Жизнь внутри газового гиганта

Когда мы слышим слово «планета», воображение обычно рисует мир, по которому можно ходить. Земля, Марс, Венера, Меркурий — у всех есть твёрдая поверхность, пусть и условия на них сильно различаются.

Но крупнейшие планеты Солнечной системы устроены совершенно иначе.

Попробуем отправиться на Юпитер - и привычного момента посадки просто не произойдёт. Под облаками нет поверхности, на которую космический аппарат мог бы опустить посадочные опоры.

Мы будем погружаться всё глубже в атмосферу. Давление станет расти. Температура — увеличиваться. Газ вокруг постепенно станет настолько плотным, что граница между привычными понятиями «атмосфера» и «внутренность планеты» начнёт терять смысл.

Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами. Они состоят преимущественно из водорода и гелия и не имеют твёрдой поверхности, подобной земной.

Но отсюда возникает интересный вопрос.

Если встать на такую планету невозможно, значит ли это, что жить там тоже невозможно?

Не обязательно.

Возможно, условия для жизни стоит искать не в глубинах такой планеты, а прямо в её атмосфере.

; Планета, на которую нельзя приземлиться
Для начала совершим мысленное путешествие.

Мы начинаем высоко над облаками Юпитера.

Снаружи планета выглядит почти спокойной: светлые и тёмные полосы, гигантские вихри и знаменитое Большое Красное Пятно. Но это лишь верхушка огромной атмосферы.

У газовых гигантов нет чёткой границы, которую можно было бы назвать поверхностью. Для удобства учёные используют определённый уровень атмосферного давления — например, уровень 1 бар, примерно соответствующий давлению на поверхности Земли.

Сначала ничего особенно необычного с точки зрения физики не происходит: Мы просто движемся через атмосферу. Она состоит главным образом из молекулярного водорода и гелия.

Но давление постепенно растёт. Над нами оказывается всё больший столб газа, поэтому вещество вокруг сжимается и становится плотнее.

И вот здесь наше земное представление о планете начинает давать сбой.

На Земле можно спуститься сквозь атмосферу и удариться о поверхность. На Юпитере этого момента не наступит.

Газ будет становиться всё плотнее и горячее. Постепенно водород перейдёт в такое состояние, где привычная граница между жидкостью и газом исчезает.

Ещё глубже начинается совсем непривычная физика.

Давление достигает миллионов атмосфер. В этих условиях водород переходит в состояние металлического водорода.

Это название легко понять неправильно. Внутри Юпитера нет огромной блестящей металлической сферы из водорода. Речь идёт о состоянии вещества. При колоссальном давлении электроны получают возможность значительно свободнее перемещаться, и водород становится хорошим проводником электрического тока.

И это очень важно.

Движение огромных масс электропроводящего вещества внутри Юпитера помогает создавать его мощное магнитное поле.

А ещё глубже располагается центральная область планеты.

Когда-то Юпитер часто изображали довольно просто: атмосфера, слои водорода, а посередине — компактное твёрдое ядро.

Исследования космического аппарата Juno показали более сложную картину. Вероятно, центральная область Юпитера частично «размыта»: тяжёлые элементы распределены по значительной части его внутренних слоёв, а чёткой границы ядра может не существовать.

Получается необычная планета.

Мы летим вниз, окружающее вещество непрерывно меняется, но поверхности так и не встречаем.

; Один аппарат уже попробовал туда спуститься
На самом деле это не полностью мысленный эксперимент.

7 декабря 1995 года атмосферный зонд американской миссии Galileo действительно вошёл в атмосферу Юпитера.

Скорость входа составляла около 47 км/с. То есть примерно 170 тысяч километров в час.

Аппарат резко затормозил, раскрыл парашют и начал передавать данные.

Он измерял температуру, давление, химический состав атмосферы, скорость ветра и другие параметры.

И продолжал падать.

Примерно через 58 минут связь прекратилась.

К этому времени давление составляло около 22 бар, а температура достигла примерно 150 °C.

Причём это была лишь небольшая часть пути внутрь планеты.

Если бы мы построили неразрушимый аппарат, он продолжал бы опускаться дальше. Окружающее вещество становилось бы всё плотнее.

