Водата в Космоса

Тази най-важна за живота течност далеч не е „привилегия“ само за нашата планета

Вероятно на Земята няма човек, който поне веднъж да не си е задавал въпроса дали сме сами в Космоса. Вселената е наистина огромна! Дори само тази част от нея, която можем да наблюдаваме, е с размер около 13,7 милиарда светлинни години. В нея има милиарди галактики, подобни на нашия Млечен път, всяка от които може да съдържа в себе си стотици милиарди звезди. И поне част от тях биха могли да приютят планети с условия за живот, подобни на тези, които имаме на Земята.

Никола
КАРАВАСИЛЕВ*

Без никакво съмнение, едно от веществата, без които нашият живот не би могъл да съществува, е водата, особено в нейното течно състояние. Оказва се, че течната водата далеч не е „привилегия“ само на нашата планета. Според изчисленията напълно възможно е тя да съществува на много „неочаквани“ места, като например под повърхността на някои спътници на Юпитер. Данните, получени в последното десетилетие, потвърдиха наличието на вода на много места в Космоса, някои от които наистина изненадващи.
Но нека първо да обясним някои свойства на водата, за да разберем защо тя е толкова важна за нас.
Както знаем, водата е химическо съединение с молекулен строеж. Всяка нейна молекула се състои от два атома водород и един атом кислород. Химическата ѝ формула е H2O. На фиг. 1
е показано схематично как са разположени атомите на двата химически елемента, изграждащи водата. Казваме, че водната молекула е полярна, защото кислородните атоми имат свойството да „притеглят“ към себе си общите електронни двойки. Така се създават частични заряди в двата вида атоми (кислородните се зареждат частично отрицателно, а водородните – частично положително). Молекулата придобива електричен диполен момент и създава около себе си електростатично поле. Благодарение на него водните молекули могат да се привличат помежду си.
Полярността на водната молекула прави водата подходяща за разтваряне на редица химически съединения, които също имат полярни молекули (това е проявление на химическото правило „подобно се разтваря в подобно“). Това е един от факторите, които обуславят огромното значение, което тя има за нашия живот. Популярен пример за разтворимо във вода съединение е натриевият хлорид (готварска сол).
Друго важно свойство на водата, което се изучава още в ранните класове, е, че на Земята тя може да има три агрегатни състояния: твърдо (лед), течно и газообразно (пара). Може да преминава от едно в друго при достигане на подходяща температура и при приемане или отдаване на топлина. Свикнали сме да казваме, че температурата на топене на леда е 0оC, а температурата на кипене на течната вода е 100оC.

Това обаче е валидно само ако водата се намира при налягане, равно на това, което оказва атмосферата на Земята на морското равнище (приблизително 105 Pa). На фиг. 2 е изобразена графика, която представлява фазовата диаграма на водата. Тази диаграма показва при какви налягания и температури се наблюдават трите агрегатни състояния на водата. От нея можем да забележим, че при понижаване на атмосферното налягане, температурният интервал, в който водата е течна, намалява. Това обяснява защо на голяма надморска височина кипенето настъпва при по-ниски температури. Освен това, ако налягането е по-малко от една определена стойност (около 6 хилядни от стойността на нормалното атмосферно налягане на Земята), водата не може изобщо да бъде в течно състояние.
Знаем, че Земята е известна още като „синята планета“. Това е така, защото 71% от повърхността ѝ е покрита именно с вода. Дали обаче водата наистина е толкова много като количество? Отговорът е: не!
Водата на Земята е разпределена предимно близо до повърхността на нашата планета. Бихме могли да я съберем в сфера с радиус не по-голям от 1000 км! Но водата, която наистина можем да използваме, е много по-малко, под 1% от цялото количество!
И все пак, за учените все още е загадка защо водата на Земята е… толкова много! Оказва се, че дори наличното количество вода на нашата планета не може да бъде обяснено като продукт на биологична дейност на живите организми или с протичащи химически реакции.
Нека преминем към местата в Космоса, където съществуването на вода вече е потвърдено. Започваме с най-близките до нас обекти от Слънчевата система.
