Po serii niepowodzeń misji, lipiec 1965 roku był świadkiem pierwszego udanego przelotu na Marsa. Amerykański Mariner 4 stał się pierwszym statkiem kosmicznym, który wykonał zdjęcia z bliska innej planety, przesyłając na Ziemię 22 obrazy zniszczonej uderzeniami powierzchni Marsa. Od tego czasu, ponad 20 udanych misji zbadało atmosferę i powierzchnię czerwonej rośliny.

Dzięki obrazom i danym zebranym- i przez teleskopy, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie – teraz wiemy, że miliardy lat temu, Mars miał trzy krytyczne składniki dla życia. Miał obfitość chemicznych składników, płynną wodę na swojej powierzchni i źródło energii (aktywność wulkaniczna) do zasilania reakcji chemicznych, które czynią życie możliwym (na Ziemi tym źródłem energii jest Słońce). Obecnie uważa się, że niegościnna powierzchnia Marsa jest nieodpowiednia dla życia, ale nie wyklucza się możliwości istnienia życia głęboko pod jego zamarzniętą powierzchnią. Jednak do tej pory nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie życia – ani starożytnego, ani innego. Okazuje się, że to, że Mars nadaje się do zamieszkania, nie oznacza, że faktycznie ma tam siedlisko.

Źródło: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Mars ma wszystkie składniki potrzebne do życia – wodę, chemikalia i energię – ale nie ma jeszcze żadnych oznak żywych istot

Poszukiwania marsjańskiego życia trwają, a kolejne trzy misje na Marsa są planowane do uruchomienia w ciągu najbliższych kilku lat. W dłuższej perspektywie, kilka agencji kosmicznych ma również na celu zebranie próbek z Marsa i zwrócenie ich na Ziemię do bardziej dogłębnej analizy. A poszukiwania oznak życia pozaziemskiego rozciągają się do głębi naszego Układu Słonecznego i poza niego.

Europa

Gazowy olbrzym Jowisz, następna planeta po Marsie w Układzie Słonecznym, jest niegościnny dla życia w każdej obecnie wyobrażalnej formie. Jednak jego lodowe księżyce – zwłaszcza Europa – mają potencjał. Wiele misji przeleciało obok Jowisza i jego księżyców w drodze do innych miejsc, ale misja Galileo firmy Nasa była pierwszą zaprojektowaną specjalnie do orbitowania wokół planety i badania jej księżyców. Zbierała ona obrazy i dane w systemie Jowisza od 1995 do 2003 roku, mijając Europę 12 razy.

Europa

Źródło: NASA/JPL-Caltech/SETI Institute

Księżyc Jowisza Europa jest jednym z najbardziej prawdopodobnych miejsc do schronienia życia poza Ziemią, ze swoimi płynnymi oceanami i grawitacyjnymi źródłami energii

Zdjęcia i dane zebrane przez tę sondę kosmiczną sugerują, że Europa ma warstwową strukturę jak Ziemia: bogate w żelazo jądro, skalisty płaszcz i skorupę lodową. Pomiary pola magnetycznego wykazały istnienie prądu elektrycznego w jej wnętrzu, co wskazuje na istnienie słonego ciekłego oceanu pod grubą skorupą lodu otaczającą całą planetę. Zdjęcia ukazujące ogromne pęknięcia w lodzie, wykonane przez tę samą misję, potwierdzają ten pomysł.

Powierzchnia Europy przypomina ziemski lód morski na Antarktydzie, wyjaśnia François Poulet z Instytutu Astrofizyki Kosmicznej na Université Paris-Sud we Francji: „Wskazuje to, że lód jest geologicznie dość młody i może być dowodem na jego interakcję z rezerwuarem ciekłej wody. W grudniu 2012 r. Kosmiczny Teleskop Hubble’a wykrył również parę wodną nad południowym biegunem Europy i stwierdzono, że pochodzi ona z wybuchających pióropuszy wody. Sonda kosmiczna nie widziała jednak jeszcze tych pióropuszy, więc jeśli istnieją, muszą być przerywane.

Więc, Europa prawdopodobnie ma wodę. Ale co z pozostałymi dwoma niezbędnymi składnikami, by nadawała się do zamieszkania? Ma źródło energii cieplnej pochodzącej z tarcia bycia ciągniętym w kierunku pola grawitacyjnego Jowisza przez różne ilości podczas różnych etapów jej eliptycznej orbity. Wokół Jowisza jest też mnóstwo promieniowania, które potencjalnie może zapoczątkować reakcje chemiczne (na tyle silne, że bardzo szybko zniszczy wszelkie powstałe związki organiczne). Ale czy ma odpowiednie surowe składniki chemiczne nie jest jeszcze znane; modelowanie sugeruje, że może, ale potrzeba więcej twardych danych.