И в какой-то момент возникает интересный эффект: плавучесть.

Мы привыкли связывать её с водой, но тот же принцип действует и в газе. Воздушный шар не падает на землю потому, что его средняя плотность меньше плотности окружающего воздуха.

Если аппарат сможет изменять собственную плотность, теоретически он способен удерживаться на определённой высоте внутри атмосферы.

А теперь вместо аппарата представим живой организм.

; Обязательно ли жизни нужна земля?
На самом деле нет. Нам трудно избавиться от такого представления только потому, что мы сами — наземные существа.

Но даже на Земле большая часть пригодного для жизни пространства связана вовсе не с сушей.

Рыбе не нужна земля. Планктону не нужна земля.

Многие морские организмы проводят весь жизненный цикл в толще воды. Некоторые микроорганизмы обнаруживаются даже внутри облачных капель.

Поэтому с точки зрения биологии важна не сама поверхность.

Необходима подходящая среда.

Жизни нужны вещества, из которых можно строить сложные молекулы, источник энергии и условия, при которых химические реакции могут устойчиво протекать достаточно долго.

Для всей известной нам жизни исключительно важна жидкая вода. И именно поэтому атмосферы газовых гигантов представляют особый интерес.

На определённой глубине температура и давление могут быть вполне умеренными.

Слишком высоко — холодно.

Слишком глубоко — жарко.

А между этими областями теоретически может существовать слой, где температура сама по себе не исключает сложную химию.

Но возникает другая проблема.

Атмосфера не стоит на месте.

; Жизнь в атмосфере глазами Карла Сагана
Юпитер — очень неспокойный мир.

Его полосы хорошо видны даже в небольшой любительский телескоп. Это огромные атмосферные течения, движущиеся в противоположных направлениях.

Между ними возникают вихри.

Самый знаменитый — Большое Красное Пятно, гигантский шторм, наблюдаемый уже несколько столетий.

Газ постоянно поднимается и опускается.

Поэтому гипотетическому организму мало просто попасть в область с подходящей температурой. Нужно ещё уметь там задержаться.

Если поток поднимет организм слишком высоко, условия изменятся.

Если унесёт глубже, возрастут температура и давление.

И вот здесь появляется одна из самых интересных научных фантазий, предложенных вполне серьёзными учёными.

В 1976 году астрофизики Карл Саган и Эдвин Солпитер опубликовали работу о возможной экологии атмосферы Юпитера.

Карл Эдвард Саган - американский астроном, астрофизик, популяризатор науки и писатель.
Их интересовал вопрос:

Если жизнь всё-таки возникла в атмосфере газового гиганта, какой она должна быть, чтобы не погибнуть?

Одним из вариантов стали «поплавки» — floaters.

Представьте организм, внутри которого имеются полости с газом. Если средняя плотность такого существа окажется меньше плотности окружающей атмосферы, оно сможет поддерживать себя на определённой высоте.

Принцип тот же, что у воздушного шара. Только шар — живой.

Саган и Солпитер рассматривали целую гипотетическую экологию: небольшие организмы, постепенно опускающиеся через атмосферу, крупные «поплавки» и даже активно передвигающиеся формы.

Конечно, никаких подобных существ на Юпитере не обнаружили.

Но эта идея показывает, насколько необычной могла бы быть жизнь, если бы целая экосистема возникла и развивалась исключительно в атмосфере.

; А как же вода?
Здесь начинается более серьёзная проблема.

Вся известная нам жизнь основана на химии, протекающей с участием жидкой воды. Но океан для этого не обязателен.

Вода может существовать в виде небольших капель. Именно поэтому в разговорах о возможной атмосферной жизни часто вспоминают облака.

На Юпитере вода присутствует. В его атмосфере существуют области, где формируются водяные облака. Однако одного факта присутствия воды совершенно недостаточно.

Представьте каплю воды внутри облака.

Чтобы в ней могла существовать и тем более развиваться жизнь, необходимо, чтобы организм получал нужные химические элементы, имел источник энергии, размножался и каким-то образом избегал попадания в области, где условия станут смертельными.

