Przedmowa. Od fantastyki naukowej do faktów naukowych

Jest rok 2031. Sześcioro astronautów tworzących załogę Aresa 1 wylatuje na orbitę okołoziemską, gdzie ich moduł załogowy łączy się z niedawno zbudowanym pojazdem transportowym Hermes, przeznaczonym do podróży na Marsa. Przypominając mniejszą wersję Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (MSK) Hermes może poszczycić się czymś, w co stacja nigdy nie była wyposażona: silnikiem jonowym zasilanym energią jądrową. Choć napęd ten nie jest tak potężny jak rakieta chemiczna, która wyniosła załogę z powierzchni Ziemi, potrafi wytwarzać jedynie niewielkie przyspieszenie... ale to przyspieszenie można utrzymać przez wiele miesięcy. To wystarczy, aby Hermes dotarł na Marsa i został wprowadzony bezpiecznie na orbitę wokół Czerwonej Planety jeszcze w tym samym roku.

Wszyscy członkowie załogi przenoszą się do małego lądownika, który zabiera ich na powierzchnię planety. Po wejściu w rozrzedzoną marsjańską atmosferę ich opadanie jest najpierw spowalniane przez duży spadochron - podobny do tego z kapsuły Sojuz powracającej na Ziemię - a następnie przez potężny silnik rakietowy, przypominający powiększoną wersję silnika lądownika księżycowego Apollo. Załoga Aresa 1 nie ląduje tam, gdzie ma ochotę, lecz w starannie przygotowanym miejscu. Seria wcześniejszych bezzałogowych misji dostarczyła im już wszystkiego, czego potrzebują podczas swojego 30-dniowego pobytu, w tym hermetyczny moduł mieszkalny zaopatrzony w jedzenie, powietrze i wodę, dwa łaziki powierzchniowe oraz różnego rodzaju instrumenty naukowe.

Co najważniejsze - czeka na nich gotowy pojazd mający ich wywieźć z Marsa, który w międzyczasie produkował paliwo na podróż powrotną dla Hermesa, mieszając wodór z dwutlenkiem węgla pobieranym z atmosfery Czerwonej Planety.

Ta pierwsza załogowa wyprawa na Marsa przebiega bez zakłóceń i astronauci z Aresa 1 bezpiecznie wracają na Ziemię - a dwa lata później w podobną misję wyrusza Ares 2. Potem po kolejnych dwóch latach... cóż, być może misja Aresa 3 nie przebiegnie zgodnie z planem. Tak się właśnie dzieje w powieści Andy'ego Weira z 2014 roku pod tytułem Marsjanin, która rok później została zaadaptowana na filmowy hit przez Ridleya Scotta. To z tej książki pochodzi opisana właśnie sytuacja - a dla Weira i Scotta jest to wstęp do jednej z najbardziej ekscytujących opowieści o przetrwaniu, jaka powstała w naszych czasach. Ale czy to naprawdę tylko fikcja?

Większość technologii przedstawionej w Marsjaninie już istnieje. Rakieta Saturn V z lat sześćdziesiątych mogła wynieść ponad sto ton ładunku na orbitę okołoziemską, a obecnie rozwijane są pojazdy nośne, które będą w stanie dorównać tej ładowności. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna o masie 400 ton stanowi dowód na to, że możliwe jest budowanie dużych struktur na orbicie Ziemi - i że ludzie mogą bezpiecznie żyć i pracować w kosmosie przez rok lub dłużej.

Ogromny, napędzany energią jądrową statek kosmiczny Hermes przedstawiony w filmie jest znacznie bardziej zaawansowany niż to konieczne (przynajmniej jeśli chodzi o podróż na Marsa - ale za to w sam raz na hollywoodzki przebój). Problemem tutaj jest raczej zbędny koszt i ekstrawagancja, a nie brak technicznych możliwości. Z pewnością byłoby na przykład możliwe wytworzenie sztucznej grawitacji poprzez obracanie części statku kosmicznego - ale czy jest to konieczne lub opłacalne w przypadku misji zaplanowanej na niewiele ponad rok, to już inna sprawa.

