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

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. 

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»

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.

«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.

«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. 

“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. 

После кропотливой работы над новой информацией, полученной с «Галилео», команда Кивельсон выдвинула гипотезу, что магнитное поле Европы 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.

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. 

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. 

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.

Читайте нас в соцсетях: Twitter, Facebook, Telegram

Смотрите нас на youtube. Следите за всем новым и интересным из мира науки на нашей страничке в Google Новости, читайте в Яндекс Дзен наши материалы, не опубликованные на сайте