Что современной науке известно о внеземных пещерах

Пещеры с древних времен привлекают человека, их темнота полна опасностей, но тайна в глубине манит и питекантропов, и современных ученых, и туристов. На Земле изучены сотни сухопутных и подводных пещер, но впереди маячит более сложная цель — пещеры на других планетах. Блогер и популяризатор космонавтики Виталий «Зеленый Кот» Егоров рассказал о том, что ждет будущих космических спелеологов.

Большинство известных пещер Земли сформировались в результате эрозии — разрушения горной породы, как правило, под воздействием воды и растворенных в ней химических соединений. Такие пещеры называются карстовыми. В вулканических же регионах распространены подземные полости, имеющие лавовое происхождение, — купола и трубки. В отличие от карстовых пещер, на образование которых требуются тысячи или миллионы лет, вулканические пещеры образуются довольно быстро, в период извержения и активного излияния лавы.

Лавовая трубка — это протяженный тоннель естественного происхождения, иногда до десятков километров длиной, с плоским полом и сводчатым потолком. Трубка формируется в процессе извержения достаточно жидкой и вязкой базальтовой лавы. Распространяясь от источника, лавовый поток начинает остывать, и первой затвердевает верхняя корка, под которой продолжается течение. За счет выделения вулканических газов между «крышей» и потоком формируется полость, которая расширяется по мере иссякания потока. В результате получается настоящий «метрополитен», пригодный для пешего передвижения. Повышенное давление вулканических газов приводит к вторичному плавлению сводов трубки, поэтому иногда ее покрывают лавовые сталактиты.

Вулканизм известен и на других планетах.

По ряду косвенных признаков можно предполагать, что вулканы Венеры еще продолжают извергаться и благодаря тамошней жаре их лава остывает гораздо медленнее, а значит, потоки будут намного шире. Предполагается также, что благодаря серным соединениям температура плавления венерианской лавы ниже земной, и это еще больше способствует подвижности лавовых потоков.

Марс известен своими гигантскими вулканами — правда, сейчас они все уснули, но перед этим успели залить тысячи квадратных километров поверхности базальтовой лавой.

Луна в свое время тоже переживала активный период, связанный как с астероидной бомбардировкой, так и с внутренней тектонической деятельностью. Огромные просторы Луны залиты лавовыми потоками, которые мы называем морями.

О том, что на Луне и планетах Солнечной системы должны быть лавовые пещеры, ученые догадывались еще в XIX веке, но первых открытий пришлось ждать до начала эпохи космонавтики.

Обрушившиеся вулканические трубки на склонах марсианских вулканов сумела обнаружить автоматическая межпланетная станция Viking в 1970-х годах.

Через тридцать лет спутник Mars Odyssey запечатлел первые провалы, которые указали на еще существующие пещеры, ждущие своих спелеологов. Диаметр зияющих провалов достигает 250 метров. Большинство их обнаружили на склонах щитовых вулканов в нагорье Фарсида. Современный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter при помощи телескопа высокого разрешения HiRISE сумел заглянуть в недра Марса, насколько это возможно с орбиты.

Марсианские пещеры привлекают ученых по нескольким причинам. Из-за тонкой атмосферы вся поверхность планеты облучается солнечным ультрафиолетом и бомбардируется космическими заряженными частицами, поэтому существование микробной жизни или даже сложных органических соединений в верхних слоях грунта маловероятно. Под защитой пещерных сводов шансы на их сохранность резко повышаются — даже если самой жизни там уже не найти, ее останки пролежат гораздо дольше. Также не исключено, что в марсианских пещерах обнаружатся водяной лед и другие более летучие в условиях открытой местности соединения.

Самые смелые мечтатели предполагают, что марсианские пещеры могут стать пристанищем для первых человеческих баз и поселений — защита от радиации и запасы воды будущим колонистам придутся очень кстати. Хотя ряд факторов указывает, что вулканические пещеры Марса — не самое подходящее место для жизни. Все они находятся на вулканических склонах на высоте нескольких километров над равниной. Между тем посадка в высокогорных регионах затруднена из-за слишком тонкого слоя атмосферы. Атмосфера помогает экономить топливо на торможение при посадке, поэтому наиболее тяжелые космические аппараты стараются опускать в наиболее глубоких местах Марса. Благодаря той же атмосфере низины лучше защищены от радиации. Да и залежи водяного льда на поверхности тоже уже изучены, в том числе в окрестностях самой глубокой впадины Марса — долины Эллада. Поэтому, пока не подтверждено наличие биогенных или других полезных ископаемых в марсианских пещерах, исследовать их целесообразно роботизированными средствами.

Немаловажный фактор, который тормозит развитие марсианской спелеологии, — требования планетной безопасности. Если существует вероятность сохранения гипотетической марсианской жизни в пещерах, то исследователь должен быть 100 процентов стерильным, чтобы исключить вероятность фантастического сценария «Марсианских хроник», где один чих землянина погубил великую цивилизацию. На сегодня обеспечить полную стерильность космического аппарата на Земле не удается, а наши микробы способны переносить условия космического полета. Поэтому марсиан не ищут, чтобы ненароком их не уничтожить.

