Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Спасти ситуацию и подтвердить гипотезу о жутком углеродном мире могло бы одно обстоятельство, осложняющее общую картину. Хотя в момент рождения звезда и протопланетный диск имеют одинаковые состав атомов, со временем твердые частицы в диске меняются.

Рассматривая в главе 1 процесс образования нашего протопланетного диска, мы отмечали, что материал частиц пыли зависит от температуры. В окрестностях Солнца присутствуют соединения железа и силикаты, которые улетучиваются только при высоких температурах. Летучие молекулы, такие как вода, сохраняют форму газа вплоть до снеговой линии, за которой температура падает. Однако этот переход из газового состояния в твердое не происходит мгновенно. Исходя из возраста падавших на Землю метеоритов можно сделать вывод, что конденсация твердых частиц, из которых формировались наши планеты, не была одномоментным процессом, напротив, она продолжалась в течение 2,5 млн лет. Этого времени достаточно, чтобы в результате изменения условий в протопланетном диске начался процесс формирования богатых углеродом планетезималей.

Когда значение C/O ниже 0,8, углерод сохраняет газообразную форму в значительной части протопланетного диска. Кремний захватывает кислород, в результате чего образуются силикатные частицы, а углерод остается нетронутым. Таким образом, содержание кислорода в газе постоянно снижается, а значение соотношения C/O начинает расти. Поэтому дальнейшее формирование твердых частиц происходит в газе с такой высокой долей углерода, что большинство из них оказываются частицами графита и карбида кремния.

Это означает, что, даже если первоначально значение C/O в газе протопланетного диска не превышает магические 0,8, возможность формирования большого количества твердого углерода в последующем все равно существует. Согласно расчетам, даже такого маленького значения, как C/O = 0,65, достаточно для образования богатых углеродом планетезималей. Так что 55 Рака e вполне может быть углеродным миром. И не она одна.

Судя по значениям C/O в близлежащих к нам звездных системах, у трети звезд, рядом с которыми есть планеты, это соотношение может превышать 0,8. А значит, там могут быть коварные углеродные миры. И даже если из-за сложности оценки содержания кислорода это значение завышено, доля углеродных планет все равно может быть весьма значительной. Рядом с двумя звездами, которые, как показывают измерения, отличаются исключительно высоким значением C/O, были найдены газовые гиганты. HD 189733 располагается на расстоянии 63 световых года от нас в созвездии Лисичка. Газовый гигант рядом с ней — это горячий юпитер с периодом обращения 2,2 суток. HD 108874 находится в 200 световых годах от нас в созвездии Волосы Вероники (Вероника — египетская царица). Эта звезда соседствует с двумя мирами размером с Юпитер, которые находятся на несколько большем удалении от нее: расстояние до HD 108874 b составляет 1 а.е., а до второй звезды — 2,68 а.е. Поскольку все они являются газовыми мирами, ни у одной из этих планет не должно быть твердой оболочки. Однако, будь у них спутники, они вполне могли бы быть углеродными мирами.

Если 55 Рака e удалось избежать печальной участи стать углеродным миром, в результате связывания кремния и кислорода на ней должны были образоваться силикатные породы. На первый взгляд, это делает ее уже куда более похожей на Землю. Однако, как выясняется, не все твердые породы одинаково тверды.

Силикаты формируются при связывании кремния и кислорода с участием еще одного элемента. В мантии Земли в качестве третьего элемента обычно выступает магний (но бывает, что и железо). Точный минеральный состав смеси зависит от относительной распространенности магния и кремния, выражаемой в виде соотношения Mg/Si. Соотношение Mg/Si Солнца чуть больше 1, то есть в составе нашей звезды примерно одинаковое количество атомов обоих элементов. Благодаря этому в земной мантии образуется смесь пироксена (один атом кремния и один магния в молекуле) и оливина (два атома магния и один кремния). Данные измерений Mg/Si ближайших к нам звезд показывают большие различия этого соотношения. А значит, рядом с ними могут быть миры земного типа, сформированные из силикатных пород, но при этом имеющие разный минеральный состав внутренней части.

При значении соотношения Mg/Si менее 1 доля кремния превышает долю магния. Кремний связывается с имеющимся количеством магния, образуя уже знакомый нам пироксен. Оставшаяся часть кремния вступает во взаимодействие с менее распространенными элементами, такими как калий, алюминий, натрий и кальций, формируя семейство полевых шпатов — минералов, широко распространенных в земной коре. Поэтому у бедной магнием планеты может быть мантия из горных пород, образующих кору. С другой стороны, когда магния больше, чем кремния, образуются такие богатые магнием минералы, как оливин и железистый периклаз (окись магния).

Почему так важно знать состав образующихся минералов? Дело в том, что от него зависит степень подвижности мантии. Большая или меньшая вязкость мантии по сравнению с вязкостью, обеспечиваемой минералами земной мантии, указывает на отличия в тектонической активности кристаллических плит и в вулканической активности, которые могут привести к формированию совершенно других условий на поверхности планеты. Эксперименты с составом мантии можно сравнить с попытками неопытного пекаря изменить соотношение муки и масла в традиционном тесте для выпечки: стоит отклониться от рецепта, как получается нечто непригодное для жизни.

Если в недрах 55 Рака e преобладают силикаты, то ее мантия обречена на инертное существование. Согласно данным измерений, соотношение Mg/Si у ее звезды не превышает 0,87, что гарантирует низкое содержание магния в силикатах. Из-за корковидной структуры полевых шпатов состоящая из них мантия 55 Рака e должна иметь большую вязкость по сравнению с земной. Результатом может стать интенсивный взрывной вулканизм, так как газы не смогут высвобождаться вместе с малоподвижной студенистой магмой, выносящей расплавленные горные породы на поверхность во время извержения.

На другом конце этого спектра находятся богатые магнием планеты, обращающиеся вокруг звезды Тау Кита. Эта планетная система находится на расстоянии 11,9 светового года от Земли в созвездии Кит. Входя в число трех ближайших к Солнцу звезд наряду с Проксимой Центавра и альфой Центавра, Тау Кита уже давно будоражит воображение писателей-фантастов.

Факт существования этих планет ставится под сомнение, но, согласно имеющимся данным, вокруг Тау Кита могут обращаться пять суперземель. Три из них — внутренние планеты, обращающиеся по близким к звезде орбитам. Другие две — внешние планеты, температура поверхности которых потенциально может быть сопоставима с земной. Однако соотношение Mg/Si Тау Кита равно 1,78, она на 70% богаче магнием, чем Солнце. Поэтому при наличии у этих миров твердых оболочек они должны иметь богатые магнием мантии из оливина и ферропериклаза. В отличие от полевых шпатов, железистый периклаз имеет меньшую вязкость, чем элементы земной мантии, и можно предположить, что внутренности такой планеты должны перемешиваться более интенсивно, вызывая движение тектонических плит. Возможен и обратный сценарий, при котором богатая магнием кора достигает толщины, полностью исключающей появление разломов и образование тектонических плит. Если при этом по-прежнему будет продолжаться вулканическая активность, газ будет легко выходить на поверхность со свободно текущей лавой, что приведет к бурным невзрывным извержениям лавы.