Как ученые открыли подледный океан на Европе

Рассказываем об американском физике Маргарет Кивельсон и ее открытии, изменившем представление о способах поиска жидкой воды на других космических телах.

Фото: NASA / Европа

Кивельсон уже долгое время разгадывает тайны внешней части Солнечной системы: на протяжении сорока лет ученый принимает участие в большинстве космических миссий, отправленных за пояс астероидов.

Сейчас Маргарет Кивельсон 91 год, но несмотря на свой преклонный возраст, она по-прежнему занимается наукой: совмещает работу в двух университетах, Мичиганском (University of Michigan) и Калифорнийском ( University of Michigan), а также входит в состав команд некоторых космических миссий NASA в качестве научного консультанта. Например, вместе с другими учеными разрабатывает инструмент для изучения магнитосферной плазмы, предназначенный для аппарата Europa Clipper (запуск запланирован на 2023 год). Устройство поможет определить глубину, соленость подповерхностного океана Европы (спутник Юпитера) и толщину ледяной корки над ним, то есть позволит получить все необходимые данные, чтобы ответить на вопрос, может ли там существовать жизнь.

Фото: Jenna Schoenefeld for The New York Times / Маргарит Кивельсон в своем кабине в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе

Кроме того, Маргарет Кивельсон состоит и в команде миссии Европейского космического агентства Jupiter Icy Moon Explorer (запуск запланирован на 2022 год): с коллегами создает прибор для дистанционного изучения магнитных полей трех спутников Юпитера (Ганимеда, Европы, Каллисто).

За свою жизнь ученый опубликовала более 350 научных работ. Кивельсон внесла свой вклад и в систему высшего образования США: она соредактор учебника по космической физике “Introduction to Space Physics”.

ГАРВАРД И ВОДОРОД

Маргарет Кивельсон появилась на свет в Нью-Йорке в 1928 году. Отец девочки был врачом, а мать школьным учителем. С самых ранних лет ребенок стал увлекаться математикой.

Когда Маргарет закончила школу, она поступила в Гарвард. Но в то время в самом Гарварде девушкам учиться было нельзя, их всех перенаправляли в соседний колледж Рэдклиффа.

«Преподаватели заканчивали читать лекции в университете и шли к нам в класс через общежитие, чтобы прочитать материал девочкам», — вспоминает Кивельсон

Именно в колледже девушка открыла для себя физику, которую и объединила с любимой математикой. Такой “научный союз” помог ей совершенно по-другому взглянуть на физический мир.

«Мне посчастливилось начать учебу, когда физика считалась самой интересной научной дисциплиной. Это было сразу после Второй мировой войны», — вспоминает ученый. — «Физики помогли победить Гитлера. Они изобрели радары и многое другое. Тогда-то научный мир и понял, что эта дисциплина может быть не только  занимательной, но и полезной»

Через несколько лет после окончания аспирантуры Кивельсон поступила на службу консультантом в исследовательский центр   RAND, главным направлением которого были исследования в области ядерного оружия. Молодому специалисту было поручено работать над уравнением, описывающим состояние водорода при давлении, равном одному миллиону атмосфер.

«Существует всего два места, где можно столкнуться с таким давлением: одно находится в водородной бомбе, другое — в центре Юпитера», — объясняет ученый. — «Я увлеклась Юпитером»

Фото: Margaret Kivelson / Маргарит Кивельсон в 1960-х годах

Опыт в теоретической физике и астрономии привел Кивельсон в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе в 1967 году. Благодаря исследованиям, которые девушка проводила в RAND, ученый заработала репутацию “местного эксперта по Юпитеру”.

Чуть позже, благодаря успехам, достигнутым в теоретической работе над некоторыми из самых фундаментальных идей космической физики (в то время она занималась космической плазмой), Кивельсон получила широкую известность в этой области.

“РАБОТА В ПОЛЕ”

После встреч двух космических кораблей “Вояджер-1” и “Вояджер-2” с Юпитером в 1979 году, в Сан-Франциско на конференции Американского геофизического союза собрались видные ученые, чтобы обсудить последние данные, присланные станциями. В частности, они пытались понять, как маленький спутник Юпитера Ио может оказывать воздействие на динамику всей магнитосферы газового гиганта: эта луна является мощным источником плазмы, Ио ежесекундно пополняет магнитосферу Юпитера огромным количеством нового вещества.

Фото: NASA / На снимке, сделанном Вояджер-1 в 1979 году, запечатлен Юпитер и два его спутника. Слева Ио, справа Европа

«Мы также не могли понять, почему между маленькой Ио, когда она попадает в определенную точку своей орбиты, и планетой возникает электрический заряд в миллион ампер. Как крохотная луна может управлять этим таинственным потоком заряженных частиц?» — говорит планетолог Фрэн Багенал из Колорадского университета

Багенал вспоминает участие Кивельсон в этой дискуссии.

«Маленькая женщина, которая официально никак не была связана с командой “Вояджер”, вышла к трибуне и изложила свои мысли по данной проблеме. Все идеи ученых, присутствующих в зале, были разбиты в пух и прах. Она предположила, что влияние на магнитосферу Юпитера могут оказывать вулканические извержения на Ио и позже оказалась права»

Когда NASA объявило о планах отправить аппарат “Галилео” к Юпитеру, Кивельсон подала заявку на участие в программе и предложила установить на зонд свой научный инструмент — магнитометр, в то время он еще находился на стадии разработки. Этот прибор должен был изучить магнитное поле планеты и влияние на него спутников газового гиганта.