А главное - подобная система должна работать не несколько часов, а миллионы или даже миллиарды лет.

Ведь жизнь должна не просто выжить.

Она сначала должна где-то возникнуть.

Именно происхождение жизни в постоянно перемешивающейся атмосфере может оказаться гораздо более сложной задачей, чем последующее существование уже готовых организмов.

; А если посмотреть за пределы Солнечной системы?
Вот здесь возможности становятся гораздо шире.

Астрономы обнаружили уже тысячи экзопланет, и среди них есть миры, совершенно не похожие на планеты Солнечной системы.

Один из примеров — мини-нептуны.

Обычно к ним относят планеты примерно от 1,7 до 4 радиусов Земли. Многие из них окружены толстыми газовыми оболочками, которые могут составлять значительную часть объёма планеты.

Ещё разнообразнее газовые гиганты.

Среди известных экзопланет есть раскалённые миры с температурой атмосферы выше 2000 °C, но существуют и значительно более холодные планеты с температурой в десятки или сотни градусов ниже нуля.

У некоторых экзопланет верхние слои атмосферы простираются на десятки и даже сотни тысяч километров, постепенно переходя в окружающее космическое пространство.

Поэтому где-нибудь в Галактике вполне может существовать планета, атмосфера которой значительно лучше подходит для сложной химии, чем атмосфера Юпитера.

Но пока ни на одном из известных нам миров убедительных признаков жизни, к сожалению, не обнаружено, поэтому возможность существования такой необычной биосферы остаётся лишь гипотезой.

Возможно, будущие наблюдения позволят найти подходящую планету - или даже впервые обнаружить признаки того, что среди облаков далёкого мира действительно существует жизнь.

;; А сможет ли там жить человек?
Если речь идёт о Юпитере - выйти из корабля и вдохнуть местный воздух, разумеется, невозможно.

В атмосфере практически нет пригодного для дыхания кислорода. Кроме того, серьёзную опасность представляет мощная радиационная среда вокруг Юпитера.

Но предположим, что мы хотим построить герметичную станцию. Тогда поверхность вообще не нужна. Станция может находиться в атмосфере.

Правда, с Юпитером возникает любопытная инженерная проблема.

На Земле воздушный шар можно заполнить водородом или гелием — эти газы легче окружающего воздуха, поэтому появляется подъёмная сила.

Но поскольку атмосфера Юпитера сама состоит преимущественно из очень лёгкого водорода - подобрать газ, который обеспечил бы достаточную подъёмную силу, становится гораздо сложнее.

Пришлось бы использовать нагретый газ, аэродинамическую подъёмную силу или гораздо более сложные конструкции.

Для сравнения, идея плавающих станций значительно лучше работает на Венере.

На высоте примерно 50–60 километров над поверхностью Венеры давление и температура относительно близки к земным. Более того, обычный воздух, которым мы дышим, легче углекислого газа венерианской атмосферы и сам может служить подъёмным газом.

Но Венера - отдельная история.

;А если мы ищем не там?
Мы знаем лишь один пример жизни во Вселенной. Самих себя.

Поэтому неудивительно, что и другие обитаемые миры мы сначала пытались представить похожими на Землю: твёрдая поверхность, океаны, атмосфера, умеренная температура.

Но природа не обязана повторять знакомый нам вариант.

Можно представить организм, который родился в облаке. Он никогда не видел земли. Никогда не опускался на дно океана.

Вся его жизнь проходит в огромной атмосфере, а понятия «вверх» и «вниз» означают для него лишь более холодные и более горячие слои окружающего мира.

Сегодня мы не знаем, существует ли где-нибудь такая жизнь.

Но сама возможность заставляет иначе посмотреть на понятие «обитаемая планета».

Возможно, когда-нибудь признаки жизни обнаружат не на поверхности далёкого мира, а в его атмосфере.

И тогда окажется, что один из наших самых привычных вопросов — «есть ли там место, где можно жить?» — всё это время был поставлен неправильно.

Может быть, во Вселенной существуют миры, где для жизни вообще никогда не было нужно место, на которое можно встать?

Приглашаю на канал всех, кому интересен физический Космос.
Космос Без Формул
https://dzen.ru/prokosmo