были повсюду". Чего не наблюдается... Но оставим эти вопросы более совершенным приборам :-)
          Ответить
          • Rattus > torque_xtr | 03.04.2014 | 16:53 Ответить
            >Галактика почти втрое старше Земли, в ней есть много старых металличных звезд, и наверняка в ней много землеподобных планет на миллиарды лет старше нашей.

            Втрое старше Земли (~12 GY) - это же почти ровесница Наблюдаемой Вселенной (~13 GY). В ней должно было с этого времени полностью "отгореть" хотя бы одно поколение звезд.
            Так какое время нужно для того, чтобы в ней накопились тяжелые элементы в достаточном количестве?

            Кроме того, здесь никак нельзя не обратиться к современным оценкам _вероятности_ зарождения жизни известной нам архитектуры, которые, к большому сожалению, пока не дают оснований для оптимизма: по оценке Е.Кунина, интегрировавшего все к настоящему моменту доступные данные по абиогенезу в двух последних главах "Логики Случая", вероятность сборки РНК-саморепликатора составляет... 10^-1018.
            Ответить
            • Combinator > Rattus | 03.04.2014 | 17:19 Ответить
              Нашей Галактике около 10 млрд. лет, Вселеной около 13.7. Что-то вроде того... А звёзды-гиганты сгорают очень быстро, буквально за несколько сотен миллионов лет.
              Ответить
            • torque_xtr > Rattus | 05.04.2014 | 12:45 Ответить
              "Случайные подсчеты" плохо учитывают термодинамику - процесс сборки сложных молекул из простых (и вообще сложного из простого) с увеличением энергетической выгодности (тепловыделения в случае молекул) превращается из невероятного в возможный и даже обязательно идущий. По современным данным, образование сахаров и нуклеиновых кислот из первичного бульона из CH4, NH3, HC(O)H и HCN в условиях древней Земли - именно такой процесс, причем ему достаточно лишь стать самым выгодным из всех конкурирующих. См. http://elementy.ru/lib/431077?context=3042702 и http://elementy.ru/lib/25618, но тут биологи и биохимики лучше знают :-)
              Как быстро во Вселенной появились металличные звезды (точнее динамика распределения по металличностям с ее возрастом), и обитаемые планеты - пока еще вопрос, особенно последнее, но звезды старше 10 - 11 GYr с солнечной металличностью есть http://www.ics.uzh.ch/~roskar/migration_workshop/talks/freeman2.pdf (с.15), и можно считать с уверенностью, что аналоги Земли вдвое старше ее - найдутся. А может, даже вдвое с половиной раз. Возраст Млечного Пути, т.е. его сборки из карликовых галактик >10 GY назад - не показатель, потому что в в самих карликовых галактиках нуклеосинтез уже шел, и ничуть не менее интенсивно, чем везде во Вселенной :-)
              Ответить
              • Rattus > torque_xtr | 05.04.2014 | 20:53 Ответить
                >"Случайные подсчеты" плохо учитывают термодинамику
                Тащемта Е.Кунин в своей работе постоянно как раз ссылается на статистическую физику.

                >процесс сборки сложных молекул из простых (и вообще сложного из простого) с увеличением энергетической выгодности (тепловыделения в случае молекул) превращается из невероятного в возможный и даже обязательно идущий. По современным данным, образование сахаров и нуклеиновых кислот из первичного бульона из CH4, NH3, HC(O)H и HCN в условиях древней Земли - именно такой процесс

                Это да. А вот процесс последующей полимеризации нуклеотидов и аминокислот, на минуточку, идёт наоборот с затратой свободной энергии. А там вариантов - 4^~80 - в самом радужном случае. Если среди них вообще возможны полимеразы достаточной точности (в чем Е.Кунин аргументированно сомневается).

                >См. http://elementy.ru/lib/431077?context=3042702 и http://elementy.ru/lib/25618
                См. "углубленную и расширенную версию": http://elementy.ru/lib/431806