Зато доктрина планетной безопасности не мешает посещать лунные пещеры. Полая Луна неоднократно становилась местом действия фантастических произведений. Хотя реальность далека от фантастики, но тоже обнадеживает романтиков. Существование лунных пещер предполагалось давно, но прямые подтверждения пришли только в 2009 году. Японская автоматическая станция Kaguya впервые обнаружила необычные кратеры, которые не имели кругового вала и никаких признаков выбросов изнутри. Их диаметр достигал 100 метров, а глубина казалась значительной настолько, что боковой солнечный свет просто не доставал до дна. Американский зонд Lunar Reconnaissance Orbiter сумел рассмотреть провалы гораздо детальнее, в разное время суток, оценить не только глубину дна и его содержимое, но и структуру боковых стенок, и даже заглянуть под своды.

Пробоину в предполагаемую лавововую трубку смогли рассмотреть на вулканическом нагорье Холмы Мариуса, у экватора на западе видимой стороны Луны. Со спутников там ясно виден канал лавового потока, протянувшегося от жерла вулкана на десятки километров. Примерно в 25 километрах от кратера в застывшем потоке видна пробоина. Либо ее проделал метеорит, либо «крыша» провалилась сама, но сейчас видно отверстие шириной в 80 метров и глубиной 45 метров. Ширина потока в месте пробоины достигает 800 метров, а выше по течению доходит до одного километра, поэтому там, возможно, проходит гигантский по земным меркам тоннель.

В Университете Пердью провели численное моделирование, согласно которому прочность базальтовой лавы и низкая лунная гравитация позволяют сохранять без разрушения своды в тоннелях шириной до километра при поверхности и залы шириной до пяти километров на глубине несколько сот метров. Сравнить моделирование с реальностью помогли данные о гравитационном поле Луны, полученные при помощи зондов GRAIL. Ученые взяли показания GRAIL над возможной полостью в Холмах Мариуса и попробовали найти подобные данные, полученные в других местах. Так удалось обнаружить до десяти «подписей» возможных лунных полостей, некоторые из которых имеют длину 100 километров и ширину в несколько километров. Большинство из них найдено под лунными морями.

Несколько пробоин в лунных морях действительно были обнаружены, правда, они не совпадают с теми возможными пустотами, которые вычислили по отклонениям гравитационного поля. Тем не менее, одно отверстие в Море Спокойствия, примерно в 400 километрах на северо-восток от места посадки Apollo 11, является самым большим и глубоким из осмотренных со спутника. Отверстие имеет диаметр около 100 метров и глубину также до 100 метров. Поблизости не просматривается каких-либо лавовых каналов или вулканических куполов, которые могли бы указывать на наличие тоннеля, однако такое наличие все же можно предположить.

Эта пробоина интересна ученым не только тем, что может скрываться на ее дне, но и слоистой структурой, которая видна на обрывистых стенах провала. Эти слои подсказывают ученым, что лавовое море формировалось вследствие многократных разливов лавы, некоторые из которых были довольно тонкими, до одного метра.

Отверстие в Море спокойствия остается одним из наиболее подходящих мест для посадки роботизированного зонда и для изучения пещеры изнутри. Однако пока разработку лунных роботов-спелеологов ни одно космическое агентство не планирует. Ближе всего к тайнам лунных лавовых трубок приблизились астронавты Apollo 15, исследовавшие склоны каньона Хэдли Рилл, который, по одной из гипотез, был некогда лавовой трубкой, но впоследствии полностью обрушился.

Пока же будущее исследование лунных и марсианских пещер готовится на Земле. На нашей планете для изучения и посещения доступно немало вулканических пещер, которые позволяют представить все сложности межпланетной спелеологии. В России лавовые трубки и пещеры известны на Камчатке. Одна из лавовых трубок, протяженностью около 100 метров, доступна в кальдере вулкана Горелого. Эта пещера довольно древняя, оставшаяся после извержения двухтысячелетней давности. В ней можно ощутить себя марсианским исследователем благодаря близкой к нулю температуре и массивному леднику, который частично перекрывает вход.

Несколько пещер сформировалось в ходе извержения вулкана Толбачик в 2012–2013 годах. Эти пещеры более живописны: с лавовыми сталактитами «акулий зуб», покрывающими потолок, соляными натеками на потолке и подрастающими сталагмитами на полу. Здесь еще сохраняется жар остывающей лавы, на горячих трещинах еще можно кипятить чай, а некоторые ответвления пещер недоступны для посещения из-за высокой температуры.

Несмотря на очевидный научный интерес к исследованию инопланетных пещер, пока ни одно космической агентство не посягнуло на их тайны. Серьезным препятствием на этом пути остается техническая реализация такого исследования. Зонд потребуется либо посадить точно на дно провала, либо обеспечить альпинистским снаряжением для спуска по вертикальной стене. Одного этого достаточно, чтобы остановить всю разработку — слишком высока сложность, а значит, и риск. Далее потребуется обеспечить электропитание робота в условиях пещерной тьмы, а главное — управление и поддержание связи без прямой радиовидимости.

В космических исследовании предпочтение всегда отдается проектам с высокой надежностью, обещающим длительные поставки уникальных данных, поэтому роботы-спелеологи пока проигрывают конкуренцию спутникам и телескопам. Лишь несколько частных команд участников конкурса Google Lunar XPRIZE объявили, что их разработки позволят изучать лунные пещеры. Американская команда Astrobotic и японская Hakuto обозначили лунные пещеры в качестве своих целей, но пока их зонды остаются на Земле, а по Луне им потребуется пройти всего 500 метров, чтобы заслужить победу. Учитывая редкость лунных пещер и сложность точной посадки, маловероятно, что команды с первого раза сумеют достичь полостей Луны.