Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

Многие привыкли думать, что Земля, наша голубая планета, имеет огромные запасы воды. Это так, конечно, но только если мерой выступают потребности людей. Хотя на поверхности Земли, в океанах и полярных шапках сконцентрированы большие запасы воды, они составляют лишь 0,05 % массы Земли. Но что может представлять собой планета, масса воды которой в 10–100 раз больше, чем у Земли?

Если температура на планете ниже температуры замерзания воды, то она покроется коркой льда. Такая планета могла бы промерзнуть насквозь, если бы не ее внутренние источники тепла: жар, оставшийся со времен ее образования, и тепло от распада радиоактивных элементов. Они будут подогревать океан, замедляя процесс замерзания или не давая ему продолжаться. Условия на такой планете не сильно отличаются от тех, что сложились на ледяных лунах Юпитера и Сатурна. А если постепенно перемещать ее ближе к родительской звезде, то климат будет становиться все теплее и теплее. Когда планета окажется на орбите, находящейся в зоне обитаемости, ее льды растают и она полностью покроется жидкой водой. Этот условный тип планет принято называть планетами-океанами. Перемещая такую планету еще ближе к звезде, мы увидим, что вода на ней начнет интенсивно испаряться. И она станет похожей на горячую влажную баню.

Сегодня известно как минимум о шести экзопланетах, которые, вероятно, являются водными мирами. Первой такой планетой, обнаруженной в декабре 2009 года, стала Глизе 1214 b в 42 св. годах от Земли105. Также она является первой суперземлей (2,7 R⊕), найденной на орбите вокруг красного карлика. Эту планету открыли транзитным методом, с помощью спектрографа HARPS удалось точно измерить ее массу (6,55 M⊕). Вычисление средней плотности планеты дало значение 1,9 г/см3 – слишком большое для мини-Нептунов, но слишком маленькое для каменистой планеты. Хорошо объясняет такую плотность смешанный состав экзопланеты: небольшое каменное ядро и газовая и/или водяная оболочка, покрывающая всю планету на тысячи километров вглубь.

В 2014 году была предпринята попытка изучить атмосферу Глизе 1214 b с помощью телескопа «Хаббл»106. Теоретически это делается довольно просто: из спектра звезды, принятого, когда планета находится за звездой, вычитается спектр звезды в момент транзита. Оказалось, спектр атмосферы Глизе 1214 b не имеет никаких отличительных черт. Это значит, что, скорее всего, планета покрыта густыми непрозрачными облаками. Загадка этого мира до сих пор не раскрыта. Сегодня мало кто из ученых считает, что на Глизе 1214 b действительно есть океан: более вероятно, что эта экзопланета – типичный мини-Нептун. Хотя точный ее состав неизвестен. Однако что, если Глизе 1214 b – действительно водный мир? Каким этот мир предстанет перед исследователями?

Пробравшись сквозь эти густые непрозрачные облака, мы попадем в очень горячую и плотную паровую атмосферу. Давление будет нарастать по мере того, как мы спускаемся все ниже, пока перед нами не предстанет безбрежный океан. Но вот мы ныряем в него и стремимся все глубже к недрам планеты – так глубоко, как никто из исследователей никогда не проникал даже в недра Земли. Если мы найдем жизнь на Глизе 1214 b или подобном ей водном мире, это будет биосфера, возможно, чем-то напоминающая земную океаническую биосферу. Чем глубже мы продвигаемся, тем более высоким становится давление. Постепенно вода перестанет напоминать жидкость, к которой мы привыкли на Земле: сначала она перейдет в состояние, которое физики называют сверхтекучей жидкостью, а потом – в плазму[71]. В центре планеты располагается каменное ядро, погруженное в силикатную мантию.

А теперь давайте отправимся на Kepler-186 f107. Эта экзопланета была обнаружена в 2014 году в системе красного карлика, находящегося в 490 св. годах от Солнца в созвездии Лебедя. Kepler-186 f – первая найденная планета земного размера, чья орбита лежит в зоне обитаемости, и поэтому она стала сенсацией. До сих пор ее считают одним из наиболее вероятных претендентов на обнаружение там внеземной жизни.

Как всегда, начну с перечисления некоторых фактов. Как видно уже из названия, Kepler-186 f обнаружили с помощью космического телескопа «Кеплер». Год на этой планете длится 130 земных суток, а большая полуось ее орбиты примерно совпадает по длине с большой полуосью орбиты Меркурия и равна 0,43 а. е. Возраст Kepler-186 оценивается примерно в 4 миллиарда лет, что даже меньше, чем существует наша Солнечная система. Светимость Kepler-186 равна всего 4 % светимости нашего Солнца, из-за чего планета получает лишь треть тепловой энергии, которую Солнце дает Земле. Равновесная температура планеты равна 85 °C. Исходя из оценок светимости ее родительской звезды и «проседания» блеска звезды во время ее транзита, можно вычислить радиус Kepler-186 f: он чуть больше земного – 1,2 R⊕. Поскольку радиус планеты значительно меньше 2 R⊕ – числа, которое, по всей видимости, является критическим для формирования мини-Нептунов, мы с большой долей уверенности можем предполагать, что Kepler-186 f представляет собой скалистую суперземлю.

Колебания радиальной скорости звезды Kepler-186 обнаружить не удалось, а следовательно, не удалось определить и массу планеты. Но давайте предположим, что состав Kepler-186 f схож с земным. Почему бы и нет? Тогда ее масса приблизительно равна 1,4 M⊕. По крайней мере, при таком значении понятно, почему исследователи не смогли вычислить массу планеты. Если мы правы, то колебания радиальной скорости родительской звезды, которые вызовет Kepler-186 f, будут иметь амплитуду, равную всего нескольким десяткам сантиметров в секунду. На сегодняшний день такая точность измерений остается для нас недостижимой. Только самые лучшие из следующего поколения телескопов, например ELT, как ожидается, смогут справиться со столь малыми значениями радиальных скоростей.

На этом более или менее достоверные факты заканчиваются. Дальнейшие рассуждения представляют собой некую спекуляцию, игру ума. С большой вероятностью за время, прошедшее с момента образования планеты, внутренние слои Kepler-186 f, подогреваемые радиоактивным распадом, еще не успели остыть, поэтому будущие исследователи могут обнаружить на планете тектонику плит, вызванную движением магмы, и магнитное поле. Давайте предположим, что это магнитное поле достаточно сильное, чтобы на столь близкой орбите защитить атмосферу Kepler-186 f от интенсивных потоков звездного ветра. Мы ожидаем, что атмосфера сформирована таким же образом, как и у других каменистых планет, – за счет геохимических процессов вследствие тектонической активности, а не за счет захвата газа из протопланетного диска. Поэтому такая атмосфера содержит большое количество углекислого газа, азота и воды. А это значит, что на планете должен быть значительный парниковый эффект. Мы не знаем точный состав атмосферы, ее массу, но простые климатические модели говорят, что нет никаких принципиальных препятствий, чтобы парниковый эффект поддерживал температуру поверхности Kepler-186 f выше 0 °C. Если состав планеты схож с земным, то на планете так же мало воды, в процентном соотношении, как и на Земле.