                >но тут биологи и биохимики лучше знают :-)
                Ещё вопросы есть - спрашивайте - отвечу. :~]]
                Ответить
          • lesnik > torque_xtr | 03.04.2014 | 20:20 Ответить
            Спасибо за подробный ответ и за статью. Насчёт возможной скорости. Если бета равна 0.1, то гамма будет около1.005. Таким образом масса корабля при такой скорости увеличится на полпроцента. Где взять такую колоссальную энергию? При массе корабля в 1 тонну надо будет аннигилировать 5 кг вещества с кпд 100%. А при термоядерной реакции энергии выделяется меньше полпроцента от массы дейтерия и трития. Но наверное возможно. Только много топлива потребуется, можно посчитать в качестве упражнения. Должна получиться какая-то обобщённая формула Циолковского, когда масса не только уменьшается за счёт расхода топлива, но и увеличивается за счёт релятивисткого эффекта.
            Ответить
            • torque_xtr > lesnik | 03.04.2014 | 20:45 Ответить
              На таких скоростях релятивистское увеличение массы еще не очень значимо, а термоядерное топливо на такие скорости теоретически способно. Цифры получаются из кинетической энергии частиц продуктов синтеза в безнейтронных реакциях, предположения, что будет найден способ использовать в качестве рабочего тела непосредственно образующиеся в синтезе частицы (или по крайней мере добиться скорости выхлопа, соизмеримой с идеальной для использующейся реакции) и реалистичных соотношений массы топлива к массе ракеты. (Особенно в случае многоступенчатых решений) получаются приличные скорости выше 0,1с. Один хороший пример - http://en.wikipedia.org/wiki/Daedalus_study. У него есть существенные недостатки, хотя бы тот, что зажигание электронным пучком не работает, но все предполагаемые решения находятся в пределах теоретически возможного _без_ каких-либо радикальных прорывов. Сейчас к обсуждению проекта снова вернулись: http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Icarus_%28Interstellar_Probe_Design_Study%29
              Так что пока нет оснований предполагать, что скорость перемещения развитой цивилизации по галактике значительно меньше 0,1 с :-)
              Про само обострение парадокса: кажется, это было здесь http://www.centauri-dreams.org/?p=25969
              На том сайте вообще довольно много материалов на тему.
              Ответить
              • lesnik > torque_xtr | 04.04.2014 | 08:00 Ответить
                Релятивисткое увеличение массы (увеличение кинетической энергии) значимо в том смысле, что на него требуется энергия. Наверное 50000 тонн топлива будет достаточно, чтобы разогнать до беты 0.1 корабль массой 500 тонн (масса МКС). Но вывести на орбиту такую массу нетривиально. Полезная нагрузка Прогресса, например, 2.5 тонны.
                Ответить
                • Валя Гриневич > lesnik | 04.04.2014 | 17:25 Ответить
                  >Наверное 50000 тонн топлива будет достаточно, чтобы разогнать до беты 0.1 корабль массой 500 тонн
                  А чтобы затормозить, потребуется еще столько же? :))
                  Ответить
                  • torque_xtr > Валя Гриневич | 04.04.2014 | 20:08 Ответить
                    Меньше, ведь в корабле уже нет топлива, потраченного на ускорение. Но есть предлагаемая технология магнитного паруса http://en.wikipedia.org/wiki/Magsail, которым можно тормозить вообще без топлива. Если вокруг корабля сильное магнитное поле, на очень больших скоростях оно ионизирует атомы нейтрального водорода (вихревое поле E ~ dB/dt в покоящейся системе отсчета оказывается достаточным), и так как на это тратится энергия, корабль фактически тормозит "о межзвездную среду". Результат предполагается еще лучшим, если предварительно ввести в поле плазму, которая будет с ним сцепленной, как плазма в солнечной атмосфере с полем пятен (m2p2, в той же статье). Тогда торможение будет эффективнее за счет "раздувания" магнитного поля и увеличения эффективного сечения, и не прекращаться на меньших скоростях, когда ионизации не происходит, за счет столкновений нейтральных атомов среды с ионами плазмы. При подлете к звезде эфективность даже улучшается, поскольку в гелиосфере плотность больше, а вещество ионизировано. Цифры по ускорениям и требуемому полю не упомню, но вроде бы получается осуществимым и эффективным даже в пределах существующих технологий (сверхпроводящие соленоиды)
                    Ответить
                  • lesnik > Валя Гриневич | 04.04.2014 | 21:00 Ответить
                    Конечно, и главное вовремя. Но наверное указанная цифра включает в себя и ускорение и торможение. Есть в таком полёте ещё одна проблема - очень разреженный, но очень горячий на таких скоростях, межзвёздный газ. Около 1 протона на куб. сантиметр. А может быть и не проблема.

                    Хотя, действительно, тормозить проще (см. выше).
                    Ответить
  • Anton  | 05.04.2014 | 14:38 Ответить
    почему то не обратили внимание на потенциальную возможность миграции жизни с дальних планет по мере остывания и ухудшения условий для жизни к более горячим внутренним планетам, хотя даже расчёты приведены по количеству планетного материала мигрирующего с марса к земле и с земли к венере.
    Ответить
  • vicing  | 10.04.2014 | 00:00 Ответить
    Громадное спасибо за данную статью! Использую данную статью для своего курса сравнительной планетологии.
    Мне кажется, что оценки для Земли сильно преувеличены и скажем соотношение с Марсом будет где-то, условно, около 1:10000, так как вторая косм. скорость составляет 11,2 км/cек, соответственно, подобные импакты на Земле происходят самое частое раз в неск. миллионов лет
    Ответить
  • vicing  | 10.04.2014 | 00:03 Ответить
    Жаль, что в статье не освещена возможность попадания к нам образцов фауны с Титана, Европы и Энцелада.
    Кстати, при попадании земных образцов на поверхность Европы и Энцелада будет происходить его взрывное разрушение при столкновении, а вот в случае с Титаном этого не произойдет
    Ответить
    • torque_xtr > vicing | 10.04.2014 | 18:00 Ответить
      Рад, что пригодилось :-)

