Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Учитывая то, насколько сильно климат на планете типа «глазное яблоко» отличается от привычного нам, стоит задуматься, а нужно ли вообще говорить о зоне умеренных температур? При оценке вероятности существования воды в жидкой фазе исходят из допущения, что планета в зоне умеренных температур является землеподобной планетой с равномерным распределением тепла. Очевидно, что для мира типа «глазное яблоко», находящегося в приливном захвате, это допущение не соответствует действительности. Как это ни странно, но благодаря резкому перепаду температур на планете, которая во всем остальном похожа на Землю, вода может оставаться жидкой за пределами области, традиционно считающейся подходящей для этого. В предыдущей главе мы говорили о планете Глизе 581 c, которая находится у внутренней границы зоны умеренных температур, и поэтому считается, что ее поверхность, скорее всего, представляет собой выжженную пустыню, как на Венере. Но из-за двойственной природы планеты типа «глазное яблоко» дневная ее сторона должна представлять собой зону неконтролируемого парникового эффекта, а ночная — холодную ловушку. При этом на границе между ними могут иметься условия для существования воды в жидкой фазе. Таким образом, мы в очередной раз убеждаемся, что на самом деле принципы, которые мы считаем универсальными, применимы далеко не всегда и далеко не к любой среде.

При более высокой плотности атмосферы планеты тепло могло бы равномерно перераспределяться между дневной и ночной сторонами. Венера, на которой сутки длятся дольше года, практически находится в приливном захвате с Солнцем. Несмотря на это, на всей поверхности планеты сохраняется температура, близкая к температуре плавления свинца. Причина заключается в том, что толстая пелена облаков, образующая изолирующий слой, и сильные ветры в верхней части атмосферы Венеры нейтрализуют тепло солнечного излучения. Поверхность Венеры определенно непригодна для жизни: куда бы вы ни отправились на ее поверхности, исход будет одинаковым — вы сгорите.

Вращение Венеры — любопытная головоломка. Планета вращается вокруг оси не только медленно, совершая полный оборот за 243 дня, но еще и в направлении, противоположном направлению вращения Земли. В небе над Венерой Солнце встает на западе, а заходит на востоке.

Это отличие кажется весьма необычным. Все планеты, сформировавшиеся в одном протопланетном диске, должны обращаться по орбитам и вращаться вокруг оси в одном направлении. Аномальное направление вращения часто объясняют катастрофическим столкновением, вызвавшим наклон оси планеты. Например, считается, что Уран обязан необычайно большим наклоном своей оси мощным столкновением, имевшим место на поздних этапах его формирования. Однако причиной вращения Венеры в обратном направлении может быть ее атмосфера.

При взаимодействии с солнечным светом молекулы газа в атмосфере Венеры ускоряются, что приводит к повышению давления над разными участками планеты. Из-за разницы давлений горячий газ перетекает в более холодную область, образуя там участок с газом высокой плотности.

На нагрев газа уходит определенное время, поэтому перемешивание слоев атмосферы происходит с небольшим отставанием относительно движения Солнца[37]. Молекулы газа скапливаются, образуя плотный участок в атмосфере, не на противоположной стороне планеты, а в месте, находящемся под некоторым углом к Солнцу. Когда гравитация Солнца начинает притягивать этот более плотный участок, создается вращающий момент, который приводит в движение атмосферу. При перемещении толстого газового покрывала по поверхности планеты создаваемого им сопротивления оказывается достаточно, чтобы планета начала вращаться в обратном направлении.

Из-за более короткой орбиты Венера рискует оказаться в приливном захвате с Солнцем. Создаваемая атмосферой сила сопротивления может препятствовать этому, заставляя планету медленно вращаться в направлении, противоположном обычному. Любопытно, что в атмосфере земного типа механизм противостояния приливному захвату может быть даже более эффективным. Благодаря высокой степени разреженности воздух будет поглощать меньший объем излучения звезды, давая возможность большему количеству тепла проникать через газ к поверхности. Поэтому создаваемая звездой разница температур будет сильнее влиять на сопротивление газа вращению планеты, чем в том случае, когда газ погребен на дне такой толстой атмосферы, как на Венере. Это приводит к созданию более высокого вращающего момента там, где его влияние чувствуется сильнее всего, — вблизи поверхности планеты.

Существующих данных о планетах, обращающихся вблизи своих звезд, недостаточно, чтобы определить, скольким из них удалось избежать приливного захвата. Но если этот механизм эффективен, он может помочь планете с атмосферой, похожей на земную, не превратиться в «глазное яблоко» даже в зоне умеренных температур в системе с красным карликом.

Под палящими лучами двух солнц на Татуине, родной планете Люка Скайуокера, сформировался пустынный, но пригодный для жизни ландшафт. Но может ли вода в жидкой форме существовать на планете, обращающейся по циркумбинарной орбите P-типа вокруг двух звезд?

В плоскости орбиты планеты зона умеренных температур вокруг одинокой звезды похожа на пончик. Количество получаемого планетой звездного излучения зависит от расстояния до звезды. Таким образом, зона умеренных температур представляет собой симметричное кольцо, тепла в котором достаточно для существования на землеподобной планете воды в жидкой форме. Если в эту систему добавить еще одну звезду, зона умеренных температур принимает сложную форму. Теперь планета подвергается излучению из двух различных источников, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. Зона умеренных температур трансформируется в причудливую асимметричную структуру, которая со временем меняет свою форму. Даже если бы сама планета оставалась на месте, по мере перемещения звезд зона умеренных температур сдвигалась бы в сторону от нее подобно ковру, который кто-то вытягивает из-под ваших ног.

Степень причудливости формы зоны умеренных температур определяется характеристиками звезд. Если их массы сильно различаются, основная часть достигающего планеты излучения будет исходить от более крупной звезды. При этом форма зоны умеренных температур будет также напоминать пончик, но с небольшим выступом со стороны звезды меньшего размера. При сопоставимых размерах двух звезд количество излучения, получаемого от каждой из них, будет в значительной степени зависеть от их положения относительно планеты. В случае с солнцеподобными и более холодными звездами зона умеренных температур находится достаточно близко к ним, принимая форму вращающего арахисового ореха. На планету в этой области будут воздействовать две разные силы притяжения. Из-за гравитации звездной пары орбита планеты может стать нестабильной. При движении по нестабильной орбите под влиянием двух звезд планета в конце концов может оказаться выброшенной в межзвездное пространство или закончить свои дни столкновением с компонентами двойной звезды. Оба сценария не сулят морям на планете ничего хорошего.