Podobnie, system napędowy "silnika jonowego" - opisany w powieści jako silnik plazmowy o zmiennym impulsie właściwym typu VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket1) - jest technicznie wykonalny i stanowi przedmiot bieżących badań, ale prawdopodobnie jego zastosowanie wcale nie jest konieczne.

Tradycyjne rakiety powinny wystarczyć do wykonania tego zadania. Start statku Hermes z załogą byłby poprzedzony wcześniejszym wyekspediowaniem zaopatrzenia - zrobotyzowanych misji takich samych jak te, które są już rutynowo wysyłane na Marsa, gdy tylko otwiera się okno startowe. Takie podejście, nazywane "misją rozdzieloną", zostało upowszechnione w latach dziewięćdziesiątych zeszłego wieku przez inżyniera lotnictwa i kosmonautyki Roberta Zubrina pod nazwą Mars Direct - które obejmowało również pomysł produkcji paliwa na miejscu, tak jak to przedstawiono w Marsjaninie. W różnych wariantach podstawowa architektura misji Zubrina znajduje odzwierciedlenie w większości obecnych propozycji dotyczących eksploracji Marsa przez człowieka, czy to pochodzących ze strony agencji rządowych, takich jak NASA, czy od prywatnych firm, na przykład SpaceX Elona Muska - a także oczywiście w literackich opisach, takich jak Marsjanin.

Tak więc załogowa podróż na Marsa jest technicznie wykonalna - ale czy uda się ją zrealizować w ciągu najbliższych 20 lat? W latach sześćdziesiątych wiele osób było przekonanych, że ludzie wylądują na Marsie przed końcem XX wieku. Niestety tak się nie stało z różnych powodów, począwszy od kwestii finansowych i politycznych aż po konflikty priorytetów w społecznościach naukowych i kosmicznych. Mimo to poczyniono postępy. Mamy Międzynarodową Stację Kosmiczną wielkości boiska piłkarskiego, utrzymującą stałą obecność człowieka w kosmosie od pierwszego roku bieżącego stulecia.

Widzieliśmy, jak NASA umieściła łazik Curiosity - mobilne laboratorium naukowe wielkości samochodu miejskiego - na powierzchni Marsa, a następnie wjechała nim na zbocze góry. Słyszeliśmy też, jak przedsiębiorcy z wielkiego biznesu, tacy jak Elon Musk, wygłaszali optymistyczne prognozy dotyczące dotarcia na Czerwoną Planetę z wykorzystaniem wyłącznie prywatnych funduszy. Wyścig na Marsa mógł wystartować powoli, ale teraz zdecydowanie nabiera tempa...

1. Urok Czerwonej Planety

Nasz sąsiad w Układzie Słonecznym

Czy możemy przypisać charakterystyczną barwę tej planety kolorowi roślinności, niewątpliwie pokrywającej równiny Marsa, który jest widoczny gołym okiem i który skłonił starożytnych do utożsamienia go z wojownikiem? Czy łąki, lasy i pola na Marsie są całe czerwone? (...) Nie może być tak, że gleba na Marsie jest całkowicie pozbawiona roślinności, niczym piaski Sahary. Z bardzo dużym prawdopodobieństwem jest pokryta jakąś formą roślinności, a ponieważ jedynym kolorem, jaki dostrzegamy na twardej powierzchni Marsa, jest czerwony, dochodzimy więc do wniosku, że marsjańska roślinność ma taką właśnie barwę.

