Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Если эта суперземля является планетой с твердой оболочкой, она должна состоять из тех же элементов, что и планеты земной группы. То есть основными ее составляющими должны быть железо и силикаты. Минимальный возможный размер при такой массе будет иметь планета, в составе которой не будет ничего, кроме железа. В планете максимального размера железа не будет совсем — его заменят более легкие силикатные породы. Обе крайности маловероятны. Учитывая, что элементы планет земного типа конденсируются в твердые породы практически при одной и той же температуре, все они принимают участие в формировании планеты. Например, 30% массы Меркурия — нашей самой горячей и богатой железом планеты — до сих пор приходится на мантию из силикатных пород. Но, даже если допустить возможность реализации самых маловероятных сценариев, все равно результат будет меньше, чем у 55 Рака e.

А что, если отказаться от деления на землеподобные и газовые планеты и остановиться на идее гибридного мира — может быть, тогда удастся увязать радиус 55 Рака e с ее массой? У такой планеты должно быть твердое ядро значительно большего размера, чем у Земли. Также она должна быть способна удержать первичную толстую водородно-гелиевую атмосферу. Учитывая малый вес газов, даже при массе атмосферы в 0,1% массы планеты мы можем получить мир с плотностью, соответствующей плотности 55 Рака e.

Гипотеза о 55 Рака e как о гибридной планете могла бы стать идеальным ответом на вопрос о ее природе, если бы не невероятно короткий период обращения — всего 18 часов. Суперземля, на которой год длится меньше земных суток, обращается вокруг звезды на расстоянии всего 0,016 а.е. Из-за близости к раскаленному ядерному реактору средняя температура на этой планете, как предполагают, составляет около 2000 °C. В условиях адской жары массы планеты вряд ли хватит, чтобы не дать улетучиться легкой водородно-гелиевой атмосфере. Она выгорит за пару миллионов лет, что не так уж и много по меркам планетной эволюции. Поэтому нам вряд ли удастся увидеть 55 Рака e в тот период, когда она еще была окружена первичной газовой оболочкой.

Итак, об атмосфере, как у Нептуна, не может быть и речи. Вопрос: какой другой элемент рыхлее твердых пород, но при этом обладает достаточной массой, чтобы планета могла удержать его? Ответ: вода, вернее, крайне необычное состояние воды.

Если допустить, что изначально 55 Рака e сформировалась за снеговой линией, в момент рождения в ее составе должно было быть большое количество льда. После того как в процессе миграции к звезде ее атмосферу покинули водород и гелий, вокруг твердого ядра планеты должна была остаться оболочка из водяных паров толщиной в тысячи километров. Идея о том, что планета, обращающаяся по орбите в непосредственной близости от горнила своей звезды, может быть покрыта водой, кажется более чем странной. Разумеется, вода на такой планете не может иметь ничего общего с той прохладной жидкостью, которая течет из крана на нашей кухне. Имеющаяся на 55 Рака e вода должна пребывать в крайне редком состоянии, называемом сверхкритическим.

Переход в состояние сверхкритической жидкости происходит при очень высоких значениях температуры и давления. Например, ракетное топливо переходит в сверхкритическую фазу в момент выброса из сопел стартующего космического корабля. В такой форме граница между жидкостями и газами размывается, и вещество оказывается где-то между этими двумя состояниями. На планете с подобными характеристиками невозможно понять, где проходит граница между океанами и небом. Если бы мы решили отправиться туда и сумели выжить, мы бы оказались в подвешенном состоянии где-то в толще сверхкритического тумана.

Раскаленный мир с годом продолжительностью 18 часов в оболочке из жидкообразного газа, обращающийся по орбите, которая медленно опрокидывается, — можно ли придумать что-то более странное? Но есть еще одно, даже более странное, объяснение состава 55 Рака e: сверхкритичная вода тут ни при чем — возможно, эта суперземля полна алмазов.

Несмотря на сходство в размерах, по составу звезда 55 Рака не похожа на наше Солнце: полагают, что она богата углеродом. Звезды вплоть до преклонного возраста состоят главным образом из водорода и гелия с микроскопическими вкраплениями других элементов — углерода, кислорода, магния, кремния и железа. Углерода в составе Солнца примерно вдвое меньше, чем кислорода. Эту особенность, как правило, выражают в виде соотношения между элементами: C/O = 0,5. Проведенные в 2010 г. наблюдения показали, что, в отличие от Солнца, углерода в составе 55 Рака немного больше, чем кислорода: C/O = 1,12. Различия в составе звезд имеют большое значение, поскольку указывают на различия в составе протопланетных дисков, материал которых должен был быть таким же, как у звезд. Большая доля углерода в составе звезды может указывать на то, что участвовавшие в формировании планет частицы пыли также были богаты углеродом. Миры из такого материала могут сильно отличаться от планет земной группы.

Несмотря на большую роль углерода в эволюции биологической жизни, на Земле его на удивление мало. Девяносто пять процентов массы Земли приходятся на железо, кремний, кислород и магний. Большая часть железа заключена в земном ядре. Остальные элементы образуют силикатную мантию и кору. Углерод выступает в качестве второстепенного компонента: на него приходится менее 0,2% массы Земли. Столь мизерная доля объясняется тем, что конденсация углерода в твердые частицы происходила в холодной внешней области Солнечной системе. В области формирования миров земной группы он оставался в форме пара, и в момент, когда Солнце заставило рассеяться газовый диск, его оттуда просто выдуло. Как и в случае с океанами, о возможных источниках происхождения которых мы говорили в главе 4, в начале существования Земли углерода на ней не было. Небольшое его количество было занесено на нашу планету метеоритами из внешней области Солнечной системы.

При увеличении доли углерода в протопланетном диске до величины, сопоставимой с долей атомов кислорода (или даже превышающей ее), свойства твердого строительного материала в системе меняются. Доминирование атомов углерода приводит к тому, что кремний начинает связываться не с кислородом, а с углеродом, образуя не силикат, а твердый карбид кремния. Поэтому в составе планет, сформированных из такой пыли, будут преобладать не соединения кислорода, а углерод и карбид кремния.

Если недра 55 Рака e имеют именно такой богатый углеродом состав, необходимость в обеспечивающей объем оболочке из более легкого материала отпадает. Состоящая из железа, углерода и кремния планета с массой, зафиксированной в ходе наблюдений за 55 Рака e, может иметь как раз тот радиус, который нам нужен. Значит, можно не только отбросить гипотезу о сверхкритичной воде, но и констатировать, что воды на 55 Рака e, возможно, нет совсем.