Първото космическо тяло е нашият естествен спътник – Луната. За нея знаем, че е скалиста, лишена от атмосфера, където едва ли можем да очакваме вода, още повече течна. Интересно е, че и до ден-днешен казваме, че на Луната има морета. Това са области по повърхността на нашия спътник, покрити с по-тъмна скала. Понятието „морета“ е дадено от великия италиански учен Галилео Галилей, който преди четири века става първият човек, погледнал към нощното небе с телескоп. Забелязвайки по-тъмни част от Луната, той е заключил, че това са водни басейни, пълни с течна вода, поради което им дава това име. Разбира се, Галилей (без да омаловажаваме неговите открития) се заблуждава. На повърхността на Луната не е възможно да съществува течна вода, защото там налягането на атмосферата е на практика нула.
Преди по-малко от една година обаче с помощта на обсерваторията SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) е потвърдено, че на лунната повърхност всъщност има водни молекули. Това е направено чрез инфрачервени наблюдения на разсеяната от Луната слънчева светлина, в която са забелязани характерните спектрални линии на поглъщане на водата. Разбира се, количеството вода, което е измерено, е прекалено малко и вероятно не би било достатъчно за нуждите на бъдещите лунни мисии. Все пак, това е интересно откритие, защото доскоро Луната се считаше за напълно „сухо“ космическо тяло.
Следващата ни спирка е планетата Венера. Със сигурност тя е едно от най-малко подходящите места за живот като нашия, защото условията там са наистина екстремални. Атмосферата на Венера е почти изцяло изградена от въглероден диоксид и поради това на нейната повърхност се наблюдава много силен парников ефект. Затова температурите там обикновено са над 400оC. Освен това венерианската атмосфера е изключително плътна и налягането върху повърхността на планетата е близо 90 пъти по-голямо от атмосферното налягане на Земята. Добавяйки и голямата вулканична активност, разбираме защо тази планета може да бъде наречена „същински Ад“, колкото и красиво да изглежда отстрани. Все пак се оказва, че вода не липсва! В атмосферата на Венера концентрацията на водни пари е много ниска
(20 ppm частици на милион), но все пак вода се среща. Тази вода реагира химически с парите на серни оксиди и по този начин се образува сярна киселина, която пада на повърхността на Венера под формата на дъжд. Всъщност там се случват явления, от които на Земята ни е страх: киселинни дъждове и парников ефект. Съществуват теории, според които Венера може и да е имала течна вода на повърхността си, но вследствие повишаването на температурите тя се е изпарила.

Обсъждайки водата в Космоса, неминуемо трябва да „посетим“ и планетата Марс. Това е може би най-популярното място за търсене на извънземен живот и на течна вода. Марс, известен още като Червената планета, може да предложи някои благоприятни условия за живот. През годините са се появявали много спекулации относно наличието на течна вода там, а също и на живот.
Температурите там често са над 0оC, като най-високите, които до момента са измервани, са около 25оC. На Марс обаче се срещаме с проблем, който силно затруднява съществуването именно на течна вода. Налягането на атмосферата му е много ниско. Неговата средна стойност е около 1000 Pa
(или приблизително сто пъти по-ниско от това на Земята). Поради тази причина там водата може да бъде течна в изключително тесен температурен интервал – приблизително от 0оC до 0.1оC.
Все пак, следи от вода в течно състояние на Марс са наблюдавани. През 2011 г.
са забелязани сезонни промени в начина, по който изглеждат склоновете на кратера Нютон. Те са заснети от сондата Mars Reconnaissance Orbiter на НАСА. Изказана е хипотеза, според която това би могло да се дължи на някаква течност, която преминава по тях, вероятно вода. Четири години по-късно по тези склонове е потвърдено наличието на соли, които лесно се разтварят именно във вода, и това е прието като косвено доказателство за течна вода.
