15 декабря 2006 года в журнале Science Express - сетевой версии Science - была опубликована серия из семи статей о предварительных результатах исследований образцов кометы Вильда-2, доставленных возвращаемой капсулой космического аппарата Stardust 15 января 2006 г. Это была первая полностью успешная доставка внеземного вещества космическими аппаратами после того, как в 1969-1976 гг. американские корабли Apollo и советские АМС Е-8 «Луна» привезли на Землю лунный грунт.
    Напомним, что после посадки капсулы на полигоне в штате Юта из нее был извлечен научный контейнер с частицами кометного вещества и межзвездной пыли, который затем доставили в Космический центр имени Джонсона. Там из него аккуратно вынули аэрогелевые ловушки, провели необходимую обработку и передали образцы для предварительных исследований научным группам, включающим почти 200 ученых из разных институтов и организаций всего мира.
    И вот спустя почти год с момента посадки капсулы ученые представили общественности результаты этих исследований, которые можно смело назвать сенсационными.


    Оказывается, кометы отнюдь не являются огромными конгломератами из межзвездного льда и пыли: они имеют намного более сложный состав. Проводя лабораторные исследования, ученые обнаружили в образцах кометы Вильда-2 широкий спектр химических элементов и соединений, и отнюдь не только летучих.

Треки в аэрогеле

ОРГАНИКА В ВЕЩЕСТВЕ КОМЕТ

    На первом этапе ученые провели всесторонние исследования 23 частиц из аэрогеля и семи микрометеоритных «следов» в алюминиевой фольге научного контейнера. Эти частицы имеют размеры от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен микрометров. Во многих случаях они представлены слабо связанными агрегатами из нескольких более крупных и множества очень мелких частиц. Распределение частиц по размерам отличается от полученных в 1985 и 1986 гг. для комет Григга-Скьеллерупа и Галлея: образцы кометы Вильда-2 содержат меньше мелкозернистых частиц, чем у Галлея, но при этом более мелкозернисты, чем частицы кометы Григга-Скьеллерупа. Так или иначе, бытовавшее ранее представление о том, что кометы имеют в своем составе лишь мелкозернистое вещество, оказывается под большим вопросом.
    По элементному составу материал кометы Вильда-2 сходен с составом метеоритов типа CI, которые, как считается, представляют состав Солнечной системы в целом. На такие элементы, как кальций и титан, приходится до 60%, на магний, кремний, марганец, железо и никель - до 35%. В довольно больших количествах по сравнению с метеоритами CI найдены медь, цинк и галлий.

ОРГАНИКА В ВЕЩЕСТВЕ КОМЕТ

    Состав мелких и крупных частиц, судя по всему, сходен или даже идентичен: встречается оливин, пироксены, железоникелевые сульфиды, кристаллические и аморфные силикаты и др. И это - первая сенсация «Стардаста». Нахождение столь разных минералов, как оливин и пироксен, свидетельствует о формировании кометы Вильда-2 из материалов с различной историей и разными условиями образования.
    «Если честно, мы не ожидали найти материалы из внутренней части Солнечной системы, - говорит Дональд Браунли (Donald Brownlee), научный руководитель проекта Stardust из Университета Вашингтона. - И тем не менее они были обнаружены уже во второй исследованной частице». В ней было выявлено редкое кальциево-алюминиевое включение, которое лишь изредка попадается в метеоритах; позднее ученые нашли и оливин. И то, и другое могло сформироваться на начальной стадии остывания протосолнечной туманности. Межзвездная пыль вряд ли могла быть источником этих минералов: ее частицы обычно имеют стекловидный характер, а в представленных образцах присутствуют явные кристаллы.

ОРГАНИКА В ВЕЩЕСТВЕ КОМЕТ

    И таких веществ с «горячей» предысторией в образцах Вильда-2 немало - не менее 10%. Остальное - действительно холодный материал с окраин Солнечной системы. Кстати, в веществе кометы Вильда-2 не найдено водных силикатов и карбонатных минералов; это говорит о том, что она либо вовсе не подвергалась воздействию воды, либо подвергалась совсем в незначительной степени.
    Спрашивается: откуда взялись эти 10%, если до встречи с Юпитером в 1974 г. комета вообще не заходила во внутреннюю область Солнечной системы и, казалось бы, не могла позаимствовать материал оттуда?
    Как полагает Майкл Золенски (Michael Zolensky) из Космического центра имени Джонсона, нахождение оливина и сходных с ним минералов может быть подтверждением гипотезы о сильных газовых джетах, исходивших из околосолнечной области и выносивших сформированный там материал на окраины Солнечной системы.