Te słowa napisał francuski astronom Camille Flammarion w 1873 roku. Był to czas, gdy technologia teleskopowa właśnie osiągnęła punkt, w którym można było rozróżnić niektóre cechy powierzchni Czerwonej Planety - więc ludzie tacy jak Flammarion puszczali wodze fantazji. Ich pisma wywołały ogólnoświatowy wzrost zainteresowania Marsem, a wkrótce do rzekomej "czerwonej roślinności" dołączył złożony system sztucznych kanałów i złowrogie potwory o wyłupiastych oczach. Był to po prostu kolejny etap długotrwałej fascynacji ludzkości Czerwoną Planetą, sięgającej czasów starożytnych.

Mars jest jednym z najbliższych sąsiadów Ziemi w kosmosie, następną planetą od Słońca. Przed wynalezieniem teleskopu zaliczał się do zaledwie pięciu planet, które można było zobaczyć na nocnym niebie. Pozostałe to Merkury i Wenus, które krążą bliżej Słońca niż Ziemia, oraz Jowisz i Saturn, znajdujące się za orbitą Marsa. Tylko Wenus od czasu do czasu bardziej zbliża się do Ziemi niż Mars.

Ziemia obiega Słońce raz na rok. Jej orbita jest niemal idealnym okręgiem o średnim promieniu wynoszącym około 150 milionów kilometrów. Dla wygody odległość tę nazywa się czasami "jednostką astronomiczną" lub AU ( astronomical unit ), aby ułatwiać porównywanie odległości w Układzie Słonecznym. Na przykład Wenus krąży wokół Słońca po niemal kołowej orbicie o promieniu 0,72 AU, więc jej największe zbliżenie do Ziemi wynosi zaledwie 0,28 AU, czyli około 42 miliony kilometrów.

Sytuacja z Marsem jest nieco bardziej skomplikowana. Jego orbita jest wyraźnie niekołowa - ma owalny kształt zwany elipsą. Odległość Czerwonej Planety od Słońca w peryhelium, czyli przy największym zbliżeniu, wynosi zaledwie około czterech piątych tego, co w aphelium, czyli najdalszym punkcie orbity. Tak naprawdę wszystkie planety poruszają się po orbitach eliptycznych - mówi o tym pierwsze prawo ruchu planet Keplera - ale w przypadku Ziemi i Wenus peryhelium jest tylko nieznacznie bliżej Słońca niż aphelium.

Średnio Mars znajduje się około 50 procent dalej od Słońca niż Ziemia. Potrzebuje też znacznie więcej czasu na wykonanie pełnego obiegu swojej orbity, zgodnie z trzecim prawem Keplera, które mówi, że okres orbitalny planety wzrasta wraz z jej odległością od Słońca. "Rok" marsjański trwa 687 dni, czyli zaledwie kilka tygodni mniej niż dwa lata ziemskie. W tym czasie odległość między Marsem a Słońcem waha się od 1,38 AU w peryhelium do 1,67 AU w aphelium.

Ze względu na połączenie mimośrodowości jego orbity i braku synchronizacji między rokiem marsjańskim a naszym, odległość do Marsa - a tym samym jego pojawianie się na ziemskim niebie - znacząco zmienia się w czasie. Istnieją dwa specjalistyczne terminy, które pomagają w tej dyskusji: koniunkcja i opozycja. Choć amatorzy astronomii są zaznajomieni z tymi określeniami, osoby nieobeznane z tematem powinny zwrócić uwagę, że sposób ich użycia w tym kontekście jest wyjątkowo nieintuicyjny.

Można by naiwnie pomyśleć, że "koniunkcja" odnosi się do punktów na orbitach Ziemi i Marsa, gdy znajdują się one najbliżej siebie, po tej samej stronie Słońca, a "opozycja" oznacza, że są najdalej od siebie, po przeciwnych stronach Słońca. Niestety, jest dokładnie odwrotnie. Może to brzmieć dziwnie, ale istnieje w tym nazewnictwie pewna ukryta logika. Określenia te sięgają czasów starożytnych, kiedy powszechnie uważano, że Słońce i pozostałe planety poruszają się po okręgach wokół nieruchomej Ziemi. W tym modelu "koniunkcja" oznacza, że Mars i Słońce znajdują się blisko siebie po tej samej stronie Ziemi, natomiast "opozycja" oznacza, że są po przeciwnych stronach Ziemi.