Фото: NASA / На снимках слева направо сборка корабля Галилео, старт космического челнока Атлантис с зондом на борту, Галилео после отделения

«Я с головой погрузилась во все доступные на тот момент данные о магнитном поле Юпитера и заряженных частицах», — вспоминает ученый. — «Ночи напролет я сидела с командой в лаборатории и работала над прибором»

В конечном итоге агентство выбрало инструмент Кивельсон для миссии.

Фото: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Sean Doran / Изображение Юпитера, полученное космическим кораблем Юнона, который достиг орбиты планеты в 2016 году

“Галилео” приблизился к газовому гиганту в 1995 году и практически сразу команду Кивельсон ждал успех — магнитометр обнаружил у самого крупного спутника Юпитера — Ганимеда, собственное магнитное поле.

«Никто из ученых не ожидал, что такой холодный объект будет иметь тонкую кислородную атмосферу и жидкое ядро, богатое железом, необходимым для создания магнитного поля», — говорит планетолог Кэрол Пати из Орегонского университета. — «Прибор Кивельсон изменил научное представление о внутренней работе планетных тел»

Затем произошла серия встреч аппарата с еще одной луной Юпитера — Европой. В данных, полученных зондом, содержалась информация, которая стала для ученых еще большей неожиданностью — вопреки всем расчетам, магнитным полем обладал и этот спутник.

Фото: NASA / JPL-Caltech / SETI Institute / Изображение поверхности Европы, полученное Галилео в 1998 году

После кропотливой работы над попыткой объяснить наличие магнитного поле у Европы, команда Кивельсон выдвинула гипотезу, что это поле могло быть индуцировано Юпитером.

«Разберем этот принцип на примере металлоискателя, что стоит в аэропорту», ​​- предлагает геофизик Кришан Хурана, который входил в состав команды Кивельсон. — «Когда вы проходите через рамку, металлоискатель генерирует высокочастотную магнитную волну. Если в вашем кармане есть ключи, под воздействием этой волны в них возникнут собственные вихревые токи, которые в свою очередь создают свое небольшое магнитное поле. То, что вызывает металлоискатель, и есть индуцирование магнитного поля»

Как же это может работать с Юпитером? Когда Европа движется через магнитное поле газового гиганта, ток проходит через какой-то подповерхностный проводник на луне, и вокруг спутника создается миниатюрное магнитное поле, направленное против юпитерианского. Это, по мнению Кивельсон, и уловил сторонний “металлоискатель”-магнитометр аппарата “Галилео”.

Однако гипотеза команды физика не была единственной. Другая группа ученых предположила, что Европа могла обладать своим магнитным полем, ориентированным на юпитерианское.

Поскольку магнитный экватор газового гиганта наклонен к оси вращения чуть более чем на 10 градусов, иногда ледяной спутник находится “выше” или “ниже” этого экватора. Команде Кивельсон, чтобы проверить свою гипотезу, необходимо было провести измерения, в то время, когда Европа находилась бы в разных областях магнитного поля планеты.

Если магнитное поле спутника при прохождении через эти области смещается, значит, его создает Юпитер — и, следовательно, внутри луны есть проводник. В роли такого проводника может выступать только соленый подледный океан (вода и лед плохо проводят электричество, так как содержат мало подвижных заряженных частиц, а если добавить соль, картина меняется: соль разделяется на отрицательно и положительно заряженные ионы, чувствительные к магнитному полю).

С просьбой провести такие измерения Кивельсон обратилась к руководству NASA. Некоторое время начальство отказывало, так как это требовало дополнительных маневров корабля, а ресурсы были ограничены, и миссия могла оказаться под угрозой. Но физик добилась разрешения, и в январе 2000 года “Галилео” провел замеры. Гипотеза команды Кивельсон подтвердилась: впервые в своей истории человечество получило доказательства наличия на другом космическом теле жидкой воды, скрывающейся под ледяным покровом.

Фото: Jenna Schoenefeld for The New York Times / Кивельсон и ее коллеги

Ранее некоторые геологи, конечно, предполагали, что когда-то ледяной спутник мог иметь подповерхностный океан, но никто из специалистов точно не знал, существует он там до сих пор или уже давно превратился в лед. Это оставалось бы загадкой и дальше, если бы не данные, полученные магнитометром “Галилео” и работа группы Кивельсон.

Команда ученого изменила способ применения магнитометров в космических миссиях, сделав этот прибор неотъемлемой их частью. По сути, физики произвели революцию в поисках целых океанов, спрятанных под поверхностью тел внешней части Солнечной системы.

ЧТО ТЕПЕРЬ…

Маргарет Кивельсон до сих пор в строю. Как мы говорили выше, женщина принимает участие в некоторых миссиях NASA и в миссии ESA, связанных с отправкой зондов во внешнюю часть Солнечной системы.

Фото: Jenna Schoenefeld for The New York Times / Кивельсон «на встречи по средам»

Ученый совмещает работу в двух учебных заведениях, а по средам в Калифорнийском университете устраивает научные встречи с преподавателями и аспирантами — традиция, которую физик заложила 33 года назад. На этих встречах люди шутят, весело общаются, спорят, рассказывают о своих исследованиях и обсуждают последние новости из области космической физики.

Друзья, у нас есть Telegram канал, там мы публикуем новости и лонгриды на темы космоса, истории и т.д. Публикуем не часто, но они есть. Будем рады, если вы нас поддержите)) Спасибо!

Данный материал является переводом статьи «How Do You Find an Alien Ocean? Margaret Kivelson Figured It Out», опубликованной в 2018 году в The New York Times.

Материал переведен и опубликован редактором сайта «Северный маяк»

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

17
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

[скрыть] Последние комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.