W 2022 roku zarówno Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) jak i Nasa planują wystrzelić statki kosmiczne, które zbliżą się do Europy. ESA’s Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) zajmie ponad siedem lat, aby dotrzeć do systemu Jowisza. Dotrzemy tam pod koniec 2029 roku i zaczniemy działać w 2030 roku” – mówi Poulet, członek zespołu opracowującego spektrometr widzialny i podczerwony na pokładzie o nazwie Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). Głównym celem misji Juice jest Ganymede, kolejny z księżyców Jowisza, ale Europa będzie przedmiotem dwóch przelotów. Majis scharakteryzuje skład powierzchni tego księżyca oraz – wraz z pokładowym spektrometrem UV – określi skład bardzo cienkiej atmosfery Europy. Inne kamery i spektrometry pomogą również zrozumieć wnętrze i skorupę tego lodowego świata.

Dla misji Nasa Europa Clipper, Europa jest gwiazdą przedstawienia. Podczas gdy pozornie oczywistą misją byłoby orbitowanie wokół Europy przez kilka lat, każdy statek kosmiczny, który by to zrobił, byłby narażony na skracające życie promieniowanie z Jowisza. Zamiast tego kliper Europa będzie krążył wokół Jowisza, zanurzając się i wylatując z jego pasa radiacyjnego. W ciągu trzech i pół roku wykona co najmniej 45 bliskich przelotów nad Europą. Mieszanka kamer i spektrometrów będzie badać księżyc i jego delikatną atmosferę. Jeśli pióropusze wody nad biegunem południowym rzeczywiście istnieją, sonda będzie w stanie przelecieć przez nie i w ten sposób bezpośrednio zmierzyć skład chemiczny księżycowego oceanu. Jeśli Europa Clipper wystartuje w 2022 r., istnieją dwa możliwe terminy jego przybycia: 2025 r., jeśli zostanie użyty nowy Space Launch System (SLS), który jest obecnie w fazie rozwoju, lub styczeń 2030 r., jeśli zostanie użyta tradycyjna rakieta.

Enceladus

Księżyce sąsiada Jowisza, Saturna, są również głównym celem w poszukiwaniu obcego życia, zwłaszcza Enceladus i Tytan. Cassini przybył do systemu Saturna w 2001 roku i przeprowadził 23 przeloty Enceladusa i 127 Tytana, zanim misja zakończyła się we wrześniu 2017 roku.

Enceladus

Źródło: NASA/JPL/Space Science Institute

Uważa się, że Enceladus, który krąży wokół Saturna, posiada otwory hydrotermalne, podobne do tych, które mogły zapoczątkować życie na Ziemi

Pierwszy przelot Enceladusa podniósł flagi, że nie jest to bezpowietrzne ciało lodowe, jakie wcześniej zakładano, wyjaśnia naukowiec projektu Cassini, Linda Spilker. Cassini podszedł więc bliżej, a potem jeszcze bliżej. 'Podczas trzeciego przelotu wykryliśmy w podczerwieni termicznej gorący biegun południowy i zobaczyliśmy z bliska cztery pęknięcia w kształcie tygrysich pasów,’ mówi. Oznaczenia tygrysich pasów w pobliżu bieguna południowego są o 200°C cieplejsze niż reszta księżyca. Podobnie jak w przypadku Europy, zakłada się, że tarcie spowodowane przez siły grawitacyjne z Saturna oznacza, że Enceladus nagrzewa się od środka.

Trzeci przelot zebrał również dowody na pióropusz materiału wylatujący z pasów. Oczywiście to jeszcze bardziej zaintrygowało nas Enceladusem,’ mówi Spilker. 'Niektóre z kolejnych 20 przelotów przeleciały bezpośrednio przez materiał pióropusza i pobrały próbki gazów i cząsteczek w nim zawartych. To właśnie wtedy znaleźliśmy parę wodną, słony zbiornik i substancje organiczne.’

Jonowy i neutralny spektrometr masowy na pokładzie Cassini wykrył cząsteczki organiczne w pióropuszach, zarówno w gazach, jak i w cząsteczkach wewnątrz nich, aż do granicy możliwości instrumentu. 'Mogły one wykryć do 100 atomowych jednostek masy. Istnieją grupy od C2 do C6 i prawdopodobnie dalej’, wyjaśnia Spilker.