Opozycja to najlepszy czas na obserwację Marsa, ponieważ jest on bliżej Ziemi, a więc wydaje się większy i jaśniejszy niż zwykle. Opozycje występują mniej więcej co 25 lub 26 miesięcy. Jednak nawet w opozycji odległość do Marsa może się znacznie różnić w zależności od tego, czy znajduje się on blisko peryhelium, czy aphelium. Najlepsze warunki do obserwacji pojawiają się podczas opozycji w peryhelium 2 , kiedy Mars jest zaledwie 0,38 AU od Ziemi, czyli około 56 milionów kilometrów. Opozycje tego typu występują tylko raz na 15 do 17 lat - to najlepsza sytuacja z punktu widzenia obserwatora. Na przeciwnym krańcu mamy do czynienia z najgorszym scenariuszem, czyli koniunkcją w aphelium, gdy Mars znajduje się bardzo daleko od Ziemi, aż 2,67 AU - czyli 400 milionów kilometrów.

Odległość między Ziemią a Marsem zmienia się między dwoma skrajnościami, gdy planety krążą wokół Słońca.

Źródło ilustracji: A. May, Destination Mars , Icon Books 2017, s. 4.

Dopiero od momentu wynalezienia teleskopów ludzie byli w stanie wyraźnie zobaczyć Marsa, nawet podczas wielkiej opozycji. Wcześniej był to po prostu jeden z małych świecących obiektów na niebie, niczym niemal nieróżniący się od jasnej gwiazdy lub innych planet. Jednak nawet w tamtych czasach Mars wyróżniał się pewnym szczegółem. Ma wyraźnie czerwonawy kolor, a ogromne wahania jego jasności - między koniunkcją a opozycją oraz między peryhelium a aphelium - stanowiły nieodgadnioną tajemnicę dla kultur, które wierzyły, że Ziemia znajduje się w centrum wszechświata, a wszystko na nieboskłonie powinno być doskonałe i niezmienne. Dla starożytnych Mars był symbolem przemocy i konfliktu - nawet nasza współczesna nazwa tej planety pochodzi od rzymskiego boga wojny - a kiedyś jasna opozycja w peryhelium była uważana za zapowiedź nadchodzącego rozlewu krwi.

Wynalezienie teleskopu w XVII wieku nie zmniejszyło fascynacji Marsem. W istocie sprawiło to, że Czerwona Planeta wyglądała jeszcze bardziej intrygująco, szczególnie w porównaniu z jej sąsiadami w Układzie Słonecznym. Teleskopy ujawniły, że Merkury to mały, skalisty świat podobny do Księżyca. Wenus, choć zbliżona rozmiarem do Ziemi, jest spowita gęstymi chmurami sugerującymi istnienie miażdżąco gęstej i piekielnie gorącej atmosferę. Planety zewnętrzne Jowisz i Saturn to ogromne kule gazu - podobnie jak Uran i Neptun, które znajdują się tak daleko, że zostały odkryte dopiero po pojawieniu się teleskopu. Z ludzkiego punktu widzenia żadna z tych planet nie wydaje się przyjazna. Ale Mars jest inny.

Oglądany przez teleskop, Mars przypomina mniejszą wersję naszej własnej planety, o promieniu 3390 kilometrów w porównaniu do 6370 kilometrów w przypadku Ziemi. Ponieważ znajduje się dalej od Słońca, dociera do niego mniej światła; w najjaśniejszym momencie światło słoneczne na Czerwonej Planecie ma mniej więcej połowę natężenia ziemskiego. Natomiast długość marsjańskiego "dnia" jest niemal taka sama jak na Ziemi: Mars obraca się wokół własnej osi raz na 24 godziny i 39 minut. Aby uniknąć pomyłki z 24-godzinnym dniem ziemskim, astronomowie nazywają marsjański dzień "solem".