ОРГАНИКА В ВЕЩЕСТВЕ КОМЕТ

    Водород, углерод, азот и кислород в разных образцах имеют различный изотопный состав, но экстремальных изотопных аномалий практически нет. В одной из исследуемых частиц нашли изотопы кислорода ^1бO и ¹⁷O, присутствие которых означает наличие в веществе кометы материала, сформированного при сверхвысоких температурах вблизи Солнца... или других звезд. Избыток дейтерия и таких изотопов, как ¹⁵N, указывает на то, что некоторые соединения могут иметь межзвездное (или протозвездное) происхождение.
    Итак, совершенно неожиданный вывод из полета «Стардаста» состоит в том, что кометы могут содержать вещество, сформировавшееся при самых разных температурах и на всем пространстве от внутренней части Солнечной системы до дальних границ пояса Койпера и до облака Оорта, где кометы и «рождаются». Исходный материал кометы образовался как до, так и после формирования Солнечной системы. Безусловно, такое «смешивание» затрудняет исследование эволюции комет, но оно может помочь в другом - в понимании истории образования планет Солнечной системы.


    А теперь о самом интересном. Кроме всего вышеуказанного, найдены происходящие из кометы Вильда-2 органические соединения, что стало для ученых немалым сюрпризом и подтвердило гипотезы, которые до этого считались весьма экстравагантными. «Кометы могли доставить богатые азотом органические вещества на Землю на ранней стадии ее развития, где они стали бы доступны для зарождения жизни», - говорит Скотт Сэндфорд (Scott Sandford) из Исследовательского центра имени Эймса в Калифорнии, ведущий автор одной из статей в Science.
    Аэрогелевые ловушки «Стардаста» сыграли роль своеобразной губки, абсорбируя идущие из ядра кометы молекулы газов, в том числе и органические соединения. И точно так же, как выжимают губку, весь необходимый материал был «выжат» из аэрогеля путем кипячения его в воде ультравысокой степени чистоты. Полученный экстракт ученые исследовали на присутствие органики с помощью специального хроматографа/масс-спектрометра. Они обнаружили два вида азотсодержащих органических соединений - метиламина CH₃NH₂ и этиламина C₂H₅NH₂. Эти соединения являются источником связанного (фиксированного) азота, который имеет жизненно важное значение для существования живых организмов.
    Напомним, что азот земной атмосферы находится в свободной форме: два атома соединены между собой и образуют молекулу N₂. Из-за того, что связи между атомами азота очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот - его сначала необходимо перевести в т.н. «связанное» (фиксированное) состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, что препятствует их повторному объединению в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать эти атомы.
    В атмосфере Земли содержится около 4*10¹⁵ т, а в океанах - около 20*10¹² т азота. Но лишь незначительная часть этого количества - около 100 млрд т - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 млрд т связанного азота только 4 млрд т содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих их микроорганизмах и в конце концов вновь возвращается в атмосферу.
    На ранней стадии существования Земли связанный азот вполне мог быть привнесен на нашу планету кометами. Энзимы, которые связывают атмосферный азот, считаются довольно древними, так что эту задачу жизни пришлось решать в самом начале ее существования - но до этого можно было использовать кометный материал!
    «Нам удалось установить, что кометы по крайней мере одного вида содержат в себе значительное количество связанного азота в форме метиламина или этиламина, - говорит Джейсон Дворкин (Jason Dworkin) из Центра космических полетов имени Годдарда. - Это открытие показывает, что «меню» ингредиентов для зарождения жизни было намного более полным, чем считалось ранее».