Znaleźliśmy parę wodną, słony zbiornik i organikę z polarnych dżetów Enceladusa

Choć znalezienie tych organików było 'bardzo ekscytujące’, nie można jeszcze powiedzieć, czy zostały one uformowane przez żywe istoty, czy nie, wyjaśnia. Instrument nie ma sposobu, aby dokonać tego rozróżnienia, musimy wrócić z bardziej wydajnymi spektrometrami mas, wychodząc do znacznie większego zakresu, który mógłby szukać dużych łańcuchów cząsteczek macierzystych, takich jak aminokwasy i kwasy tłuszczowe.’

Inne ekscytujące odkrycia w danych smugi były nadmiar wodoru i wykrywanie małych ziaren nanokrzemionki, które mogą tworzyć się tylko w bardzo gorącej wodzie. Te dwie informacje razem wskazują na dowody istnienia kominów hydrotermalnych na dnie Enceladusa,” mówi Spilker. Otwory hydrotermalne powstają w miejscach, gdzie woda morska spotyka się z magmą. Woda spływa szczelinami w głąb jądra, jest podgrzewana, a następnie wypływa z powrotem z siłą.

Na Ziemi, otwory hydrotermalne tętnią życiem organizmów, które nie są spotykane nigdzie indziej. Mikroby te czerpią energię z substancji odżywczych zawartych w bogatych w minerały płynach wydostających się z jądra Ziemi. Uważa się, że są to jedyne organizmy na Ziemi, które nie czerpią energii ze Słońca. Wentyle hydrotermalne na Enceladusie, a także na innych ciałach planetarnych, są zatem potencjalnymi miejscami występowania życia.

Enceladus, podobnie jak Europa, jest uważany za posiadający globalny ocean pod swoją lodową powierzchnią. Badanie 10 lat danych Cassini, patrząc na drgania księżyca, odkryło, że jądro i skorupa nie są ze sobą połączone. 'Sposobem na ich rozłączenie jest posiadanie globalnego oceanu ciekłej wody’, mówi Spilker. 'Obecnie szacuje się, że ten globalny ocean na Enceladusie może mieć od setek milionów do nawet miliardów lat – mógł nawet trwać od czasu uformowania się Enceladusa.’ To ekscytujące, ponieważ oznacza to, że w ogromnym zbiorniku wodnym było bardzo dużo czasu, aby potencjalnie mogło powstać życie, wyjaśnia.

Dane zebrane przez Cassini pokazują, że Enceladus posiada trzy składniki potrzebne do podtrzymania życia, ale nie znaleziono jeszcze żadnych dowodów na to, że życie jest rzeczywiście obecne. Teleskopy, wyjaśnia Spilker, nie są najlepsze do badania tego księżyca: „Enceladus jest bardzo mały i znajduje się bardzo blisko Saturna, co utrudnia jego wykrycie z Ziemi. I z tego powodu dalsza misja tutaj jest pożądana, wyjaśnia.

Titan

Cassini nie był pierwszym statkiem kosmicznym, który odwiedził księżyce Saturna. Voyager 1 odwiedził ten region w 1980 roku. Kiedy badacze wrócili do ponownego przetwarzania niektórych z tych starych obrazów, po tym jak Cassini odkrył pióropusze Enceladusa, zdali sobie sprawę, że dżety zostały uchwycone przez kamerę 25 lat wcześniej.

Jednakże to Tytan był głównym celem misji Voyager NASA. W 1944 r. astronomowie za pomocą teleskopów odkryli, że księżyc ten posiada gęstą atmosferę zawierającą metan. Dane zebrane wtedy przez sondę kosmiczną Voyager wykazały, że był to głównie azot, kilka procent metanu i mniejsze ilości węglowodorów takich jak etan, propan i acetylen. W połowie lat 90. mieliśmy pomiary z Kosmicznego Obserwatorium Podczerwieni, które pomogły nam znaleźć bardziej złożone cząsteczki’ – wyjaśnia Sarah Hörst, chemik atmosfery z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore, USA. Benzen był najcięższą cząsteczką, o której wiedzieliśmy przed Cassini,” dodaje.

Chemia bardzo szybko komplikuje się na Tytanie

’Cassini dotarł tam i zaczął wykonywać pomiary atmosfery i zamiast znajdować rzeczy, które miały masę 78 jak benzen, Cassini odkrył, że na szczycie atmosfery Tytana znajdują się jony, które mają masę około 10 000,’ mówi Hörst. Jest to więc siedem lub osiemset atomów węgla, a nie sześć lub siedem atomów węgla. Instrumenty na pokładzie Cassini – i jego sondy Huygens, która wylądowała na Tytanie w styczniu 2005 roku – nie były w stanie zidentyfikować tych jonów, a jedynie potwierdzić ich istnienie. Cząsteczki te powstają, gdy azot i metan na zewnątrz atmosfery są rozbijane przez światło ultrafioletowe i promieniowanie, a następnie rekombinują na wszelkie sposoby. Chemia na Tytanie bardzo szybko staje się bardzo skomplikowana” – wyjaśnia Ralph Lorenz, również z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Hörst zgadza się: 'Jedną z największych rzeczy, jakie Cassini powiedział nam o Tytanie jest to, że chemia jest jeszcze bardziej skomplikowana niż myśleliśmy zanim tam dotarliśmy.’

Uważa się również, że Tytan posiada ocean ciekłej wody pod swoją lodową powierzchnią. 'Skorupa lodowa jest prawdopodobnie znacznie grubsza na Tytanie niż na Europie i Enceladusie’ – mówi Hörst. Podobnie jak w przypadku innych księżyców, na których występują oceany podpowierzchniowe, również tam może istnieć życie. Ale to nie jest jedyne środowisko na Tytanie, gdzie potencjalnie może powstać życie.

Tytan ma jeziora na wszystkich swoich biegunach. Jest to jedyne miejsce poza Ziemią, o którym wiadomo, że posiada ciecz na swojej powierzchni. Ale z temperaturą powierzchni -180°C nie mogą one zawierać wody. Misja Cassini ustaliła, że są one pełne super zimnego etanu i metanu, które na Ziemi są gazami. Na Tytanie te ciekłe węglowodory rzeźbią doliny rzeczne, tworzą chmury i spadają jako deszcz. Ale czy mogą one również działać jako rozpuszczalnik niezbędny do podtrzymania życia?

’Jeśli na powierzchni znajdują się organizmy, musiałyby one wykorzystywać zupełnie inną chemię niż my,’ wyjaśnia Hörst. 'Może ona nadal opierać się na węglu, azocie, wodorze i tlenie. Może to być po prostu inny zestaw cząsteczek, które działają lepiej w tych temperaturach i w tym rozpuszczalniku.’

Materia organiczna stale opada z atmosfery

’Tak naprawdę nie rozumiemy pełnego zakresu możliwości chemicznych w niepolarnym rozpuszczalniku, jakim jest ciekły metan’, wyjaśnia Lorenz. 'Spekulowano, że może być możliwe tworzenie membran z akrylonitrylem. Pomysł polega na tym, że tego rodzaju zespół nazywany jest azotosomem, analogiem liposomu w konwencjonalnej chemii biologicznej. Metan-lubiące i metan-nienawidzące końce cząsteczek mogą pozwolić akrylonitrylowi ułożyć się w kulisty pęcherzyk zdolny do izolowania jednego zestawu chemikaliów od drugiego.

„Znamy pewne możliwości funkcji, które chemia akrylonitrylu musi wykonać, aby ostatecznie stać się żywym, ale nie wiemy, jak wszystkie kroki mogą być wykonane. Oczywiście nie wiemy też, jak wszystkie te czynności mogłyby być wykonane w wodzie’ – mówi Lorenz. 'Są to więc dwa różne środowiska, w których musimy szukać życia na Tytanie. Możemy szukać życia, jakie znamy, ale także życia, jakiego nie znamy, co komplikuje sprawy.’

Hörst i Lorenz są częścią misji na etapie pomysłów, mającej na celu właśnie to. W grudniu 2017 roku Nasa ogłosiła dalsze finansowanie w celu opracowania możliwości wysłania podobnego do drona wiropłata o nazwie Dragonfly, aby zbadać chemię prebiotyczną Tytana. Wiosną 2019 roku Nasa ogłosi, czy Dragonfly wystartuje.

„Jeśli będziemy mieli szczęście, że Dragonfly zostanie sfinansowany, wystartowalibyśmy w 2025 roku, a na Tytana dotrzemy w 2034 roku” – wyjaśnia Lorenz. Dragonfly byłby quadcopterem zdolnym do przelecenia kilkudziesięciu kilometrów w ciągu godziny, czyli dalej niż jakikolwiek łazik planetarny kiedykolwiek przebył. Specyfika środowiska Tytana, z jego niską grawitacją i gęstą atmosferą, oznacza, że bardzo łatwo będzie przenieść laboratorium za pomocą wirników. Będziemy mogli wystartować i badać coraz ciekawsze cele” – mówi.