Z topograficznego punktu widzenia Mars przypomina bardziej suchą wersję naszej planety. Jego cechy powierzchniowe są ledwo widoczne przez teleskopy ziemskie, ale sprawiają wrażenie pustyni. Oczywiste jest również, że Mars ma atmosferę - choć cieńszą niż ziemska. Rzeczywista gęstość i skład atmosfery Marsa pozostawały tajemnicą aż do momentu, gdy pierwsze sondy kosmiczne odwiedziły tę planetę. Jednak już przez teleskopy naziemne astronomowie mogli dostrzec, że na Czerwonej Planecie występują zjawiska pogodowe - od sporadycznych strzępiastych chmur po ogromne burze pyłowe. Podobnie jak Ziemia, Mars ma czapy lodowe na północnym i południowym biegunie - choć poprawne zrozumienie tych zjawisk również musiało poczekać do ery kosmicznej.

Kolejną cechą Marsa przypominającą Ziemię jest jego regularny cykl pór roku. Zmiany pór roku na Ziemi wynikają z faktu, że jej oś obrotu (trwającego raz na 24 godziny) jest nachylona pod kątem 23 stopni względem orbity wokół Słońca (która trwa 365 dni). W okolicach czerwca półkula północna jest nachylona w stronę Słońca, co powoduje lato na północy planety i zimę na południu. W grudniu zaś sytuacja ulega odwróceniu: zima panuje na północy, a lato na południu.

Mars ma nachylenie osiowe wynoszące 25 stopni, zbliżone do ziemskiego, więc wykazuje podobny cykl pór roku. Trwają one mniej więcej dwa razy dłużej niż na Ziemi, ponieważ rok marsjański jest dłuższy - trwa 687 ziemskich dni, czyli 669 marsjańskich soli. Jest jednak jeszcze jedna różnica, spowodowana większą eliptycznością orbity Marsa. Peryhelium - czyli największe zbliżenie do Słońca - ma miejsce podczas lata na półkuli południowej i zimy na północnej, podczas gdy aphelium występuje podczas zimy na południu i lata na północy. Oznacza to, że zmiany sezonowe są bardziej wyraźne na półkuli południowej, gdzie lata są gorętsze, a zimy chłodniejsze niż na północy.

Porównanie kluczowych danych dla Ziemi i Marsa

Ziemia

Mars

Promień (km)

6370

3390

Grawitacja powierzchniowa (g)

1

0,4

Natężenie promieniowania słonecznego (waty na metr kwadratowy)

1360

590

Ciśnienie atmosferyczne (kilopaskale)

101

0,6

Odległość do Słońca w peryhelium (AU)

0,98

1,38

Odległość do Słońca w aphelium (AU)

1,02

1,67

Długość roku (dni)

365

687

Długość dnia (godziny)

24

24,6

Nachylenie osi (stopnie)

23

25

Zmienność pór roku na Marsie można obserwować z Ziemi za pomocą teleskopu. Objawia się ona rozszerzaniem i kurczeniem czap lodowych - zwłaszcza południowej - oraz zmianami kolorystyki cech powierzchniowych. W szczególności ciemne obszary powiększają się podczas lata i zmniejszają zimą. Kiedy astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali to zjawisko w XIX wieku, niektórzy z nich zastanawiali się, czy nie widzą sezonowych zmian we wzroście rodzimej roślinności marsjańskiej. Doprowadziło to do jednej z najbardziej intrygujących spekulacji ery teleskopowej: czy na Marsie jest życie?

Druga Ziemia?