      Там есть два типа оценок, первая - количество выбрасываемого материала и вторая - доля переноса. Первые делались на основе компьютерного моделирования процессов столкновения, а поскольку поведение материи при условиях больших столкновений неизвестно (мы ведь еще не наблюдали ни одного! :-) ), там могут быть неточности. Но мне кажется, оценки более или менее верные. Все зависит от соотношения кинетической энергии подлетающего астероида "на бесконечности" к потенциальной энергии гравитационного колодца, т.е. квадрата соотношения средней разности гелиоцентрических орбитальных скоростей пересекающих орбиту планеты астероидов к ее второй космической. На орбите Земли первое больше, чем на марсианской, т.к. 1) ближе к Солнцу, 2) delta-V для вылетающих из астероидного пояса (и тем более койпероидов) объектов выше, но выше и V(II). Более сильный сдерживающий фактор - атмосфера, но фрагменты с "удельной массой колонны" (= диаметр*плотность) намного большей, чем масса колонны земной атмосферы (1 кг/см^2), т.е. размером значительно больше 3-5 м, вылетают, не тормозясь, а при больших столкновениях (5 км и больше) таких должно образовываться достаточно. Так что соотношение не 1:10000. Тут надо еще учесть, что на Земле частота столкновений в несколько раз больше, чем на Марсе, за счет вчетверо большего сечения и еще на несколько десятков процентов за счет большего коэффициента гравитационной фокусировки ([v]/v(ii))^2, где [v] - средняя скорость подлетающих тел "на бесконечности". (то есть отклонения пролетающих тел "внутрь" притяжением планеты) В общем, думаю, что оценкам из статей про количество выбросов в пределах плюс-минус порядка уж точно можно верить :-)

      Ну, про фауну я бы не стал говорить... :-) вопрос интересен. В расчетах отмечено, что на внутренние планеты летит больше, чем на внешние. Возможно (но не факт), что к фрагментам из внешней системы это тоже относится - тогда перенос будет существенным. Но есть ограничение, чтобы долететь до Земли и Марса и не испариться за время переноса, ледяные фрагменты должны быть достаточно большими, чтобы покрыться коркой неорганической пыли, как неактивные ядра комет - чтобы их диаметр был больше, чем толщина слоя, в котором примесей содержится достаточно для этого. Но думаю, что такой перенос вполне вероятен, поскольку времени было предостаточно, а частота столкновений во внешней системе тоже немаленькая (посмотреть, хотя бы, на Каллисто и Рею, и на неоднократно наблюдавшиеся падения астероидов на Юпитер - 1994, 2009, 2011...). Вот смоделируют - напишу и об этом :-)

      Взрывное разрушение при попадании на безатмосферные тела усложняет перенос, но не исключает его полностью - некоторая часть метеороида фрагмента, расположенная точно сзади, может затормозиться плавно. Где-то видел статью на тему, какая именно часть массы при этом не нагревается выше сотни, и как эта доля зависит от размера (чем размер больше, тем и она больше), но сейчас уже не найду... С учетом цифр из статьи (порядка 6 фрагментов > 3 м), и динамичности коры Европы, вероятность переноса земной жизни на Европу ненулевая - и это только за период после LHB с относительно редкими столкновениями. На Титан и Энцелад уже гораздо меньше. Да, если там есть жизнь, вероятность того, что она имела отдельный абиогенез, больше. Но я не очень верю в это, т.к. по существующим представлениям, океан на Энцеладе существует только в периоды значительной эксцентричности, т.е. не больше десятков MYr подряд, а когда приливный нагрев прекращается, океан промерзает насквозь и до криогенных температур, причем через стадию эвтектического рассола. Спорный вопрос, куда за образцами лететь интереснее - на Европу или на Энцелад...

      >>для своего курса сравнительной планетологии.
      А что это за курс, и где читается, если не секрет? :-)
      Ответить
      • vicing > torque_xtr | 08.11.2014 | 16:52 Ответить
        Я примерно с 1992 года читаю его в Юношеской Астрономической школе и астрономо-геофизическом клубе - http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/43.html (вот мои тезисы на педагогических конференциях о нем - http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/41.html и http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/16.html ) и Физико-технической школе - http://wiki.school.ioffe.ru/index.php/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D1%86%D0%BA%D1%83%D1%80%D1%81%D1%8B_%D0%97%D0%B8%D0%BC%D0%B0_2014 и http://wiki.school.ioffe.ru/images/9/96/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F.pdf
        Ответить
  • Алексей92  | 16.07.2014 | 12:03 Ответить
    Чтобы появилась жизнь на любой планете,нужно самой планете обладать способностью к зарождению жизни,иначе всё бесполезно,жизнь нельзя занести с помощью метеорита,на планете кроме обязательных условий для зарождения жизни,должны быть споры этой жизни,они имеются сразу при зарождении планеты и её росте.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»