Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

При обилии углерода в протопланетном диске кислород окажется во власти этого элемента, результатом чего станет формирование токсичного монооксида углерода. Кислорода, из которого при связывании с водородом могла бы образоваться вода, останется совсем немного. Поэтому даже во внешней планетной системе льда из воды может просто не быть. Торренс Джонсон, исследователь из Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, занимавшийся моделированием процесса образования планетезималей в богатых углеродом системах, как-то с сожалением заметил: «За снеговой линией, возможно, никакого снега и нет».

Отсутствие воды в планетной системе означает, что, даже если бы 55 Рака e находилась на орбите, обеспечивающей более благоприятный климат, из-за обилия углерода на ней бы не было условий для поддержания жизни в известной нам сейчас форме. Джонатан Лунин из Корнеллского университета, работавший вместе с Джонсоном, прокомментировал это наблюдение не без доли иронии: «Как это ни парадоксально, но когда углерода, главного элемента жизни, становится слишком много, он крадет кислород, необходимый для формирования воды — растворителя, без которого известные нам формы жизни просто немыслимы».

Если оставить в стороне отсутствие воды, какие еще особенности должны быть у углеродной планеты? Скорее всего, ее кора будет состоять из графита — вещества, из которого делают стержни для карандашей. В условиях высокого давления под поверхностью планет образуется алмазная мантия. Значительная часть углерода в мантии Земли также имеет форму алмазов, превращаясь в карбонаты при окислении в условиях более низкого давления в прилегающих к коре слоях. Почему же мы до сих пор не купаемся в бриллиантах? Причина в том, что общее количество углерода исключительно мало — менее 0,2%, в то время как на кислород приходится чуть больше 50%. На богатой углеродом планете алмазов будет столько, что в результате вулканической активности на ее поверхности должны разливаться настоящие реки этих сверкающих драгоценных камней.

Если бы на такой планете могло существовать вещество в жидкой форме, оно также было бы связано с углеродом — например, это могло бы быть море дегтя. Добавим также высокий уровень содержания моноксида и диоксида углерода в атмосфере и постоянно висящую в воздухе пелену смога из-за углеродных дождей. И это еще оптимистичный сценарий. Ведь на такой планете может вовсе не быть атмосферы.

Под поверхностью Земли безостановочно кипит работа. Кора планеты разделена на застывшие участки, которые называют тектоническими плитами. Под ними — мантия. Несмотря на кажущуюся монолитность, в масштабе геологического времени, измеряемого миллионами лет, мантия на самом деле движется как жидкость с чрезвычайно высокой вязкостью. Выступая в качестве своего рода конвейерной ленты, она заставляет перемещаться тектонические плиты. Когда две плиты расходятся, находящаяся под ними мантия выходит на поверхность и остывает, образуя новый участок коры. Там, где плиты соскальзывают друг под друга, старые более толстые участки коры начинают плавиться, в результате чего в таких переходных зонах часто образуются вулканы. Перемещения коры и мантии обеспечивают циркуляцию атмосферы и питательных веществ в пределах планеты, а также способствуют генерации магнитного поля. Но стоит заменить нашу мантию на алмазную, как эта важнейшая активность будет существенно затруднена.

Алмаз имеет очень высокую вязкость, то есть жидкостное трение, определяющее скорость течения материалов. Вязкость сиропа больше, чем вязкость воды, а вязкость алмазной мантии приблизительно в 5 раз больше вязкости силикатного слоя. На планете, где доля углерода превышает 3%, сдвинуть мантию настолько трудно, что рассчитывать на тектонические сдвиги не приходится — разве что на скрежет.

Из-за отсутствия тектонических процессов поверхность планеты превратится в неподвижный панцирь, что серьезно затруднит образование вулканов. На первый взгляд, в сокращении числа гор, которые могут взорваться в любой момент, нет ничего плохого. Но на самом деле планета лишается важного фактора формирования атмосферы. В итоге мы получаем инертное тело с горой драгоценных камней, но без воздуха.

Присутствие графита в коре также может способствовать чрезмерному нагреву поверхности планеты. Даже на такой же орбите, как у Земли, графит из-за своего темного цвета не сможет отражать солнечный свет — он будет его поглощать. Подобно огромному черному пикапу на открытой парковке где-нибудь во Флориде[12], планета будет нагреваться намного сильнее зелено-голубой Земли. А значит, даже если ей удастся каким-то образом заполучить океаны, удержать воду в жидкой форме на поверхности будет очень трудно.

Таким образом, даже соблазн перед красотой драгоценных камней вряд ли способен сделать углеродный мир привлекательным местом для жизни.

Не успела планета 55 Рака e официально прослыть углеродным адом, как само существование источника всех ее бед было поставлено под сомнение. Проблема в том, что измерить соотношение C/O (углерода к кислороду) не так-то просто. Дело в том, что вычисление содержания кислорода в звезде представляет собой особо сложную задачу.

Звезда состоит из невероятно горячего плотного ядра, окруженного чуть менее горячей атмосферой из разреженного газа. Температура солнечного ядра может достигать 15 000 000 °C и более, тогда как температура внешнего слоя звезды составляет 5500 °C. Эту внешнюю атмосферу звезды называют фотосферой. Температура фотосферы все еще достаточно высока, но уже не настолько, чтобы атомы не могли удерживать свои электроны. Эти электроны выстраиваются на лестнице неравноотстоящих энергетических уровней. Подвергаясь исходящему от ядра излучению, атомы поглощают длины волн с энергией, достаточной для перехода внешнего электрона на одну из более высоких энергетических ступеней. Поглощаемые длины волн зависят от занимаемых электронами энергетических уровней, а значит — от типа атома. Изучив свет звезды и определив, какие длины волн в нем отсутствуют, можно понять, какие атомы входят в ее состав.

Ситуация осложняется, когда два разных атома поглощают практически одни и те же длины волн. В этом случае их трудно отличить друг от друга, что приводит к неопределенности в оценке количества атомов обоих типов. Что касается измерения соотношения C/O для 55 Рака, проблема заключалась в том, что длина волны, обычно получаемая при измерениях для кислорода, была чрезвычайно близка к соответствующему значению для никеля. В 2013 г. был проведен повторный анализ собранных о звезде данных. На этот раз было решено не полагаться на разницу между основными длинами волн для кислорода и никеля, а провести сравнение трех разных длин волн, которые могу поглощать атомы кислорода, и теми, которые поглощают атомы никеля. Исследователи пришли к выводу, что соотношение C/O у данной звезды ниже первоначально полученного значения 1,12, а именно около 0,78. Углерод замещает кислород в соединениях кремния в том случае, если значение C/O в газе протопланетного диска составляет приблизительно 0,8. Таким образом, в вопросе о природе 55 Рака e возникла неопределенность. Чтобы узнать, является ли этот мир углеродным, требовались крайне сложные наблюдения.