Следващото място, което ще посетим, е Юпитер, и по-конкретно някои от неговите най-големи спътници. Те са открити в началото на XVII век от великия италиански учен Галилео Галилей и до днес ги наричаме Галилееви спътници. Първо ще се спрем на втория най-близък от тях – Европа. Той, на пръв поглед, представлява скалисто тяло с размер около 2000 километра, лишено от атмосфера. Изчисленията показват обаче, че средната му плътност е по-малка от тази, която би могло да се очаква, ако беше изцяло изграден от скала. Това означава, че под повърхността би трябвало да има нещо, което е по-малко плътно. Според съвременните представи напълно е възможно това да е огромен течен океан, съставен от вода. Вероятно това, което виждаме като повърхност на Европа, е скалиста покривка с дебелина едва няколко (докъм 10)
километра. Налягането на дълбочина от порядъка на 10 километра е достатъчно, за да може там да се формира течна вода. Предполага се, че този „подземен океан“ е с дебелина около 100 километра. Все още науката не разполага с категорични доказателства, че той наистина съществува, но това е напълно реална възможност.
Дискусионна тема е въпросът дали можем да очакваме в този океан да има условия, подходящи за живот, подобен на нашия. Със сигурност там липсва слънчева светлина, което силно би затруднило възникването на такъв живот. Също така налягането би било много над нормалното за почти всички познати форми на живот. От друга страна, известно е, че на Земята има живи същества, които могат да издържат на екстремални условия – например много високи температури, силно киселинна или силно основна среда и т.н. Това са т.нар. екстремофили, които обитават околностите на вулкани или много дълбоки части на океани. Не е изключено сред тях да има такива, които биха оцелели и в океана на Европа.
Всъщност наличието на воден слой под повърхността се оказва, че не е привилегия само на спътника Европа. Моделите за строежа на Ганимед (друг Галилеев спътник – най-големият в слънчевата система) показват, че той също би трябвало да съдържа такъв компонент. При него ситуацията е дори още по-интересна, защото налягането под повърхността му е още по-голямо поради по-високата гравитация. При такова налягане водата може да е само в твърдо агрегатно състояние. Също така, на различни дълбочини в този воден слой се оказва, че бихме могли да намерим седем различни вида воден лед. Те имат еднакъв химически състав (какъвто има водата), но се различават само по подредбата на своите молекули. На фиг. 3 е изобразена фазовата диаграма на водата, показваща при какви условия могат да се получат различни видове лед. Вижда се, че това би било изключително трудно да се направи на Земята, защото са необходими налягания от порядъка на хиляди атмосфери.
Струва си да обърнем внимание и на един обект от Слънчевата система, за който също изненадващо бе потвърдено, че там съществува вода. Това е планетата джудже Плутон. Той е „разжалван“ от планета до планета джудже преди около 15 години по решение на Международния астрономически съюз (МАС). Това не е някакво преднамерено действие на учените, насочено специално срещу Плутон, а просто по време на генералната асамблея на МАС през август 2006 г. е взето решение каква да бъде дефиницията за планета (каквато до този момент липсваше). И понеже Плутон не отговаря на нея, е класифициран като планета джудже.
Въпреки че Плутон е един много далечен свят (намира се на разстояние от 6 милиарда километра от нас), той е посетен от сондата New Horizons на НАСА. Тя направи изключително подробни снимки на повърхността му и събра много други научни данни за този обект. Едно от нещата, които тази сонда установи, е наличието на вода по повърхността му. Това е направено чрез спектрален анализ на отразената от Плутон светлина. Тази вода е открита в близост до областта Томбоу (известна също като „сърцето“ на Плутон).
Разбира се, при изключително ниските температури на Плутон не можем да
очакваме водата да бъде в състояние, различно от твърдото. Това откритие обаче повдига въпроса дали и под повърхността на Плутон не бихме могли да очакваме „океан“. А също и дали наличието на такъв слой под повърхността е нещо типично за обектите с подобен размер (Галилеевите спътници са приблизително толкова големи, колкото и Плутон).
Преди да „излезем“ от Слънчевата система, ще споменем няколко интересни факта за водата, която е установена на някои комети. Обикновено, когато чуем думата „комета“, си представяме дългите, красиви опашки, каквито те имат. Всъщност тези опашки, които понякога достигат размер до милион километра, се захранват с вещество от ядро с размер около 15 – 20 км. На фиг. 4 е показана примерна схема на структурата на едно кометно ядро.
Най-често то представлява смес от натрошена скална маса (камъчета, прашинки и т.н.), споена от замръзнали газове (метан, въглероден диоксид и т.н.). В последните години, особено след посещението на кометата Чурюмов-Герасименко от сондата „Розета“, е установено, че тези ядра имат силно неправилна форма и тъмен цвят. Астрономическите наблюдения показват, че в кометите също така се съдържа и известно количество вода. Това се установява чрез спектрални наблюдения, които показват наличие на характерни за водата спектрални линии.