Кометные частицы

ОРГАНИКА В ВЕЩЕСТВЕ КОМЕТ

    Но действительно ли найденные азотсодержащие вещества входили в состав кометного ядра? Ведь наша планета «кишит» микроорганизмами, так что загрязнение космических образцов вполне реально. Чтобы исключить возможность такой ошибки, ученые исследовали десятки не полетевших на «Стардасте» дубликатов аэрогеля на предмет наличия различных органических веществ. В них тоже было найдено немного метиламина и еле заметные следы этиламина, но суммарное количество этих соединений в доставленных из космоса кусках аэрогеля было больше в 100 раз! Кроме того, оказалось очень разным относительное количество CH₃NH₂ и C₂H₅NH₂ в «летавшем» и «нелетавшем» аэрогеле. Таким образом, на заражение образцов на Земле списать полученные результаты нельзя.
    Было и еще одно сомнение. Stardust находился в полете семь лет, и в принципе органика могла попасть в его ловушки за эти долгие годы, а не при кратковременном вхождении в кому кометы. В полете конструкция и приборы КА могли испускать газ или летучие вещества, которые попали в них еще на Земле. Такое явление называется дегазацией, и оно также могло послужить причиной «загрязнения» аэрогелевых ловушек.
    Специалисты исследовали специальный образец аэрогеля, который спрятали за микрометеоритным экраном «Стардаста». Этот образец был защищен от газопылевых потоков, и азотсодержащие вещества проникнуть в него не могли. В то же время, как и вся конструкция аппарата, он подвергался загрязнению в определенной степени при сборке КА, транспортировке на космодром, запуске, при дегазации в полете и возвращении на Землю.
    После проведения тщательного и всестороннего анализа эталонного образца ученые вообще не нашли в нем следов метиламина и этиламина. А это может означать лишь одно: эти органические соединения могли попасть в ловушки «Стардаста» только из комы кометы Вильда-2.
    В кометных образцах были также найдены полициклические ароматические углеводороды - их молекулы широко распространены в межзвездной среде - и множество других органических соединений, в том числе весьма нестойких. Отдельные варианты этих веществ имеют в своем составе много кислорода и азота. Они представляют большой интерес для астробиологов, так как играют важную роль в биохимических процессах на Земле. И еще один интересный момент: в одном из образцов присутствовал спиртосодержащий материал. В метеоритах такие летучие компоненты не встречались.
    Ученые говорят о том, что собранная «Стардастом» органика более примитивна, чем та, чьи следы находят в метеоритах. Она могла образоваться в ходе химических процессов в туманностях - в межзвездном пространстве или в протопланетном газопылевом облаке, из которого сформировалась наша Солнечная система.
    ...С.Сэндфорд говорит, что работа с кометными образцами продлится еще не одно десятилетие. И эти первые предварительные результаты являются лишь малой частью того, что ученым предстоит узнать.


