Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Разумеется, формирование за снеговой линией не гарантирует образования льда. Вулканически активный спутник Юпитера Ио доказывает, что температура на спутниках может существенно отличаться от температуры на планетах.

В пределах околопланетного диска на протоспутник будут действовать силы притяжения звезды и планеты, также у него будет два источника тепла. Благодаря теплу светила, отражаемому и излучаемому планетой, в диске появляется своя собственная снеговая линия. Если расстояние от объекта в диске до планеты меньше, чем до снеговой линии, он будет получать такое количество тепла, при котором лед не сможет сохранять твердую форму. Формирующиеся в этой области спутники будут сухими, независимо от расстояния от планеты до звезды. Поэтому потенциально пригодный для жизни спутник должен формироваться за пределами двух снеговых линий: он должен быть дальше от звезды, чем протопланетная снеговая линия, и дальше от планеты, чем околопланетная снеговая линия.

Заполучив воду, спутник должен сохранить ее. Примеры галилеевых спутников Энцелада и Титана показывают, что на спутники газовых гигантов большое влияние оказывает приливный разогрев. Таким образом, появляется еще одно внутреннее кольцо вокруг планеты, при пересечении которого спутник на вытянутой орбите рискует потерять свои озера и океаны, если они у него имеются.

Если орбита спутника будет проходить внутри области, ограниченной этой линией, то даже при нахождении в зоне умеренных температур он может оказаться в тисках неконтролируемого парникового эффекта. Применительно к спутникам эта линия выступает в качестве своего рода дополнительной температурной границы[47].

Точное расположение границы околопланетной зоны умеренных температур зависит как от размера планеты, так и от размера спутника. Чем массивнее планета и спутник, тем мощнее приливный разогрев. Такие образом, если допустить наличие незначительного эксцентриситета орбиты, запускающего приливный разогрев, спутник размером с Марс может находиться ближе к планете, чем спутник размером с Землю, без резкого повышения температуры, как на Венере. Соответственно, потенциально пригодные для жизни спутники вокруг планеты с массой, превышающей массу Юпитера, должны находиться на большем расстоянии, чем спутник планеты размером с Нептун.

При нахождении на круговой орбите риск деформации, приводящей к приливному разогреву спутника, отсутствует. В этом случае потенциально пригодный для жизни спутник может пересечь границу околопланетной зоны умеренных температур до того, как тепло от планеты заставит испариться всю воду с его поверхности. За счет большей площади крупный спутник будет терять большее количество энергии, чем спутник меньшего размера, то есть ему будет проще сопротивляться повышению температуры. Однако приливный разогрев сводит на нет это преимущество, поэтому искать миры с умеренными температурами следует среди тех из них, которые имеют больший размер и не подвергаются деформации.

Дополнительный нагрев не всегда является помехой для жизни. Благодаря приливному разогреву на поверхности спутника, находящегося на внешней периферии зоны умеренных температур, могут сохраняться озера. Если бы Марс был спутником, а не планетой, он бы вполне мог быть пригоден для жизни. Прежде всего это относится к многочисленным планетам, движущимся по вытянутым орбитам вокруг своих звезд. При выходе такой орбиты за пределы звездной зоны умеренных температур, планета способна обеспечить свои спутники таким количеством тепла, которое не даст замерзнуть воде на их поверхности.

Приливный разогрев также может стать решением второй большой проблемы большинства некрупных миров — вялой геологической активности. Для поддержания круговорота углерода или магнитного поля спутник нуждается в поступлении внутреннего тепла, которое бы заставляло перемещаться тектонические плиты и давало энергию для извержения вулканов. Без этого спутник или планета могут превратиться в «снежок» даже в пределах зоны умеренных температур. Источниками внутреннего тепла на Земле служат энергия столкновений, оставшаяся с момента ее формирования, а также радиоактивные породы. У мира меньшего размера будет меньший запас тепла, а геологические процессы на нем замрут намного раньше. Определить, какая именно масса нужна для поддержания геологической активности на протяжении существования Солнечной системы, непросто, но, согласно расчетам, она должна составлять приблизительно 25% массы Земли. То есть спутник размером с Марс, который будет в 10 раз легче Земли, уже не соответствует этому критерию. Единственное спасение для него — приливный разогрев.

Доказательством эффективности приливного разогрева является Ио: при массе не более 1,5% массы Земли этот спутник демонстрирует наиболее интенсивную вулканическую активность в Солнечной системе. Более умеренный уровень такой активности мог бы обеспечить движение поверхности спутника, не давая при этом его атмосфере перейти в состояние неконтролируемого парникового эффекта.

Однако даже такая энергетическая подпитка не гарантирует наличие у некрупного спутника столь же сильного магнитного поля, как поле вокруг Земли. Можно ли здесь рассчитывать на помощь планеты? Самое мощное магнитное поле в Солнечной системе — это поле Юпитера. Оно надежно защищает его спутники от солнечного ветра. Может ли спутник, находящийся под магнитным колпаком планеты-гиганта, сохранить атмосферу, избежав губительного воздействия звезды?

Как водится, за все надо платить. У этой защиты есть и другая сторона. Отражаемые магнитным полем планеты высокоэнергетические частицы попадают в радиационные пояса. У Земли не менее двух таких областей, называемых поясами Ван Аллена в честь открывшего их американского астрофизика Джеймса Ван Аллена. Эти кольцеобразные пояса высокоэнергетических частиц окружают Землю, представляя серьезную опасность для находящихся там искусственных спутников. Соответственно, газовый гигант с магнитным полем в тысячи раз сильнее земного должен быть окружен куда более опасными радиационными поясами, способными убить все живое на любом спутнике. Вот почему при подготовке космических миссий к Юпитеру и его внутренним спутникам должны быть приняты специальные меры для защиты космических аппаратов. Пригодность поверхности спутника для жизни зависит от ориентации магнитного поля планеты и от орбиты спутника.

Итак, формирование нашего пригодного для жизни спутника должно проходить внутри снеговой линии в звездной системе и внутри околопланетной снеговой линии. Достигнув размера, позволяющего удерживать атмосферу, он должен мигрировать вместе с планетой к центру системы, в зону умеренных температур. Температура на поверхности спутника должна быть настолько высокой, чтобы лед мог растаять и превратиться в озера воды, но она не должна быть слишком высокой — иначе условия в океанских глубинах окажутся не самыми благоприятными. Возможность поддержания умеренного климата зависит от орбиты спутника. Если ему удастся уклониться от радиационных поясов, а влияние на него планеты не будет чрезмерным, то на спутнике может запуститься продолжительный цикл геологической активности. Именно так может появиться на свет настоящий Эндор.