Всъщност фактът, че кометите съдържат вода, може да се е оказал от съществено значение за живота на Земята. Както вече споменахме, водата на Земята е „учудващо много“. И до днес учените не могат да обяснят как точно се е появила на нашата планета. Съществува хипотеза, че водата може да е била донесена именно от комети по времето, когато Слънчевата система все още се е формирала. Тогава в околностите на сформиращата се Земя е имало много повече комети, отколкото в момента. Поради това върху нашата планета са падали повече метеорити, отколкото днес. Напълно възможно е именно благодарение на това Земята да се е сдобила с водата, която има.
Нека сега се отправим и към други места в Млечния път, за които наличието на вода е потвърдено. Логично е да си зададем въпроса дали е възможно вода да съществува на откритите до момента планети, обикалящи около звезди, различни от Слънцето (екзопланети). До този момент астрономите са открили приблизително 4800 такива планети, като за 772 звезди е потвърдено, че имат повече от една планета. Тук е мястото да поясним, че през 2020 година с помощта на космическата рентгенова обсерватория „Чандра“ (Chandra) е открита и първата екзопланета извън Млечния път. Тя се намира в галактиката M 51 (известна още и като Водовъртеж).
За науката е ясно, че след като в Слънчевата система има поне едно тяло, на чиято повърхност има течна вода, то това би трябвало да се повтори и около други звезди. Около всяка звезда се дефинира т.нар. обитаема зона. Това е областта, в която получаваната от звездата енергия е такава, че водата на повърхността на една планета може да бъде в течно състояние (необходимо условие за възникване на живот, подобен на нашия). През първите години, в които са откривани екзопланети, те бяха прекалено близо до своите звезди и имаха прекалено големи размери (затова носеха общото название „горещи Юпитери“). Това се дължи на факта, че такива планети предизвикват най-силен наблюдателен ефект независимо от метода, по който се търсят. С напредването на наблюдателната техника обаче стана възможно да се откриват и екзопланети, които са с размери, съпоставими с тези на Земята, при това разположени близо и дори вътре в зоната на обитаемост на своите звезди. Пример за такава планета е Gliese 581 c.
Тя обикаля по орбита около червеното джудже Gliese 581 и има радиус с около 50% по-голям от този на Земята. На нейната повърхност е напълно възможно да има течна вода, но това зависи от отражателната способност на планетата. Ако приемем, че този параметър има стойност, близка до тази на Земята, то средната температура на Gliese 581 би трябвало да е около 40оC. Все още няма никакви доказателства за състава на атмосферата на тази екзопланета, но е възможно тя да е подобна на земната. Това означава, че там биха могли да се създадат условия, благоприятни за живот като нашия. Разбира се, необходими са още изследвания в тази област.
Сега ще се насочим към космическия обект 10. Това е голямата мъглявина в Орион. Тя се намира в южната част на съзвездието, точно „под“ трите звезди, образуващи пояса му. При достатъчно чисто и тъмно небе тази мъглявина може да бъде видяна и с невъоръжено око. Именно в нея е засечена вода, при това заемаща област с размери от 18 светлинни години!
Разбира се, водата там е в напълно газообразно състояние, като плътността ѝ е едва няколко молекули на кубичен метър. Все пак, ако цялата вода, която е буквално разпиляна в мъглявината Орион, се събере на едно място, тя ще бъде милиони пъти повече от водата, която към този момент имаме на нашата планета Земя.
В заключение, можем да кажем, че в последните години бяха получени много доказателства за съществуването на вода на най-различни места в Космоса. За много от тях само допреди няколко десетилетия се считаше, че това е почти напълно изключено. Разбира се, необходими са още изследвания, за да бъде потвърдено наличието на течна вода. Но както се убедихме, това е възможно дори и на някои места в Слънчевата система! Дори и да има такава, остава отворен въпросът доколко са подходящи условията за живот. Всъщност Вселената е толкова голяма, че е много вероятно някъде някои братя по разум също да си задават въпроса дали са сами…