    17 августа 2009 на официальном сайте проекта Stardust появилось сообщение: ученые обнаружили в доставленных этим аппаратом о разцах кометы Вильда-2 аминокислоту глицин (МН₂СН₂СOOН) - один из «кирпичиков жизни» на Земле, вещество, которое входит в состав белков и биологически активных соединений.
    «Глицин - это аминокислота, которая используется живыми организмами для производства протеинов. И впервые в истории она найдена в кометах», - прокомментировала событие д-р Джейми Элсила (Jamie Е. Elsila) из Центра космических полетов имени Годдарда (GSFC) - ведущий автор научной статьи по этому открытию, принятой к публикации журналом Meteoritics and Planetary Science. Действительно, ранее глицин находили лишь в упавших на Землю метеоритах.
    Напомним, что возвращаемая капсула АМС Stardust совершила успешную посадку 15 января 2006 г.. На Землю были доставлены образцы межзвездного вещества и частиц кометы Вильда-2 (Wild 2), с которой станция сблизилась 2 января 2004 г.. На борту «Стардаста» были установлены специальные коллекторные пластины с аэрогелевыми ловушками, которые находились в раскрытом положении с февраля по май 2000 г. и с августа по декабрь 2002 г., когда происходил сбор межзвездных пылевых частиц, и в январе 2004 г. при заборе кометного материала. (Чтобы различить частицы разного происхождения, межзвездное и кометное вещество собирали на разные стороны ловушки.)
    Кроме сбора вещества из комы кометы Вильда-2, Stardust с помощью навигационной камеры произвел съемку ядра с очень близкого расстояния (всего 236 км). Переданные на Землю снимки пополнили знания ученых об этих загадочных небесных телах в Солнечной системе.
    Ученым из лабораторий всего мира предстояло тщательно изучить первое внеземное вещество, которое было собрано за пределами Луны. До сих пор в распоряжении исследователей был только лунный грунт, который доставлялся американскими астронавтами в рамках программы «Аполлон» в 1969-1972 гг. и советскими АМС серии Е8-5 в 1970-1976 гг. Кроме того, в сентябре 2004 г. Земли достигла возвращаемая капсула американской АМС Genesis, на борту которой находились частицы солнечного ветра - в частности, различные изотопы кислорода. Хотя парашютная система не сработала и капсула разбилась, часть коллекторных пластин уцелела, и ученым все же удалось провести ряд исследований.
    Итак, основным предметом исследований стали экспонированные кусочки аэрогеля (основной «добытчик» частиц межзвездной и кометной пыли). Кроме того, из ловушек были извлечены кусочки алюминиевой фольги, которой были выложены стенки ячеек с аэрогелем. Именно им суждено было стать «виновниками» столь важного открытия. Дело в том, что отдельные молекулы, пройдя через аэрогель, попадали на фольгу и их можно было найти. И действительно, на фольге в количествах, превышающих контрольные, были найдены метиламин, этиламин и глицин.
    Первыми, кто обнаружил следы глицина на алюминиевой фольге два года назад, стали Дэниел Глэвин (Daniel Р. Glavin) и Джейсон Дворкин (Jason Р. Dworkin) из Центра Годдарда. Затем его нашли и непосредственно в аэрогеле. Однако ученые еще не могли утверждать, что этот глицин имеет космическое происхождение - он вполне мог быть результатом контаминации контейнера еще на этапе изготовления или предстартовой подготовки.
    К счастью, существует надежный способ проверить эту гипотезу и отличить аминокислоту, образовавшуюся в земных условиях, от ее внеземного аналога. Углерод, являющийся основой земной жизни, представлен двумя устойчивыми изотопами - легким ¹²С и более тяжелым ¹³С. Их соотношение в земных организмах соответствует обилию изотопов в окружающей среде. А вот в образцах космического происхождения соотношение этих изотопов может быть различным и не таким, как у земных. Как правило, в них больше тяжелого углерода ¹³С. И если исследуемый образец имеет указанные свойства, можно смело утверждать, что вещество сформировалось за пределами нашей планеты.
    Как и любая аминокислота, глицин содержит атомы углерода, поэтому ключом к отгадке должен был стать изотопный анализ. Но эта задача оказалась очень сложной: образцы вещества кометы были настолько крохотными, что использование стандартных методов вначале не принесло никакого результата. «Мы потратили два года, - говорит Джейми Элсила, - на то, чтобы разработать и протестировать специальную аппаратуру с необходимой чувствительностью и точностью для таких экспериментов».
    К всеобщей радости, результат все же был получен. И он оправдал ожидания: соотношение изотопов углерода ¹²С и ¹³С вещества кометы на 2.9% отличалось от «земного», и - как и предсказывалось - в кометных образцах «тяжелый» изотоп ¹³С превалировал над изотопом ¹²С. Это дало основания группе Элсилы с высокой степенью достоверности утверждать, что обнаруженный на алюминиевой фольге капсулы «Стардаста» глицин имеет неземное происхождение.
    А теперь о том, что дает науке сей интересный факт. Во-первых, если такие «древние» объекты, как комета Вильда-2, образовавшаяся во времена ранней молодости Солнечной системы (около 4.5 млрд лет назад), содержит глицин, то можно предположить, что аминокислоты есть и в других кометах и они намного более распространены за пределами Земли, чем считалось ранее. А раз так, и жизнь, хотя бы примитивная, может быть вполне обыденным явлением во Вселенной.
    А во-вторых, это открытие дает новую «пищу для размышлений» на тему возникновения жизни на нашей планете. Ведь многие планетологи считают, что летучие элементы попали на Землю в основном в ходе интенсивной кометной и метеоритной бомбардировки примерно 3.9 млрд лет назад, и тогда же планета могла быть «заражена» формами жизни. Так или иначе, но это добавляет дополнительные аргументы в пользу теории панспермии.
    Как уже было сказано, за время полета Stardust собрал не только кометное вещество, но и межзвездное. По сути и то, и другое можно охарактеризовать как «пыль», только частицы межзвездного материала намного мельче, чем кометные. Соответственно их и тяжелее «отыскать» в аэрогеле, который специалисты продолжают исследовать.
    С целью оказания помощи ученым в 2006 г. был запущен проект Starsust@home -специальная компьютерная программа, которую могут использовать все желающие, подключенные к Интернету. Одной из задач проекта является поиск этих самых межзвездных частиц, который осуществляется при просмотре высококачественного видео аэрогелевых ловушек «Стардаста». Образовательными ресурсами Интернета интересуются сотни тысяч (если не миллионы) пользователей, и члены научной группы Stardust очень надеются на проявление их инициативы в целях участия в этом важном проекте.