Dragonfly będzie posiadał zestaw instrumentów do badania chemii powierzchni i atmosfery Tytana. Będzie również w stanie sondować pod powierzchnią za pomocą wiertła i spektrometru promieniowania gamma. W ten sposób uzyskamy informacje o rzeczach, które niekoniecznie można zobaczyć, patrząc tylko na powierzchnię” – wyjaśnia Hörst. 'Materia organiczna stale opada z atmosfery i może zakryć to, co znajduje się pod spodem.’

Przed 2034 rokiem do badania Tytana nadal będą wykorzystywane teleskopy. Atacama Large Millimetre Array, radioteleskop znajdujący się na pustyni Atacama w Ameryce Południowej, jest dla nas naprawdę niesamowitym zasobem” – mówi Hörst. Używają Tytana jako celu kalibracyjnego i wszystkie te dane są publicznie dostępne. Dzięki tym danym ludzie odkrywają już całkiem sporo nowych cząsteczek w atmosferze Tytana”. Teleskop pozwoli również odkryć informacje o tym, jak te cząsteczki są rozmieszczone w atmosferze Tytana. 'A potem, gdy James Webb wystartuje, miejmy nadzieję, że będziemy w stanie uzyskać trochę dobrej nauki o Tytanie również z tego teleskopu.’

Poza naszym Układem Słonecznym

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) ma wystartować w pierwszej połowie 2019 roku. Będzie on „parkował” w punkcie Lagrange’a dwa, miejscu w głębokiej przestrzeni kosmicznej, gdzie przyciąganie grawitacyjne Słońca, Ziemi i Księżyca znoszą się nawzajem. 'Będzie po prostu siedział tam i orbitował wokół tego punktu w przestrzeni’, wyjaśnia Nikole Lewis, astronom w Space Telescope Science Institute w Baltimore, USA, gdzie JWST jest opracowywany. Jest to również centrum operacji naukowych dla Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.

Oprócz badania planet i księżyców w naszym Układzie Słonecznym, JWST będzie spoglądał poza nasz Układ Słoneczny i włączy się do badania egzoplanet, które potencjalnie mogą być siedliskiem życia. W lutym 2017 r. ogłoszono, że gwiazda Trappist-1 ma siedem planet wielkości Ziemi krążących wokół niej. Oddalony zaledwie o 39 lat świetlnych, ten układ słoneczny wygląda bardzo podobnie do naszego własnego. A co najmniej trzy z planet znajdują się w tak zwanej strefie zamieszkiwalnej, co oznacza, że mogą gościć ciekłą wodę na swoich powierzchniach.

Planety Trappist-1 zostały znalezione przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Spitzera, Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist) w Chile i kilku innych ziemskich teleskopów. Od czasu ich odkrycia, zespół pod kierownictwem Lewisa bada atmosfery niektórych z tych planet za pomocą Hubble’a. JWST doda wiele więcej szczegółów do obrazu tych egzoplanet i ich atmosfer, który jej zespół obecnie tworzy.

JWST jest teleskopem podczerwonym o znacznie większej czułości niż jakikolwiek z jego poprzedników. Będzie on w stanie wykryć chemiczne odciski palców – jeśli tam są – składników atmosfer egzoplanet, w tym wody, metanu, dwutlenku węgla, tlenu i ozonu.

Zespół Lewisa będzie również szukał dowodów na to, że na jednej lub więcej z tych planet istnieje życie, zmieniające chemię w jej atmosferze. 'Oczekujemy, że pewne gatunki chemiczne będą w równowadze, a wtedy życie wytrąca tę równowagę z równowagi’, wyjaśnia. 'Będziemy w stanie przeszukać dużą liczbę planet szukając tych oznak braku równowagi w ich atmosferach, które wskazywałyby, że jest tam życie.’

Lewis jest wyraźnie podekscytowany tym, co może przynieść przyszłość. 'To będzie bardzo transformacyjny czas, jeśli chodzi o egzoplanety, a także naukę o Układzie Słonecznym. Posuwając się naprzód, próbując zrozumieć księżyce w naszych układach słonecznych, a następnie być może ich potencjał do podtrzymywania życia.