Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

При всех трудностях развития жизни на покрытых неглубоким океаном планетах есть одно важное обстоятельство, которое может склонить чашу весов в их пользу. На планете земного типа поверхность — далеко не единственное место, где имеется вода. На Земле значительная ее часть в результате впитывания воды горными породами оказалась заключена в мантии. При перемещении тектонических плит происходит обмен водой между резервуарами на поверхности и в мантии. При опускании океанической коры вода попадает в мантию, а затем возвращается на поверхность через жерла вулканов. Благодаря более мощной гравитации на суперземле обмен между двумя резервуарами будет происходить под более высоким давлением, что приведет к выталкиванию в мантию большего количества жидкости. В определенный момент в результате ухода воды в недра плоское дно океана на суперземле может частично обнажиться. С появлением суши планета утратит типичные черты покрытого водой мира — на ней возобновится круговорот углерода.

Оценить эффективность процесса выталкивания воды в подземные резервуары довольно трудно. Отчасти это объясняется тем, что мы не знаем, сколько именно воды находится в земной мантии. Если примерно столько же, сколько в океанах на поверхности, то такого соотношения вполне хватит, чтобы планета массой 10 масс Земли с тектонической активностью плит не стала планетой-океаном. Такая оценка представляется вполне справедливой и даже немного осторожной. Так что исключать крупные каменистые планеты из рядов потенциально пригодных для жизни миров пока еще рано.

Было бы любопытно порассуждать о возможности развития разумной жизни на планете, которая полностью покрыта водой, но вполне жизнепригодна по другим параметрам. Без суши вряд ли приходится рассчитывать на изобретение огня и электричества, а вместе с ними — и на формирование высокотехнологичной цивилизации. Кроме того, из-за более сильной гравитации на суперземле не могли бы развиться многие формы жизни, способные летать. Земные океаны кишат всевозможными живыми существами, но ни одно из них не сравнится с людьми по критерию разумности. Случайность ли это? Или же эволюция в морской воде на самом деле не способствует развитию когнитивных способностей?

Газовые гиганты не всегда располагаются далеко за снеговой линией, как в Солнечной системе. В результате взаимодействия с газом в протопланетном диске молодые планеты-гиганты могут мигрировать по направлению к звезде. Некоторые из них останавливаются в зоне умеренных температур, что заставляет нас задаться закономерным вопросом: есть ли в этом случае у жизни хоть какой-нибудь шанс?

Наши собственные газовые гиганты не кажутся подходящим для жизни местом. Под окутывающими эти гигантские планеты атмосферами колоссальной толщины жидкий океан существовать не может. Давление у поверхности твердых ядер таких миров настолько велико, что, как считается, там могут существовать весьма необычные формы материи, включая жидкие алмазы и металлический водород. Вряд ли найдется организм, который мог бы выжить в подвешенном состоянии в газе, пребывая во власти мощных конвекционных потоков и постоянно испытывая на себе то обжигающий жар глубин планетной атмосферы, то леденящий холод ее верхних слоев. При всей экзотичности, курортными эти условия точно не назовешь.

Если по своему размеру мигрирующая планета не так велика и подходит под определение мини-нептуна, судьба ее может сложиться по-другому: при приближении к звезде планета может лишиться своей толстой атмосферы из-за возросшего нагрева. У нее останется твердое ядро без оболочки. Может ли такая поверхность быть пригодной для жизни?

Особенно многообещающими в этом смысле представляются планеты вокруг красных карликов. Благодаря тусклому свету звезды внутренний край диска и снеговая линия находятся намного ближе к границам зоны умеренных температур, чем в системах солнцеподобных звезд. Это увеличивает вероятность того, что после рассеивания газового диска мигрирующая газовая планета окажется в пределах зоны умеренных температур. Задержавшись там, она должна избавиться от своей атмосферы. Красный карлик — как раз та звезда, которая может ей в этом помочь.

Ранее бурная активность молодых красных карликов считалась фактором, уменьшающим вероятность развития жизни. Подвергаясь разрушительному воздействию мощных потоков излучения необузданной протозвезды, формирующиеся планеты в зоне умеренных температур рискуют лишиться атмосферы и всего, что может быть на их поверхности. Однако мигрирующей планете с толстой атмосферой это может быть на пользу, так как в результате утраты газовой оболочки обнажится ее ядро.

Обычно формирование таких планет проходит за снеговой линией, где сначала образуется их центральная часть из горных пород и льдов, вокруг которой затем аккумулируется толстая водородно-гелиевая атмосфера. Пока красный карлик еще молод, планета мигрирует в зону умеренных температур. Под воздействием исходящих от протозвезды рентгеновских и ультрафиолетовых лучей атмосфера планеты разогревается, и содержащиеся в ней газы получают достаточную энергию, чтобы преодолеть гравитационное притяжение планеты. Льды на обнажившейся поверхности ядра тают, что приводит к образованию океана.

Срабатывание этого механизма зависит от размера ядра и временных рамок. Гравитация массивного ядра сможет противостоять излучению звезды, не давая водороду и гелию покинуть атмосферу. Например, ядро примерно такой же массы, что и Земля, наверняка потеряет свою негостеприимную оболочку, тогда как при массе, равной двум массам нашей планеты, ядро, скорее всего, удержит атмосферу. Кроме того, если планета мигрирует в зону умеренных температур слишком рано, у молодой звезды будет достаточно времени, чтобы не только лишить ее атмосферы, но еще и выпарить всю воду. И наоборот: если планета запоздает, она рискует пропустить энергичную молодость светила. В последнем случае излучение будет слишком слабым, чтобы повлиять на атмосферные газы. Но если допустить, что планета оптимальной массы добирается до зоны умеренных температур в подходящий момент, вполне может появиться обнаженное ядро с водой на поверхности.

Ландшафт ядра лишившейся оболочки газовой планеты должен очень сильно отличаться от ландшафта планеты земного типа. Если в последнем преобладают силикатные породы, то первый строением должен походить на комету, то есть одна его половина должна состоять из льда, а вторая — из горных пород. Если растает слишком много льда, планету целиком покроют воды.

Чтобы ядро, обнажившееся после потери первичной водородно-гелиевой атмосферы, стало пригодным для жизни, вокруг него должна образоваться новая газовая оболочка. Например, Земля обязана своей вторичной атмосферой вулканической активности: ее сформировали газы, которые выходили на поверхность через вулканы и оставались у поверхности планеты. Учитывая, что состав ядра аналогичен составу комет, среди выталкиваемых на его поверхность газов будут преобладать аммиак и метан. Оба этих парниковых газа могут обеспечить эффективное улавливание тепла у поверхности планеты. Поэтому идеальное место для такого ядра в планетной системе — внешний край зоны умеренных температур, где резкий скачок температуры поверхности не приведет к необратимому нарастанию парникового эффекта.