W roku 1877 Mars znajdował się w wielkiej opozycji, w odległości zaledwie 56 milionów kilometrów od Ziemi. Z tej rzadkiej okazji skorzystał włoski astronom Giovanni Schiaparelli, który przeprowadził szczegółowe obserwacje powierzchni Czerwonej Planety. Podobnie jak wszyscy astronomowie tamtych czasów zapisywał swoje odkrycia, rysując to, co widział przez okular teleskopu. Fotografia była jeszcze wówczas w powijakach, a dopiero w XX wieku zaczęto uważać aparaty fotograficzne za wystarczająco niezawodne, aby można je było wykorzystywać w profesjonalnej pracy astronomicznej.

Wśród innych cech powierzchni Schiaparelli narysował złożoną sieć prostych linii, które nazwał włoskim słowem canali . W tłumaczeniu może to oznaczać zarówno "koryta" - sugerujące naturalne zjawisko - jak i "kanały", czyli sztuczne konstrukcje. Schiaparelli prawdopodobnie używał tego słowa w pierwszym znaczeniu, ale w obcojęzycznych relacjach z jego prac częściej występowało bardziej sugestywne określenie "kanały".

Jedną z osób, która wzięła sobie do serca ideę kanałów marsjańskich, był francuski astronom Camille Flammarion, który - jak opisano na początku tego rozdziału - już wcześniej miał fantazyjne wyobrażenia o Czerwonej Planecie. Jeszcze gorliwszym zwolennikiem tego pomysłu był Amerykanin Percival Lowell, który przez lata tworzył szczegółowe mapy kanałów, między innymi podczas wielkiej opozycji w 1892 roku. Lowell był przekonany, że kanały marsjańskie to sztuczne konstrukcje - dzieło inteligentnych istot, które czyniły wszystko, co w ich mocy, by sprowadzić wodę z sezonowo topniejących czap lodowych na coraz bardziej suchą pustynię marsjańską. Lowell propagował ten pogląd w cyklu popularnych publikacji, poczynając od książki z 1895 roku, zatytułowanej po prostu Mars .

Szczegółowa mapa Marsa, ukazująca rzekome "kanały", została sporządzona przez Schiaparellego w 1888 roku.

Pomysł istnienia kanałów na Marsie zawsze budził kontrowersje - nie tylko dlatego, że sugerował istnienie inteligentnych istot marsjańskich, ale również z tego powodu, iż zaledwie garstka osób twierdziła, że potrafi je dostrzec. Wielu astronomów, patrząc przez teleskopy równie dobre jak instrumenty Schiaparellego i Lowella, nie było w stanie zobaczyć żadnych liniowych struktur. Sprawa ta osiągnęła punkt kulminacyjny podczas kolejnej wielkiej opozycji w 1909 roku, kiedy francuski astronom (greckiego pochodzenia) Eug?ne Antoniadi sporządził najdokładniejsze rysunki Marsa, jakie do tamtej pory powstały. Na ilustracjach Antoniadiego nie było widać żadnych kanałów, a on sam zasugerował, że stanowiły one jedynie złudzenie optyczne - niewątpliwie wspierane myśleniem życzeniowym:

Mniej lub bardziej prostoliniowe, pojedyncze lub podwójne kanały Schiaparellego nie istnieją jako kanały ani jako wzory geometryczne; lecz mają pewne oparcie w rzeczywistości, ponieważ w miejscach każdego z nich powierzchnia planety ukazuje nieregularną smugę lub też poszarpaną, szarawą krawędź.

To powinno było zakończyć sprawę - i dla większości profesjonalnych astronomów tak się właśnie stało. Ale u ogółu społeczeństwa kanały marsjańskie wywoływały wielkie emocje, które utrzymywały się aż do czasu, gdy sondy kosmiczne potwierdziły ponad wszelką wątpliwość ich nieistnienie. Popularność kanałów w dużej mierze wynikała z koncepcji Lowella o wysoko rozwiniętych istotach walczących o przetrwanie na coraz bardziej jałowej planecie. Sugerowano, że cywilizacja marsjańska była starsza i bardziej zaawansowana niż ziemska. Jak napisał sam Lowell w swojej książce z 1895 roku: