Элизабет Таскер

Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Переводчик Сергей Чернин

Научный редактор Владимир Сурдин, канд. физ.-мат. наук

Редактор Владимир Потапов

Руководитель проекта А. Тарасова

Арт-директор Ю. Буга

Корректор О. Сметанникова

Компьютерная верстка М. Поташкин

© Elizabeth Tasker, 2017

This translation is published by arrangement with Bloomsbury Publishing Plc.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2019

© Электронное издание. ООО «Альпина Диджитал», 2019

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Моим родителям, которые не заметили, что мои инициалы складываются в «E. T.»[1]. Я не могла простить им этого с восьми лет.

…Должна признать — в прозорливости им не откажешь.

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин — основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.

Предисловие

В начале 1990-х гг. нам были известны восемь планет:

Меркурий,

Венера,

Земля,

Марс,

Юпитер,

Сатурн,

Уран,

Нептун.

Еще мы знали о планетах-карликах — Церере (в поясе астероидов) и Плутоне (в поясе Койпера).

Первые четыре являются планетами земной группы — у них твердая поверхность и тонкая атмосфера. Следующие четыре представляют собой газовые гиганты с массой в 15–300 раз больше Земли и атмосферой в тысячи километров толщиной.

Но это были далеко не все миры за пределами нашей планеты.

Введение

Слепцы и планеты

Шесть мудрецов из Индостана,

Любовь к познанию питая,

Отправились к слону

(хоть были все слепыми),

Чтобы свои теории проверить[2].

Джон Годфри Сакс. Слепцы и слон (по мотивам индийской притчи)

В Индии есть притча о шести слепцах, пытавшихся представить себе, как выглядит слон. Они решили ощупать неведомого зверя со всех сторон. Первому досталось гладкое ухо. Второй держался за бивень. Третий сжимал тонкий хвост. Четвертый коснулся хобота. Пятый обхватил ногу. Последний прижал ладони к широкому боку. Договориться о том, как на самом деле выглядит слон, они не смогли. Все закончилось горячим спором — ведь каждый из них узнал лишь часть правды.

«Что могло бы заставить вас вышвырнуть мою книгу в окно?»

Лучи холодного зимнего солнца струились сквозь стекло как раз одного такого окна на третьем этаже физического факультета Вашингтонского университета, откуда открывался изумительный вид на затянутую легкой дымкой панораму Сиэтла. Мне было не до того: я представляла себе, как истерзанный экземпляр моей книги мокнет в луже.

В кресле напротив меня сидел пышнобородый Том Куинн, астрофизик, потративший не одно десятилетие на моделирование процессов формирования планет. В течение последних десяти минут я испытывала его терпение, нудно перебирая возможные темы для будущего опуса, публикацией которого надеялась изменить мир. И вот мы подошли к моменту истины: мне захотелось узнать, есть ли что-то такое, что могло бы заставить специалиста в области планетологии признать книгу о других мирах полной ахинеей? Я ожидала, что Куинн начнет загибать пальцы на руках, перечисляя темы, которые обязательно нужно осветить. В самом начале его списка наверняка будут горячие юпитеры — уже обнаруженные планеты, которые обращаются вокруг звезд, похожих на нашу собственную. После их открытия все известные теории образования планет отправились в мусорную корзину. За горячими юпитерами, наверное, последуют загадочные суперземли, отличающиеся размерами от всего, что обращается вокруг Солнца. Что это вообще такое — миниатюрные газовые планеты с удушливыми атмосферами или планеты из твердых скальных пород, но только куда более массивные, чем Земля?

Пожалуй, потом Куинн упомянет планеты, которые, подобно вымышленной родной планете Люка Скайуокера, обращаются вокруг двух звезд-близнецов, или, наоборот, вспомнит о планетах без звезды. Еще есть планеты, траектории движения которых настолько вытянуты, что смена сезонов на них подобна прыжку из домны в морозильник; планеты, где солнце никогда не заходит; планеты, вся поверхность которых покрыта водой или расплавленной лавой. Или же Куинн мог бы сказать, что следующим большим прорывом станет открытие планет наподобие Земли — с изрезанными береговыми линиями, давшими приют причудливым формам жизни.

Куинн ничего не стал перечислять. Он решил не ходить вокруг да около.

«Наши знания о планетообразовании далеки от полноты, — сказал он. — Мы пока видели лишь крохотную часть всего, что есть в космосе. Если вы станете преподносить наши знания как исчерпывающее описание того, что существует на самом деле, ваша книга точно полетит в окно».

Куинн хотел сказать, что планеты с их тайнами остаются для нас не меньшей загадкой, чем слон для слепцов. Мириады миров в космосе — незримое существо, которое мы силимся познать по доступным нам сейчас небольшим кусочкам.

Звездный радар

Если бы в 1968 г. Мишель Майор не выбрался из ледяной расщелины, в которую он случайно угодил в горах, честь открытия первой планеты, обращающейся вокруг другого солнца, досталась бы кому-то еще.

Тяга к приключениям была у Майора в крови. Он родился в 1942 г. в Лозанне на берегах Женевского озера в семье любителей активного времяпрепровождения. Со временем детское увлечение переросло в страсть к опасным видам спорта — спуску на лыжах с горных вершин и скалолазанию. Нет ничего удивительного, что в 26 лет он оказался на волосок от гибели, сорвавшись с обледеневшего края утеса. Не исключено, что одержимость Майора движением звезд объясняется как раз этой любовью к высокогорью.

Докторская диссертация, над которой он работал в Женевском университете, была посвящена выявлению незначительных отклонений в траектории звезд, вызванных гравитационным воздействием спиральных рукавов Галактики. Это исследование было невозможно без сверхточного измерения скоростей звезд, и Майор непрерывно работал над усовершенствованием методов проведения таких измерений. Ему удавалось фиксировать все малозаметные изменения в движении звезд, даже самые незначительные их колебания стали доступны для наблюдения. Речь шла о колебаниях, вызванных объектом, который был несравнимо меньше самой звезды, — о легчайших толчках, исходящих от невидимой планеты.

Главное препятствие при поиске планет — то, что звезды такие большие и яркие. Даже от поверхности Юпитера — самой массивной планеты в нашей Солнечной системе — отражается всего лишь одна миллиардная попадающего на нее солнечного света. Это очень затрудняет процесс обнаружения планет, вращающихся вокруг другой звезды, свет от которой кажется крошечной точкой в небе. Однако, согласно методике Майора, астрономы и не должны пытаться разглядеть саму планету. Вместо этого следует измерять колебания звезды при обращении планеты вокруг нее.

Когда заходит речь об орбитах, мы обычно представляем себе, как объект меньшего размера движется вокруг более массивного стационарного тела, например как Земля движется вокруг Солнца или как Луна движется вокруг Земли. На самом деле тела притягиваются друг к другу, а потому они оба находятся в движении. Такая пара обращается вокруг своего центра масс — точки в пространстве, в которой силы притяжения двух тел уравновешивают друг друга.

Чтобы наглядно представить себе, как именно это происходит, возьмем карандаш, прикрепим к его концам по ластику и попробуем удержать его на пальце. Если вес ластиков одинаков, точка равновесия будет располагаться точно посередине карандаша. Тот же самый принцип работает и в том случае, когда две звезды одинаковой массы образуют двойную звездную систему. Звезды-двойники вращаются вокруг точки, располагающейся на полпути между ними. В том случае, когда ластики имеют разную массу, точка равновесия смещается к ластику, который тяжелее. Масса Харона, гигантского спутника Плутона, равна почти 12% массы этой планеты-карлика. Центр их масс находится на расстоянии приблизительно 1000 км над поверхностью Плутона и чуть меньше 17 000 км от поверхности Харона. Поэтому Харон движется по большой окружности, а Плутон — по меньшей, так как оба они вращаются вокруг этой точки равновесия[3]. Масса Луны равна 1% массы Земли, поэтому центр тяжести этих двух тел находится на глубине приблизительно 1700 км от поверхности Земли. Земля движется по орбите вокруг него, но, учитывая, что наша планета перемещается вокруг точки, расположенной внутри нее самой, ее вращения больше походят на покачивания.

В случае со звездой и планетой разница между массами настолько огромна, что центр массы оказывается в непосредственной близости от физического центра звезды. При этом планета движется по большой окружности, описывая почти правильный круг вокруг звезды, тогда как орбита звезды представляет собой едва заметные колебания.

В конце 1994 г. ученику Майора Дидье Кело удалось зафиксировать такое колебание при наблюдениях в телескоп. Объектом, незначительные перемещения которого зафиксировал исследователь, оказалась звезда из созвездия Пегас, находящаяся на расстоянии 51 светового года от Солнца. Это означало существование экзопланеты, то есть планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Чтоб понять механизм обнаружения столь незначительного колебания, представьте себе, что вы слышите приближающийся звук сирены машины скорой помощи. Чем ближе машина, тем меньше расстояние между вами и сиреной. Звуковые волны сжимаются, их длина уменьшается, а звук сирены становится выше. При удалении машины длина звуковых волн увеличивается, а высота звука падает. Это явление называют эффектом Доплера.

То же самое происходит и со светом звезды. Когда при обращении по орбите вокруг планеты звезда движется по направлению к Земле, исходящие от нее световые волны сжимаются, их длина уменьшается, а цвет смещается к голубой части спектра. Когда звезда движется назад, удаляясь от Земли, световые волны становятся длиннее и приобретают красный оттенок. По мере движения планеты и звезды по орбите вокруг общего центра масс свет звезды меняется, смещаясь то к голубой части спектра, то к красной, в соответствии с ее колебательными движениями.

Еще один способ решения той же проблемы связан с частицами света. Представьте, что звезда — это человек, который бросает в вас световые шары с постоянной частотой. Если звезда движется к вам, расстояние между вами сокращается, а значит, частота с которой шары долетают до вас, увеличивается. Это как раз то уменьшение длины волн, благодаря которому свет приобретает голубой оттенок, а звук сирены становится выше. Когда звезда удаляется, расстояние увеличивается, а значит, шарам требуется больше времени, чтобы преодолеть его. При этом длина волн увеличивается, а свет приобретает красный оттенок.

Измерение этого сдвига в длине волн позволяет отследить изменения в движении звезды в момент колебания при сближении с Землей и удалении от нее. Скорость движения по направлению к нам называют лучевой скоростью звезды. Отсюда название метода обнаружения планет — метод лучевых скоростей. Иногда его еще называют методом Доплера.

Майор и Кело использовали данные о продолжительности колебаний звезды в обоих направлениях для расчета длины орбиты планеты и далее делали вывод о том, насколько далеко планета находится от звезды. При этом амплитуда колебаний звезды позволила оценить массу планеты: чем больше звезда отклонялась от своей орбиты, тем дальше была точка равновесия, то есть центр масс, а значит, тем тяжелее была планета.

Стоит упомянуть, что масса планеты, полученная методом измерения лучевой скорости звезды, — это всегда минимальное возможное значение. Причина в том, что световые волны становятся короче или длиннее только при движении непосредственно к нам или от нас. Любые колебания звезды, направленные не в нашу сторону, проходят незамеченными.

Можно провести аналогию с наблюдением за движением наполненного горячим воздухом шара по его тени. Тень показывает нам, что шар движется параллельно земле, но мы не понимаем, поднимается он или опускается. Если бы по движению тени вы захотели вычислить, сколько горючего ушло на полет шара, то, скорее всего, полученный результат был бы слишком мал, ведь в нем не учитывалось бы топливо, затраченное на набор высоты. Соответственно, если планета и звезда движутся по орбитам, имеющим определенный угол наклона по отношению к Земле, только лишь часть колебаний звезды будет обращена к нам и поддастся обнаружению. Поэтому оценка исходящей от планеты силы будет заниженной, а вычисленная таким способом масса будет меньше фактической.

Майор и Кело проводили свои наблюдения с помощью телескопа в обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. К концу 1994 г. им удалось провести 12 измерений лучевой скорости звезды 51 в созвездии Пегас. Они поняли, что имеют дело с чем-то исключительным, но потом осторожность взяла верх. Предшествующие попытки отыскать столь крошечный объект, как планета, ни к чему хорошему не привели, из-за чего за исследованиями в этой области закрепилась дурная слава. На протяжении полувека то там, то тут появлялись ложные сообщения, которые не подтверждались при более тщательном анализе. Была ли это действительно планета или то, что они наблюдали, окажется всего лишь результатом незначительных периодически повторяющихся изменений в атмосфере звезды при ее вращении?

Была и другая проблема. Когда они пытались рассчитать минимальную массу и период обращения планеты по орбите, у них получалась какая-то бессмыслица.

Предполагаемая планета была размером по меньшей мере в половину Юпитера, то есть приблизительно в 150 раз больше Земли. Такая громада должна была быть газовым гигантом, похожим на четыре планеты Солнечной системы — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Предполагают, что у них есть твердое ядро, но большая часть их объема приходится на атмосферу толщиной в тысячи километров. Все наши газовые планеты находятся на дальних окраинах Солнечной системы, а во всех моделях образования планет такое расположение рассматривалось в качестве универсального. Для формирования газового гиганта требуется много вещества. Вблизи звезды, где под действием высокой температуры значительная часть потенциальных твердых частиц улетучивается, его просто нет. Поэтому газовые гиганты всегда находятся на значительном удалении от звезды. Однако расстояние между наблюдавшейся Майором и Кело новой планетой и звездой было совсем небольшим. Более того, планета располагалась намного ближе к звезде 51 Пегаса, чем Меркурий — к нашему Солнцу. Год на ней продолжался всего четверо суток. Должно быть, исследователи допустили ошибку.

Майор и Кело решили не торопиться и продолжили наблюдать за звездой 51 Пегаса. В июле 1995 г. они провели еще восемь измерений. Проанализировав полученные данные, ученые наконец убедились, что были правы. Несмотря на все нестыковки, это действительно была планета.

В том же году Майор отправился на конференцию, которая должна была пройти 6 октября во Флоренции. Он поздно подал заявку на участие и потому должен был выступить с пятиминутным докладом в рамках дискуссии за круглым столом. Еще до начала заседания среди участников начали распространяться слухи о теме доклада Майора. Организаторы решили увеличить время его выступления до 45 минут.

Получив слово, Майор объявил об открытии первой внесолнечной планеты по колебательному движению солнцеподобной звезды. Своим докладом он положил начало настоящей лавине исследований, приведших к открытию десятков новых миров.

Далекая горячая планета Майора получила условное обозначение «51 Пегаса b», состоящее из имени звезды 51 в созвездии Пегас и строчной буквы. Дело в том, что строчной буквой a теперь принято обозначать саму звезду. Поэтому первая планета, открытая в той или иной планетной системе, получает букву b. Ее собратья в той же планетной системе будут обозначаться буквами c, d, e и так далее. Если звезда является частью двойной системы, в которой две похожие звезды обращаются по орбитам вокруг общего центра масс, то для их обозначения используются прописные буквы A и B.

У названия звезды могут быть совершенно разные источники, выбор которых определяется совсем не благозвучием. «51 Пегаса» — это 51-я звезда в созвездии Пегас. Также звезды называют по астрономическим каталогам, в которых они числятся. Например, Глизе 1214 — 1214-я звезда из каталога Глизе (Gliese), а BD+20594 — звезда из каталога «Боннское обозрение» (Bonner Durchmusterung). Как мы увидим позже, многие звезды с обращающими вокруг них планетами получают имена в честь инструмента, с помощью которого они были обнаружены, или исследования, благодаря которому это стало возможно.

Конечно, никто никогда всерьез не ставил под сомнение существование планет, обращающихся вокруг других звезд. Однако именно с открытием планеты 51 Пегаса b мы получили возможность находить эти далекие миры и быть уверенными, что это не какая-то ошибка. В 1999 г. было сделано еще одно открытие, которое ознаменовало начало эпохи массового обнаружения новых планет.

Силуэт Венеры

За зданием факультета астрофизики Оксфордского университета закрепилась сомнительная репутация одного из самых уродливых в исторической части города. Однако тем, кто собрался на его крыше 8 июня 2004 г., не было никакого дела до брутальной бетонной архитектуры. Их интересовало кое-что другое: все взгляды были прикованы к импровизированному экрану, на который через камеру-обскуру проецировалось изображение Солнца. Сразу после полудня на размытом фоне появился и начал движение темный силуэт. Это была планета Венера, проходившая по диску Солнца впервые с 1882 г.

Транзит, т.е. прохождение, наблюдается, когда небесное тело проходит между Землей (или другой точкой наблюдения) и более крупным объектом, закрывая собой небольшую его часть. Самым ярким примером такого явления может служить полное солнечное затмение, при котором Луна на короткое время полностью закрывает свет Солнца. Несмотря на то что диаметр Венеры почти в 3,5 раза больше диаметра Луны, из-за более удаленного положения она блокирует лишь около 0,1% света Солнца. При столь незначительном снижении светимости увидеть транзит Венеры можно, только вооружившись специальным оборудованием. До 1639 г. никто эти транзиты не замечал.

Немецкий астроном Иоганн Кеплер пытался, но так и не сумел предсказать транзит Венеры, уйдя из жизни за шесть лет до него. Наибольшую известность ему принесли доказательство движения планет по эллиптическим, а не круговым орбитам и открытие трех законов движения планет. Еще одним результатом его скрупулезных наблюдений за характером движения планет Солнечной системы стали первые расчеты времени прохождения Венеры по диску Солнца.

Редкость таких транзитов объясняется тем, что в ходе них Солнце, Венера и Земля должны расположиться на одной линии, что случается нечасто. Транзиты Венеры происходят парами с интервалом более века. По расчетам Кеплера, в 1639 г. Венера должна была быть максимально близка к тому, чтобы пересечь поверхность Солнца. Его выводы пересмотрел британский астроном Джереми Хоррокс, который не только понял, что транзит Венеры состоится, но и впервые наблюдал и зафиксировал это явление вместе со своим другом Уильямом Крабтри. Как это ни парадоксально, Хоррокс, который использовал для получения четкого изображения Солнца телескоп, технически был оснащен лучше наблюдателей, собравшихся на крыше здания отделения астрофизики в Оксфорде 365 лет спустя.

Прохождение Венеры по диску нашего Солнца — действительно редкое явление. Но на самом деле на ночном небе происходит бесчисленное количество планетных транзитов. Впрочем, обнаружить их совсем не просто — для этого нужно зафиксировать вызванные планетой «мерцания» в точке звездного света величиной с укол булавки.

История изучения экзопланет, как позже поведает мне за кружкой пива австралийский планетолог Стивен Кейн, делится на две части — до открытия HD 209458 b и после него.

HD 209458 b — очередная планета размером с Юпитер, которая располагается недалеко от своей звезды, совершая оборот по орбите всего за трое с половиной суток. Ее неуклюжее название является примером следования правилам астрономической номенклатуры: HD представляет собой сокращение названия каталога Генри Дрейпера (Henry Draper), а 209458 — порядковый номер звезды в этом каталоге. Как и 51 Пегаса b, HD 209458 располагается в созвездии Пегаса, но в три раза дальше от нас, на расстоянии 150 световых лет. Впервые планета была обнаружена методом лучевых скоростей, позволившим зафиксировать колебания ее звезды. Однако наличие столь крупной планеты в непосредственной близости от звезды означало высокую вероятность того, что она совершит транзит, который можно будет наблюдать. Решив воспользоваться этой заманчивой возможностью, две группы исследователей начали вести наблюдения за светом от HD 209458.

Увидеть четко очерченный силуэт планеты, проходящей по диску звезды, находящейся дальше нашего Солнца, невозможно. Все, что мы видим, — это небольшое снижение яркости света (астрономы говорят: блеска) звезды, которое можно сравнить с мерцанием. Такое затемнение является крайне незначительным. Даже для HD 209458 b, газового гиганта размером с Юпитер, падение блеска составляет всего лишь порядка 1–2%. Для планеты размером с Землю эта величина опускается ниже одной сотой процента.

Несмотря на эти затруднения, обе группы, обратившие внимание на HD 209458, зафиксировали характерное уменьшение блеска звезды, продолжавшееся пару часов. Полученные ими результаты были одновременно опубликованы в одном и том же выпуске The Astrophysical Journal в декабре 1999 г. Наблюдавшиеся падения блеска звезды точно соответствовали периодическим изменениям положения звезды, определяемым с помощью метода лучевых скоростей. Так была обнаружена первая транзитная экзопланета.

Новый метод обнаружения планет получил название транзитного, так как был основан на обнаружении прохождения планеты по диску звезды: в отличие от метода лучевых скоростей, при котором оценивается масса планеты, в транзитном методе учитывается ее радиус. Более значительное падение блеска звезды соответствует более крупной планете. В результате HD 209458 b стала первой экзопланетой, размер которой удалось определить.

Помимо размера планеты данный метод также позволяет узнать ориентацию орбиты. Зная время прохождения планеты по диску звезды (продолжительность падения яркости) и время обращения вокруг звезды (промежуток между падениями яркости), можно прочертить траекторию планеты. Это позволяет исключить характерную для метода лучевых скоростей погрешность при измерении массы. Таким образом, комбинируя методы, можно получить точные значения массы и радиуса новой планеты.

Масса и радиус — это не просто физические характеристики планеты. Вместе они позволяют оценить ее среднюю плотность, а это уже шаг к пониманию того. что она из себя представляет.

Каменистая планета, существенную часть поверхности которой занимает суша, то есть такая, как Земля, имеет высокую плотность — 5,51 г/см^3. При этом железное ядро Земли значительно плотнее этого значения, а плотность вещества у поверхности меньше. Поэтому указанное выше значение плотности является усредненным показателем для всех составляющих планеты.

Что касается гиганта вроде Юпитера, то, учитывая, что большую часть этой планеты составляет водород, его впечатляющей массе соответствует еще более впечатляющий радиус. В силу этого средняя плотность планеты очень мала и составляет всего лишь 1,33 г/см^3.

В случае с HD 209458 b результаты измерения этих характеристик оказались не менее удивительными, чем удивительная близость орбиты планеты к звезде. Оказалось, что при массе, составляющей две трети Юпитера, экзопланета больше его на треть, и ее плотность составляет всего лишь 0,37 г/см^3. Этот юпитероподобный газовый гигант явно раздут.

Измерение колебаний лучевой скорости и падения яркости при транзите — далеко не простая задача. Одни планеты не проходят по диску своей звезды, другие — не создают настолько сильных колебаний, чтобы их можно было отличить от собственных изменений в скорости движения звезды. Тем не менее появление методов изучения строения экзопланет стало огромным шагом вперед — шагом, которого было достаточно для того, чтобы положить начало куда более масштабному проекту по исследованию экзопланет.

Ранним утром 7 марта 2009 г. со стартовой площадки на базе ВВС США на мысе Канаверал во Флориде отправилась в космос ракета-носитель. На ее борту находился первый космический телескоп, предназначенный для поиска планет.

Телескоп назвали в честь Иоганна Кеплера, астронома, проделавшего кропотливую работу по вычислению параметров движения планет в нашей Солнечной системе. В знак уважения к вкладу Кеплера в прогнозирование транзитов ближайших к нам планет его именем был назван аппарат, предназначенный для наблюдения за транзитом тысяч планет.

Оказавшись в космосе, телескоп «Кеплер» выполнил маневр, в результате которого оказался на орбите, позволяющей ему следовать за Землей вокруг Солнца. Наконец 7 апреля был сброшен пылезащитный слой, и на «Кеплер» впервые попал свет. Благодаря зеркалу диаметром 1,4 м, направленному на богатый звездами участок нашей Галактики в районе созвездий Лебедь и Лира, «Кеплер» был способен наблюдать более чем за 100 000 звезд одновременно.

Для обнаружения проходящих по диску звезды экзопланет космический телескоп использовал транзитный метод, фиксируя падения яркости звезд. Находясь за пределами рассеивающей свет атмосферы Земли, «Кеплер» имел намного большую чувствительность к малейшим колебаниям света звезд, чем любой телескоп на поверхности нашей планеты.

Проект имел грандиозный успех. На состоявшемся в январе 2015 г. зимнем заседании Американского астрономического общества команда проекта «Кеплер» объявила о 1000-м подтверждении открытия планеты. И это не считая свыше 4000 кандидатов в планеты, существование которых вызывало сомнения и нуждалось в подтверждении в ходе дальнейших наблюдений. Официальной целью миссии считался поиск землеподобных планет, но истинное значение работы телескопа «Кеплер» заключается в демонстрации колоссального разнообразия и многочисленности планет в нашем галактическом окружении. За 20 лет мы перешли от теорий, в которых все аспекты процесса формирования планет описываются исключительно на материале одной-единственной Солнечной системы, к теориям, основанным на сопоставлении более чем 500 различных планетных систем.

Оптимальным объектом для применения как транзитного метода, так и метода лучевых скоростей являются крупные планеты, обращающиеся по близким к звездам орбитам. Такие планеты блокируют больше всего света, чаще всего проходят по диску звезды и достаточно массивны, чтобы вызвать поддающиеся фиксации колебания светила. Вследствие этого мы знаем куда больше об объектах с короткими орбитами, чем о тех, что находятся на задворках планетных систем.

Разумеется, арсенал методов поиска внесолнечных планет не исчерпывается указанными двумя. Однако именно они являются наиболее продуктивными. Сейчас, когда я пишу эти строки, насчитывают 3439 подтвержденных внесолнечных планет. Причем 3314 из них были обнаружены по крайней мере одним из двух методов[4]. Эта книга — история тех самых 3439 планет. В ней рассказывается о том, как из частичек пыли формируются миры, разнообразие которых намного богаче самых причудливых фантазий Голливуда. Как минимум в одном из таких миров развилась разумная форма жизни, способная задаться вопросом о происхождении всего ее окружающего. Впрочем, этой форме жизни не стоит забывать: ответы, которая она найдет здесь, не являются окончательными.

Точка еще не поставлена.

Глава 1. Фабрика за работой

В час пополуночи 8 февраля 1969 г. небо над штатом Чиуауа на севере Мексики озарилось светом огненного шара.

«Все вокруг залило светом — можно было разглядеть муравья на полу, — рассказывал впоследствии корреспонденту The Washington Post редактор местной газеты Гильермо Асунсоло. — Сияние было такое, что приходилось закрывать глаза».

Пылающая глыба с шумом разрезала атмосферу, пока не взорвалась над деревней Пуэблито-де-Альенде, разлетевшись на множество осколков по территории площадью 250 кв. км. Увидев такое зрелище, любой бы ужаснулся приближающемуся концу света. Но на самом деле объятый огнем объект был не предвестником нашей смерти, а свидетелем нашего рождения.

Твердые тела, проникающие в атмосферу Земли из космоса, называют метеороидами. Контакт с атмосферой земли губителен для куска горной породы, поскольку воздух оказывает куда большее сопротивление его полету, чем вакуум в космосе. Когда метеороид врезается в атмосферу, воздух быстро сжимается, что приводит к резкому повышению температуры. Окружающий космического пришельца воздух вспыхивает, превращая песчинки в «падающие звезды» — метеоры, а редкие глыбы большого размера — в огненные шары, болиды. Вероятность полного выгорания в таких экстремальных условиях весьма велика, поэтому большинство метеороидов до поверхности Земли никогда не долетает. Те, которым все-таки удается пережить все трудности опасного путешествия, в награду за стойкость переходят в категорию метеоритов.

Эффектный вход в атмосферу метеорита Альенде (названного так в честь деревни, над которой он взорвался) не мог пройти незамеченным. В район падения метеорита сразу же нагрянули ученые, к поискам обломков привлекли местных жителей и школьников. Группа полевых исследователей из Смитсоновского института в Вашингтоне за несколько недель после падения собрала около 150 кг метеоритного материала и передала его 37 лабораториям в 13 странах. Всего было собрано более 2 т материала самого разного веса— от крошечных фрагментов весом 1 г до громадной 110-килограммовой глыбы. Исходя из столь значительного объема находок можно было сделать вывод, что перед взрывом метеор был размером с автомашину. В результате активной работы по сбору осколков Альенде и их передачи ученым он заслужил звание «самого тщательно обследованного метеорита в истории». Однако повышенный интерес к нему объяснялся не только его аномально большим размером.

Все начало 1969 г. сотрудники научных лабораторий по всей Америке находились в состоянии напряженного ожидания — экипаж «Аполлона-11» должен был вот-вот доставить образцы лунных пород, собранные во время исторической высадки на Луне. И тут прямо у них под носом в Землю врезается еще один осколок горной породы из космоса. Когда извлеченные с места падения куски метеорита Альенде были исследованы с помощью лабораторного оборудования, которое к тому моменту уже было подготовлено к анализу внеземного материала и только ждало своего часа, обнаружилось, что это был не какой-нибудь там заурядный космический булыжник. Нет, вещество с белыми точками, из которого он состоял, оказалось углистым хондритом, то есть Альенде относился к редкому классу метеоритов, на который приходится менее 5% всех падений. Этот класс состоит из самых первых объектов, из которых формировалась Солнечная система, а метеорит Альенде остается самым крупным представителем этого класса из всех когда-либо найденных на Земле.

Уникальность углистого хондрита в его древнем происхождении: когда вы держите его в руках, вы как будто смотрите на детскую фотографию самого дальнего предка. Эта горная порода сформировалась в самом начале истории нашей планеты. Но, в отличие от Земли, ей не удалось набрать достаточную массу для того, чтобы вырасти в самостоятельную планету. С помощью этого снимка, на котором в физической форме запечатлено самое начало нашего собственного существования, мы можем с большой точностью определить момент рождения нашего планетного окружения.

Как показывает лабораторный анализ, в метеоритах содержатся элементы, которые являются радиоактивными: атомы в них могут спонтанно превращаться в атомы другого элемента. Этот радиоактивный распад носит случайный характер, а значит, точно сказать, когда конкретный атом изменит свое состояние, невозможно. Однако есть значительное число атомов, изучая которые ученые могут с определенной долей уверенности определить время, которое требуется для того, чтобы половина из них распалась. Этот отрезок времени называют периодом полураспада элемента. То есть, если мы сможем узнать, какая часть радиоактивного элемента распалась, мы получим своего рода часы, с помощью которых мы сможем рассчитать, сколько времени прошло.

Одним из таких радиоактивных элементов, содержащихся в метеоритах, является рубидий-87 (обозначаемый как 87Rb). Цифра 87 указывает на массу атомного ядра рубидия — центральной его части, состоящей из положительно заряженных частиц под названием «протоны» и частиц под названием «нейтроны», которые имеют ту же массу, что и протоны, но при этом не обладают электрическим зарядом. Когда атом 87Rb распадается, один из его нейтронов становится протоном в ходе процесса, получившего название бета-распад. Результатом является атом стронция-87 (87Sr), ядро которого имеет ту же массу, что и 87Rb, но при этом в нем на один протон больше и на один нейтрон меньше.

Период, за который половина атомов 87Rb распадается в 87Sr, составляет 49,23 млрд лет. Он отлично подходит для оценки временных рамок образования планет. Если бы период полураспада был очень коротким (скажем, несколько лет), тогда атомы 87Rb исчезли бы задолго до того момента, когда изучаемый осколок горной породы достиг поверхности Земли. С другой стороны, существенно большая продолжительность этого отрезка времени означала бы отсутствие такого количества атомов 87Sr, которого было бы достаточно для проведения измерений. Поэтому достаточного уровня точности измерений методом радиоактивного датирования можно достичь в тех случаях, когда измеряемый период времени находится в промежутке от одной десятой периода полураспада до 10 периодов полураспада.

Измеряя текущее количество атомов 87Rb в метеорите и количество атомов 87Sr, образовавшихся в результате распада рубидия, ученые могут рассчитать, какая часть атомов распалась с момента формирования метеорита. Затем, зная период полураспада 87Rb, они могут определить, сколько времени прошло с момента образования горной породы.

В случае с углистым хондритом, таким, например, как метеорит Альенде, полученный описанным способом возраст указывает на самое начало истории нашей планеты. Он равен 4 560 000 000 годам.

Планетообразующий диск

Благодаря метеориту Альенде мы знаем, когда зародилась наша планета. Но что именно тогда она из себя представляла, остается для нас загадкой. Углистый хондрит вряд ли можно сравнить с четкой фамильной фотографией, на которой видны лица всех предков. Скорее он похож на размытое селфи дальнего кузена с датой в виде наспех нацарапанных закорючек в нижнем углу. Не имея более четкого представления об условиях, в которых началось формирование нашей планеты, мы не сможем понять, есть ли у нас шанс найти второй такой мир.

И пусть с семейным фотографом нам не повезло, у нас все же есть один достоверный факт об эпохе, когда мы родились: 4,56 млрд лет назад наше Солнце появилось на свет. Оказывается, связи всего лишь с одним-единственным событием — завершившимся незадолго до того формированием нашей звезды — достаточно, чтобы понять, как образуется планета.

Если мы углубимся в прошлое еще на несколько миллионов лет, взяв за точку отсчета момент образования первобытного метеорита, мы окажемся в одном из самых холодных мест в Галактике. Место это — колыбель нашего Солнца: умопомрачительно холодное облако газа с температурой –263 °C. Именно в таких звездных колыбелях и зарождаются все звезды в нашей Галактике. Эти облака состоят преимущественно из водорода, а их массы приблизительно в 1000–1 000 000 раз превышают массу Солнца. Поскольку они образуются в Галактике, которая находится в постоянном движении, газ в облаках распределяется не равномерно, а постоянно перемещается и перемешивается, как пух в старой перине, собираясь в плотные сгустки, называемые ядрами. В результате концентрации большой массы в небольшом пространстве под действием гравитации ядро начинает сжиматься, что делает его еще более плотным и ускоряет его коллапс. По мере уплотнения газ нагревается и рождается звездный эмбрион — протозвезда.

Хотя солирующую партию здесь исполняет гравитация, она — не единственная сила, заставляющая вещество сжиматься. Увлекаемый вращением Галактики и взаимодействиями с соседними облаками, газ в облаке-колыбели также вращается. Подобно тому, как при катании на детской карусели вас выталкивает наружу, вращение газа помогает ему сопротивляться действию гравитации. Эта дополнительная сила удерживает газ, вращающийся с наибольшей скоростью в ядре, в стороне от коллапсирующей протозвезды. В результате этого процесса, похожего на работу пиццайоло, который крутит тесто в руках, пока не получится плоская пицца, вокруг звезды формируется вращающийся диск газа.

По мере того как газ перестает сжиматься и начинает охлаждаться, частицы пыли конденсируются внутри диска подобно кристалликам льда, образующимся при замерзании водяного пара. Эти крошечные песчинки сливаются с хаотичным скоплением пыли, которое уже присутствует в газовой облаке, образуя первые твердые тела вокруг нашего Солнца. Так начинается процесс формирования планеты. Из мельчайших строительных блоков на этой газово-пылевой фабрике, которую называют «протопланетным диском», собираются все более массивные объекты.

Видимая простота описываемого процесса кажется несколько подозрительной. Ведь если бы все происходило именно так, тогда вокруг каждой звезды при ее рождении появлялся бы ее собственный планетообразующий диск. Может ли процесс образования планет и правда быть настолько широко распространен во Вселенной?

Проверить это нетрудно — например, можно поискать протопланетные диски вокруг существующих сейчас молодых звезд. Проблема в том, что эти диски не светятся. В отличие от звезды в центре, которая активно разогревается, превращаясь в колоссальный пылающий шар, окружающий ее пылевой диск не может сам излучать свет. Но при этом пыль должна поглощать исходящую от звезды энергию. Энергия света звезды должна нагревать пыль в протопланетном диске точно так же, как лучи летнего солнца раскаляют капот автомобиля. Нагревшись, пыль должна выделять тепло в виде низкоэнергетического излучения инфракрасного спектра.

Человеческий глаз не чувствителен к инфракрасному излучению, но найти камеры, которые могут его регистрировать, не так уж и трудно. К сожалению, этот вид устройств, отлично подходящий для фиксации тепла, исходящего от ночного грабителя, невозможно просто направить в небо, чтобы обнаружить там протопланетный диск. Причина в том, что, хотя звезда нагревает диск, его температура все равно может опускаться намного ниже любого значения, которое можно встретить на Земле. Чтобы излучаемое самой камерой тепло не мешало работе, ее придется охладить до температуры ниже той, которая фиксируется в звездной колыбели. Кроме того, собственная атмосфера Земли очень хорошо поглощает инфракрасное излучение; в этом она легко даст фору упомянутому выше грабителю, убегающему с вашим новым телевизором. Поэтому лучшее место для размещения такого инструмента — космос.

Даже несмотря на то, что поддерживать низкие температуры при работе с космическими телескопами проще, использовать их для охоты за инфракрасным излучением все равно можно только при наличии дополнительного охлаждения. Обычно нужная температура достигается с помощью жидкого гелия, который медленно испаряется, поглощая окружающее его тепло и поддерживая температуру телескопа на уровне –270 °C. Когда гелий полностью испаряется, телескоп слегка нагревается до умеренно мягких –244 °C.

Как раз такими телескопами, чья задача заключается в поиске дисков вокруг молодых звезд, были телескопы «Инфракрасная космическая обсерватория» (Infrared Space Observatory) и космический телескоп «Спитцер» (Spitzer Space Telescope). Первый был запущен в 1995 г. Европейским космическим агентством и продолжал работать до 1998 г., пока не закончился гелиевый хладагент. «Спитцер» — одна из «Больших обсерваторий» NASA. В эту знаменитую группу спутников также входит космический телескоп «Хаббл». «Спитцер» был запущен в 2003 г., хладагент на нем был выработан в мае 2009-го, но телескоп продолжил работу в режиме ограниченной нагрузки при более высокой температуре. Результаты работы этих телескопов не оставляли сомнений: все звезды младше миллиона лет окружены пылевыми дисками. Если этого набора условий достаточно для формирования планет, то вокруг каждой новой звезды действительно могут образовываться новые миры.

Впрочем, проведенные исследования позволили сделать еще и другой вывод. Хотя у всех самых молодых звезд были диски, только 1% звезд старше 10 млн лет по-прежнему имели тот набор условий, который требуется для формирования планет. Единственное толкование: формирование планет происходит в рамках определенного периода времени.

Исчезновение протопланетного диска может объясняться несколькими причинами. Самое захватывающее объяснение: весь диск превращается в планеты, в результате чего образуется целый хоровод новых миров. К сожалению, наблюдения за нашей Солнечной системой и за известными нам эзкопланетными системами показывают, что общая конечная масса планет составляет лишь 1% от первоначальной массы диска, что заставляет задуматься о том, куда деваются остальные 99%.

Еще одно вероятное объяснение заключается в том, что под действием гравитационных сил диск притягивается к близлежащим звездам, отрываясь от своего солнца. Это процесс действительно может иметь место в некоторых случаях, но он не настолько широко распространен, чтобы им можно было объяснить полное исчезновение всех протопланетных дисков: обычно звезды находятся слишком далеко друг от друга. Поэтому за разрушением диска должны стоять факторы внутреннего порядка, то есть в процессе формирования звезды и дисковой системы последняя разрушает саму себя.

Отчасти в разрушении виновато трение внутри диска. Для наглядности можно представить себе диск в виде следующих друг за другом беговых дорожек вокруг звезды. Газ на внутренней дорожке выбивается вперед, опережая газ на соседней внешней дорожке. В результате трения между дорожками скорость газа на внутренней дорожке уменьшается, а значит, в противостоянии вращения и гравитационных сил протозвезды последние начинают одерживать верх. Увлекаемый вперед газом с внутренней дорожки, газ на внешней дорожке набирает скорость, но одновременно с этим замедляется под влиянием газа с дорожки, которая граничит с ним с другой стороны. По мере уменьшения влияния на диск вращения газ и находящаяся во взвешенном состоянии пыль падают по направлению к звезде.

Этот процесс падения вещества по спирали называют аккрецией. Безусловно, на него можно списать исчезновение определенной части диска. Однако, учитывая, что этот процесс протекает достаточно медленно, вряд ли его можно считать единственной причиной. На разрушение внешних частей дисков путем аккреции потребовалось бы несколько миллиардов лет. Но, как показывают наблюдения, все происходит намного быстрее — приблизительно за 10 млн лет. Еще больше усугубляет ситуацию то обстоятельство, что процесс частичного разрушения диска наблюдается исключительно редко. Это указывает на то, что фактическое время разрушения в 10 раз меньше, а сам процесс, скорее всего, протекает практически одновременно во всем диске. Последний вывод наиболее проблематичен, поскольку, чем ближе к звезде, тем быстрее протекает аккреция, а значит, диск поглощается изнутри. Для этого требуется вторая, более динамичная деструктивная сила. Ее источником выступает сама звезда.

Подобно болезненному взрослению подростка, процесс превращения молодой протозвезды в полноценное солнце протекает весьма бурно. В случае со звездой промежуточной массы, такой, например, как Солнце, этот бунтарский период называют стадией Т Тельца — в честь первой звезды — звезды в созвездии Телец, при наблюдении за которой был зафиксирован этот неловкий момент. Почти как осыпающие родителей оскорблениями подростки, звезды типа Т Тельца являются источником не только губительной радиации в форме высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского излучения, но еще и опаляющих ветров, несущих с собой высокоэнергетические частицы. Сталкиваясь с верхними газовыми слоями диска, они нагревают их. В непосредственной близости от солнца эта бомбардировка энергией приводит лишь к очень сильному нагреванию диска. Однако по мере удаления гравитационное притяжение звезды слабеет, и этой энергии может быть достаточно для того, чтобы газ и малейшие частицы пыли диска могли преодолеть притяжение и ускользнуть в виде ветра. Этот процесс называют фотоиспарением (дословно — «испарением под действием фотонов», то есть частиц излучения). Считается, что именно по его вине разрушается основная часть диска. Вблизи звезды, где сила гравитации достаточно велика, чтобы противостоять фотоиспарению, дело довершает аккреция.

С исчезновением газового диска вокруг звезды продолжают свободно обращаться только планеты и прочие твердые объекты, которые слишком велики, чтобы их унесло вместе с газом. При этом большая часть сохраняющегося в системе газа уже входит в состав планет, где он удерживается гравитационным полем. Поскольку в нашей Солнечной системе существует четыре планеты, огромная часть объема которых приходится на газовую атмосферу, мы знаем, что к моменту разрушения диска формирование планетного окружения должно быть почти завершено. Таким образом, на то, чтобы куча частичек пыли в 10 раз меньше песчинки превратилась в полноценный мир, похожий на место, где однажды может зародиться жизнь, должно уходить приблизительно 10 млн лет.

Пока что у нас есть все основания сомневаться в том, что такое вообще возможно. Более того, можно даже утверждать, что диски, которые мы наблюдаем вокруг молодых звезд, вовсе не материал для образования планет, а всего-навсего пылевые плаценты новорожденных звезд. Проверить эту гипотезу можно, например ответив на вопрос о количестве вещества, которое должно было присутствовать в протопланетном диске Солнца, чтобы из него сформировалась Солнечная система. Если эта величина не имеет ничего общего с массой дисков, наблюдаемых вокруг молодых звезд, то идею о переходе от пыли к планетам придется признать чистейшим вздором.

Если бы мы взялись воспроизвести процесс образования планет, построив модель Солнечной системы из деталей LEGO, нам бы не составило труда определить количество вещества, которое понадобится на начальном этапе. Разобрав конструкцию и подсчитав количество пластиковых деталей, использованных при строительстве планет, мы бы могли точно сказать, сколько элементов требуется для реализации такого проекта. Однако, проделывая ту же операцию с протопланетным диском, мы сталкиваемся с проблемой: патологический клептоман — Солнце — постоянно крадет значительную часть деталей в процессе строительства.

Если разобрать все планеты в Солнечной системе на части и расплющить их так, чтобы они образовали диск, получившаяся в результате этого система окажется богата железом и силикатными соединениями, содержащими кремний, магний, углерод и кислород, а на удаленных от Солнца участках будут в изобилии встречаться обледенелости. За этим стоят более тяжелые элементы, которые быстрее всего конденсировались из газа в твердое состояние, образуя пыль, а затем (как следует из предполагаемого нами механизма) и более крупные куски горной породы и планеты. Более легкие элементы, такие как водород, могли связываться с пылинками, образуя твердые соединения, например лед, или оказывались заперты в атмосферах планет. Однако под действием излучения молодого Солнца диск все-таки потерял большую их часть в результате испарения.

Пожалуйся мы на эту досадную особенность легких материалов в страховую компанию, нас бы точно обвинили в придумывании небылиц и попросили предоставить доказательства в подтверждение заявленного нами изначального количества. Задача эта не из легких. Единственный способ решить ее — это предположить, что диск формировался из того же газа в области звездообразования, что и Солнце. Тогда у нас появляется точка отсчета для сравнения материала, который должен был там изначально содержаться, а именно само Солнце.

Представим себе игрушечную модель Солнечной системы, сделанную из разноцветных деталей. Теперь представим, что кто-то решил украсть часть кубиков, но при этом этот воришка питает особую страсть к красному. В этом случае после кражи нам бы было намного легче определить, сколько деталей было использовано в процессе строительства. Зная, что при сборке модели было одинаковое количество деталей красного, зеленого и синего цвета, мы могли бы легко подсчитать количество недостающих красных деталей исходя из общего количество деталей других двух цветов. Например, если после разборки модели оказалось, что в ней 100 зеленых, 100 синих и пять красных деталей, было бы логичным предположить, что вор украл 95 красных деталей, а всего на момент начала строительства их было 300.

С помощью этого метода можно определить количество недостающих элементов в протопланетном диске. Поскольку диск и Солнце формировались из одного газового ядра, соотношение элементов в них изначально должно было одинаковым. Подобно красным деталям в нашем примере, диск потерял летучие элементы, но их количество по сравнению с более тяжелыми элементами должно было быть таким же, как в Солнце. Поэтому для оценки изначальной массы диска мы можем дополнить массу диска, состоящего из раздробленных частей планет, массой более легких элементов, используя соотношения между этими элементами в Солнце. При этом мы исходим из допущения, что процесс образования планет из более твердых элементов, которые мы сейчас действительно видим в их составе, в Солнечной системе протекал в идеальных условиях. В реальности часть этой массы была утрачена в период подростковых вспышек характера Солнца на стадии Т Тельца. Тем не менее это дает нам абсолютный минимум массы, необходимый для формирования Солнечной системы. Это значение называют минимальной массой протосолнечной туманности. Оно составляет приблизительно 3% массы Солнца. По совпадению, согласно имеющимся оценкам, примерно такую же массу имеют наблюдаемые диски вокруг молодых звезд.

Есть еще один кусок горной породы, являющийся наглядным свидетельством того, что из протопланетного диска может получиться наполненная планетами солнечная система. Это астероид Итокава. 9 мая 2003 г. Японское агентство аэрокосмических исследований запустило беспилотный космический аппарат, который должен был приземлиться на него.

Астероиды — это обычно куски горной породы размером от нескольких километров до сотен километров, которые встречаются главным образом в пространстве между Марсом и Юпитером. При столкновении астероиды разлетаются на фрагменты, часть которых направляется в сторону Земли и — в случае проникновения в атмосферу нашей планеты — становится метеоритами. Столкнувшись в начале своего существования с другим астероидом, Итокава был вытолкнут на новую орбиту ближе к Земле, что сделало его легкой мишенью для космических аппаратов.

Запущенный японцами аппарат назывался «Хаябуса». Он не только сфотографировал 540-метровый астероид, но и доставил в июне 2010 г. на Землю образцы с поверхности Итокавы. На сделанных в ходе миссии снимках виден объект, формой напоминающий плод арахиса и состоящий из многочисленных фрагментов разного размера. Твердые каменистые фрагменты и гранулы пыли удерживались вместе, образуя нечто рыхлое, под действием гравитационного притяжения Итокавы, которого было недостаточно, чтобы из астероида получился плотный круглый шар. Представление об астероидах как о скоплениях массивных глыб неправильной формы подтверждается данными, полученными в ходе миссий на другие астероиды. Наиболее вероятное объяснение такой морфологии состоит в том, что она является результатом столкновения и слипания видимых кусочков меньшего размера, то есть это на ее примере мы можем наблюдать работу фабрики планет. Результат этой работы — планеты и сохранившийся астероидный мусор, а также пыль, оседающая на «фабричный пол».

Так что в случае с газово-пылевым диском мы действительно имеем дело с самой настоящей фабрикой по производству планет. Именно здесь начался процесс сборки, в ходе которого песчинки пыли превратились в восемь новых миров, размеры которых больше их в 10 000–100 000 млрд раз. Это самый грандиозный процесс строительства во Вселенной, и он протекал вокруг каждой звезды, которую вы видите на ночном небе.

Глава 2. Небывалая стройка

В августе 2013 г. в американском городе Уилмингтон в штате Делавэр появилась небывалых размеров башня из пластиковых деталей LEGO — высотой 34,44 м. Возвели это разноцветное строение ученики 32 местных школ. Сначала школьники собрали сегменты будущей башни. Затем команда строителей при помощи крана соединила их в грандиозную постройку, Она была официально внесена в книгу рекордов Гиннесса: на ее строительство ушло около 500 000 деталей LEGO, башня почти на 2 м превысила прежний рекорд.

Этот проект демонстрирует принцип, действующий во Вселенной миллиарды лет: чтобы построить что-нибудь по-настоящему масштабное, следует начинать с малого, постепенно двигаясь в сторону увеличения. Например, формирование планет Солнечной системы происходило путем слияния микроскопических пылинок, окружающих нашу молодую звезду.

Несмотря на уверенность в том, что все именно так и происходило, планетологам пришлось сначала ответить на два непростых вопроса. Во-первых, было далеко не очевидно, почему собственно частицы пыли удерживаются вместе. Кучу камней, из которой состоит астероид Итокава, удерживало вместе его собственное гравитационное поле. Сила гравитационного притяжения зависит от массы объекта. К примеру, если диаметр такого каменистого тела меньше 1 км, его массы недостаточно, чтобы обеспечить силу, необходимую для удержания составляющих его частей. Результат можно сравнить с попыткой слепить что-нибудь из сухого песка на пляже: стоит убрать руки, как сооружение тут же рассыпается.

Во-вторых, оставалось загадкой, как была достигнута такая скорость протекания процесса, которая обеспечила формирование Солнечной системы до момента уничтожения Солнцем протопланетного газового диска. Наблюдения за протопланетными дисками вокруг молодых звезд показали, что на формирование планет отводится не более 10 млн лет. В рамках этого временного промежутка из пылинок размером в одну десятую песчинки должна сформироваться молодая планета с массой, достаточной для удержания газовой атмосферы, несмотря на рассеивание остальной части диска.

Это похоже на эксперимент, в котором вам дают коробку с кубиками и просят построить из них башню, но, когда вы беретесь за работу, оказывается, что кубики абсолютно гладкие, а коробку нужно вернуть сразу после перерыва на обед.

На Земле даже башню, построенную из рекордного количества кубиков, можно легко измерить в метрах. Во Вселенной все иначе: масштабы строительства там куда больше. Чтобы не оперировать числами умопомрачительной длины, давайте сделаем небольшое отступление и подберем более практичные единицы измерения расстояний, подходящие для исследования Солнечной системы.

Разумеется, никто не запрещает использовать при оценке положения планет метры или километры, но у неприлично длинных чисел есть одна особенность: нам трудно понять, что они значат. Например, расстояние от Земли до Солнца составляет 149 600 000 км, а Юпитер находится в 778 340 000 км от нашего светила. Поскольку мы привыкли к дистанциям иного порядка, вроде поездки в супермаркет, эти расстояния воспринимаются как непостижимо большие, и нам трудно с ходу оценить, насколько дальше относительно нас находится Юпитер в Солнечной системе.

Для решения этой проблемы в качестве единицы измерения астрономы используют расстояние от Земли до Солнца. Его назвали астрономической единицей (сокращенно — а.е.). По определению, Земля в среднем находится на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Расстояние от Юпитера до Солнца можно записать как 5,2 а.е., а значит, эта планета более чем в 5 раз дальше от Солнца, чем Земля.

Приведенные значения важны, поскольку от расстояния до Солнца зависит тип космической пыли, из которой формируется планета. Нагреваемый молодой звездой протопланетный диск в центре значительно горячее, чем по краям, куда солнечным лучам приходится добираться дольше. Этот градиент температуры определяет, какие элементы могут конденсироваться в твердые тела. Подобно воде, которая превращается в лед при 0 °C, другие молекулы превращаются из газа в твердые частицы пыли при более низких или высоких температурах. Вблизи от Солнца, внутри орбиты Меркурия, температура превышает 2000 °C. Под ее воздействием все твердые тела испаряются, в результате чего образуется пространство без пыли. По мере удаления от звезды температура падает до 1500 °C, что создает условия для формирования первых частичек пыли из металлов, включая железо, никель и алюминий. На орбите Земли, то есть на расстоянии 1 а.е., к ним присоединяются силикаты, а когда температура опускается ниже точки замерзания, появляются льды. Первый лед, который образуется в процессе затвердевания, — лед из чистой воды, состоящей из водорода и кислорода. Дальнейшее понижение температуры приводит к образованию других льдов на основе водорода, включая твердый метан и аммиак. В состав этих льдов входят элементы, которые встречаются намного чаще, чем металлы внутреннего диска, что приводит к лавинообразному формированию нового материала там, где они затвердевают. Границу, после которой появляются льды, часто называют линией льдов, линией замерзания или снеговой линией. Она отделяет планеты земной группы, такие как Земля и Марс, от газовых гигантов вроде Юпитера. Более того, она помогает объяснить основные различия между ними.

Образуясь из частиц пыли в протопланетном диске, каждая планета состоит из твердых тел, которые окружали ее в процессе формирования. Например, в случае с Меркурием это привело к образованию объекта, который состоит преимущественно из железа[5]. С учетом небольшого размера Меркурия, из-за которого гравитационные силы сжимают его не так сильно, как Землю, наличие большого количества тяжелого вещества в составе этой планеты обеспечивает ей самую высокую плотность в Солнечной системе. Плотность планет, которые находятся на большем удалении от Солнца, оказывается несколько ниже, поскольку в состав доступных частиц пыли входит больше различных молекул, но при этом эти планеты остаются каменистыми. А как только мы пересекаем снеговую линию, диск заполняют льды с низкой плотностью. Благодаря резкому увеличению количества вещества из него могут формироваться более крупные объекты, которые однажды могут стать ядрами планет-гигантов.

Впрочем, даже если приведенное описание не противоречит идее о том, что планета образуется из находящихся поблизости частиц пыли, оно не объясняет, как они соединяются вместе.

Клей-карандаш

Взвешенные в газе частицы пыли сбить с пути истинного легче, чем ребенка в кондитерском отделе. Это как раз то что нужно для формирования планеты, ведь если бы пыль оставалась на строго круговых орбитах, столкновения происходили бы редко, а до образования крупных объектов дело никогда бы не доходило. Нам повезло, что у пыли есть авантюрные наклонности, которые заставляют частицы отклоняться от круговых орбит, переходя дорогу другим частицам.

Впервые этот тип аномального движения наблюдал в 1827 г. ботаник по имени Роберт Броун, изучавший поведение частиц пыльцы при нахождении во взвешенном состоянии в воде. Броун заметил, что частицы движутся беспорядочно, но ответить на вопрос о причине этого движения так и не смог. И только в начале следующего столетия проблему распутал Альберт Эйнштейн, который понял, что о пыльцу ударялись молекулы воды. Эйнштейн бы мог получить Нобелевскую премию за это открытие, поскольку оно подтверждало существование атомов и молекул, но он уже получил ее пятью годами ранее за совершенно другое исследование. Вместо него в 1926 г. награду получил французский физик Жан Батист Перрен, который экспериментально подтвердил предложенное Эйнштейном объяснение. Наблюдений Роберта Броуна оказалось недостаточно для какой-нибудь награды, но само явление было названо в честь него броуновским движением.

В протопланетном диске роль молекул воды, которые хаотично движутся вокруг маленьких частиц пыли, выполняет газ. Помимо броуновского движения на частицы пыли также воздействует собственное некруговое движение газа, вызываемое пронизывающим диск магнитным полем. Наконец, небольшие карманы газа чуть большей плотности тоже могут становиться источниками слабого гравитационного притяжения для легко поддающихся его воздействию крошечных частичек.

О силе, заставляющей притягиваться две сталкивающиеся частицы в самом начале процесса образования планеты, мы знаем несколько больше. Размер частиц пыли, сконденсировавшихся в протопланетном диске, равен одной десятой размера песчинки, то есть он измеряется в микрометрах (тысячных долях миллиметра). При движении на скоростях ниже 1 м/с эти частицы могут удерживаться вместе электрическим зарядом их атомов, образуя неплотную массу.

Песчинка пыли состоит из молекул, например льда или силиката, которые нейтральны и не имеют ни общего положительного, ни общего отрицательного электрического заряда. Каждая из этих молекул состоит из двух или более атомов, в центре которых находится положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Однако электроны не статичны. Напротив, они перемещаются по молекуле, в результате чего там, где они собираются на короткое время, появляется небольшой отрицательный заряд, тогда как противоположная сторона молекулы становится положительно заряженной. Отрицательно заряженный конец молекулы может притягивать положительно заряженный конец соседней молекулы, удерживая их вместе. Эту силу, обусловленную небольшой асимметрией электрических зарядов, называют вандерваальсовой силой в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван-дер-Ваальса. Сама по себе эта сила достаточно слаба и потому эффективна только при очень легких столкновения частиц пыли. В остальных случаях мы сталкиваемся (метафорически и буквально) с проблемами.

В масштабах микрометров первоначальное беспорядочное движение частиц пыли происходит настолько медленно, что вандерваальсовых сил оказывается достаточно для того, чтобы удерживать сталкивающиеся частицы вместе. Проблема в том, что частицы пыли увеличиваются в размерах, а значит, увеличивается и скорость столкновения. Как только микрометровые частички становятся миллиметровыми гигантами, вандерваальсовы силы уже не могут их удерживать. В результате при столкновении частицы отскакивают.

Когда две частицы пыли отскакивают друг от друга, они не увеличиваются. Поэтому при переходе от микрометрового масштаба к миллиметровому рост частиц прекращается. В итоге образуется множество миллиметровых частиц.

То есть, как это ни печально, процесс формирования планеты заходит в тупик, выйти из которого можно только в том случае, если по какой-то случайности нескольким частицам пыли удастся перейти в сантиметровую лигу. В ходе лабораторных экспериментов было показано, что при столкновении двух частиц с достаточной большой разницей в размерах меньшая частица отскакивает, но при этом теряет половину своей массы. Представьте, что вы бросаете в своего брата комок желе. Разумеется, значительная его часть окажется на полу. Но и на лице брата останется немало. Поэтому, когда сантиметровые частицы оказываются в облаке миллиметровой пыли, они начинают набирать массу за счет столкновений с частицами пыли.

Несмотря на очевидный потенциал, предложенное объяснение не дает ответа на вопрос о том, как появляются сантиметровые частицы пыли. Фактически существует два пути преодоления проблемы отскакивания. Первый — слепая удача. Да, средняя скорость столкновений между частицами пыли возрастает с увеличением их размера, но при этом все равно остается определенный диапазон значений, в рамках которого некоторые столкновения могут проходить на достаточно низких скоростях, обеспечивающих формирование сантиметровых частиц пыли за счет действия вандерваальсовых сил. Согласно второму подходу, отскакивание перестает быть проблемой, когда мы имеем дело с чем-то, имеющим рыхлую структуру.

Представьте, что вы бросаете в стену резиновый мяч. Если вы хорошо прицелитесь, мяч отскочит от стены прямо вам в нос. Теперь представьте, что вместо стены — гигантский комок пыли и пуха, который обычно незаметно скапливается под диваном. Брошенный вами мяч скорее пролетит через такой комок пыли, чем отскочит от него. Если ком достаточно большой, мяч просто-напросто застрянет в его пушистых недрах и станет частью его структуры.

Частицы протопланетной пыли, конечно, вряд ли состоят из смеси пыли, кошачьей шерсти и пуха, но в условиях низкой гравитации в космосе они могут иметь рыхлую структуру. В частности, это относится к частицам, состоящим из более легких элементов, таких как лед. Столкновения между такими рыхлыми частицами трудно воспроизвести в лабораторных условиях, поскольку они будут сжиматься под действием силы гравитации Земли. Чтобы преодолеть данное ограничение, можно попробовать воспроизвести столкновение в виртуальной среде с помощью компьютерных симуляций. Результаты такого моделирования реальности показывают, что на скоростях свыше 60 км/с микрометровые частицы льда, вместо того чтобы отскакивать, прилипают друг к другу. Если бы частицы сохраняли рыхлую структуру, но при этом состояли из силикатов (что более вероятно для той части Солнечной системы, где формировалась Земля), то они бы удерживались вместе на скоростях до 6 км/с.

Похоже, мы нашли ключ ко всем загадкам процесса формирования планет. Движущиеся с низкой скоростью микрометровые частицы пыли удерживаются вместе вандерваальсовыми силами электрической природы, образуя миллиметровые частицы. Те из них, что имеют наиболее рыхлую структуру, соединяются друг с другом, образуя сантиметровые частицы, после чего и рыхлые, и твердые частицы набирают массу при столкновениях с частицами меньшего размера. Если это продолжается пару миллионов лет, могут сформироваться объекты размером с астероид Итокава, целостность которых обеспечивается гравитацией.

Это решение было бы идеальным, если бы не газовый диск.

При движении по орбите вокруг молодого Солнца на газ и твердые частицы действуют разные силы. Для мельчайших частиц пыли меньше сантиметра размером эта разница не имеет значения. Крошечные частицы находятся во взвешенном состоянии в газе, который несет их с собой как ребенка в слинге, заставляя двигаться с одинаковой скоростью. По мере того как частицы пыли увеличиваются, превращаясь в более крупные твердые тела, они становятся все больше похожи на начинающих ходить детей, которых пока еще нужно держать за руку. Они по-прежнему движутся по орбите вокруг звезды, но их движение уже не так тесно связано с окружающим газом. И тогда возникает проблема, поскольку частицы — твердые, а газ — текучий, а текучая субстанция подвержена давлению.

В отсутствие газового диска на твердые тела действуют сила притяжения Солнца и обратная поддерживающая сила, обусловленная их собственным вращением. Возникающее в результате этого взаимодействия движение называют кеплеровским в честь Иоганна Кеплера, который описал соответствующую орбиту в своих законах движения планет. При этом на газ оказывают воздействие не только эти две силы, но еще и сила давления. Она возникает в связи с тем, что в результате аккреции протопланетного материала на Солнце плотность диска увеличивается к центру. На твердых телах это никак не сказывается. Но этот градиент создает дополнительную центробежную силу, под действием которой газ замедляется на 0,5% относительно скорости кеплеровского движения. В результате твердые тела, подобно велосипедисту, испытывают сопротивление встречного ветра, создаваемого более медленным газом, который толкает их в обратном направлении. И точно так же, как велосипедист, который борется с сильным встречным ветром, твердые тела начинают терять скорость.

С падением скорости твердых тел их вращения уже недостаточно, чтобы уравновешивать силу притяжения Солнца, и они начинают нисходящее движение по спирали. Быстрее всего это происходит с состоящими из пыли структурами размером около одного метра. Чтобы упасть на звезду с той точки, в которой находится Земля, этим образованиям потребуется несколько сотен лет. Единственный способ исключить такое столкновение — стать больше.

Всякий, кто попадал в «болтанку» во время авиаполета, знает, что небольшой самолет больше подвержен турбулентности, чем внушительный Boeing 747. Дело в том, что лобовое сопротивление окружающих воздушных потоков намного сильнее, если масса объекта невелика по сравнению с площадью его поверхности. Поэтому, когда пыль собирается в объекты километрового размера, для нее уже не является помехой сопротивление, создаваемое потоком газа. К сожалению, тех сотен лет, за которые метровая глыба долетает до Солнца и сгорает в нем, недостаточно для того, чтобы, сталкиваясь с другими телами, она превратилась в неподверженную встречному сопротивлению километровую скалу. Это называют проблемой метрового барьера. Но если планеты все же сформировались, значит что-то остановило их падение на звезду.

Во время гонок велосипедисты, чтобы снизить изматывающее сопротивление встречного потока воздуха, стараются держаться вместе, формируя так называемый пелотон. Велосипедисту-одиночке приходится бороться с ветром, а при движении в группе между ним и ветром появляется преграда, и он затрачивает намного меньше энергии. Сменяя друг друга, участники поочередно едут во главе пелотона. Часто команда использует эту тактику, чтобы помочь своему лидеру, который обычно едет последним, сохранить силы для рывка на финишном отрезке дистанции.

Протопланетный вариант велосипедного пелотона лежит в основе идеи, которую называют потоковой неустойчивостью. Ее суть в том, что твердые глыбы, обреченные двигаться по направлению к Солнцу, можно остановить, если исключить сопротивление газа. По аналогии с пелотоном, для достижения нужного эффекта необходимо, чтобы в одном месте собралось достаточное количество твердых тел.

Очевидно, что при движении по спирали вниз по диску крупные объекты не образуют однородную среду. Подталкиваемые газом, они собираются вместе, концентрируясь в определенных точках маршрута. Такие скопления превращаются в своего рода пелотоны, обеспечивая уменьшение встречного сопротивления газа в окружающем их пространстве. Когда новые глыбы затягиваются внутрь диска с краев, они оказываются в пелотоне и постепенно замедляются по мере снижения сопротивления газового потока. При этом количество участников пелотона увеличивается, а значит, влияние встречного потока продолжает уменьшаться. Разрастающемуся пелотону все легче вбирать в себя прилетающие глыбы, и процесс набирает обороты.

Как показывают результаты компьютерного моделирования потоковой нестабильности, такой протопланетный пелотон может собирать вокруг себя твердые тела общим объемом от нескольких десятков до нескольких сотен километров, что уже сопоставимо с размером планеты-карлика Цереры. С этого момента, наконец, отпадает необходимость в сложных способах удержания объектов вместе. Сгруппированного в протопланетном пелотоне вещества достаточно для того, чтобы начала действовать сила притяжения, стягивая обломки горных пород вместе в километровые объекты. Теперь эти твердые тела достигают того почтенного размера, который позволяет называть их планетезималями.

При постройке башни-рекордсмена школьники в Делавэре начали с элементов около 1 см длиной, а закончили сооружением в 1000 раз большего размера. Безусловно, они добились впечатляющего результата, но Солнечная система легко побила их рекорд. В процессе формирования планетезимали из пыли в протопланетном диске образуются объекты, которые в 1 000 000 000 раз больше первоначальных строительных блоков. Более того, на этом все не заканчивается. Пришло время выпустить на волю гравитацию.

Железные скрепы гравитации

Если добавить в процесс формирования планеты гравитацию, вместо безопасного бытового клея-карандаша вы получаете высокопрочный промышленный клей. Орбиты планетезималей меняются под действием гравитационного притяжения соседних объектов, в результате чего они оказываются на пересекающихся курсах и сталкиваются друг с другом. Тела небольшого размера при таких столкновениях могут разрушаться или отталкиваться. Однако их скоростей недостаточно для преодоления гравитационного притяжения самых крупных планетезималей, которые притягивают их обратно к себе. Таким образом, самые массивные объекты начинают поглощать все на своем пути.

Темп роста планетезимали зависит от количества твердых тел, с которыми она сталкивается, добавляя их массу к своей. Чем больше длина щита-отвала снегоуборочной машины, тем больше она сгребает снега, чем больше размер планетезимали, тем больше она поглощает материала. Эффективность ее продолжает увеличиваться за счет слияния небольших планетезималей в более крупные тела до тех пор, пока не начинается падение плотности объектов меньшего размера. На первый взгляд, все отлично работает, но на самом деле в таком виде она просто недостаточно быстра.

Чтобы стать такой планетой, как Земля, находящаяся на расстоянии 1 а.е. от Солнца, планетезималь должна поглощать твердые тела в течение 20 млн лет. А с учетом того, что эффективность поглощения падает по мере исчерпания количества окружающих планетезималь твердых тел, этот период растягивается до 100 млн лет. Чем дальше от Солнца, тем более рассредоточенными становятся планетезимали, их плотность падает. В точке, где находится Юпитер, минимальный срок, необходимый для формирования твердого ядра планеты-гиганта, составляет уже 100 млн лет. Это больше, чем время жизни газового диска, который является источником массивной атмосферы Юпитера, а значит, должен существовать до момента завершения формирования ядра. Там, где находится Нептун, для набора массы планетному ядру потребуется больше времени, чем существует Солнечная система. Это означает, что мы должны каким-то образом ускорить этот процесс роста.

К счастью, сила гравитационного притяжения действует не только на поверхности объекта. Несмотря на то что для планетезимали она уже слишком слаба, она по-прежнему способна заставлять находящиеся рядом с планетезималью объекты менять траекторию на такую, которая ведет к столкновению. В результате эффективный размер планетезимали увеличивается за счет того, что к ее геометрическому размеру добавляется дополнительный фактор роста, обусловленный влиянием гравитации. Величина прироста пропорционально массе планетезимали: она увеличивается вместе с геометрической площадью по мере увеличения размера планетезимали. Процесс становится настолько эффективным, что скорость, с которой планетезималь поглощает новый материал, растет вместе с ее размером, и это приводит к постоянному ускорению темпов роста. На этой стадии неудержимого роста самые крупные планетезимали быстро слипаются с окружающими их соседями, доказывая, что принцип «богатые становятся богаче» применим и к процессу образования планет.

Если бы не звезда, непрерывный рост планетезимали продолжался бы до полного поглощения диска. Находясь рядом с более крупным телом, небольшая планетезималь испытывает на себе действие двух сил: гравитационного притяжения находящейся по соседству массивной планетезимали и притяжения звезды, вокруг которой она обращается. Точку, в которой влияние этих двух сил уравновешивают друг друга, называют радиусом сферы Хилла, и она относится к массивной планетезимали. Внутри сферы с этим радиусом гравитационное притяжение планетезимали сильнее притяжения звезды.

Поскольку даже в период неудержимого роста планетезималь несоизмеримо меньше звезды, радиус сферы Хилла ближе к ней по сравнению с расстоянием до звезды, хотя при этом он может многократно превышать размер самого тела. Все, что находится внутри сферы Хилла, притягивается к стремительно растущей планетезимали, оказываясь на траектории столкновения с ней. Но и объекты за ее пределами также ощущают на себе ее воздействие. При этом планетезималь не сможет удерживаться на безопасно стабильной орбите, если расстояние от нее до соседнего объекта не превышает радиус сферы Хилла примерно в 3,5 раза. Как только планетезималь сходит со своей орбиты, ее траектория может пересечься со сферой Хилла, что приведет к ее поглощению. Таким образом, обращаясь вокруг звезды, растущая планетезималь может поглощать объекты в пределах полосы шириной приблизительно 7 радиусов сферы Хилла.

С ростом планетезимали радиус сферы Хилла увеличивается, а вместе с ним — и зона питания, в которую могут втягиваться другие планетезимали размером поменьше. Пока сама планетезималь и ее сфера Хилла остаются маленькими, она прирастает объектами на близких к ней орбитах. Однако в период неудержимого роста планетезималь уже может притягивать тела с намного большего участка диска благодаря увеличению радиуса сферы Хилла. Изначально эти объекты движутся со скоростями, которые существенно отличаются от скорости главной планетезимали, но затем под действием ее силы гравитационного притяжения их орбиты меняются. Величина этой силы такова, что планетезимали меньшего размера несутся по направлению к притягивающему их объекту на намного более высоких скоростях. Благодаря этому им удается избежать лобового столкновения, и они движутся вокруг основной планетезимали по хаотичным орбитам. По эффективности такое кружение не идет ни в какое сравнение с обычным столкновением. В результате неудержимый рост замедляется и начинается новая стадия — олигархическая аккреция.На этом этапе самые крупные планетезимали продолжают увеличиваться, но делают они это медленнее, чем их менее массивные соседи, находящиеся на стадии неудержимого роста. В результате менее крупные объекты растут быстрее самых массивных объектов, постепенно догоняя их в размерах.

С уменьшением количества маленьких объектов запасы свежей «пищи», попадающие в расширяющуюся сферу Хилла планетезимали, иссякают, что со временем приводит к прекращению роста. На этом этапе планетезималь достигает максимальной массы, которую называют массой изоляции. К этому моменту на ее пути не остается никаких других объектов. При ширине полосы питания, равной приблизительно 7 радиусам сферы Хилла, масса изоляции составляет около 10% массы Земли для объекта на расстоянии 1 а.е. от Солнца, если исходить из оценки доступной массы на основе минимальной массы протосолнечной туманности для нашей Солнечной системы. Рядом с Юпитером она увеличивается до 1 массы Земли, так как при большем удалении от Солнца гравитационное притяжение нашей звезды слабее, что обеспечивает больший радиус сферы Хилла. Ядро размером с Землю недостаточно велико, чтобы собрать вокруг себя большую газовую атмосферу, поэтому возникло предположение, что в минимальной массе протосолнечной туманности недооценивается масса области планет-гигантов. Для такого предположения есть основания: огромные силы притяжения больших планет способны разгонять планетезимали до таких скоростей, что они навсегда покидают Солнечную систему. Добиться этого вблизи Земли, где гравитационные тиски Солнца удерживают твердые тела от эффектного побега, намного сложнее. Если масса молодой Солнечной системы вокруг планет-гигантов действительно была больше, тогда обычная масса ядра могла бы достигать приблизительно 10 масс Земли, то есть именно столько, сколько нужно, чтобы начать формирование массивной атмосферы.

Вблизи Плутона, на расстоянии 40 а.е., притяжение Солнца настолько слабо, что сфера Хилла достигает огромных размеров, в результате чего масса изоляции составляет около 5 масс Земли. Это намного больше массы Плутона, которая равна всего лишь 0,2% массы Земли. Исходя из этого несоответствия, можно предположить, что время, необходимое Плутону, чтобы расчистить свою орбиту, все равно окажется больше возраста Солнечной системы. И хотя даже сейчас Плутон остается зажатым в море объектов меньшего размера (что и послужило основанием для признания его карликовой планетой в 2006 г.), проводить сравнение с его массой изоляции не совсем правильно, ведь подобные дальние объекты Солнечной системы, скорее всего, формировались не там, где они находятся сейчас.

Наши планетообразующие планетезимали теперь называют зародышами планет. Приблизительно 30–50 таких объектов должны были находиться в пространстве между орбитами Меркурия и Марса. Хотя изначально они формируются на разных орбитах, траектории движения зародышей планет в какой-то момент пересекаются. При этом они сталкиваются не только друг с другом, но и со свежими планетезималями, попадающими к ним из разных частей окружающего пространства Солнечной системы. Все заканчивается жестокой битвой на выживание, в результате которой зародыши планет сливаются, образуя всего четыре землеподобных мира.

Чтобы спровоцировать столь мощные столкновения, нужен массивный гравитационный «громила», который будет изменять орбиты зародышей планет и планетезималей. Появиться он может в результате превращения зародышей планет в газовые гиганты за снеговой линией.

Глава 3. Вся проблема в газе

Даже если cкопление крупных осколков горной породы, движущихся по орбите вокруг звезды, и является отличной основой для процесса планетообразования, этому множеству камней еще очень далеко до планеты. Чего ему не хватает, так это верхнего газового слоя в виде атмосферы.

В самом начале своего существования наши планеты были крошечными пылинками во власти газового диска. Увлекаемые потоком газа, эти твердые частички постоянно рисковали угодить в гибельные объятия Солнца, пока не вырастали настолько, чтобы преодолевать сопротивление газа.

Когда они достигали размера зародыша планеты, происходила смена ролей с точностью до наоборот: теперь уже газ рисковал оказаться в ловушке их гравитационного притяжения. Будучи ограничен в перемещениях пространством в непосредственной близости от зародыша, газ обволакивает каменистое ядро, образуя первую примитивную атмосферу.

Подобно твердым частицам в протопланетном диске, газ не только обращается по орбите вокруг звезды, он еще и совершает хаотическое движение. Скорость этого движения определяется температурой. Именно это заставляет раздуваться шар с горячим воздухом: при нагревании скорость газа увеличивается, и молекулы ударяются о ткань оболочки сильнее, заставляя шар расширяться. Когда скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения зародыша планеты, становится выше скорости хаотического движения, газ оказывается заперт и образует атмосферу.

С ее появлением растущему зародышу планеты становится проще сгребать планетезимали меньшего размера. Входя в атмосферу, каменистые тела испытывают сопротивление, похожее на сопротивление воздуха при падении парашютиста. Теряя скорость, планетезималь легче притягивается к поверхности зародыша планеты и слипается с ядром при столкновении с ним.

При торможении планетезималей также выделяется тепло. Как и в случае с метеорами, которые в атмосфере Земли превращаются в раскаленные «падающие звезды», спускающиеся к поверхности планетезимали нагреваются по мере вынужденного замедления. Эта энергия разогревает атмосферу и ускоряет хаотическое движение молекул газа. Хотя этого ускорения обычно недостаточно, чтобы высвободить атмосферу из гравитационных тисков зародыша планеты, оно обеспечивает стабилизацию газа относительно гравитационного притяжения и не дает ему сжиматься. Когда гравитация уравновешивается нагревом газа, атмосфера и не расширяется, и не сжимается. Это состояние стабильности называют гидростатическим равновесием.

По мере роста зародыша планеты за счет аккреции планетезималей его гравитационное притяжение увеличивается. В результате гидростатическое равновесие на время нарушается, а атмосфера притягивается ближе к планете. Сжимаясь, газ нагревается и снова уравновешивает гравитационное притяжение, вновь достигая стабильного состояния. Вследствие расширения сферы действия гравитационных сил и высвобождения места в результате сжатия газа толща атмосферы увеличивается за счет проникновения в нее нового газа.

Атмосфера, захваченная зародышем планеты с массой, составляющей одну десятую массы Земли (предполагается, что именно такой зародыш находился в то время там, где сейчас располагается Земля), всегда намного меньше массы твердого вещества планеты. Таким образом, газовый верхний слой способствует росту зародыша планеты, но не оказывает решающего влияния на эволюцию планеты. Стоит, однако, отдалиться от Солнца и заглянуть за снеговую линию, как перед нами предстает совершенно другая картина.

Гиганты из газа

В меньшей степени подвергаясь воздействию гравитационного притяжения Солнца, более крупные ядра в пространстве вокруг текущего положения Юпитера способны удерживать атмосферы существенно большего размера — настолько большие, что тепла, выделяемого при проникновении в них планетезималей, недостаточно для изменения массы газа.

Вопрос о том, когда именно это происходит, до сих пор вызывает споры. Принято считать, что полное равновесие может сохраняться до тех пор, пока масса атмосферы не сравняется с массой твердого ядра зародыша планеты. Однако масса может быть и меньшей, если мы учтем частичное испарение в атмосфере проникающих извне планетезималей на их пути к поверхности зародыша планеты, в результате которого испарившийся материал попадает в газ. Более тяжелые элементы, образующие лед и горные породы в составе планетезимали, выступают в роли хладагентов, обеспечивая быстрое снижение температуры газа. Это приводит к замедлению движения газа и нарушению баланса в пользу гравитации.

Как только атмосфера достигает этого критического размера, равновесие между движением газа и гравитационными силами становится невозможным. Более того, совокупная масса зародыша планеты и атмосферы создает гравитационную силу, которая подавляет движение газа. Гидростатическое равновесие нарушается, и атмосфера неуклонно сжимается.

Благодаря уплотнению атмосферы по направлению к поверхности гравитационное притяжение зародыша планеты обеспечивает втягивание из диска свежего газа. Став частью атмосферы, он также начинает сжиматься. Новый газ увеличивает совокупную массу зародыша планеты, обеспечивая расширение сферы действия гравитационных сил, а значит, и втягивание еще большего количества газа в атмосферу. Это запускает еще один стремительно набирающий обороты процесс, в ходе которого атмосфера зародыша планеты начинает расширяться со все большей и большей скоростью. В результате образуется массивная атмосфера глубиной в тысячи километров и рождается газовый гигант.

Существует два сценария развития событий, при которых возможна остановка процесса наращивания атмосферы. В первом атмосфера продолжает расширяться до тех пор, пока не исчезнет газовый диск. Когда под воздействием излучения звезды диск начинает рассеиваться, объем окружающего планету газа также начинает сокращаться. По истечении 10 млн лет диск исчезает, и планеты остаются с теми атмосферами, которые они успели аккумулировать.

Этот вариант, безусловно, правдоподобен, так как планета не может наращивать атмосферу при исчерпании доступного ей запаса газа. Скорее всего, этот сценарий был основным при формировании самых дальних газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Учитывая, что процесс формирования Урана и Нептуна проходил на таком значительном удалении от Солнца, у них было не так много доступного для поглощения твердого материала и газа, а значит, темпы образования зародышей этих планет должны были быть низкими. Поэтому вполне вероятно, что процесс формирования их атмосфер продолжался вплоть до момента, когда излучение Солнца заставило испариться остатки газа.

Здесь следует сделать небольшое уточнение: на самом деле Уран и Нептун располагаются настолько далеко от Солнца, что вряд ли они формировались именно там, где находятся сейчас. Если исходить из количества времени, которое бы потребовалось для образования планет их размера, газовый диск должен был исчезнуть прежде, чем у них бы смогла появиться атмосфера достаточного объема. Более правдоподобным выглядит предположение, что они сформировались ближе к Юпитеру и Сатурну, а затем переместились на окраину Солнечной системы. Тем не менее даже в этой предполагаемой точке, находящейся ближе к Солнцу, рост их атмосфер остановился с исчезновением газового диска.

Однако в случае с Юпитером и Сатурном описанный сценарий представляется менее вероятным. Предполагается, что отношение твердого ядра к огромной атмосфере у наших двух наиболее массивных газовых гигантов намного больше. Поэтому, вероятнее всего, у них было достаточно времени для аккумулирования газа, а остановка процесса поглощения в их случае была обусловлена каким-то другим механизмом. Существует гипотеза, что этим механизмом стало появление разрыва в протопланетном диске вдоль орбиты каждой из планет.

При движении по орбите время совершения полного оборота определяется расстоянием до звезды. Как и в случае со спортсменами на беговых дорожках, чем ближе протопланетный материал к звезде, тем меньше расстояние, которое он должен преодолеть, чтобы вернуться в исходное состояние. Поэтому газ, движущийся по орбите между планетой и звездой, обгоняет планету, тогда как газ по другую сторону от нее — отстает.

Перемещаясь по диску, газ испытывает воздействие гравитационного притяжения планеты. Что касается бегущего вперед газа, находящегося ближе к звезде, эта сила тянет его назад, замедляя его движение. И наоборот — газ с внешней стороны эта сила заставляет ускоряться.

С изменением скорости газа неизбежно меняется и его орбита таким образом, чтобы равновесие между круговой скоростью и силой притяжения звезды могло вновь восстановиться. Теперь скорость газа между планетой и звездой оказывается ниже, в результате чего он отдаляется от планеты и перемещается ближе к звезде. Тем временем, набрав скорость, газ с внешней стороны планеты начинает удаляться от нее в противоположном направлении. В результате вокруг планеты образуется область, в которой плотность газа существенно ниже, чем в остальных частях диска.

Если сфера действия гравитационного притяжения планеты выходит за пределы протопланетного диска сверху и снизу, этот разрыв может сохраняться в течение определенного времени. Планета настолько велика, что газ не может проникнуть в образовавшуюся дыру — его скорость меняется, и он выталкивается обратно. Таким образом, разрыв не заполняется и продолжает блокировать поток газа до момента исчезновения газового диска.

После того, как атмосфера прекращает расширяться, планета сжимается, поскольку атмосфера продолжает охлаждаться и опускаться вниз. Плотность атмосферы увеличивается, сжимать ее становится все труднее, она начинает сопротивляться сдавливающим ее силам. В глубине атмосферы газового гиганта давление газа в результате сжатия достигает значений, при которых водород превращается в необычный жидкий металл. Эти колоссальные силы заметно замедляют процесс сжатия Юпитера и Сатурна: по имеющимся у нас данным Юпитер сжимается на 1 мм в год. Но даже столь незначительного сокращения объема достаточно для нагревания планеты, которая излучает больше энергии, чем получает от Солнца.

Описанный механизм формирования газового гиганта называют моделью аккреции на ядро, так как в ее основе лежит идея активной аккреции газа на поверхность твердого ядра. Интригует то, что он очень похож на механизм формирования планет земного типа, за исключением того, что связано с активным формированием атмосферы. Но время, которое требуется для его завершения, уже не кажется столь интригующим.

Первоначально считалось, что формирование Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна на их текущих орбитах продолжалось дольше 10 млн лет, что казалось невозможным, ведь к концу этого периода от газового диска уже ничего не должно было остаться. Поначалу осознание обозначенной проблемы привело к признанию невозможности аккреции на ядро, но благодаря корректировке модели после ряда новых открытий был сделан вывод о меньшей длительности периода образования четырех планет.

Первая корректировка связана с простым уточнением первоначальных расчетов модели. Скорость охлаждения газа отчасти определяется тем, слипаются ли частицы пыли при попадании в атмосферу, оседая на поверхность, или же они остаются во взвешенном состоянии в газе. Во втором случае образуемый частицами туман предотвращает утечку тепла (речь идет о повышении степени непрозрачности атмосферы), что замедляет процесс охлаждения. При оседании пыли на поверхность ядра охлаждение ускоряется, и атмосфера быстро переходит к стадии неудержимого расширения.

Более радикальное решение — переместить планету. В основе работы планетного буксира лежит тот же механизм, что обеспечивает образование разрывов в протопланетном диске. Пока планета притягивает газ, создавая условия для образования разрыва, газ, в свою очередь, тащит ее в обратном направлении. Газ внутри орбиты увлекает планету вперед, а та старается затормозить его, тогда как газ на внешней стороне орбиты тормозит планету, пока другие силы тянут ее вперед. Если газ на внешней стороне орбиты и газ внутри нее тянут с одинаковой силой, на планете это никак не отражается. Однако планета движется немного быстрее газа внутри орбиты, поскольку она не подвержена давлению. Это приводит к тому, что тормозящий газ оказывается ближе к поверхности планеты, одерживая верх над внутренними силами ускорения. Поэтому планета замедляется и получает направленный внутрь импульс.

При перемещении планеты по диску она сталкивается с новым скоплением планетезималей. Благодаря новой порции питания скорость аккреции снова возрастает, что приводит к сокращению времени, необходимого для начала коллапса, ни много ни мало в 10 раз. В этом сценарии планета вроде Юпитера начинает формироваться на расстоянии приблизительно 8 а.е., а затем перемещается к своему текущему положению на расстоянии 5 а.е., захватывая, как будто тралом, все объекты на своем пути. С открытием экзопланет идея о миграции планет стала ключевым элементом теорий их образования, выступая одновременно как в качестве фактора, способствующего процессу формирования, так и в качестве одного из главных препятствий на его пути.

Относительно недавно было высказано предположение о существовании еще одного механизма, обеспечивающего ускоренный набор массы газовыми гигантами. Согласно теории аккреции обломков, поглощение каменистых объектов меньшего размера позволяет планете расти быстрее, чем при слипании с крупными планетезималями.

Рост зародыша планеты замедляется, как только скорость приближающихся к нему планетезималей достигает значений, достаточных для преодоления его гравитации. Сложности начинаются еще на стадии олигархического роста; но труднее всего зародышу планеты улавливать более крупные планетезимали, которые разбросаны вокруг него на поздних этапах.

Однако даже после формирования в протопланетном диске более массивных планетезималей в нем по-прежнему остается большое количество каменистых тел меньшего размера. Не превышающие 10 см в диаметре обломки представляют собой прекрасную «закуску», так как при таком размере они пока еще не способны преодолевать сопротивление газа. Когда они оказываются рядом с зародышем планеты, сопротивление заставляет их замедляться, из-за чего они намного чаще сходят со своих орбит и сталкиваются с зародышем. Поэтому зародыши планет могут чрезвычайно легко слипаться с каменистыми телами такого размера, набирая массу в сто раз быстрее там, где сейчас находится Юпитер.

Скорее всего, при возникновении планет были задействованы все эти три механизма, сокращающие время, необходимое для аккумулирования огромной атмосферы. Таким образом, аккреция на ядро кажется наиболее правдоподобной моделью формирования большинства газовых гигантов. Впрочем, есть миры, существование которых ставит ее под сомнение.

Формирование дальних планет

Модель аккреции на ядро стала серьезной заявкой на объяснение механизмов образования планет-гигантов, но продержалась она недолго. Чем дальше от центра протопланетного диска, тем труднее сформировать планету. Что касается небольших каменистых миров на окраинах Солнечной системы, таких, например, как Плутон, главным виновником их удаленного положения можно считать взаимодействие с массивными планетами. Когда газовые гиганты раздуваются в размерах, в сферу их гравитационного притяжения попадают сначала крупные планетезимали, а затем — менее крупные каменистые зародыши планет. В силу большого размера они легко преодолевают сопротивление газа, и поэтому к тому моменту, когда они достигают газового гиганта, большинство этих объектов движутся слишком быстро, чтобы газовая планета могла их поглотить. Вместо этого они проносятся мимо нее, набирая скорость, и разлетаются по всей Солнечной системе.

Так, Плутон был вытолкнут на окраину в составе большого скопления планет-карликов и планетезималей, оказавшись позади Нептуна. Другие планетезимали были раскиданы внутри Солнечной системы или вовсе покинули ее пределы. Гравитационное притяжение гиганта Юпитера было настолько мощным, что под его воздействием зародыши планет в пределах Солнечной системы начали рыскать и сталкиваться друг с другом, образуя планеты земной группы.

Этого достаточно для объяснения процесса формирования нашей Солнечной системы: в результате столкновений частиц пыли образуются планетезимали, которые вырастают в зародыши планет. Газовые гиганты аккумулируют огромные атмосферы в процессе безудержного расширения путем аккреции на ядро, а под влиянием их громадной массы начинается игра в гравитационный пинг-понг, во время которой завершается рост планет внутри системы и происходит выталкивание кольца планет-карликов и каменистых глыб. А потом мы открыли экзопланеты.

Предполагается, что Фомальгаут b — это планета-гигант, движущаяся по орбите вокруг своей звезды на немыслимом расстоянии 119 а.е. Для сравнения: Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, находится всего лишь в каких-то 30 а.е. от Солнца. На расстоянии в сотни а.е. формирование ядра такого размера, который позволил бы образоваться массивной атмосфере, просто невозможно. И вот тут-то в спор вступает планета Фомальгаут b, верхняя оценка массы которой втрое больше массы Юпитера. Ее открытие нанесло серьезный удар по модели аккреции на ядро, которой противоречило как расположение этой планеты в разреженном внешнем диске, так и увеличение в три раза массы, которую должна набрать планета.

Ни метод лучевых скоростей, ни транзитный метод не использовались при обнаружении Фомальгаут b. Она стала первой экзопланетой, доступной для непосредственного наблюдения. Получить изображение экзопланеты чрезвычайно трудно, так как ее слабое излучение (отраженный свет и собственное тепловое излучение) обычно подавляется звездой. Поэтому чем дальше орбита планеты от звезды, тем выше вероятность обнаружить ее тусклое изображение.

Учитывая, что Фомальгаут b окружена обширным облаком космической пыли, возможность ее отнесения к планетам часто ставится под сомнение. Погружена ли планета в туман или это осколки от столкновений, происходивших в процессе ее формирования? Как бы там ни было, Фомальгаут b — далеко не последний объект, обнаруженный на большом расстоянии в диске.

В 2009 г. японский телескоп «Субару» с зеркалом диаметром 8,2 м начал прочесывать небо в поисках удаленных планет. Исследование, в рамках которого проводилась эта работа, получило название «Стратегическое изучение экзопланет и дисков с помощью “Субару”» (Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru, сокращенно — SEEDS). Планировалось, что телескоп будет делать снимки дисков вокруг звезд и всех газовых гигантов, которые попадут в его поле зрения. К 2016 г. SEEDS обнаружил четыре планеты, которые были значительно больше Юпитера и обращались по орбитам на расстоянии 29–55 а.е. от своей звезды. Пусть этих планет было немного, но игнорировать их существование было невозможно.

Столкнувшись с объектами, не укладывающимися в существующую модель аккреции на ядро, ученые начали поиски альтернативной теории, которая могла бы объяснить работу фабрики по производству газовых гигантов. Было предложено взять за основу модель образования звезд и экстраполировать ее на газовые гиганты.

На изображениях дисковых галактик, похожих на наш Млечный Путь, видны ослепительные множества спиральных рукавов. Обычно спирали — это волны плотности, которые относятся к тому же типу, что и звуковые волны. Спиральные рукава могут появляться, когда собственная гравитация газа достаточно сильна, чтобы разорвать однородную структуру газового диска.

Этот эффект называют неустойчивостью диска — немного пафосно, учитывая, что термин означает процесс разрушения диска гравитацией. В создаваемом им спиральном рукаве собираются облака молекулярного газа, образуя плотные участки, в которых рождаются звезды.

Альтернативный вариант объяснения процесса формирования газовых гигантов исходит из того, что нечто похожее может происходить и в протопланетном диске. В окружающем звезду газовом диске образуются спиральные рукава, газ сжимается и падает непосредственно в центр планеты-гиганта. В отличие от куда меньших плотностей, которыми обычно характеризуется звездообразующее молекулярное облако, плотности в протопланетном диске потенциально могут подниматься до уровня, достаточного для формирования небольшого объекта размером с планету.

Этой идеей трудно не соблазниться, ведь она позволяет аккуратно обойти все другие проблемы, с которыми мы пытались разобраться до сих пор. Раз не нужно начинать со строительства твердого ядра, мы можем пренебречь механизмами слипания планетезималей и сопротивлением газа. Тогда для образования газового гиганта достаточно всего лишь тысячи лет, что намного меньше аналогичного значения в модели аккреции на диск и заведомо меньше продолжительности жизни газового протопланетного диска. Более того, в этом случае становится возможным создание планет с массой, превышающей массу Юпитера в 1–10 раз, то есть таких, как Фомальгаут b и другие экзопланетные мегамиры.

Проблема (а проблемы есть всегда!) в том, что возможность появления неустойчивостей в протопланетном диске аналогично тому, как это происходит в нашей Галактике, вызывает сомнения. Известны два основных фактора, от которых зависит, сможет ли диск стать неустойчивым, — масса и температура. Если диск слишком легкий, его гравитации недостаточно, чтобы нарушить равномерное распределение и сформировать спираль. И наоборот: если температура слишком высокая, беспорядочное движение газа может быстро сгладить волну сжатия до того, как она сформирует планету. Вопрос о том, могут ли сформированные таким образом планеты выживать, также остается открытым. Образующиеся рядом планеты могут объединяться в более крупные объекты либо разбить друг друга на части.

Модели протопланетного диска, окружающего звезду, аналогичную нашему Солнцу, показывают, что на расстоянии менее 40 а.е. вероятность возникновения неустойчивости крайне мала. Однако на ранних этапах существования диска, когда его масса больше, он может быть фрагментирован на расстоянии свыше 100 а.е., что полностью соответствует расположению Фомальгаута b. Все обнаруженные SEEDS планеты находятся на границе между областью аккреции на ядро и областью, где в диске может появляться неустойчивость. Поэтому можно считать, что механизм их формирования понятен. Однако, какой метод нам следует применить, до сих пор непонятно.

Образовавшаяся в результате неустойчивости диска газовая планета первоначально не имеет твердого ядра. Она может получить его, захватывая планетезимали, которые медленно падают в ее центр. Хотя наши газовые гиганты находятся слишком близко к Солнцу, чтобы неустойчивость диска могла быть причиной их формирования, нам известно о планете размером с Юпитер, образовавшейся посредством этого механизма. Масса ее ядра составляет приблизительно 6 масс Земли, то есть укладывается в предполагаемый диапазон значений массы твердого ядра Юпитера.

Какая же из двух теорий верна — теория аккреции на ядро или теория неустойчивости диска? А может быть, они обе соответствуют реальности? Единственный веский аргумент, мешающий признать, что оба механизма имели место, лежит в плоскости эстетики: два разных метода формирования газовых гигантов — это просто некрасиво. Однако ни одна из этих двух моделей по отдельности не способна объяснить происхождение и газовых гигантов в нашей Солнечной системе, и газовых гигантов вокруг других звезд. В качестве компромисса можно рассматривать их как взаимодополняющие: в результате неустойчивости диска газ сжимается в спиральные волны, которые при определенных условиях сжимаются в планеты. Если коллапс не происходит, неустойчивость диска продолжает способствовать аккреции на ядро, тогда как аккумуляция газа обеспечивает увеличение скорости образования атмосферы вокруг твердого ядра планеты.

У нас есть планеты, в которых можно узнать миры, существующие в Солнечной системе. Четыре из них сформировались быстрее остальных, сгребая планетезимали и небольшие зародыши планет, попадавшие в их непрерывно расширяющиеся гравитационные поля. Набрав массу, каменистые и ледяные ядра оказались в объятьях громадных атмосфер, искупавших их в газе. Вблизи от Солнца, где гравитационное влияние планет было не столь значительным из-за сильного притяжения звезды, процесс формирования протекал более спокойно. Затем, когда гравитация газовых гигантов заставила зародыши планет изменить свои орбиты, начался последний раунд столкновений. Результатом стало образование четырех планет земной группы, окруженных тонкими атмосферами. Однако ни на одной из этих планет еще не было условий для зарождения жизни.

Глава 4. Воздух и море

«Боже мой! Посмотрите на это! Это же Земля. Вот это да! Как она прекрасна!»

Эти слова произнес Уильям «Билл» Андерс на борту запущенного NASA космического корабля «Аполлон-8» во время первого пилотируемого полета к Луне. Позже Андерс так расскажет об этом историку освоения космоса Эндрю Чайкину: «Мы проделали весь этот путь, чтобы открыть Луну. Но на самом деле мы открыли Землю». Сделанная им фотография восхода Земли не была предусмотрена программой полета, но это не помешало ей стать одной из самых культовых фотографий в истории.

В конце 1968 г. Центральное разведывательное агентство (ЦРУ) США получило доказательства того, что в СССР было все готово для отправки двух космонавтов на орбиту Луны. В случае успеха СССР не только первым отправил бы людей за пределы околоземной орбиты, но и совершил бы значительный рывок в космической гонке, целью которой была высадка человека на иной планете.

Ранее в том же году состоялся первый пилотируемый космический полет в рамках программы NASA «Аполлон». В ходе него «Аполлон-7» доставил на околоземную орбиту трех астронавтов — Уолтера Ширру, Донна Айзли и Уолтера Каннингема, которые за 11 суток совершили 163 оборота вокруг планеты. Несмотря на появление у членов экипажа симптомов простуды, включая заложенность носа, с которой было непросто справиться в условиях низкой гравитации, программа полета была выполнена. После этого был спешно составлен план полета для «Аполлона-8», но тогда Америка еще не была готова к исторической высадке на Луну, которая состоялась позже, в 1969 г., когда астронавты Нил Армстронг и Баз Олдрин ступили на поверхность Луны.

У NASA были все основания опасаться, что американцы проиграют гонку. Несмотря на отсутствие точных данных о состоянии советской космической программы, было известно, что в сентябре того же года запущенный русскими космический аппарат с парой черепах облетел вокруг Луны и вернулся на Землю. Так что риск того, что СССР достигнет цели быстрее США, был вполне реальным.

Поэтому NASA выступило со смелым предложением: отправить «Аполлон-8» к Луне, чтобы корабль совершил пилотируемый облет нашего естественного спутника и вернулся на Землю. Это был рискованный шаг, поскольку для доставки «Аполлона-8» предполагалось использовать ракету «Сатурн-5», беспилотные запуски которой до того сопровождались серьезными проблемами, связанными с вибрацией. Однако считалось, что неполадки были устранены, да и времени на раздумья не оставалось. Накануне убийства президент Джон Ф. Кеннеди поручился, что Америка обойдет СССР в гонке за высадку на Луну. Второе место было равносильно последнему.

В канун Рождества в тот год астронавты Фрэнк Борман, Джеймс Ловелл и Билл Андерс стали первыми людьми, увидевшими обратную сторону Луны собственными глазами. Но в центре их внимания оказался вовсе не испещренный кратерами лунный ландшафт.

Во время облета Луны взорам астронавтов предстал рождественский бело-голубой узор, медленно выраставший на фоне пустынного горизонта спутника. Это была Земля, поднимавшаяся над лунной поверхностью. Снимок восхода Земли Андерса стал, по словам покойного мастера пейзажной фотографии Галена Роуэлла, «самым важным снимком окружающей нас среды за всю историю фотографии». На нем было не просто бледно-голубое пятно — это было наше пятно.

Вторая атмосфера

Если бы Андерс сделал свой снимок Земли около 4 млрд лет назад, перед ним бы предстало адское зрелище. Изъеденная жаром, сопровождавшим ее бурное рождение, содрогающаяся от продолжающихся столкновений с планетезималями, наша планета представляла собой сгусток расплавленных горных пород, усеянный извергающими океаны магмы вулканами. Не случайно эта первая эпоха в истории Земли получила название «гадейского периода» — в честь Гадеса (Аида), бога подземного мира в древнегреческой мифологии.

Первоначальная газовая оболочка, сформировавшаяся вокруг Земли из протопланетного диска, просуществовала недолго. Гравитационное притяжение нашей планеты было слишком слабым, чтобы удержать первую атмосферу, состоявшую преимущественно из легких элементов, таких как водород и гелий. Когда Солнце вступило в стадию Т Тельца, стадию бурного взросления, на планеты земной группы обрушились ветры и потоки излучения молодой звезды, сорвав с них газовые покровы.

Лишившись своей примитивной атмосферы, расплавленная Земля начала извергать газы во второй раз. Благодаря подвижности расплавленных горных пород более плотные металлы начали опускаться к ядру, освобождая место для более легких силикатов, из которых сформировалась мантия. В процессе плавления горных пород из них высвобождались газы, вырываясь наружу в составе вулканических выбросов и образуя вторую атмосферу Земли. Новая атмосфера представляла собой смесь водяных паров, окиси углерода, углекислого газа и азота. В ней все еще не было свободного кислорода: для его появления требовались фотосинтезирующие формы жизни. Молекулы новой атмосферы были достаточно тяжелыми, чтобы удерживаться земной гравитацией и не покидать планету. Конечно, это была еще не та атмосфера, которой мы дышим сегодня, но она уже могла служить основой для зарождения жизни.

Впрочем, и тут без тайн не обошлось: откуда взялись водяные пары, которые выбрасывала гадейская Земля?

Тайна воды

На фотографии восхода Земли мы видим хрупкую голубую планету, 71% поверхности которой покрыт водой. В массе планеты доля воды существенно меньше: если к поверхностным водам добавить тот объем, который, по оценкам, заключен в мантии, мы получим менее 0,1% массы всей Земли. При этом, где бы на Земле ни встречалась вода, ее неизменно сопровождает жизнь. С нашей точки зрения, это означает, что вода — ключевой элемент жизни.

Но происхождение этой воды остается загадкой: из-за близости к Солнцу пыль, из которой формировалась Земля, была слишком теплой, чтобы в ней мог содержаться лед. Твердые частицы, в результате столкновения которых образовалась Земля, состояли главным образом из сухих силикатов. Чтобы стать участником процесса формирования планеты, лед должен был иметь форму затвердевших частиц, а в этой форме он существовал только за снеговой линией в холодном царстве газовых гигантов.

Последствия этого до сих пор можно наблюдать в поясе астероидов в виде полосы остаточных планетезималей, которая располагается между Марсом и Юпитером, то есть как раз там, где пролегает снеговая линия. Cтолкновения и взаимодействия астероидов приводят к тому, что некоторые из них направляются к Земле, падая на ее поверхность в виде метеоритов. Поэтому у нас достаточно информации об их свойствах. В частности, мы знаем, что в астероидах во внешней части пояса, находящихся на расстоянии 2,4–4 а.е., содержится значительное количество льда, составляющее до 10% их массы. Чем ближе к Марсу и Земле вдоль пояса, тем астероиды суше: доля льда в их массе не превышает 0,05% — 0,1%. Несмотря на неизбежное изменение количества льда за прошедшие миллиарды лет, тенденция говорит о том, что наша планета сформировалась из сухого материала. Но тогда откуда взялись океаны?

Мокрая Земля

Первый вариант ответа на этот вопрос — сценарий мокрой Земли. Согласно этому сценарию, в процессе формирования Земля аккумулировала воду так же, как газ.

Несмотря на отсутствие во внутренней части Солнечной системы твердого льда, водяных паров в протопланетном диске было в избытке. Они окутывали планетезимали, из столкновений которых родилась Земля. Если допустить, что какое-то количество паров «прилипало» к каменистым телам, то они вполне могли войти и в состав самой планеты. Когда в гадейский период в расплавленных недрах Земли начались сдвиги, пары воды могли выйти наружу через вулканы и, охладившись, сформировать океаны.

Согласно другому похожему сценарию, Земля могла удержать пары воды, аккумулированные в период формирования примитивной атмосферы. Легких водорода и гелия она лишилась, но более тяжелые молекулы воды смогла сохранить, и позже они присоединились к газам во вторичной атмосфере.

Вода определенно могла участвовать в формировании Земли, но в этой теории все-таки есть ряд нерешенных вопросов. Один из них — удержание газа, захваченного из протопланетного диска, и возник этот вопрос в связи с обилием инертных газов, то есть гелия, неона и аргона, которые отличаются низкой реакционной способностью. Отсутствие химических взаимодействий означает, что объем этих газов практически не меняется со временем. Если часть своей атмосферы наша планета действительно получила из протопланетного диска, тогда доля инертных газов в атмосфере Земли должна быть аналогична той, которая характерна для Солнца. Но на самом деле в земной атмосфере их намного меньше, то есть, скорее всего, она была дегазована и не является результатом удержания газов. Более того, для удержания достаточного количества воды примитивная атмосфера Земли должна была быть очень большой. Однако формирование Земли проходило весьма медленно, на него ушло больше времени, чем существовал протопланетный диск. Поэтому времени для накопления достаточного количества газа могло быть недостаточно. Это не означает, что вода не могла быть получена вместе с планетезималями, но указанных вопросов достаточно, чтобы предположить, что вода попала на Землю уже после завершения формирования планеты.

Сухая Земля

Источником воды могли стать скованные льдом метеориты. Эти каменистые объекты могли формироваться в окружении льда в отдаленных участках нашей Солнечной системы, а затем оказаться там, где находятся планеты земной группы. Изрытая кратерами поверхность Луны — свидетельство активной бомбардировки каменными глыбами, которые должны были сыпаться градом на планеты земной группы во время их формирования. Если на Земле атмосфера превращала в пар многие попадающие в нее метеориты, а поверхность обновлялась и разглаживалась благодаря вулканической активности, то Луна сохранила свой испещренный оспинами лик со времен бурной молодости. Если наша планета первоначально была сухой, то своими океанами она может быть обязана как раз нескончаемому потоку обледеневшего материала, барабанившего по ее поверхности.

Главными виновниками этого каменного града можно считать газовые гиганты. Благодаря своей огромной массе они создавали гравитационное притяжение такой силы, которая заставляла разлетаться по Солнечной системе остававшиеся вокруг них планетезимали подобно шарам в гравитационном бильярде. Поскольку эти каменные шары формировались по соседству с газовыми гигантами за снеговой линией, то, врываясь во внутреннюю часть Солнечной системы и попадая в планеты земной группы, они должны были приносить с собой немало льда.

Не все в этой теории появления воды на Земле до конца понятно. В частности, в Солнечной системе есть много участков, по которым разбросаны остатки сыгранного газовыми гигантами бильярдного матча. И у каждого из них своя история. Если бы удалось найти участок с каменистыми телами, похожими на те, которым мы обязаны нашими океанами, это помогло бы нам понять, как Земля стала обитаемой, и продвинуться в поисках второй планеты, способной обеспечить условия для существования жизни.

Как раз неподалеку от наших планет находится полоса таких бесхозных шаров, за которой закрепилось название пояс Койпера. Располагаясь на расстоянии 30–50 а.е., это скопление каменистых тел обращается вокруг Солнца сразу за Нептуном. Самый известный представитель пояса Койпера — карликовая планета Плутон, но считается, что ее окружают приблизительно 100 000 других крупных объектов диаметром более 100 км.

Своим именем пояс Койпера обязан американскому астроному нидерландского происхождения Джерарду Койперу, который высказал предположение, что эти объекты могли сформироваться на ранних этапах истории Солнечной системы. Впрочем, не все так однозначно: за восемь лет до публикации статьи Койпера в 1951 г. с аналогичным предположением выступил ирландский астроном Кеннет Эджворт. Более того, Койпер думал, что эта полоса объектов не просуществует долго: по его мнению, массивный Плутон должен был заставить разбежаться в стороны всех своих соседей. То есть он скорее выступал против возможности существования группы объектов, которая носит его имя. На самом деле масса Плутона намного меньше значения, которым оперировал Койпер, из-за чего он оказывает весьма незначительное влияние на своих попутчиков. Поэтому это скопление объектов часто называют поясом Эджворта — Койпера или используют термин «транснептуновые объекты».

Механизм образования пояса Койпера точно не известен. Не исключено, что это скопление тел сформировалось там, где оно находится сейчас, но его удаленность от Солнца вызывает ряд вопросов. На таком расстоянии частицы пыли в протопланетном диске должны были распределиться вдоль широкой орбиты, что снижало вероятность столкновений, необходимых для образования тел размером 100 км и даже 1000 км. Проблему усугубляет присутствие Нептуна, гравитационное притяжение которого нарушает однородность внутренних участков пояса Койпера, увеличивая скорость движущегося там вещества. Получая ускорение, частицы и планетезимали движутся недостаточно медленно, чтобы слипаться при столкновениях, что еще больше замедляет скорость их роста. Этого влияния можно было бы избежать, если бы объекты внутри пояса Койпера сформировались до появления Нептуна, но тогда скорость накопления ими массы должна была быть еще выше.

Поэтому более вероятным представляется сценарий, при котором сначала эти каменистые тела были выброшены за пределы данного участка под воздействием гравитации самых дальних газовых гигантов — Урана и Нептуна, что обеспечило формирование планетезималей и карликовых планет в более насыщенной столкновениями среде на меньшем расстоянии от Солнца, после чего они были вытолкнуты на задворки планетной системы. Нептун, безусловно, имеет прямое отношение к эволюции пояса Койпера. Его самый большой спутник Тритон когда-то был частью пояса Койпера, но потом оказался во власти Нептуна. В отличие от большинства других спутников планет в нашей Солнечной системе, Тритон движется по своей орбите в направлении, противоположном направлению вращения планеты, и имеет тот же состав, что и Плутон. Это веское доказательство того, что он сформировался не рядом с Нептуном, а попал на его орбиту позже.

Взаимодействие Нептуна с поясом Койпера не ограничивается одним лишь процессом их формирования. Если каменистые объекты из пояса приближаются к массивной планете слишком близко, они могут вновь получить ускорение и быть выброшены во внутреннюю область Солнечной системы. По мере продвижения объекта из пояса Койпера по направлению к Солнцу его ледяное тело начинает улетучиваться, образуя хвост из водяных паров. Так объект становится кометой.

Комета, получившая свое название от греческого слова «длинноволосый», появляется в небе в виде размытого пятна света, за которым тянется длинный хвост. Некоторые кометы движутся по протяженным орбитам вокруг Солнца, появляясь в небе раз в несколько десятилетий или столетий. Другие пролетают мимо нашей планеты только один раз, навсегда покидая Солнечную систему после всего одного танца вокруг Солнца.

На всем протяжении человеческой истории внезапное появление комет среди привычных созвездий воспринималось в качестве доброго или дурного предзнаменования. Особенно сильное впечатление на людей производила комета Галлея. Обращаясь по орбите с периодом 75–76 лет, она была увековечена в 70-метровом гобелене из Байе, созданном в 1070-е гг. и повествовавшем о завоевании норманнами Англии. То же самое явление в 1301 г. вдохновило флорентийского художника Джотто ди Бондоне на использование образа кометы в качестве звезды, которая привела мудрецов к месту рождения Иисуса, на религиозной фреске «Поклонение волхвов»[6]. Своим именем комета обязана британскому астроному Эдмунду Галлею, который первым понял, что упоминания о появлении кометы в 1456, 1531, 1607 и 1682 гг. относятся к одному и тому же объекту, движущемуся по периодической орбите. Галлей предсказал, что комета снова появится в 1758 г. Сам он не дожил до этого момента, но комета действительно появилась точно тогда, когда он предсказал, после чего и получила его имя. В последний раз комета Галлея появлялась в 1986 г., а ее следующий визит состоится в середине 2061 г.

Вопрос о происхождении кометы Галлея остается открытым, так что наши предки были не так уж далеки от истины, когда видели в ней загадочного предвестника из космоса. Совершая полный оборот по орбите менее чем за два столетия, комета Галлея считается, как бы это иронично ни звучало, короткопериодической кометой. Кометы этого класса обычно попадают во внутреннюю часть Солнечной системы из пояса Койпера, получая ускорение при встрече с Нептуном. В результате гравитационного воздействия орбиты этих комет имеют форму сильно вытянутых эллипсов, что отличает их от почти круговых планетных орбит. Однако, учитывая, что и Нептун, и пояс Койпера располагаются приблизительно в том же дискообразном участке пространства, что и первоначальный протопланетный диск, образующиеся в результате их взаимодействия кометы движутся вокруг Солнца в той же плоскости.

Но это не относится к комете Галлея. Ее орбита наклонена под таким большим углом к орбитам планет, что, по сути, комета повернута в другую сторону и обращается вокруг Солнца в противоположном направлении. Таким образом, если большинство короткопериодических комет лишь слегка поднимаются над плоскостью диска (менее чем на 10º), то орбита кометы Галлея наклонена к плоскости эклиптики на 162º. Столь необычная орбита свидетельствует о том, что комета начала свой путь в другом месте, а именно в облаке Оорта на краю Солнечной системы.

В отличие от объектов в поясе Койпера, вытолкнутых наружу планетами, каменистые небесные тела, образующие облако Оорта, испытали на себе куда более значительное воздействие. Приблизившись к газовым гигантам на расстояние, достаточное для получения мощного ускорения, они были заброшены планетной катапультой на самую окраину Солнечной системы. В этой критической точке направленное вовнутрь гравитационное притяжение Солнца уравновешивается обращенной вовне тягой, создаваемой гравитацией остальной Галактики. В результате появляется относительно стабильная область, в которой каменистые небесные тела не испытывают притяжения и находятся в состоянии покоя — на своего рода острой кромке по краю нашей Солнечной системы.

Этот ненадежный приют для заблудших космических глыб находится очень далеко, поэтому облако Оорта недоступно для непосредственного наблюдения. По оценкам, расстояние от него до Солнца составляет 22 000–100 000 а.е. (более 1 светового года), а количество объектов в нем, как полагают, исчисляется триллионами.

Балансируя между Солнцем и остальной Галактикой подобно акробату на тонком канате, каменистые тела в облаке Оорта теряют равновесие даже от малейшего гравитационного толчка от проходящей мимо звезды. В этом случае они устремляются во внутреннюю область Солнечной системы, где оказываются во власти солнечной гравитации, становясь долгопериодическими кометами.

Еще один, не столь давний, как комета Галлея, гость в окрестностях Солнца — комета Лавджоя. Впервые она была обнаружена австралийским астрономом-любителем Терри Лавджоем в 2014 г. В начале 2015 г. комета стала доступна для наблюдения невооруженным глазом и в конце января того же года максимально сблизилась с Солнцем. В отличие от кометы Галлея, комета Лавджоя движется по невероятно длинной петле в пределах Солнечной системы с периодом, который изначально составлял 11 000 лет. При прохождении кометы по той части Солнечной системы, где располагаются планеты, траектория ее орбиты изменилась под влиянием гравитационного притяжения, что привело к сокращению периода обращения до 8000 лет (но это все равно немыслимо много). Для сравнения: период обращения Плутона составляет всего лишь 248 лет.

Поскольку при движении по орбите объект описывает петлю, он должен возвращаться в точку отправления. Это означает, что кометы, движущиеся по орбитам с периодами обращения более 200 лет, должны начинать свой путь дальше пояса Койпера. При этом вытянутая эллиптическая форма их орбит указывает на то, что эта отправная точка находится намного дальше Плутона. Именно этот факт, наряду с разнообразием углов наклона этих долгопериодических комет, и привел Яна Хендрика Оорта к предположению о существовании вокруг Солнечной системы оболочки из удаленных объектов.

Так случилось, что Койпера и Оорта объединяло не только общее происхождение (оба астронома были голландцами): и у того, и у другого были предшественники, высказывавшие идеи, аналогичные предположениям о существовании пояса Койпера и облака Оорта. Оорт выступил со своей гипотезой о происхождении долгопериодических комет в 1950 г., но еще в 1932 г. об этом говорил эстонский астроном Эрнст Эпик. Предположение Эпика о том, что источником долгопериодических комет является облако далеко за орбитой Плутона, было опубликовано в журнале Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, который, как отметил в статье о работах Эпика его коллега Фред Уиппл, был «журналом, редко попадавшим в поле зрения астрономов». Не способствовало популярности статьи Эпика и ее неприметное название: «К вопросу о звездных возмущениях околопараболических орбит». Достаточно сравнить его с броским названием статьи Оорта 1950 года: «Структура кометного облака, окружающего Солнечную систему». Скорее всего, Оорт действительно не был знаком с этой более ранней публикацией, поскольку в своей статье он поблагодарил Уиппла за то, что тот привлек его внимание к работе Эпика: «Я в долгу перед доктором Уипплом, за то что он обратил мое внимание на интересную статью Эпика, в которой также рассматривается воздействие звезд на облако метеоритов или комет. Эта статья, с которой я имел возможность ознакомиться только после того, как были написаны первые три части настоящей работы, посвящена влиянию проходящих звезд на сильно вытянутые орбиты».

Этот небрежный стиль кардинально отличается от принятого в современных научных журналах: сегодня Оорту, несомненно, пришлось бы провести подробное сравнение своей теории с моделью Эпика независимо от количества законченных разделов!

Несмотря на редкость упоминания Эпика в качестве автора идеи наряду с Оортом, в знак признания заслуг обоих исследователей облако Оорта иногда называют облаком Оорта — Эпика.

Комета Галлея остается аномалией для обоих источников комет. У нее слишком короткий период, чтобы она могла добраться до облака Оорта, а ее угол наклона слишком велик для кометы из пояса Койпера. К тому же, хотя период кометы Галлея практически не изменился как минимум с 260 г. до н.э., когда-то он, вероятно, был намного длиннее, но сократился в результате взаимодействий с планетами. Ситуация, когда комета из облака Оорта имеет период, сравнимый с периодами комет из пояса Койпера, является необычной, но не уникальной. К настоящему времени обнаружено чуть менее 100 комет того же типа, что и комета Галлея, тогда как общая численность известных комет превышает 5000.

Резервуары комет — главные кандидаты на роль источников воды на Земле. Формируясь в окрестностях газовых гигантов, кометы обильно покрыты льдом. Во время процессов рассеивания, благодаря которым они оказались там, где находятся сейчас, через Солнечную систему проследовало немало этих небесных тел, и некоторые из них ударялись о сухую поверхность Земли. Но действительно ли они принесли воду в наши океаны?

Ответ заключен в самих кометах. Если миллиарды лет назад именно они стали источником воды, тогда вода, заключенная в их ледяной оболочке, должна походить на воду, которая существует на Земле.

Как это ни странно, не вся вода одинакова. Чаще всего вода отличается по такому параметру, как отношение количества водорода к количеству его более тяжелого собрата дейтерия. И водород, и дейтерий представляют собой простые атомы с одним электроном. Отличаются они только строением центрального ядра: в атоме водорода содержится только один протон, а в атоме дейтерия есть и протон, и нейтрон. Молекула воды состоит из атома кислорода, который может быть связан либо с двумя атомами водорода, либо с одним атомом водорода и одним атомом дейтерия, либо с двумя атомами дейтерия. В последнем случае ее называют тяжелой водой (или полутяжелой, если в молекуле один атом водорода и один атом дейтерия), чтобы указать на вес дополнительного нейтрона. На Земле тяжелая вода встречается в естественной среде, но только в небольших количествах. На один атом дейтерия на нашей планете приходятся приблизительно 6700 атомов водорода. Если то же соотношение наблюдается в кометах, они вполне могут быть источников воды в наших морях.

Самый лучший способ узнать состав воды в кометах — поймать одну из них. Осуществить это удалось в ходе одной из самых амбициозных космических миссий десятилетия — миссии «Розетта».

Космический аппарат «Розетта» был запущен Европейским космическим агентством (ЕКА) в марте 2004 г. У миссии были следующие цели: перехватить комету 67P / Чурюмова — Герасименко, проследовать за этим покрытым льдом каменистым телом на его пути к Солнцу и посадить на его поверхность зонд. К тому моменту уже был накоплен опыт приближения к кометам, но никто до того не ставил цель облететь ядро кометы, и уж тем более посадить на нее космический аппарат.

На самом деле сначала целью была не комета 67P /Чурюмова — Герасименко, планировалось, что «Розетта» отправится к комете 46P/Виртанена. Однако из-за неудачного запуска в конце 2002 г. двух ракет-носителей «Ариан-5» миссию пришлось отложить на год. Во время этой паузы комета 46P/Виртанена оказалась вне зоны досягаемости, и в мае 2003 г. была выбрана новая цель — комета 67P / Чурюмова — Герасименко.

Вторую часть своего имени комета 67P / Чурюмова — Герасименко получила в честь открывших ее советских астрономов Клима Ивановича Чурюмова и Светланы Ивановны Герасименко. Открытие было сделано 20 сентября 1969 г. по чистой случайности, когда Чурюмов рассматривал сделанную Герасименко фотографию кометы 32P / Комас Сола. Приглядевшись внимательнее, Чурюмов понял, что в объектив попал еще один объект— неизвестная комета.

Чтобы не спотыкаться о труднопроизносимые имена двух астрономов, эту комету часто называют по первой части ее официального имени — «67P». Данный шифр указывает на то, что комета стала 67-й периодической кометой, обнаруженной астрономами. Неудивительно, что на первом месте в списке периодических комет стоит комета с большой историей — комета Галлея, полное официальное название которой — 1P/Галлей.

Затрачивая на полный оборот по орбите около 6,5 лет, комета 67P является короткопериодической кометой, которая, как считается, когда-то была частью пояса Койпера. За последние несколько столетий 67P приблизилась к Солнцу всего лишь на расстояние 4 а.е., оставаясь внутри орбиты Юпитера, где температура недостаточно высока, чтобы в результате испарения ледяного тела у кометы появился хвост. Вот почему этот обломок горных пород не был виден с Земли. В 1840 г. траектория кометы изменилась. В какой-то момент, двигаясь по своим орбитам вокруг Солнца, Юпитер и 67P случайно оказались рядом, и под влиянием гравитационного притяжения газового гиганта комета сместилась, перейдя на другую орбиту. В 1959 г. встреча повторилась, в результате чего ближайшая точка орбиты кометы оказалась на расстоянии, чуть большем расстояния от Земли до Солнца, а именно 1,29 а.е. А еще 10 лет спустя ее обнаружили. Учитывая влияние Юпитера на комету 67P, ее также относят к семейству комет Юпитера — классу объектов, орбиты которых находятся под контролем планеты-гиганта.

Миссия «Розетта» была названа так в честь знаменитого древнеегипетского Розеттского камня. Сейчас он находится в Британском музее в Лондоне. На нем высечен текст указа, изданного от имени 13-летнего египетского царя Птолемея V в 196 г. до н.э. Поводом для указа стало неудавшееся восстание жрецов в городе Ликополисе, отказавшихся платить налоги в казну фараона. Новый указ был призван закрепить царский статус молодого правителя, провозглашая его божеством, которому следовало поклоняться в храмах по всему Египту.

Впрочем, называя проект в честь Розеттского камня, организаторы имели в виду вовсе не сакральный смысл указа, а то, что его текст повторяется на трех разных языках. Текст в верхней части камня написан египетскими иероглифами, то есть тем типом письма, который был предназначен как раз для таких официальных документов. Ниже тот же текст переписан египетским демотическим письмом, использовавшимся в повседневном обиходе, и наконец — на древнегреческом языке, который широко использовался в системе управления. Благодаря этому Розеттский камень стал ключом к сложнейшей головоломке — расшифровке иероглифического письма, представляющего собой смесь знаков, обозначающих звуки, и идеограмм. Как раз эта особенность камня подтолкнула исследователей к тому, чтобы назвать его именем космический аппарат: если Розеттский камень помог проникнуть в тайну иероглифов, аппарат «Розетта» должен был помочь раскрыть секреты комет.

Аппарат «Розетта» нагнал комету 67P между Марсом и Юпитером на расстоянии приблизительно 3 а.е. от Солнца. Ему пришлось проделать сложный путь, включавший три петли вокруг Земли и одну вокруг Марса. В итоге, подгоняемый гравитацией планет, он добрался до нужной точки, находящейся на таком большом удалении. Всего аппарат «Розетта» преодолел 6,4 млрд км, проделав путешествие длиной в десятилетие. Оказавшись далеко от Солнца и испытывая дефицит солнечной энергии, «Розетта» перешла в режим пониженного энергопотребления. Пробудилась она в январе, за несколько месяцев до встречи с кометой, которая должна была состояться осенью 2014 г., дав о себе знать фразой «Привет, мир!» в ленте в «Твиттере». Как это ни удивительно, но, когда «Розетта» покидала Землю, эта социальная сеть еще даже не существовала.

Зонду «Розетта» удалось выполнить большую часть запланированной программы исследований, но воображение множества людей по всему миру взбудоражило вовсе не это, а посадка на поверхность кометы спускаемого аппарата. Роботизированный посадочный модуль размером с холодильник получил название «Филы» в честь египетского острова, на котором был найден обелиск, содержавший дополнительные подсказки для расшифровки иероглифов. Запланированный на 12 ноября 2014 г. спуск на поверхность кометы занял семь часов напряженного нервного ожидания. Модуль держал в напряжении не только команду проекта: рискуя потерпеть фиаско на глазах у всего мира, Европейское космическое агентство вело онлайн-трансляцию приземления, за которой следило 10 млн человек по всей планете. Когда в 16:02 по Гринвичу было получено подтверждение того, что «Филы» коснулся поверхности кометы, ликовал весь мир. К сожалению, модулю не суждено было остаться там надолго.

Из-за несработавших реактивных двигателей и гарпунов, которыми был оснащен «Филы», маленький зонд не смог закрепиться на поверхности кометы. Он отскочил, что было опасно, поскольку модуль мог вырваться из слабого гравитационного поля кометы. Каким-то чудом «Филам» все-таки удалось вернуться на поверхность, но на этот раз он оказался лежащим на боку на затененном участке с неровным рельефом. Из-за тени солнечные батареи не могли обеспечить подзарядку дополнительных аккумуляторов «Фил». В результате, исчерпав за два с половиной дня заряд основной батареи, модуль переключился в режим ожидания.

Поначалу еще была надежда на то, что модуль вернется в активный режим при приближении кометы к Солнцу. Однако, не считая кратковременного спорадического обмена сигналами в июне 2015 г., он не подавал никаких признаков активности. В феврале 2016 г. ЕКА заявило, что «Филы» вряд ли когда-нибудь еще выйдут на связь. Впрочем, даже за столь непродолжительный период активности «Филы» сумели выполнить запланированную научную программу на 80%. Одновременно с этим продолжался сбор данных космическим аппаратом «Розетта», который все это время находился над кометой.

Гравитационное поле кометы в сотни тысяч раз слабее поля Земли, поэтому занять орбиту свободного падения и двигаться по ней вокруг кометы «Розетта» не мог. Вместо этого с помощью своих двигателей он описывал треугольник вокруг ядра, после чего начиналось неуклонное снижение к поверхности кометы. Минимальное расстояние от аппарата до ядра составило приблизительно 10 км.

Когда «Розетта» преодолела отметку 100 км над скалистым ландшафтом, она погрузилась в мутную газовую оболочку, окружающую ядро кометы. Это был первый контакт с водой кометы. И оказалось, что она отличается от земной. Вода кометы 67P в три раза богаче дейтерием воды в океанах Земли.

Задолго до «Розетты», которая стала первым космическим аппаратом, сопровождавшим комету в ее путешествии вокруг Солнца, еще одной миссии ЕКА удалось пролететь мимо кометы Галлея. Произошло это в марте 1986 г., когда зонд «Джотто» взял образцы комы кометы. Впоследствии проведенные им измерения были подкреплены данными 10 наземных наблюдений за различными кометами из пояса Койпера и облака Оорта. Аналогичная земной доля тяжелой воды была зафиксирована лишь однажды.

Данные с «Розетты» послужили материалом для сотен журнальных публикаций, но результаты анализа имеющейся на комете воды были опубликованы одними из первых. В декабрьском номере Scienceза 2014 г. появилась статья, в которой был сделан вывод о том, что по мере удаления от Солнца вода ставится тяжелее. Таким образом, источник наших морей следует искать ближе к Земле.

Ближайшее к нам скопление осколков горных пород — это пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Приблизительно 1–2 млн объектов размером свыше 1 км вращаются по орбитам вокруг Солнца, образуя полосу шириною чуть больше 1 а.е. Когда в июле 1972 г. зонд NASA «Пионер-10» впервые оказался внутри пояса астероидов, были опасения, что космический аппарат может быть уничтожен в результате случайного столкновения с одним из многочисленных осколков. На самом деле, благодаря тому, что пояс занимает огромное пространство, расстояния между астероидами очень велики, в среднем достигая нескольких миллионов километров.

Как и у пояса Койпера, у пояса астероидов есть своя собственная карликовая планета — Церера. Также в нем есть ряд других примечательных объектов, включая астероиды Веста, Паллада и Гигея, каждый размером более 400 км.

В поясе астероидов могла бы сформироваться еще одна планета, но из-за влияния гравитации Юпитера столкновения твердых тел здесь происходили на больших скоростях, что затруднило появление нового мира. Подобно Нептуну, находящемуся на другом краю области газовых гигантов, Юпитер также проявлял большую активность, притягивая и выталкивая каменистые тела. Поэтому астероиды на той стороне пояса, которую занимает Юпитер, более богаты водой: их формирование проходило в непосредственной близости от снеговой линии при участии объектов, которые выталкивал во внутреннюю область Юпитер.

Оказываясь во власти гравитации Юпитера в неудачный момент или сталкиваясь друг с другом, некоторые астероиды сходят со своих орбит и устремляются к Солнцу. В отличие от комет астероиды не содержат такого количества льда, которое необходимо для появления хвоста. Поэтому при попадании в окрестности Земли они получают статус околоземного объекта (ОЗО).

Траектории движения некоторых ОЗО пролегают в непосредственной близости от Земли. С одной стороны, они создают угрозу для нашей планеты, с другой — мы можем извлечь пользу из такого сближения. Например, до них намного легче добраться. Как раз для этого в 2014 и 2016 гг. были запущены две космические станции: японская «Хаябуса-2» и американская «ОСИРИС-Рекс».

«Хаябуса-2» — преемница добравшейся до астероида Итокава станции «Хаябуса», о которой шла речь в первой главе. Итокава — астероид класса S, так называемый каменный астероид. Представители этого класса космических тел, как правило, происходят из внутренней области пояса астероидов. Место формирования определяет особенности их строения. Астероиды класса S — сухие астероиды. Их поверхность несет на себе следы окружающей космической среды: она подвергается бомбардировке частицами солнечного ветра и воздействию солнечной радиации. После таких воздействий Итокава мог служить хорошим источником информации о том, что происходит с астероидами, но едва ли мог пролить свет на природу каменистых тел, сталкивавшихся с Землей на ранних этапах ее эволюции.

По этой причине «Хаябусу-2» запустили к астероиду иного типа. Ее целью стал астероид класса C под названием Рюгу. К этому классу относятся углеродистые астероиды, которые, как считается, претерпели относительно мало изменений с момента образования Солнечной системы 4,56 млрд лет назад. Сейчас Рюгу движется по орбите вокруг Солнца между Землей и Марсом, однако в начале своего пути он, вероятнее всего, был частью основного скопления астероидов класса C на дальней, ледяной стороне пояса астероидов.

Запуск «Хаябусы-2» состоялся в начале декабря 2014 года. Запланированное время приближения станции к Рюгу — 2018 год. Так сказать, на пятки ей наступает другая космическая станция — «ОСИРИС-Рекс» (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer, OSIRIS-REx), запущенная NASA осенью 2016 г. и направляющаяся к другому астероиду класса C под названием Бенну. Задача обеих станций — взять и доставить на Землю образцы. Это означает, что они не только будут передавать информацию об астероидах, но также вернутся на Землю с частицами, собранными с их поверхности. Как показывает опыт «Филы», посадка модуля на астероид, без чего получить образцы невозможно, представляет собой задачу колоссальной сложности. Но игра стоит свеч.

В найденных на Земле метеоритах со следами присутствия воды также содержится множество органических молекул. Таким образом, можно сделать смелое предположение о том, что при «жесткой» посадке на молодую Землю каменистые небесные тела приносили с собой не только воду, но и нечто, из чего могла зародиться сама жизнь. Поэтому образцы с астероидов Рюгу и Бенну помогут не только проверить гипотезу о происхождении земных океанов, но и пролить свет на самые первые шаги жизни на Земле.

Своим названием астероид Рюгу обязан японской народной легенде о рыбаке по имени Урасима Таро, который спас морскую черепаху от мучивших ее детей. По счастливому стечению обстоятельств черепаха оказалась дочерью повелителя морей. В награду за доброту Урасиме было позволено спуститься в подводный дворец Рюгу и провести там три дня с принцессой в человеческом обличье. Однако, вернувшись домой, Урасима обнаружил, что на самом деле он отсутствовал 300 лет. В смятении он открыл подаренную принцессой шкатулку. Из нее вырвалось облако дыма и окутало рыбака. Когда дым рассеялся, Урасима стал ветхим стариком — в шкатулке был его истинный возраст.

«Хаябуса-2» и «ОСИРИС-Рекс» вернутся на Землю в 2020 и 2023 гг. соответственно. Исследователи надеются, что, подобно шкатулке из Рюгу, в которой заключалась жизнь Урасимы, собранные образцы помогут нам разгадать секрет зарождения жизни на Земле.

Глава 5. Планета, которой не может быть

Открытие 51 Пегаса b имело не самые приятные последствия для теорий образования планет.

Когда в 1995 г. она была провозглашена первой известной нам планетой, обращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, это не только положило начало новой эре открытий, но и нанесло удар по тогдашним планетологическим представлениям.

По правде говоря, 51 Пегаса b не была первой экзопланетой, открытой астрономами. Примерно за пять лет до ее обнаружения была найдена планета, обращающаяся вокруг останков мертвой звезды, называемой пульсаром. Но пульсар — это все-таки далеко не Солнце, так что доводов в пользу того, что такая планетная система не может походить на нашу, было хоть отбавляй. В случае с 51 Пегаса b найти аргументы против сопоставления было уже труднее: эта планета обращалась вокруг звезды, похожей на Солнце, но при этом совершенно не там, где следовало.

51 Пегаса b — газовый гигант. Ее масса как минимум вполовину меньше массы Юпитера, то есть она в 150 раз тяжелее Земли. При этом она располагается настолько близко к своей звезде, что год на 51 Пегаса b пролетает с головокружительной быстротой — за 4,2 земных суток. Для сравнения: даже Меркурию, ближайшей к Солнцу планете, требуется 88 дней, чтобы совершить полный оборот вокруг нашего светила, а период обращения Юпитера и вовсе составляет 12 полных земных лет.

Столь значительные отличия от Солнечной системы не согласуются с обеими основными теориями образования газовых гигантов, ведь согласно им формирование такой планеты должно проходить на большом расстоянии от звезды.

Чтобы набрать достаточную массу для захвата характерной для газового гиганта колоссальной атмосферы, планета должна формироваться за снеговой линией, где она будет увеличиваться в объеме за счет замерзших льдов. При этом она должна располагаться настолько далеко от звезды, чтобы во власти ее гравитации была достаточно большая область, обеспечивающая доступ к большому количеству планетезималей (в терминах главы 2, ее сфера Хилла должна быть большой). При формировании в результате неустойчивости диска планета должна располагаться еще дальше — за снеговой линией. Но 51 Пегаса b находилась так близко к своему светилу, что не просто не могла стать газовым гигантов. Более того, в условиях высоких температур, неизбежных при таком расположении, образование массивного твердого тела невозможно в принципе.

Еще более усугубило ситуацию то, что, как оказалось, 51 Пегаса b не была единичной аномалией. По мере того как число выявленных экзопланет росло, среди них обнаруживались все новые газовые гиганты, прижавшиеся к своим звездам.

Справедливости ради отметим, что практиковавшиеся методы наблюдения были нацелены скорее на обнаружение как раз таких горячих юпитеров, чем планет, похожих на Землю. В силу своей массивности и близости к звезде эти огромные миры вызывают максимальные колебания ее лучевой скорости. При коротком периоде обращения они напоминают о своем существовании каждые несколько дней. То есть горячие юпитеры стали легкой добычей для охотников за экзопланетами. Однако признание этого факта не означает, что они не существуют. Позже было подсчитано, что приблизительно 1% звезд соседствуют с собственным горячим юпитером. Теория образования планет без них невозможна.

Логически объяснить их существование можно было только одним способом: если такая планета не могла сформироваться там, где она находилась, она должна была появиться на свет в другом месте, дальше от звезды, а затем переместиться в текущее местоположение.

Предположение о том, что орбиты планет могут изменяться, не было новым. Такая гипотеза выдвигалась еще в 1980-е годы. Впрочем, ее сразу отвергли: если причины, по которым планета может начать смещаться, еще были понятны, то объяснить, что может заставить ее остановиться, было невозможно.

Планетная миграция происходит, когда гравитация растущей планеты начинает все сильнее притягивать окружающий газ из протопланетного диска. Газ сопротивляется. При этом газ внутри орбиты, вращающийся быстрее, тянет планету вперед, а газ с внешней стороны орбиты, находящийся дальше в диске и вращающийся медленнее, влечет ее назад, тормозя движение. Поскольку планета не испытывает воздействие давления газа, газ в непосредственной близости от ее поверхности также становится фактором замедления. В результате тяга в обратном направлении оказывается сильнее, планета теряет энергию и перемещается ближе к звезде.

Мы упоминали это движение в главе 4, когда рассматривали процесс формирования газовых гигантов. Прочесывание протопланетного диска обеспечивает быстрый рост за счет слипания с планетезималями. Но, к сожалению, для планеты все может закончиться весьма печально.

Расчеты скорости миграции планеты к центру системы приводят к неутешительному выводу: уже через 100 000 лет зародыш газового гиганта, начавший миграцию оттуда, где сейчас находится Юпитер, ждет гибель при столкновении со звездой. Это намного меньше, чем время, которое требуется, чтобы диск рассеялся, и планета перестала замедляться из-за сопротивления газа. Как только планета достигает размеров Марса, ее гравитации уже достаточно для начала миграции, что ставит под сомнение саму возможность формирования планет.

Это уже второй раз, когда из-за сопротивления газа будущие новые миры на конвейере фабрики планет почти брошены в пекло звезды. В первый раз жертвами были некрупные планетезимали, имеющие дело с сопротивлением движущегося с меньшей скоростью газа. Когда планетезимали вырастают в зародыши планет, это сопротивление перестает влиять на их более массивные тела. Но по мере дальнейшего увеличения массы и превращения небесного тела в маленькую планету, его гравитация начинает притягивать газ, и вновь возникают пугающе мощные силы торможения.

Поначалу идея миграции планет была отвергнута, поскольку противоречила очевидному факту существования нашей Солнечной системы. Но с открытием горячих юпитеров у нее появился второй шанс. Однако могла ли планета, начав мигрировать, остановиться и не быть поглощенной звездой?

Если сопротивление газа приводит к изменению орбиты планеты, то притяжение планеты делает то же самое с газом. Газ, движущийся с меньшей скоростью, получает ускорение и выталкивается вовне, тогда как газ, движущийся с большой скоростью, замедляется и направляется по спирали вниз. В итоге газ покидает пространство вокруг планеты. При небольшом размере планеты место перемещенного материала занимает свежий газ, однако в какой-то момент гравитация планеты становится такой сильной, что она выталкивает весь газ, создавая разрыв в протопланетном диске.

Как было показано в главе 3, этот процесс довершает формирование газового гиганта: молодая планета стремительно растет, мигрируя во все новые скопления планетезималей. Когда масса достигает значения, достаточного для возникновения разрыва в диске под действием гравитации, планета оказывается в среде с малой плотностью, и рост атмосферы прекращается.

С вытеснением газа из пространства вокруг планет создаваемое им сопротивление может полностью исчезнуть. Однако дисковый газ также не остается на месте, смещаясь к центру в процессе аккреции на звезду. В результате разрыв заполняется извне новой порцией газа, который продолжает тянуть планету назад, пока не оказывается вновь вытолкнутым наружу. Таким образом, на планету по-прежнему воздействует сила, которая тянет ее к центру, но уже намного слабее. При достаточном замедлении планета может просуществовать до того момента, когда газовый диск рассеется и перестанет воздействовать на нее.

Движение планеты до образования разрыва называют миграцией первого рода, которая переходит в миграцию второго рода, после того как планета пробивает брешь в диске. Однако из-за большой скорости миграции первого рода планеты рискуют не дожить до перехода в спокойный режим движения при миграции второго рода.

Вопрос о механизме остановки миграции первого рода остается открытым. Согласно одной гипотезе, движущаяся по спирали вниз планета превращается в бульдозер, который аккумулирует газ внутри своей орбиты. В результате увеличивается объем быстрого внутреннего газа, который тянет планету вперед, помогая ей преодолеть сопротивление газа, движущегося с меньшей скоростью. Внезапные толчки и изменения в газе, такие, например, как на снеговой линии, также могут влиять на величину силы, с которой газ тянет планету в разных направлениях, выступая в роли своего рода планетных «ловушек» и останавливая миграцию. То есть все, что может повлиять на поток газа в области диска, может также повлиять на скорость миграции первого рода.

Если горячие юпитеры оказались там, где они находятся сейчас, в результате миграции, то, значит, потенциально она может быть фактором процесса формировании планет. Правда, в этом случае этот процесс превращается в рискованную игру с непонятным исходом. Учитывая близость наблюдаемых нами горячих юпитеров к звезде и допуская, что их движение по спирали вниз прекратилось в результате рассеивания газового диска, мы должны признать, что этим планетам просто очень повезло. Или они остановились на внутренней границе диска, пересекая которую любой материал улетучивается или срастается со звездой в результате аккреции.

Гипотеза миграции объясняет формирование горячих юпитеров, однако противоречит тому, что мы знаем о Солнечной системе.

Проблемный Марс

Если нынешнее положение горячих юпитеров объясняется их миграцией, перед нами встает очевидный вопрос: почему та же судьба не постигла планеты Солнечной системы?

Возможность перемещения планет земной группы в результате миграции вызывает споры. Формирование Земли и ее соседей проходило медленнее, а значит, их масса могла оставаться ниже значения, необходимого для начала миграции, вплоть до момента испарения газа. Согласно еще одному сценарию, наши каменистые миры могла удерживать на их местах одна из упомянутых выше планетных ловушек.

С газовыми гигантами дело обстоит сложнее. Аккумулировать такую атмосферу, как у них, можно только при высоком темпе формирования планеты. Поэтому в их случае могли происходить миграции обоих типов. Даже если бы миграция первого рода замедлилась или остановилась, из-за колоссальной массы мог образоваться газовый разрыв, обеспечивающий начало миграции второго рода, то есть планета продолжила бы смещаться к Солнцу.

Также есть основания полагать, что орбитальное движение все-таки принимало участие в процессе формирования наших планет, по крайней мере в небольшом объеме. Например, газовые гиганты могут быстрее набрать массу за счет миграции в диске. Там, где находятся сейчас Уран, Нептун и пояс Койпера, могло просто не быть достаточного количества материала для образования этих объектов — они могли переместиться туда из более насыщенной веществом области. Но если миграция действительно происходила, тогда что заставило Юпитер остановиться, что не дало ему пронестись по внутренней части Солнечной системы, разрушая все на своем пути, включая Землю?

Не исключено, что события развивались именно по этому сценарию. Ключом к пониманию устрашающего прошлого является Марс. Эту планету назвали в честь древнеримского бога войны, но на самом деле она маленькая и субтильная. Она настолько крохотная, что ее размер стал камнем преткновения для теорий образования планет.

Чем дальше мы удаляемся от Солнца в пределах внутренней области Солнечной системы, переходя от Меркурия к Венере, Земле и Марсу, тем слабее притяжение солнечной гравитации. Благодаря этому область влияния собственной гравитации планеты (ее сфера Хилла) расширяется, что позволяет ей в процессе формирования захватывать каменистые небесные тела с более обширного участка. Увеличение зоны питания должно неизменно приводить к увеличению размера планеты. Поэтому мы должны наблюдать увеличение масс планет, пока не доберемся до Юпитера, чудовищная гравитация которого начинает мешать процессу формирования планет, способствуя образованию пояса астероидов.

Эта логика работает, пока мы не миновали Землю. По идее, Марс должен быть сильно увеличенной версией нашей родной планеты, но на деле его масса в десять раз меньше. Даже если допустить, что при приближении к снеговой линии плотность протопланетного диска постепенно снижается, масса Марса должна составлять от половины до полной массы Земли. Более того, пояс астероидов также должен быть массивнее. Он должен быть наполнен зародышами планет размером с Марс. Однако самый крупный объект в нем — это Церера, которая приблизительно в 100 раз легче Марса.

Чтобы разрешить этот парадокс, достаточно предположить, что за пределами нынешней орбиты Земли концентрация планетезималей была значительно ниже. В отсутствие планетообразующего вещества Марсу и поясу астероидов пришлось довольствоваться их скромными размерами. Но что должно было произойти, чтобы запасы каменистых тел в окрестностях Марса так истощились?

Когда нужно отыскать недостающую массу, подозрение сразу падает на самую крупную и массивную планету в Солнечной системе — Юпитер. Мог ли Юпитер за свою бурную историю сначала отправиться во внутреннюю область Солнечной системы, собирая или рассеивая планетезимали, а затем мигрировать назад, туда, где он находится сейчас?

Эта идея получила воплощение в модели смены галса. Своим названием она обязана маневру, выполняемому парусником, чтобы изменить направление его движения на противоположное. Отправная точка этой модели — формирование Юпитера в протопланетном диске. С увеличением гравитации Юпитера, растущего и все сильнее притягивающего окружающий газ, начинается миграция молодой планеты к Солнцу. Изменение орбиты позволяет растущей планете быстро собирать большое количество планетезималей. Наконец ее масса достигает значения, при котором возникает разрыв в газе. Скорость перемещения Юпитера снижается. Начинается миграция второго рода. Но при этом орбита планеты продолжает сужаться. Часть встречающихся ему на пути планетезималей Юпитер увлекает за собой, заставляя их двигаться по спирали вниз. Другую часть он рассеивает в обратном направлении. В конце подобного сценария планета могла бы стать горячим юпитером. Но тут появляется Сатурн.

Находясь ближе к внешнему краю протопланетного диска, Сатурн формировался медленнее старшего брата. Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы, при этом его масса не превышает трети массы Юпитера. Из-за меньшего веса разрыв в газе вокруг Сатурна был неполным, поэтому скорость миграции была высокой, и Сатурн быстро догнал движущийся по спирали вниз Юпитер.

С сокращением расстояния между планетами уменьшалась и разница между периодами их обращения. В итоге Сатурн занял орбиту, на которой он совершает ровно два оборота вокруг Солнца за то же самое время, за которое Юпитер совершает три оборота. Это соотношение называют орбитальным резонансом. В данном случае он составил 2:3 и разорвать его очень трудно.

Чтобы понять, что делает резонанс настолько стабильным, давайте возьмем в качестве примера две планеты с орбитальным резонансом 1:2. Эти две планеты — Сатурн и Юпитер: первый успевает облететь Солнце дважды, пока второй совершает один полный оборот. При движении по первой половине орбиты Сатурн находится позади Юпитера, и гравитация более крупной планеты тянет его вперед. Во второй половине орбиты Сатурн оказывается впереди Юпитера, и тот его тянет назад. Таким образом, силы уравновешивают друг друга, и планеты продолжают лететь вокруг Солнца по своим орбитам. Но стоит двум планетам чуть приблизиться друг к другу, как баланс тут же нарушается. Тогда на Сатурн начинает действовать сила, которая тянет его наружу, заставляя планету ускоряться. В итоге Сатурн снова возвращается на резонансную орбиту. Между планетами с другими орбитальными резонансами (например, 2:3 или 1:4) поддерживается точно такой же баланс.

В силу своей стабильности резонансные орбиты не редкость в планетных системах. Например, пока Плутон совершает один оборот вокруг Солнца, Нептун облетает звезду три раза. Спутники Ганимед, Европа и Ио обращаются вокруг Юпитера в резонансе 1:2:4.

Когда Юпитер и Сатурн достигают резонанса 2:3, в результате сближения разрыв вокруг Юпитера и частичный разрыв вокруг Сатурна пересекаются. Юпитер перестает подвергаться воздействию газа с внешней стороны орбиты, и его продолжает тянуть только газ внутри орбиты, который движется с большей скоростью. Что касается Сатурна, он вынужден преодолевать сопротивление газа с внешней стороны орбиты. В результате Сатурн стремится мигрировать по спирали вниз, а Юпитер — вверх. Учитывая, что они движутся по резонансным орбитам, при попытке проследовать мимо друг друга планеты отталкиваются. В этом противостоянии побеждает сильнейший, то есть Юпитер с его более мощной гравитацией. Обе планеты мигрируют к краю Солнечной системы, поглощая на своем пути планетезимали в диске как раз там, где позже будет формироваться Марс.

По возвращении во внешнюю часть Солнечной системы пара планет рассеивает планетезимали, занявшие их прежние места. Выталкиваемые ими каменистые небесные тела покрыты толстым слоем льда, так как их формирование проходило в этой области, за снеговой линией. Они разлетаются во всех направлениях. При этом некоторая их часть заканчивает свой путь в поясе астероидов, превращаясь в богатые водой астероиды класса C. Другие следуют дальше и, возможно, сталкиваются с только что сформировавшейся Землей, обеспечивая водой ее океаны.

Маневр Юпитера и Сатурна также остановил смещение Урана и Нептуна по направлению к Солнцу. После формирования и начала миграции газовые гиганты меньшего размера также рискуют оказаться в ловушке резонансных орбит. Из-за этого планетам очень трудно проскальзывать мимо своих более крупных собратьев и продолжать движение к Солнцу.

Модель смены галса была предложена астрономами Кевином Уолшем и Алессандро Морбиделли в 2011 в г. в статье в журнале Nature. Убедившись в том, что модель смены галса успешно отображает и маленький размер Марса, и астероиды, Морбиделли зашел в кабинет Уолша и признался, что накануне вечером он погрозил пальцем планете-гиганту и сказал: «Юпитер! Я знаю, что ты натворил!»

Когда Юпитер и Сатурн приблизились к своим нынешним орбитам, протопланетный диск рассеялся. Наконец наступил момент, когда сопротивление газа движению планет прекратилось. Но картина образования Солнечной системы не будет полной без еще одной рокировки.

Мы до сих пор не уверены в том, что именно спровоцировало этот беспорядок. Существует две основные гипотезы: модель Ниццы (само название отсылает к голливудским блокбастерам) и модель Ниццы II. Согласно обоим сценариям, причиной хаоса стали отходы фабрики планет.

Сразу за газовыми гигантами начинается море сохранившихся планетезималей. Эти остатки проследовали по краям планетных орбит, сумев избежать как поглощения, так и изгнания из Солнечной системы. В модели Ниццы с исчезновением сопротивления газа притяжение, создаваемое гравитацией планет-гигантов, считается доминирующей силой, вызвавшей проникновение каменистых небесных тел внутрь их орбит.

Под воздействием мощной гравитации газовых гигантов близлежащие планетезимали быстро набирали скорость. Огромная планета не могла их захватить — они двигались слишком быстро и в результате оказывались выброшенными далеко за пределы данной области. Подобно стрелку, ощущающему отдачу при стрельбе из огнестрельного оружия, при выталкивании планетезимали планета получала толчок в обратном направлении. Каждый такой толчок отдачи не оказывал особого влияния на газового гиганта, но с учетом количества рассеиваемых планетезималей это могло в итоге привести даже к изменению орбиты планеты. Такой новый вид движения называют миграцией, обусловленной планетезималями.

Учитывая трудности, которые возникают при попытке объяснить формирование Урана и Нептуна на их нынешних орбитах, высказывается предположение, что в момент рассеивания протопланетного диска эти две планеты были намного ближе друг к другу. И если Юпитер мог оставаться на расстоянии 5 а.е., то Нептун должен был находиться не в 30, а 15 а.е. от Солнца. В промежутке между этими двумя планетами должны были располагаться Сатурн и Уран. В процессе рассеивания планетезималей тесный союз планет должен был распасться, то есть расстояния между ними должны были увеличиться.

В результате расхождения орбит Юпитер и Сатурн вошли во второй орбитальный резонанс. Однако на этот раз планеты не были сцеплены резонансом. Если при сближении планеты могут заставить друг друга поддерживать резонансные орбиты, то остановить друг друга при расхождении они не в состоянии. При прохождении резонанса Юпитер и Сатурн испытали гравитационный толчок, который изменил орбиты планет, сделав их более эллиптичными.

Двигаясь по измененным орбитам, две самые большие планеты переместились ближе к Урану и Нептуну, и две меньшие планеты оказались вытолкнуты вовне и вклинились в скопление планетезималей на краю системы. Результатом стало массовое рассеивание каменистых тел, которые разлетелись по всей Солнечной системе. Одни были вытеснены на окраину, образовав пояс Койпера; другие бомбардировали внутренние планеты; третьи совсем покинули область планет, найдя пристанище в облаке Оорта.

Модель Ниццы получила название в честь города, в котором была сформулирована эта идея. В модели Ниццы II аналогичный сценарий был предложен для области между остатками планетезималей на краю системы и газовыми гигантами. Согласно этой версии, планетезималям не нужно было проникать внутрь и рассеиваться. Гравитационного притяжения поля каменистых обломков было достаточно, чтобы нарушить резонансы между газовыми гигантами и спровоцировать хаос. При кажущейся умозрительности этих моделей, доказательства масштабного рассеивания небесных тел можно найти на поверхности Луны. Обследование лунных кратеров говорит о резком всплеске метеоритной активности 700 млн лет назад.

После рассеивания планетезималей планеты-гиганты наконец заняли постоянные орбиты. Уран и Нептун расположились там, где они находятся сейчас, — на большем удалении, в окружении моря планетезималей, вытолкнутых движением Нептуна и образовавших пояс Койпера.

Планета с плотностью полистирола

Миграция является теми рельсами, по которым планеты размером с Юпитер быстро и легко скатываются к своим звездам. Казалось бы, с включением миграции в модель формирования Солнечной системы проблему происхождения этого необычного класса планет можно было считать решенной. Однако с открытием новых планет была выделена популяция горячих юпитеров, которая не совсем укладывалась в картину миграции с участием газа.

На первый взгляд, планета WASP-17 b казалась типичным горячим юпитером. Названа она так была потому, что стала 17-й планетой, открытой методом транзитов при наблюдении с поверхности Земли[7] в рамках проекта «Широкоугольный поиск планет» (Wide Angle Search for Planets, WASP).

Планета была обнаружена на орбите вокруг звезды в созвездии Скорпион на расстоянии 1300 световых лет от Земли. Короткий период обращения, составляющий всего лишь 3,7 дня, и радиус, равный 1,5–2 радиусам Юпитера, четко указывали на то, что это был еще один горячий газовый мир. Но при более тщательном изучении у WASP-17 b обнаружились две удивительные особенности: во-первых, планета оказалась ужасно раздутой. Хотя по размеру она относится к классу супер-юпитеров, ее масса составляет лишь 1,6 массы Сатурна. При маленькой массе и огромном размере средняя плотность планеты составляет 6% — 14% плотности Юпитера и всего несколько процентов плотности Земли. Значение было настолько низким, что британский астрофизик Коэл Хеллиер назвал WASP-17 b «имеющей плотность пенополистирола».

Вторым неожиданным открытием стало то, что WASP-17 b движется в обратном направлении. Планеты Солнечной системы обращаются по орбитам вокруг светила в том же направлении, в каком вращается наша звезда. Такие орбиты называют прямыми. Это не удивительно, поскольку Солнце, протопланетный диск и планеты формировались из одного ядра, состоящего из вращающегося газа.

Когда все вращается в одном направлении, орбита планеты при миграции не должна меняться на обратную. Как щепки, попавшие в водоворот, горячий юпитер, втянутый во внутреннюю часть планетной системы, должен обращаться по орбите в том же направлении, но намного ближе к звезде. Обращение WASP-17 b в противоположном направлении противоречило идее миграции с участием газа. Движение WASP-17 b называют обратным, или ретроградным. Для планет Солнечной системы такое своеволие нехарактерно, а вот кометы ведут себя несколько иначе. Например, комета Галлея, орбита которой была повернута в обратную сторону в результате мощного толчка со стороны планеты, движется вокруг Солнца в противоположном направлении. Возможно, обратное движение WASP-17 b также объясняется толчком. Поиски других планет, которые бы обращались вокруг той же звезды, пока не увенчались успехом, однако не исключено, что у нее есть невидимый дальний собрат. Согласно еще одной гипотезе, этим собратом может быть звезда.

Приблизительно 30% — 50% звезд в нашей Галактике — двойные, то есть представляют собой две (а в некоторых случаях и более двух) звезды, обращающиеся одна вокруг другой. Степень влияния гравитационного притяжения звездного собрата на формирование планет в значительной мере зависит от расстояния. У WASP-17 нет очевидного звездного компаньона, но не исключено, что в какой-то момент близлежащая к ней звезда могла вмешаться в жизнь планеты.

Механизм вмешательства звезд в жизнь планетных систем других звезд независимо друг от друга описали советский ученый Михаил Лидов в 1961 г. и японский астроном Ёсихидэ Козаи в 1962 г. В то время о странных особенностях орбит экзопланет еще не было известно — Лидов занимался изучением орбит естественных и искусственных спутников, а Козаи интересовали астероиды.

Оба ученых занимались изучением систем с двумя движущимися по орбитам крупными небесными телами, вокруг одного из которых вращается спутник значительно меньшего размера. В исследовании Лидова это были Земля, Луна и космический зонд на орбите Земли. В работе Козаи крупными телами были Юпитер и Солнце, меньшим — астероид. Астрономы обнаружили, что орбита спутника (космического зонда или астероида) может быть возмущена вторым крупным телом (Луной или Юпитером). Точнее говоря, маленький спутник может уменьшить наклонение (высоту) над орбитой двух крупных тел в обмен на увеличение эксцентриситета своей орбиты. Это приводит к поочередной смене значений высоты и эксцентриситета орбиты спутника, при которой он переходит с орбиты с большим углом наклонения на сильно вытянутую эллиптическую орбиту и обратно (механизм Козаи — Лидова).

В случае WASP-17 b в роли двух крупных тел механизма Козаи — Лидова выступают звезда, вокруг которой обращается планета, и вторая звезда или даже более массивная планета. Являясь самым маленьким объектом системы, такой компаньон мог влиять на орбиту WASP-17 b.

Подобный сценарий допускает, что WASP-17 b сформировалась на аккуратной, почти круговой орбите за снеговой линией. Постепенно под воздействием гравитации второй звезды высота и эксцентриситет орбиты планеты начали меняться. В определенный момент высота достигла крайнего значения, в котором планета «опрокинулась», начав обращаться в обратную сторону — по ретроградной орбите.

С увеличением эллиптичности орбиты планета движется по новой изогнутой траектории, которая приводит ее ближе к звезде. Гравитационное притяжение звезды увеличивается на отрезке орбиты, когда планета находится вблизи звезды, и уменьшается по мере ее удаления. Периодические изменения воздействия гравитации звезды заставляют планету деформироваться подобно резиновому мячику. Возникает эффект приливного разогрева: вследствие перехода энергии деформации в тепло атмосфера WASP-17 b раздувается настолько, что становится больше атмосферы Юпитера. С переходом энергии орбитального движения планеты в тепло она начинает снижаться по спирали к звезде[8]. Это компенсирует действие механизма Козаи — Лидова, и в конечном итоге планета занимает близкую к звезде круговую орбиту, становясь горячим юпитером.

Механизм Козаи — Лидова дает нам второе объяснение процесса формирования горячего юпитера. Но что обычно вызывает миграцию планеты-гиганта — сопротивление газа, притяжение дальней звезды (или более крупной планеты) или планет-планетное рассеяние?

На самом деле все эти факторы могут иметь место. В случае с горячими юпитерами, движущимися по прямым орбитам, в отсутствие очевидного компаньона в виде звезды или массивной планеты вероятен сценарий миграции к центру в результате взаимодействия с газом. В отношении ретроградных планет и планет, обращающихся вокруг двойных звезд, может сработать механизма Козаи — Лидова. Остальные горячие юпитеры выталкиваются к центру в результате взаимодействия с другой планетой, которая либо притаилась где-то далеко, либо, выталкивая соседку к звезде, сама была выброшена за пределы планетной системы.

Эти три возможных сценария указывают на то, что, несмотря на необычность горячих юпитеров, существует несколько вариантов объяснения процесса их формирования.

Продолжающиеся поиски новых планет вокруг звезд за пределами Солнечной системы привели к обнаружению еще одного класса объектов, находящихся в непосредственной близи от своих звезд. Эти новые миры были меньше горячих юпитеров и не походили ни на одну из виденных нами ранее планет.

Глава 6. Мы — отклонение от нормы

Когда двадцать лет назад позиции теорий образования планет пошатнулись в результате открытия 51 Пегаса b, астрономы пришли к одному важному выводу: мы представляем собой отклонение от нормы.

К настоящему моменту вокруг звезд за пределами Солнечной системы обнаружено более 2000 планет. Наблюдения показали, что приблизительно 1% звезд соседствуют с горячим юпитером. Таким образом, несмотря на относительную многочисленность, эти необычно расположенные газовые гиганты все-таки достаточно редки. При этом, если взять обычные звезды, похожие на наше Солнце, окажется, что примерно вокруг половины из них обращаются планеты, аналогов которым в Солнечной системе просто нет.

Их назвали суперземлями. Они больше Земли, но меньше Нептуна — размер варьируется в диапазоне от 1,25 до 4 радиусов Земли. Большинство обнаруженных суперземель совершали полный оборот вокруг своей звезды менее чем за 100 дней. При этом многие из них двигались по орбитам, которые были ближе к звезде, чем даже орбиты горячих юпитеров. Чаще всего орбита горячей суперземли находилась на расстоянии 0,05 а.е., то есть составляла всего лишь 5% от расстояния между Солнцем и Землей и 13% от расстояния от Солнца до Меркурия.

Что же это за миры, которые больше нашей самой крупной твердотельной планеты и меньше наименее массивной газовой? Что именно мы открыли — мегаземли с твердой поверхностью и тонкой атмосферой или мининептуны с маленьким твердым ядром, заключенным в гигантскую газовую оболочку? Как они оказались так близко к своей звезде и почему в Солнечной системе нет планеты такого размера? Есть ли какая-нибудь связь между ответами на эти вопросы и ответом на вопрос об условиях возникновения жизни во Вселенной?

Поскольку аналоги суперземли в Солнечной системе отсутствуют, астрономам пришлось объяснять происхождение самого массового, согласно накопленных данным, класса планет, не имея возможности сравнить его с чем-то, что было им уже знакомо.

В конце 2011 г. специалисты агентства NASA определили, что, проведя 34 года в странствиях по космосу, зонд «Вояджер-1» наконец достиг границы Солнечной системы. В течение следующих нескольких лет, вызывая все большее удивление у широкой публики, агентство несколько раз объявляло о точной дате выхода зонда за пределы Солнечной системы, давая повод для громких заголовков, например таких: «Человечество выходит за пределы Солнечной системы — но это не точно» — в журнале TIME —и «“Вояджер” покинул Солнечную систему (на этот раз по-настоящему!)» — в новостях американского радио NPR. Проблема заключалась в том, что установить, где именно проходит граница Солнечной системы, практически невозможно, ведь единственным источником наших знаний в этой области являются теоретические модели.

Несмотря на эти трудности, благодаря путешествию «Вояджера-1» один факт удалось установить совершенно точно: если с момента запуска в 1977 г. зонду потребовалось столько времени, чтобы добраться до границы нашей планетной системы, вряд ли в обозримом будущем мы сможем посетить какую-либо экзопланету.

Ближайшая к нам звезда (помимо Солнца) — Проксима в созвездии Центавр. Это тусклая звезда, которая находится на расстоянии 4,24 светового года от Земли. Полагают, что рядом с ней есть планета с массой, как минимум на 30% превышающей массу Земли. Таким образом, эта планета является ближайшим к нам кандидатом в экзопланеты. Но в любом случае расстояние до Проксимы Центавра почти в 2000 больше того, которое «Вояджер-1» уже преодолел к настоящему времени. При текущей скорости космического зонда, составляющей 60 000 км/ч, ему понадобится более 75 000 лет, чтобы достичь ближайшей к нам возможной планетной системы. С учетом огромных расстояний отправка зонда для изучения загадочных свойств суперземель — предприятие, заранее обреченное на провал. Будь у нас возможность измерить хотя бы плотность планеты, это уже позволило бы нам сказать, является ли она твердотельным миром земного типа или газовым нептуном.

Внутренние планеты вроде Земли состоят преимущественно из силикатов и железа: они рождаются слишком близко к звезде, чтобы на них мог образоваться лед. Из-за тяжелых материалов эти миры характеризуются высокой плотностью: плотность Меркурия, Венеры, Земли и Марса составляет 3,9–5,5 г/см^3. При аналогичном составе планета с большей массой должна обладать более высокой плотностью, так как под действием гравитации твердые породы сожмутся еще больше. Моделирование внутреннего строения планет показывает, что каменистая суперземля с массой в 5 раз больше массы нашей планеты должна иметь плотность около 7,8 г/см^3.

С другой стороны, большая часть объема Нептуна приходится на его громадную атмосферу. В ее составе преобладают водород и гелий — два самых легких элемента во Вселенной. Из-за этого плотность Нептуна не превышает 1,6 г/см^3. Газовый вариант суперземли — это мининептун с толстой атмосферой, окружающей ядро из твердых пород или льда. Плотность газовой планеты массой в 5 масс Земли может быть равна примерно 3–4 г/см^3, то есть намного меньше, чем у каменистой суперземли, но выше, чем у Нептуна, так как в силу меньшей массы такая планета накапливает меньше легкого газа.

Чтобы вычислить среднюю плотность планет, ее массу делят на объем заполняемого ею пространства. Поскольку по форме планеты близки к сфере, все сводится к двум значениям — массе планеты и ее радиусу. К сожалению, проблема состоит не только в том, что оба эти значения очень непросто получить, но и в том, что зафиксированные значения будут иметь большую погрешность. При определении типа планеты, балансирующей на грани между массивным миром земного типа и маленьким газовым гигантом, из-за этой погрешности мы будет так же бессильны, как и врач при определении пола плода, который лежит в утробе, скрестив ножки.

В качестве примера такой планеты можно привести суперземлю, обращающуюся вокруг звезды Кеплер-93. Как следует из названия звезды, наблюдение за ней велось с помощью космического телескопа «Кеплер». Цель наблюдения — поиск планет, проходящих по диску звезды. Кеплер-93 была самой яркой звездой из наблюдавшихся в телескоп, и уже очень скоро — в 2011 г. — было объявлено об обнаружении планеты, обращающейся вокруг нее по близкой орбите. При этом размер планеты был оценен удивительно точно. Период обращения планеты Кеплер-93 b составлял 4,7 дней, радиус — 1,478 радиуса Земли с погрешностью всего лишь 0,019 радиуса Земли, то есть 119 км. Таким образом, точное значение радиуса планеты Кеплер-93 b укладывалось в узкий диапазон от 1,459 до 1,497 радиуса Земли, и по этому показателю она однозначно могла быть отнесена к суперземлям.

После проведения точных измерений радиуса была предпринята попытка определить массу планеты. На звезду Кеплер-93 были направлены телескопы «Кек» на вершине спящего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях, которые должны были зафиксировать колебания лучевой скорости. Исследователям удалось наблюдать покачивания звезды, но ее движение трудно поддавалось точному измерению. Согласно первоначальной оценке, Кеплер-93 b была в 2,6 раза тяжелее Земли. Но из-за огромной погрешности ее масса вполне могла быть равна и 4,6 массы Земли. Дальнейшие измерения помогли установить более точные рамки для определения характера движения звезды. В результате было получено новое значение массы Кеплер-93 b: 3,8 массы Земли с погрешностью плюс-минус 1,5 массы Земли. Это было уже лучше, но при массе в диапазоне 2,3–5,3 земных массы планету с радиусом 1,478 Земли можно было отнести сразу к нескольким типам. Исходя из полученного диапазона значений средней плотности 4–9 г/см^3Кеплер-93 b могла быть чем угодно — хоть газовым миром, хоть землеподобной планетой с твердой поверхностью. Поэтому, несмотря на большой объем наблюдений, тип планеты Кеплер-93 b оставался загадкой.

Разгадать ее удалось спустя четыре года после публикации результатов измерения радиуса Кеплер-93 b. Дополнительная серия наблюдений за лучевой скоростью с использованием телескопа «Галилей» на Канарских островах позволила наконец-то сузить диапазон возможных значений массы планеты до 4,02 массы Земли с погрешностью всего лишь 0,68 массы Земли. Из этого следовало, что ее средняя плотность должна составлять около 6,88 г/см^3, то есть Кеплер-93 b — гигантская каменная планета. Значило ли это, что все суперземли на самом деле представляют собой увеличенные версии Земли?

В начале 2014 г. астрофизик Дэвид Киппинг занялся поиском экзолун, то есть естественных спутников, обращающихся вокруг экзопланет. Задачу себе он выбрал не из легких. В Солнечной системе самая крупная луна — это спутник Юпитера Ганимед. Он в два раза массивнее нашей Луны, его масса составляет 2,5% массы Земли. Не исключено, что рядом с экзопланетами могут обнаруживаться спутники большего размера, но в любом случае их влияние на звезду будет ничтожным.

Как решить эту проблему? Например, можно попытаться отыскать следы влияния спутника не на звезду, а на планету. Спутник и планета обращаются вокруг общего центра масс точно так же, как это делают планета и звезда. Это вызывает колебания планеты при движении по орбите вокруг звезды. Из-за колебаний временной промежуток между прохождениями планеты по диску звезды может слегка отличаться. Чтобы наглядно представить себе эту ситуацию, воспользуемся аналогией со спортсменом, который бежит по дорожке вокруг стадиона, держа за руку маленького ребенка. Когда ребенок устремляется вперед, бегун немного ускоряется. И наоборот — когда ребенок тянет спортсмена назад, бежать становится труднее, и скорость снижается. В результате время прохождения круга оказывается разным. Таким образом, изменение количества времени, которое требуется планете, чтобы в очередной раз появиться перед звездой, может служить надежным доказательством существования рядом с ней невидимого спутника.

Этот метод называют анализом изменения моментов прохождений, сокращенно — TTV (transit timing variations). В 2014 г. команда Киппинга опубликовала данные наблюдений за прохождениями восьми планет с целью выявления незначительных изменений в периодичности их появления перед звездами. К радости исследователей, в одном случае им удалось зафиксировать изменение времени наступления транзита. Однако дело было не в спутнике.

Объектом наблюдения была планета, движущаяся по орбите вокруг холодной звезды, известной под именем Кеплер-138. До этого с помощью космического телескопа «Кеплер» рядом с этой звездой уже было найдено три планеты. Все они отличались очень маленькими радиусами, составляющими 0,4–1,6 радиуса Земли, и обращались по близким к звезде орбитам с периодом не больше месяца. Колебавшаяся планета оказалась самой дальней в системе. Она получила условное обозначение Кеплер-138 d. Но ее колебания были вызваны не предполагаемым спутником, а разгоном и торможением под влиянием соседней средней планеты — Кеплер-138 c.

Несмотря на некоторое разочарование, связанное с тем, что первый экзоспутник найти все-таки не удалось, сам по себе полученный результат заслуживал включения в книгу рекордов. Подобно колебаниям звезды, изменения времени наступления транзита могут служить своего рода весами, с помощью которых можно измерить массу планеты. Кеплер-138 d стала самой легкой планетой, у которой удалось измерить и размер, и массу[9]. Предыдущий рекорд принадлежал каменистой планете Кеплер-78 b, которая оказалась на 70% тяжелее Земли. Масса Кеплер-138 d совпала с массой Земли.

Учитывая близость полученной массы к массе планеты, являющейся нашим домом, определение типа Кеплер-138 d не должно было вызывать никаких затруднений. Это должен был быть каменистый землеподобный мир — слишком горячий, чтобы содержать воду в жидкой форме, но обладающий твердой оболочкой и тонкой атмосферой. Однако радиус Кеплер-138 d был почти на 60% больше радиуса Земли, а значит, плотность ее должна была быть в 4 раза ниже плотности нашей планеты, превышая плотность воды всего лишь на 30%. Это был не каменистый мир, а очень маленький нептун.

Проведенные в 2015 г. дополнительные измерения позволили уточнить значения массы и радиуса Кеплер-138 d: масса была скорректирована в сторону уменьшения — до 0,64 массы Земли, а новое значение радиуса оказалось на 20% больше радиуса Земли. При этом у планеты по-прежнему была очень низкая плотность, равная 2,1 г/см^3, и толстая атмосфера.

В интервью средствам массовой информации Киппинг отмечал: «Даже если масса этой планеты равна массе Земли, она совершенно не похожа на Землю. Это доказывает, что невозможно провести четкую границу между каменистыми мирами вроде Земли и более “пышными” планетами вроде водных миров или газовых гигантов».

Получается, что наиболее часто встречающийся тип планет похож на коллекцию шариков из разных минералов: размер один, а вот внешний вид и строение — совершенно разные.

Разнородность суперземель захватила умы астрономов. После того, как наблюдения за Кеплер-138 d и Кеплер-93 b показали, что четкой границы между массивными земплеподобными и газовыми мирами нет, встал вопрос о возможности хотя бы приблизительно обозначить рубеж между двумя типами планет.

В 2014 г. были доступны данные измерения массы и радиуса примерно 70 суперземель. Исходя из эмпирических данных о средней плотности этих планет можно было сделать вывод о том, что при радиусе более 1,5 радиуса Земли планета обычно имеет толстую атмосферу мини-нептуна.

При этом обнаружилось множество исключений из этого правила с отклонениями как в большую, так и в меньшую сторону. Судя по размеру, Кеплер-138 d должна была быть каменной планетой, но на самом деле она — газовая. С другой стороны, планета с условным обозначением BD+20594 b, как было установлено, имеет радиус, равный 2,2 радиуса Земли, но ее плотность достаточно высока для того, чтобы охарактеризовать ее как состоящую преимущественно из твердых пород. Тем не менее в тех случаях, когда был известен только размер планеты, правило о 1,5 радиуса Земли позволяло сделать первые предварительные выводы.

Теперь нужно было как-то объяснить, почему столь разнородные планеты расположены так близко к своим звездам.

Хтонические планеты

Итак, было найдено два класса планет, обращающихся в непосредственной близи от своих звезд: горячие юпитеры и горячие суперземли. Это заставило астрономов задуматься о наличии связи между ними. Может быть, суперземли — всего лишь горячие юпитеры, которые каким-то образом растеряли свои гигантские атмосферы?

Доказательства в пользу этой теории появились осенью 2003 г., когда впервые была обнаружена планета в момент ее прохождения перед звездой — HD 209458 b. Это был горячий юпитер, за которым, как за гигантской кометой, шлейфом тянулась атмосфера. Учитывая, что период обращения планеты составлял всего 3,5 дня, окутывающие планету-гиганта газы улетучивались из-за близости к звезде. В случае потери значительной части своей атмосферы планета могла бы сжаться до размера суперземли. В результате из нее мог бы получиться либо мини-нептун, либо твердое ядро без оболочки. По аналогии с неприкрытыми плотью скелетами существ из мифологической преисподней эти гипотетические миры стали называть хтоническими планетами.

Несмотря на всю свою мрачную притягательность, идея о существовании утративших атмосферу хтонических планет сразу подверглась критике. Атмосферы горячих юпитеров настолько огромны, что времени жизни звезды не хватило бы для образования суперземли даже при таком темпе улетучивания газов из атмосферы, который наблюдался у HD 209458 b. Однако улетучивание было не единственным фактором потери атмосферы.

При перемещении горячего юпитера с окраины планетной системы к центру притяжение звезды усиливается. Это приводит к уменьшению сферы Хилла, то есть зона действия собственной гравитации планеты сужается. Поначалу ничего серьезного не происходит, так как атмосфера планеты сжимается, существенно уменьшаясь в размерах. Но стоит планете подойти вплотную к звезде, ее атмосфера попадает во власть звездной гравитации, под действием которой газ вытягивается из атмосферы планеты. В результате, как и в случае с улетучиванием, может образоваться хтоническая планета, представляющая собой небольшой газовый мир или ядро без оболочки.

В пользу идеи «раздетой» планеты говорит тот факт, что суперземли могут располагаться ближе к звезде, чем горячие юпитеры. Горячие юпитеры утрачивают свои атмосферы на расстоянии 0,1–0,05 а.е. от звезды, то есть при пересечении этой отметки любая планета становится суперземлей. Если это действительно так, то, наблюдая за каменистыми суперземлями, мы получаем уникальную возможность заглянуть внутрь газового гиганта.

Но есть одна проблема: мы знаем очень мало планет размером меньше горячего юпитера и больше горячей суперземли. Если горячие юпитеры обречены стать суперземлями, в процессе потери атмосферы их размер должен попадать в диапазон обычных для этих двух типов планет значений. И мы должны видеть такие планеты. Однако почти все наблюдаемые нами планеты, обращающиеся вблизи своих звезд, относятся либо к горячим юпитерам, либо к суперземлям — начальной и конечной границам в теории хтонических планет. Горячих планет размером больше Нептуна и меньше Юпитера просто нет. Вряд ли мы просто проглядели их, хотя полностью исключать такую возможность нельзя. Но если гипотеза о суперземлях как «расплескавшихся» горячих юпитерах неверна, чем ее можно было бы заменить?

Далеко ходить не нужно

Первая альтернативная версия подкупает своей простотой: а что, если формирование суперземель происходило там же, где они находятся сейчас? Если бы удалось доказать, что миры такого типа рождались непосредственно в первичном протопланетном диске, это объяснило бы, почему их так много. Ранее мы исключили возможность формирования массивных горячих юпитеров в условиях отсутствия достаточного количества материала из твердых пород. Распространяется ли этот вывод на куда менее массивные суперземли?

Ближайшая к центру Солнечной системы планета — Меркурий. Его масса составляет всего лишь 5,5% массы Земли, а расстояние от Солнца — солидные 0,4 а.е., то есть он в три раза дальше от звезды, чем большинство горячих юпитеров и суперземель.

На первый взгляд, ничего необычного в приведенном описании нет. Предел роста планеты определяется объемом доступного вещества в протопланетном диске. Он, в свою очередь, зависит от количества пыли и планетезималей вокруг планеты, а также радиуса области ее гравитационного влияния (сферы Хилла). Сила притяжения вблизи Солнца колоссальна, а значит, под контролем гравитации планеты остается совсем небольшой кусочек пространства с ограниченным количеством нового материала, который может подпитывать рост. Поэтому планеты вблизи звезд должны быть маленькими.

Но что, если наша Солнечная система с момента своего рождения была отклонением от нормы? Может быть, ситуация, когда область формирования суперземель изобилует пылью, является обычной — пусть даже в протопланетном диске рядом с нашим Солнцем и было мало вещества? Если это так, то даже при маленьком радиусе сферы Хилла вокруг планеты будет предостаточно твердых тел.

В первой главе мы представили себе, как мог выглядеть протопланетный диск в нашей планетной системе: чтобы воссоздать первоначальное пылевое состояние, мы взяли за основу текущее положение планет и разложили их на составляющие в пространстве вокруг орбит. В результате у нас получилась протосолнечная туманность минимальной массы. А что получится, если мы проделаем то же самое с планетными системами, в которых есть суперземли?

Если мысленно раскрошить суперземли, мы получим протопланетный диск и увидим, как в нем должна была распределяться пыль, чтобы образовалось такое скопление планет. К сожалению, представляя наполненный веществом планетообразующий диск, мы сталкиваемся с проблемой. Из-за высокой концентрации пыли, находящейся во взвешенном состоянии в плотном газе, масса внутреннего диска оказывается очень большой. В этом случае должен сработать тот же самый механизм, посредством которого, согласно описанной ранее гипотезе, происходило формирование газовых планет в удаленной от центра системы части диска: внутренний диск должен рассеяться под воздействием собственной избыточной гравитации. Если бы все происходило именно так, то новые планеты походили бы на газовые гиганты и не имели ничего общего с суперземлями. Кроме того, при попытке разложить планетные системы, в состав которых входят суперземли, на мельчайшие частицы мы получаем протопланетные диски очень странной формы. Строение многих из них оказывается настолько необычным, что приходится исключить саму возможность формирования таких дисков вокруг звезды — в противном случае пришлось бы оперировать причудливыми аномалиями вроде постепенного нарастания температуры по мере удаления от звезды.

Таким образом, у нас нет универсальной модели протопланетного диска, в которой бы нашлось место суперземлям. Более вероятным представляется сценарий, в котором необходимая для формирования этих планет масса появляется после образования диска.

Планетная метла

Еще одна гипотеза исходит из предположения о существовании гигантской метлы. Когда вы берете метлу и подметаете пол, у вас получается куча пыли. Пока она равномерно распределена по поверхности пола, слой кажется очень тонким. Но стоит смести ее в одно место, как она тут же превращается в горку приличного размера, для выноса которой потребуется мешок. Существовал ли протопланетный аналог метлы, который мог замести твердые частицы в кучу достаточно большого размера, чтобы образовалась суперземля?

Гипотеза о сгребании каменистых тел позволяет избежать трудностей, связанных с идеей о рождении суперземель в особом протопланетном диске. Сначала формировался диск обычной формы — без порождающей неустойчивость высокой концентрации газово-пылевого материала вблизи от звезды. Затем каменистые твердые тела со всего диска сгребались на орбиты суперземель, обеспечивая быстрый темп формирования этих планет. Поскольку в процессе участвовали только твердые частицы, но не газ, масса внутреннего диска не достигала порога, за которым происходит распад диска на газовые гиганты. Вопрос только в том, что выступило в роли такой метлы. Ответ: горячий юпитер.

На своем пути к звезде в процессе миграции планета размером с Юпитер врезается в самую гущу планетезималей, участвующих в процессе формирования миров земного типа. Многие из каменистых тел будут рассеяны или захвачены притяжением планеты, другие займут резонансные орбиты, обеспечивающие синхронизацию их движения вокруг звезды с движением Юпитера. Став частью устойчивой резонансной структуры, планетезимали второй группы вынуждены следовать к звезде вслед за Юпитером. Со временем их становится все больше, они сбиваются в группы и сталкиваются, образуя мир размером больше любой планеты во внутренней области Солнечной системы. Результат — суперземля, обращающаяся по орбите, которая ближе к звезде, чем орбита горячего юпитера. Описание кажется правдоподобным, но есть ли какие-нибудь свидетельства того, что все так и происходит в действительности?

Глизе 876 — звезда меньше и холоднее нашего Солнца, так называемый красный карлик. Она располагается приблизительно на расстоянии 15 световых лет от нас в созвездии Водолей. В процессе измерения колебаний лучевой скорости звезды были выявлены четыре планеты, самая близкая из которых к звезде была суперземлей с массой, равной почти 7 массам Земли, и периодом обращения всего лишь 2 дня. Чуть дальше, на орбитах с периодами обращения 30 и 60 дней, располагаются два горячих юпитера.

Юпитеры и самая дальняя четвертая планета размером с Уран находятся в орбитальном резонансе. За то время, которое требуется ближайшему к звезде гиганту, чтобы совершить четыре оборота, средняя планета успевает сделать два полных оборота, а внешняя — один. Резонанс 1:2:4 совпадает с резонансом спутников Юпитера — Ганимеда, Европы и Ио. Резонансы служат подтверждением идеи о том, что три планеты мигрировали к звезде вместе. Взаимное гравитационное притяжение привело к синхронизации их орбит (как это случилось с Юпитером и Сатурном во время разворота при миграции по Солнечной системе). По мере продвижения к звезде планетезимали меньшего размера также могли быть захвачены в орбитальный резонанс и выкинуты вперед. Затем между этим твердыми глыбами могли происходить столкновения, в результате которых они сходили с резонансных орбит и участвовали в формировании суперземли во внутренней части планетной системы.

Примечательно, что отношение размеров самых крупных планет рядом с Глизе 876 очень сильно отличается от отношения размеров Юпитера и Сатурна: мир, который находится дальше от звезды, тяжелее Юпитера в 2,5 раза, тогда как масса второго составляет 0,7 массы Юпитера. Возможно, именно поэтому эти две планеты не совершили разворот, который бы позволил им не стать горячими юпитерами.

Наличие у суперземли братьев-гигантов придает вес теории формирования планет на близких к звезде орбитах из вещества, заметенного во время миграции. Проблема в том, что суперземли встречаются намного чаще горячих юпитеров. Возникает вопрос: как твердый строительный материал попадает в окрестности звезды, если рядом нет метлы-юпитера?

Ловушка мертвой зоны

«Самое важное открытие с момента обнаружения 51 Пегаса b» — так охарактеризовал найденную в 2011 г. новую планетную систему планетолог Джек Лиссауэр из Исследовательского центра Эймса NASA в Калифорнии.

Находка включала шесть планет, проходящих по диску солнцеподобной звезды Кеплер-11 в созвездии Лебедь на расстоянии около 2000 световых лет от Солнечной системы. Из-за большого количества проходящих планет в одной системе и их близкого расположения, указывающего на самый высокий уровень концентрации планет за все время наблюдения, новость об открытии сразу попала на первые полосы прессы.

Пять из шести планет движутся вокруг Кеплер-11 по орбитам, которые вписываются в орбиту Меркурия, а шестая находится чуть дальше от звезды. Анализ изменения времени наступления транзита планет под влиянием взаимного притяжения позволил измерить их массу. Оказалось, что в этом компактном семействе пять суперземель массой от 2 до 8 масс Земли. Из-за слабого влияния на остальные миры в системе установить массу последней планеты, получившей обозначение Кеплер-11 g, несколько труднее. По приблизительной оценке, она не превышает 25 масс Земли, то есть представляет собой мир размером с Нептун.

Итак, мы имеем дело с планетной системой, где не одна, а целых шесть планет находятся на близких к звезде орбитах и где при этом нет горячего юпитера, который мог бы обеспечить необходимое количество вещества. Каким образом подобная система сформировалась? Еще раз процитируем Лиссауэра: «Мы даже не подозревали, что такие системы могут существовать».

Несмотря на всю необычность обнаруженных вблизи Кеплер-11 планет, у нас есть отличный кандидат на роль процесса, который мог бы обеспечить перемещение каменистых тел к звезде и без горячего юпитера — это сопротивление встречного газового ветра. Когда размер таких тел приближается к 1 м, газовый поток уже не способен увлекать их за собой, то есть они становятся достаточно большими, чтобы самостоятельно определять траекторию своей орбиты. Преодолев давление газа, эти камни начинают двигаться немного быстрее окружающего газа, что приводит к появлению встречного ветра. Во второй главе мы уже говорили о значении этого процесса, в результате которого каменистый материал из окрестностей наших планет устремился внутрь системы, к Солнцу. Но принимал ли он участие в формировании горячих суперземель?

В гипотезе торможения массивных осколков твердых пород труднее всего объяснить, что заставило этот поток строительного материала остановиться, избежав столкновения со звездой. Без участия горячего юпитера, способного удерживать каменистые тела на резонансных орбитах, массовый приток материала из-за встречного ветра должен приводить к его полному сгоранию. Требуется что-то, что могло бы заставить его остановиться и cкопиться в определенной области.

Рассматривая механизмы формирования планет Солнечной системы, мы обращались к явлению потоковой неустойчивости, благодаря которой пелотоны булыжников смогли набрать достаточную массу для преодоления сопротивления газа. Однако нет никаких доказательств того, что формирование больших скоплений камней за счет потоковой неустойчивости должно было неизменно происходить неподалеку от звезды. Каменистый материал вполне мог накапливаться на краю протопланетного диска одновременно с аккрецией всего газа и пыли за его пределами на звезду, но вряд ли бы это помогло объяснить появление системы, состоящей из нескольких суперземель на разных орбитах. Куда большую гибкость в данном случае дает вариант объяснения с использованием магнитного поля.

Магнитные поля существуют повсюду во Вселенной. Если взять, к примеру, атом и убрать из него электрон, то он получит положительный электрический заряд. Достаточно придать этой заряженной частице ускорение, и она создаст магнитное поле. При этом она будет подвержена влиянию сил, создаваемых любыми другими существующими магнитными полями.

С другой стороны, если атом нейтрален (не обладает электрическим зарядом), он остается в стороне от магнитных взаимодействий. При его движении поле не создается, и он не поддается воздействию сил в пределах поля. Из-за этого электрическая и магнитная силы (объединяемые термином «электромагнитная сила») во Вселенной оказывают намного меньшее влияние на формирование галактик и планет, чем гравитация. Если обратиться к цифрам, то выяснится, что электромагнитная сила на 39 порядков больше силы гравитации. И все же на больших расстояниях Вселенная нейтральна и подчиняется только силам гравитации.

Под воздействием высоких температур в звезде атомы лишаются электронов и превращаются в множество движущихся заряженных частиц, образуя ее магнитное поле. Силовые линии такого поля проходят через окружающий газ и пыль в протопланетном диске. Степень их воздействия зависит от количества заряженных частиц в диске.

Излучаемая звездой энергия отрывает электроны от атомов в диске, и в результате образуются заряженные частицы газа и пыли, которые становятся чувствительны к магнитному полю. Магнитные силы заставляют частицы переходить на другие орбиты, ускоряя процесс аккреции на звезду. Достаточно убрать магнитное поле, и скорость направленного к центру газового потока резко упадет. В непосредственной близости от звезды уровень влияния излучения на диск достигает максимального значения. В результате образуется множество заряженных частиц, которые взаимодействуют с магнитным полем. Но уже на расстоянии около 0,1 а.е. энергия звезды с трудом проникает через газ к центру диска. Число заряженных частиц падает, и газ перестает испытывать воздействие магнитного поля.

Для обозначения области, в которой магнитные силы перестают действовать, используют жутковатый термин «мертвая зона». Газ в пространстве между звездой и границей мертвой зоны быстро перемещается к центру, тогда как газ внутри мертвой зоны движется медленнее. В результате образуется своего рода затор, и плотность газа на границе мертвой зоны увеличивается. Вместе с плотностью растет и давление, что приводит к изменению сил, воздействующих на газ в этой точке диска. Благодаря этому газ начинает двигаться по орбите с той же скоростью, что и каменистые тела, то есть последние перестают испытывать сопротивление встречного ветра. Теперь, когда ничто не тормозит их и не заставляет двигаться к звезде, эти камни собираются у края мертвой зоны и начинают сталкиваться, обеспечивая рождение суперземли.

В результате изменений в характеристиках газового потока вокруг растущей суперземли планета оказывается в ловушке, что приводит к остановке миграции первого рода. То есть, вместо того чтобы нестись к (находящейся в опасной близости) звезде, планета может продолжать увеличиваться в размерах до появления разрыва в газовом диске. Затем должна начаться миграция второго рода, но к этому моменту суперземля уже настолько массивна по сравнению с газом и настолько близка к звезде, что сопротивления газа недостаточно, чтобы сдвинуть ее. Независимо от перемещений планеты разрыв обеспечивает проникновение излучения звезды в диск. Пыль и газ теряют электроны, получая заряд и вступая во взаимодействие с магнитными полями. Рядом с планетой образуется мертвая зона, граница которой движется в противоположную от звезды сторону мимо созданного планетой разрыва. На новой границе мертвой зоны начинается формирование следующей суперземли. Таким образом, после рассеивания газового диска может остаться несколько суперземель, движущихся по орбитам вокруг звезды. Описанный сценарий очень похож на то, что мы видим рядом со звездой Кеплер-11.

Идея конвейера по производству суперземель, главным механизмом которого является накопление твердых тел на границе мертвой зоны, кажется многообещающей, но в системе Кеплер-11 осталось еще немало сюрпризов.

Объединив результаты измерения масс с данными о размерах, полученными при наблюдении за прохождениями, исследователи выяснили, что ни одна из планет в системе Кеплер-11 не является каменистой. Исходя из значений плотности было сделано предположение, что у них толстые атмосферы, на которые приходится половина объема планеты. Единственным исключением является планета Кеплер-11 b, которая находится ближе всего к звезде: более высокая плотность указывает на больший размер ядра, занимающего две трети объема планеты. Однако даже такая газовая атмосфера все равно намного больше, чем у землеподобного мира. Все планеты в системе Кеплер-11 — мини-нептуны.

Поэтому любое объяснение процесса образования суперземель с учетом результатов наблюдений должно допускать возможность формирования как крупных каменистых планет, так и небольших газовых гигантов. Отсюда вопрос: могла ли планета, находясь так близко к звезде, приобрести толстую атмосферу мини-нептуна? Оказывается, что проблема не в том, как захватить достаточно газа, а в том, как остановить этот процесс.

Формирующаяся новая планета может накапливать атмосферу, втягивая газ из окружающего пространства, вплоть до того момента, когда газ протопланетного диска рассеивается. На коротких орбитах в области с большим количеством планетезималей процесс формирования суперземель должен протекать очень активно, легко укладываясь в миллион лет. Таким образом, у них остается предостаточно времени для аккреции такого объема газа, который характерен для мини-нептунов. Более того, процесс может зайти слишком далеко, и вместо мини-нептуна может появиться горячий юпитер.

Ранее считалось, что массивность горячих юпитеров исключает возможность их формирования вблизи звезды. Но не было ли это допущение поспешным? Не означает ли возможность массового перемещения строительного материала во внутренние области диска, что в конечном итоге мы получим миры размером с Юпитер?

С ростом Юпитера во внешней области Солнечной системы его гравитация достигла значения, обеспечившего захват большого объема газа. В какой-то момент планета стала настолько тяжелой, что в ее атмосфере начался процесс неудержимого коллапса: по мере опускания газа к «поверхности» Юпитера атмосфера продолжала непрерывно сжиматься. Наконец под действием гравитации планеты в газовом диске образовался разрыв, и процесс прекратился. К этому моменту успел сформироваться большой газовый гигант. На первый взгляд процесс кажется неотвратимым. Но, как оказывается, существуют факторы, которые способны остановить его.

Учитывая, что молодая суперземля формируется из скоплений каменистых тел, перемещенных к мертвой зоне во внутренней части системы, в ее атмосфере содержится много пыли. Это затрудняет охлаждение газовой оболочки планеты, так как частицы пыли блокируют излучение (говоря техническим языком, атмосфера имеет высокую непрозрачность). При более высокой температуре газ менее подвержен действию гравитации планеты, в результате чего неудержимый коллапс происходит позже, уже после рассеивания газового диска. Планете удается заполучить толстую атмосферу, но до утопающего в газах горячего юпитера ей все-таки далеко.

Решающим фактором превращения суперземли в гигантскую землеподобную планету или в небольшой газовый мир может быть протопланетный диск. При большей массе диска процесс формирования суперземли происходит быстрее, и времени для захвата атмосферы остается больше. В более легких дисках формирование суперземли может продолжаться вплоть до момента рассеивания. Поэтому такие планеты являются каменистыми и имеют более тонкие атмосферы.

Процесс образования планет там, где мы их сейчас наблюдаем, называют формированием in situ («на месте»). Если допустить возможность перемещения материала горячим юпитером с последующим накоплением на границе мертвой зоны, вероятность развития событий по этому сценарию в случае с суперземлями представляется весьма высокой. Но в любом случае ставить точку в дискуссии о происхождении суперземель еще рано.

Кеплер-11 стала своего рода эталоном звезды с компактной группой планет на близких орбитах. Но оказалась, что она такая далеко не одна. Спустя год была найдена звезда Кеплер-32 с пятью планетами размером менее 3 земных радиусов и периодами обращения 0,7–23 суток. Затем рядом со звездой HD 40307 были обнаружены три новые планеты. Таким образом, общее количество известных нам планет в этой системе достигло шести. Масса каждой из них не превышает 7 масс Земли. У пяти период обращения составляет 4–52 суток. Последовавшая за этим череда открытий в других системах показала, что похожие конфигурации миров могут быть более чем у 10% звезд.

Возникает закономерный вопрос: если такое устройство планетных систем является обычным, почему в нашей Солнечной системе все иначе? Допустим, нашим газовым гигантам удалось избежать превращения в горячие юпитеры. Но как быть с потоком планетезималей в направлении звезды в начальный период существования системы? Должна же была из него сформироваться хотя бы одна суперземля?

Также развернулась дискуссия о том, могла ли планета, сформировавшаяся in situ, удержать обширную атмосферу мини-нептуна. Несмотря на изобилие материала в месте формирования, радиус сферы Хилла планеты остается маленьким, а значит, на первом этапе все может ограничиться появлением группы зародышей планет размером с Землю (поскольку при достижении размера Земли их масса достигает значения изоляции, о котором шла речь в главе 2). В течение последующего продолжительного периода в результате столкновений зародышей планет формируется суперземля. Поскольку в процессе столкновений столь массивных тел газы могут улетучиваться, новый мир рискует превратиться в каменистую планету с тонкой газовой оболочкой.

В ответ на критику был высказан ряд предположений, позволявших обойти обозначенные проблемы: мертвые зоны в разных протопланетных дисках могут иметь свои особенности; поток планетезималей мог быть остановлен каким-то другим процессом; столкновения не обязательно должны сопровождаться мощными ударами. Но все-таки доводы противников гипотезы о ловушке мертвой зоны оказались достаточно вескими, чтобы начался поиск альтернативных вариантов объяснения.

Мигрирующая популяция

При отсутствии планетных ловушек суперземли, учитывая их относительную массивность, должны мигрировать на большой скорости. Возможно, они мигрировали к звезде откуда-то очень издалека?

У идеи о рождении суперземель на большом расстоянии от звезды есть свои плюсы и минусы. Отсутствие четкой границы между размерами каменистых суперземель и мини-нептунов может рассматриваться как свидетельство их принадлежности к одному классу с общим механизмом формирования. Поскольку процесс образования нашего Нептуна проходил за снеговой линией во внешней области Солнечной системы, кажется разумным предположить, что горячие мини-нептуны — а вместе с ними и каменистые суперземли — появились на свет в похожем месте. В этом случае каменистые планеты — это те, которые не смогли захватить гигантские атмосферы либо из-за недостаточно большой массы, либо из-за того, что их формирование проходило незадолго до рассеивания газового диска.

Таким образом, в своей эволюции они похожи на горячие юпитеры. В любом случае, формирование больших планет могло начаться за снеговой линией, где предостаточно строительного материала. Вдали от звезды сфера Хилла планеты достаточно обширна. Поэтому она может быстро наращивать массу и захватывать газы, не рискуя потерять атмосферу в результате столкновений.

Также мы получаем объяснение того, почему в Солнечной системе нет суперземель. Согласно модели смены галса, разворот Юпитера и Сатурна остановил миграцию Урана и Нептуна. Если бы громадные газовые гиганты не преградили им путь, зародыши этих менее массивных миров вполне могли бы переместиться во внутреннюю область Солнечной системы, ближе к нашему светилу. То есть, сделав всего одно допущение, мы избавляем себя от необходимости апеллировать к множеству различных механизмов образования планет, чтобы объяснить происхождение этих разнородных миров.

Однако, воспринимая миграцию как универсальную силу, мы ступаем на зыбкую почву, так как тем самым мы утверждаем, что коренная перестройка планетной системы является обычным явлением. Хотя горячие юпитеры, вероятнее всего, оказываются во внутренней области планетных систем именно в результате миграции, они соседствуют всего лишь с 1% звезд. Напротив, горячие суперземли, как считается, встречаются на орбитах вокруг 50% звезд. Чтобы объяснить, как всем этим планетам удалось поменять свои орбиты, простой констатации возможности миграции уже недостаточно — она должна стать важным элементом архитектуры планетной системы.

К тому же есть ряд наблюдений, которые не укладываются в описанную модель. Исходя из того, как протекала стремительная миграция Юпитера и Сатурна, можно предположить, что вследствие взаимных притяжений при перемещении по газовому диску соседние планеты должны входить в орбитальный резонанс. Сближение внешней планеты с соседом на внутренней орбите может происходить либо в процессе миграции, либо в момент остановки второго мира на внутренней границе протопланетного диска. В результате их орбиты входят в резонанс, при котором соотношение между периодами обращения планет равняется точному целому числу. Хотя такая картина наблюдается в ряде систем, таких как Глизе 876, во многих других, например в Кеплер-11 и HD 40307, эта модель не работает. Означает ли это, что миграции действительно не было?

Наличие орбитального резонанса, безусловно, свидетельствует в пользу того, что миграция имела место, но его отсутствие не означает обратного. Это объясняется, в частности, тем, что миграция первого рода может состояться только при выполнении ряда весьма специфических условий. При обсуждении планетных ловушек мы упоминали о зависимости первого этапа миграции от параметров окружающего газа. Масса планеты также является важным фактором: чем массивнее планета, тем интенсивнее ее гравитационное взаимодействие с газовым диском. Миграция более тяжелых планет, как правило, происходит на более высокой скорости и продолжается до момента образования разрыва в газе, после чего она замедляется и переходит в миграцию второго рода. Однако в диске могут быть участки, где при определенном сочетании силы притяжения планеты и параметров окружающего ее газа направление миграции на короткое время может меняться на противоположное. Таким образом, пути миграции в значительной степени определяются сложившимся в некоторый момент времени уникальным сочетанием таких факторов, как масса планеты, параметры газа в пространстве вокруг планеты и притяжение соседних планет[10].

Разнообразие возможных траекторий миграции означает, что к моменту полного улетучивания газа из диска возможны разные варианты расположения планет. В одном наборе компьютерных моделей для противоположного процесса при обратной миграции была получена область, допускавшая формирование планет массой, более чем в 5 раз превышающей массу Земли. Планетами, зародыши которых могли наращивать массу настолько быстро, чтобы воспользоваться этими благоприятными условиями, стали потенциальные горячие юпитеры. В определенный момент движение этих массивных миров к звезде остановилось, в результате чего они «застряли» чуть на большем расстоянии, чем менее крупные суперземли. Полученный результат совпадает с данными наблюдений, которые показывают, что горячие юпитеры концентрируются позади популяции суперземель. Подтверждается и вывод об их относительной малочисленности, связанной с тем, что для набора необходимой для разворота массы и попадания в область миграции вовне они должны были расти с достаточно высокой скоростью. При разнообразии траекторий снижается вероятность захвата планет в резонанс, благодаря чему расстояния между ними могут варьироваться в широком диапазоне.

У идеи о миграции суперземель нашлись и другие возможные объяснения. Согласно одному из них, первоначально планеты могли находиться в резонансе, но, когда газ улетучился, они вышли из него в результате бомбардировки оставшимися твердыми телами. Эволюция наших газовых гигантов проходила по тому же сценарию: их орбиты сместились в результате взаимодействия с рассеиваемыми ими планетезималями. Еще один возможный сценарий: на вращающиеся рядом со звездой суперземли оказывает влияние невидимая гигантская планета, находящаяся на большем удалении от звезды. В присутствии далекого гравитационного «громилы», точное положение которого труднее определить из-за большого расстояния, суперземли могут перейти на другие орбиты, выйдя из резонанса.

Допуская, что идея о миграции суперземель имеет под собой серьезные основания, мы сталкиваемся с другой проблемой. Если миграция является таким важным фактором формирования суперземель, могут ли в системе с планетой, движущейся по близкой к звезде орбите, быть условия для существования пригодного для жизни мира вроде нашей Земли?

Правда ли, что Земля уцелела благодаря Сатурну? Ведь не будь в Солнечной системе второго газового гиганта, Юпитер ждала бы та же участь, что и, например, 51 Пегаса b: он бы устремился к Солнцу, сметая все на своем пути. За ним могли бы последовать Уран и Нептун, превратившись в результате миграции в суперземли на близких к звезде орбитах. На пути во внутреннюю область Солнечной системы эти гигантские миры, скорее всего, разорвали бы нашу любимую Землю на мелкие кусочки.

Расположение Земли на расстоянии 1 а.е. является ключевым фактором ее пригодности для жизни. На таком расстоянии от Солнца планета получает ровно столько энергии, сколько необходимо, чтобы поддерживать наше существование, то есть она и не перегревается, и не переохлаждается. Если бы она формировалась где-то еще, скорее всего, у жизни не было бы никакого шанса.

Может ли позади горячих юпитеров или суперземель, занимающих орбиты вблизи звезды, существовать мир, аналогичный нашей Земле? Если нет, то при поиске инопланетных соседей нам придется сразу отбросить половину всех планетных систем. В этом случае жизнь действительно является исключительно редким явлением во Вселенной.

Мчащаяся к центру системы планета способна спровоцировать настоящую катастрофу. Под действием гравитационного притяжения мигрирующего мира происходит рассеивание каменистого материала из внутренней части планетной системы. Сгребая планетезимали к звезде, немалую их часть он поглощает сам. Зона планет земной группы становится похожа на опустевшую фабрику, простаивающую из-за отсутствия сырья.

Даже если до начала миграции сформируется молодая планета, при приближении гиганта она окажется во власти его притяжения и, подобно комете, будет выброшена на новую орбиту. Причем с большой долей вероятности траектория ее движения вокруг звезды будет иметь форму сильно вытянутого эллипса, то есть расстояние от планеты до звезды при вращении будет меняться в большом диапазоне значений. Из-за резких скачков поверхностной температуры в течение года сезоны на планете будут ярко выраженными. Такие условия не исключают саму возможность сохранения воды и развития жизни, но сильно ее затрудняют.

Картина безрадостная, но надежда, пусть и маленькая, все-таки есть. Если мигрирующая планета оставит после себя достаточно пыли и твердых тел, формирование землеподобных миров может начаться снова. Количество оставшегося вещества на момент перезапуска процесса будет зависеть от скорости перемещения мигрирующей планеты по системе. Скорость миграции первого рода, учитывая зависимость от множества факторов, трудно поддается оценке, но очевидно, что планета, которая задержится в зоне формирования планет земной группы, рассеет больше вещества, чем мигрирующий мир, который на всех парах несется к звезде.

При взаимодействии с газовым диском рассеянные каменистые планетезимали также могут вернуться на орбиты, близкие к круговым. При эллиптической траектории планетезимали приходится двигаться против кругового потока газа диска. Следствием разницы скоростей газа и твердого тела становится мощнейшее сопротивление, которое заставляет каменистые тела вернуться на круговые орбиты и обеспечивает продолжение процесса формирования планет.

Для выброшенной планеты тоже не все потеряно: она вполне еще может вернуться на орбиту, более близкую к круговой. При вращении по изогнутой эллиптической орбите на планету действует сила притяжения звезды, которая меняется в зависимости от расстояния. Как и в случае с горячими юпитерами, заброшенными во внутреннюю область в результате срабатывания механизма Козаи — Лидова, под влиянием периодических колебаний силы притяжения орбита планеты снова может принять круглую форму. Газовый диск также не дает орбите вытянуться, помогая планете удерживаться на круговой траектории.

У идеи о восстановлении популяции после прохождения мигрирующей планеты даже есть ряд преимуществ. К тому моменту, когда газ рассеется, второе поколение планет может не дорасти до размера Марса. То есть необходимость в планетных ловушках, которые бы остановили миграцию к звезде, отпадает. При массовом рассеивании каменистых тел в результате миграции первого поколения планет во внутреннюю область системы может попасть лед, тем самым обеспечивая возможность формирования богатых водой миров. В результате за горячими планетами, находящимися рядом со звездой, будут существовать миры с более благоприятными для жизни условиями (хотя и трудным прошлым).

Загадка без разгадки

Проблема формирования популяции горячих суперземель продолжает волновать умы исследователей. Появились ли они в результате миграции из-за линии льдов или же сформировались из планетезималей и глыб, попавших во внутреннюю область системы благодаря горячим юпитерам или сопротивлению газа?

Чтобы распутать этот клубок гипотез, можно заняться поисками слабо проявляющих себя далеких от звезды экзопланет. Вероятность активной миграции в системе с планетами как на близких к звезде орбитах, так и на значительном удалении меньше, чем в системе, где нет других планет, кроме тех, которые кружат рядом со звездой. К тому же сформировавшаяся вдалеке от звезды планета должна быть покрыта толстым слоем льда. А значит, ее атмосфера должна быть наполнена водяными парами, которые могут быть доступны для наблюдения с помощью следующего поколения телескопов. Но мы никогда не разгадаем загадку самого массового класса планет, пока не найдем выход из лабиринта планет и планетезималей.

Глава 7. Вода, алмазы, лава — неведомые рецепты планетообразования

После известия об открытии 51 Пегаса b астрономам понадобилось около двух лет, чтобы научиться уверенно вычленять в данных о движении звезды колебания, указывающие на присутствие планеты. В результате им удалось обнаружить еще шесть экзопланет. Все они, как и 51 Пегаса b, были горячими юпитерами с огромной массой и близкими к звезде орбитами. Поэтому их и было легче всего найти.

О последних трех стало известно в 1997 году. Среди них была HR 3522b — планета чуть меньше Юпитера с периодом обращения 14 суток. Авторы журнальной публикации о находке использовали обозначение, которое она получила при включении в Йельский каталог ярких звезд (HR). Впоследствии за ней закрепилось название «55 Рака b», указывающее на то, что это была первая планета, найденная рядом с 55-й звездой в созвездии Рак. Новая планета была примечательна уже тем, что была одной из первых известных нам планет за пределами Солнечной системы. Но было еще кое-что, выделявшее из общего ряда. Так случилось, что 55 Рака b стала первой планетой, обнаруженной в системе, которая выходила за рамки даже самых смелых наших фантазий об инопланетных мирах.

В течение 10 лет с открытия 55 Рака b на орбитах вокруг той же самой звезды было обнаружено еще четыре планеты. Таким образом, 55 Рака стала первой известной нам звездой с пятью планетами и одной из трех звезд, рядом с которыми были найдены первые суперземли с такой же массой, как у Нептуна. Масса 55 Рака e равна приблизительно 8 массам Земли (48% массы Нептуна). У нее исключительно короткий период обращения — всего лишь 18 часов, а расстояние от нее до звезды составляет 5% расстояния от Меркурия до Солнца.

В ходе наблюдений за 55 Рака выяснилось, что она является частью двойной системы. Другая звезда этой системы — менее массивный красный карлик, находящийся на расстоянии более 1000 а.е. Несмотря на маленький размер и удаленность, которые не позволяют ему влиять на планеты, формирующиеся вокруг более крупной сестры, красный карлик, судя по всему, является источником постоянного притяжения, ставя всю планетную систему с ног на голову.

Производимый им эффект аналогичен эффекту Козаи — Лидова, с которым мы познакомились в главе 5, когда рассматривали его роль в перемещении горячих юпитеров к звездам за счет взаимодействия со звездой-компаньоном. В системе 55 Рака гравитационные притяжения соседних миров удерживают орбиты планет вместе таким образом, что вся система переворачивается одновременно, как при выступлении команды по синхронному плаванию. Если бы мы могли взглянуть на небо с поверхности этих планет, из-за совершаемого всей планетной системой кульбита нам бы показалось, что созвездия медленно движутся. Правда, чтобы заметить это, нам пришлось бы задержаться там надолго: для полного переворота требуется около 30 млн лет.

Но самое необычное в этой системе — свойства присутствующей в ней суперземли 55 Рака e. Как и остальные планеты, 55 Рака e была обнаружена методом измерения колебаний лучевой скорости звезды. В 2011 г. также удалось зафиксировать прохождение суперземли по диску звезды с помощью космического телескопа NASA «Спитцер». И вот еще одно «впервые» для этой планетной системы: звезду 55 Рака можно наблюдать невооруженным глазом; а значит, прохождение ближайшей к ней планеты стало первым зафиксированным случаем прохождения по диску звезды, которую можно увидеть без телескопа. Проведенные измерения радиуса и угла наклона орбиты позволили определить массу планеты. Выяснилось, что эта суперземля на 20% больше Земли при радиусе, равном 2,2 радиуса нашей планеты. В очередной раз исследователи получили результат, который казался совершенно абсурдным.

Вычислить плотность 55 Рака e при наличии массы и радиуса не составило труда — она равна 4 г/см^3. Учитывая радиус, следовало бы предположить, что планета является мини-нептуном[11]. Но полученное значение плотности было слишком большим для газового мира с обширной водородно-гелиевой атмосферой. Плотность мини-нептуна с массой, равной 8 массам Земли, не должна превышать 1,3 г/см^3. С другой стороны, при такой массе планета с твердой внутренней частью, как у Земли, также не может иметь плотность 4 г/см^3. Хотя плотность Земли в среднем приближается к 5,5 г/см^3, на планете с массой, которая в 8 раз больше, горные породы должны сжаться до значения свыше 8,5 г/см^3. Таким образом, 55 Рака e была слишком мала для газового мира и слишком велика для каменистого. Чем же она была на самом деле?

Если эта суперземля является планетой с твердой оболочкой, она должна состоять из тех же элементов, что и планеты земной группы. То есть основными ее составляющими должны быть железо и силикаты. Минимальный возможный размер при такой массе будет иметь планета, в составе которой не будет ничего, кроме железа. В планете максимального размера железа не будет совсем — его заменят более легкие силикатные породы. Обе крайности маловероятны. Учитывая, что элементы планет земного типа конденсируются в твердые породы практически при одной и той же температуре, все они принимают участие в формировании планеты. Например, 30% массы Меркурия — нашей самой горячей и богатой железом планеты — до сих пор приходится на мантию из силикатных пород. Но, даже если допустить возможность реализации самых маловероятных сценариев, все равно результат будет меньше, чем у 55 Рака e.

А что, если отказаться от деления на землеподобные и газовые планеты и остановиться на идее гибридного мира — может быть, тогда удастся увязать радиус 55 Рака e с ее массой? У такой планеты должно быть твердое ядро значительно большего размера, чем у Земли. Также она должна быть способна удержать первичную толстую водородно-гелиевую атмосферу. Учитывая малый вес газов, даже при массе атмосферы в 0,1% массы планеты мы можем получить мир с плотностью, соответствующей плотности 55 Рака e.

Гипотеза о 55 Рака e как о гибридной планете могла бы стать идеальным ответом на вопрос о ее природе, если бы не невероятно короткий период обращения — всего 18 часов. Суперземля, на которой год длится меньше земных суток, обращается вокруг звезды на расстоянии всего 0,016 а.е. Из-за близости к раскаленному ядерному реактору средняя температура на этой планете, как предполагают, составляет около 2000 °C. В условиях адской жары массы планеты вряд ли хватит, чтобы не дать улетучиться легкой водородно-гелиевой атмосфере. Она выгорит за пару миллионов лет, что не так уж и много по меркам планетной эволюции. Поэтому нам вряд ли удастся увидеть 55 Рака e в тот период, когда она еще была окружена первичной газовой оболочкой.

Итак, об атмосфере, как у Нептуна, не может быть и речи. Вопрос: какой другой элемент рыхлее твердых пород, но при этом обладает достаточной массой, чтобы планета могла удержать его? Ответ: вода, вернее, крайне необычное состояние воды.

Если допустить, что изначально 55 Рака e сформировалась за снеговой линией, в момент рождения в ее составе должно было быть большое количество льда. После того как в процессе миграции к звезде ее атмосферу покинули водород и гелий, вокруг твердого ядра планеты должна была остаться оболочка из водяных паров толщиной в тысячи километров. Идея о том, что планета, обращающаяся по орбите в непосредственной близости от горнила своей звезды, может быть покрыта водой, кажется более чем странной. Разумеется, вода на такой планете не может иметь ничего общего с той прохладной жидкостью, которая течет из крана на нашей кухне. Имеющаяся на 55 Рака e вода должна пребывать в крайне редком состоянии, называемом сверхкритическим.

Переход в состояние сверхкритической жидкости происходит при очень высоких значениях температуры и давления. Например, ракетное топливо переходит в сверхкритическую фазу в момент выброса из сопел стартующего космического корабля. В такой форме граница между жидкостями и газами размывается, и вещество оказывается где-то между этими двумя состояниями. На планете с подобными характеристиками невозможно понять, где проходит граница между океанами и небом. Если бы мы решили отправиться туда и сумели выжить, мы бы оказались в подвешенном состоянии где-то в толще сверхкритического тумана.

Раскаленный мир с годом продолжительностью 18 часов в оболочке из жидкообразного газа, обращающийся по орбите, которая медленно опрокидывается, — можно ли придумать что-то более странное? Но есть еще одно, даже более странное, объяснение состава 55 Рака e: сверхкритичная вода тут ни при чем — возможно, эта суперземля полна алмазов.

Несмотря на сходство в размерах, по составу звезда 55 Рака не похожа на наше Солнце: полагают, что она богата углеродом. Звезды вплоть до преклонного возраста состоят главным образом из водорода и гелия с микроскопическими вкраплениями других элементов — углерода, кислорода, магния, кремния и железа. Углерода в составе Солнца примерно вдвое меньше, чем кислорода. Эту особенность, как правило, выражают в виде соотношения между элементами: C/O = 0,5. Проведенные в 2010 г. наблюдения показали, что, в отличие от Солнца, углерода в составе 55 Рака немного больше, чем кислорода: C/O = 1,12. Различия в составе звезд имеют большое значение, поскольку указывают на различия в составе протопланетных дисков, материал которых должен был быть таким же, как у звезд. Большая доля углерода в составе звезды может указывать на то, что участвовавшие в формировании планет частицы пыли также были богаты углеродом. Миры из такого материала могут сильно отличаться от планет земной группы.

Несмотря на большую роль углерода в эволюции биологической жизни, на Земле его на удивление мало. Девяносто пять процентов массы Земли приходятся на железо, кремний, кислород и магний. Большая часть железа заключена в земном ядре. Остальные элементы образуют силикатную мантию и кору. Углерод выступает в качестве второстепенного компонента: на него приходится менее 0,2% массы Земли. Столь мизерная доля объясняется тем, что конденсация углерода в твердые частицы происходила в холодной внешней области Солнечной системе. В области формирования миров земной группы он оставался в форме пара, и в момент, когда Солнце заставило рассеяться газовый диск, его оттуда просто выдуло. Как и в случае с океанами, о возможных источниках происхождения которых мы говорили в главе 4, в начале существования Земли углерода на ней не было. Небольшое его количество было занесено на нашу планету метеоритами из внешней области Солнечной системы.

При увеличении доли углерода в протопланетном диске до величины, сопоставимой с долей атомов кислорода (или даже превышающей ее), свойства твердого строительного материала в системе меняются. Доминирование атомов углерода приводит к тому, что кремний начинает связываться не с кислородом, а с углеродом, образуя не силикат, а твердый карбид кремния. Поэтому в составе планет, сформированных из такой пыли, будут преобладать не соединения кислорода, а углерод и карбид кремния.

Если недра 55 Рака e имеют именно такой богатый углеродом состав, необходимость в обеспечивающей объем оболочке из более легкого материала отпадает. Состоящая из железа, углерода и кремния планета с массой, зафиксированной в ходе наблюдений за 55 Рака e, может иметь как раз тот радиус, который нам нужен. Значит, можно не только отбросить гипотезу о сверхкритичной воде, но и констатировать, что воды на 55 Рака e, возможно, нет совсем.

При обилии углерода в протопланетном диске кислород окажется во власти этого элемента, результатом чего станет формирование токсичного монооксида углерода. Кислорода, из которого при связывании с водородом могла бы образоваться вода, останется совсем немного. Поэтому даже во внешней планетной системе льда из воды может просто не быть. Торренс Джонсон, исследователь из Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, занимавшийся моделированием процесса образования планетезималей в богатых углеродом системах, как-то с сожалением заметил: «За снеговой линией, возможно, никакого снега и нет».

Отсутствие воды в планетной системе означает, что, даже если бы 55 Рака e находилась на орбите, обеспечивающей более благоприятный климат, из-за обилия углерода на ней бы не было условий для поддержания жизни в известной нам сейчас форме. Джонатан Лунин из Корнеллского университета, работавший вместе с Джонсоном, прокомментировал это наблюдение не без доли иронии: «Как это ни парадоксально, но когда углерода, главного элемента жизни, становится слишком много, он крадет кислород, необходимый для формирования воды — растворителя, без которого известные нам формы жизни просто немыслимы».

Если оставить в стороне отсутствие воды, какие еще особенности должны быть у углеродной планеты? Скорее всего, ее кора будет состоять из графита — вещества, из которого делают стержни для карандашей. В условиях высокого давления под поверхностью планет образуется алмазная мантия. Значительная часть углерода в мантии Земли также имеет форму алмазов, превращаясь в карбонаты при окислении в условиях более низкого давления в прилегающих к коре слоях. Почему же мы до сих пор не купаемся в бриллиантах? Причина в том, что общее количество углерода исключительно мало — менее 0,2%, в то время как на кислород приходится чуть больше 50%. На богатой углеродом планете алмазов будет столько, что в результате вулканической активности на ее поверхности должны разливаться настоящие реки этих сверкающих драгоценных камней.

Если бы на такой планете могло существовать вещество в жидкой форме, оно также было бы связано с углеродом — например, это могло бы быть море дегтя. Добавим также высокий уровень содержания моноксида и диоксида углерода в атмосфере и постоянно висящую в воздухе пелену смога из-за углеродных дождей. И это еще оптимистичный сценарий. Ведь на такой планете может вовсе не быть атмосферы.

Под поверхностью Земли безостановочно кипит работа. Кора планеты разделена на застывшие участки, которые называют тектоническими плитами. Под ними — мантия. Несмотря на кажущуюся монолитность, в масштабе геологического времени, измеряемого миллионами лет, мантия на самом деле движется как жидкость с чрезвычайно высокой вязкостью. Выступая в качестве своего рода конвейерной ленты, она заставляет перемещаться тектонические плиты. Когда две плиты расходятся, находящаяся под ними мантия выходит на поверхность и остывает, образуя новый участок коры. Там, где плиты соскальзывают друг под друга, старые более толстые участки коры начинают плавиться, в результате чего в таких переходных зонах часто образуются вулканы. Перемещения коры и мантии обеспечивают циркуляцию атмосферы и питательных веществ в пределах планеты, а также способствуют генерации магнитного поля. Но стоит заменить нашу мантию на алмазную, как эта важнейшая активность будет существенно затруднена.

Алмаз имеет очень высокую вязкость, то есть жидкостное трение, определяющее скорость течения материалов. Вязкость сиропа больше, чем вязкость воды, а вязкость алмазной мантии приблизительно в 5 раз больше вязкости силикатного слоя. На планете, где доля углерода превышает 3%, сдвинуть мантию настолько трудно, что рассчитывать на тектонические сдвиги не приходится — разве что на скрежет.

Из-за отсутствия тектонических процессов поверхность планеты превратится в неподвижный панцирь, что серьезно затруднит образование вулканов. На первый взгляд, в сокращении числа гор, которые могут взорваться в любой момент, нет ничего плохого. Но на самом деле планета лишается важного фактора формирования атмосферы. В итоге мы получаем инертное тело с горой драгоценных камней, но без воздуха.

Присутствие графита в коре также может способствовать чрезмерному нагреву поверхности планеты. Даже на такой же орбите, как у Земли, графит из-за своего темного цвета не сможет отражать солнечный свет — он будет его поглощать. Подобно огромному черному пикапу на открытой парковке где-нибудь во Флориде[12], планета будет нагреваться намного сильнее зелено-голубой Земли. А значит, даже если ей удастся каким-то образом заполучить океаны, удержать воду в жидкой форме на поверхности будет очень трудно.

Таким образом, даже соблазн перед красотой драгоценных камней вряд ли способен сделать углеродный мир привлекательным местом для жизни.

Не успела планета 55 Рака e официально прослыть углеродным адом, как само существование источника всех ее бед было поставлено под сомнение. Проблема в том, что измерить соотношение C/O (углерода к кислороду) не так-то просто. Дело в том, что вычисление содержания кислорода в звезде представляет собой особо сложную задачу.

Звезда состоит из невероятно горячего плотного ядра, окруженного чуть менее горячей атмосферой из разреженного газа. Температура солнечного ядра может достигать 15 000 000 °C и более, тогда как температура внешнего слоя звезды составляет 5500 °C. Эту внешнюю атмосферу звезды называют фотосферой. Температура фотосферы все еще достаточно высока, но уже не настолько, чтобы атомы не могли удерживать свои электроны. Эти электроны выстраиваются на лестнице неравноотстоящих энергетических уровней. Подвергаясь исходящему от ядра излучению, атомы поглощают длины волн с энергией, достаточной для перехода внешнего электрона на одну из более высоких энергетических ступеней. Поглощаемые длины волн зависят от занимаемых электронами энергетических уровней, а значит — от типа атома. Изучив свет звезды и определив, какие длины волн в нем отсутствуют, можно понять, какие атомы входят в ее состав.

Ситуация осложняется, когда два разных атома поглощают практически одни и те же длины волн. В этом случае их трудно отличить друг от друга, что приводит к неопределенности в оценке количества атомов обоих типов. Что касается измерения соотношения C/O для 55 Рака, проблема заключалась в том, что длина волны, обычно получаемая при измерениях для кислорода, была чрезвычайно близка к соответствующему значению для никеля. В 2013 г. был проведен повторный анализ собранных о звезде данных. На этот раз было решено не полагаться на разницу между основными длинами волн для кислорода и никеля, а провести сравнение трех разных длин волн, которые могу поглощать атомы кислорода, и теми, которые поглощают атомы никеля. Исследователи пришли к выводу, что соотношение C/O у данной звезды ниже первоначально полученного значения 1,12, а именно около 0,78. Углерод замещает кислород в соединениях кремния в том случае, если значение C/O в газе протопланетного диска составляет приблизительно 0,8. Таким образом, в вопросе о природе 55 Рака e возникла неопределенность. Чтобы узнать, является ли этот мир углеродным, требовались крайне сложные наблюдения.

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.

Рецепты из горных пород

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.

Мы пока не до конца понимаем, как именно геология влияет на характер планеты, но общий вывод очевиден: одинаковый с Землей размер и твердая оболочка еще не означают, что и во всем остальном планета будет походить на нашу.

Взрывоопасные находки

Природа 55 Рака e не дает покоя астрономам. Что это — углеродный мир с алмазной мантией или планета с богатой кремнием оболочкой, покрытой экзотическими морями, которые наполнены не жидкостью, но и не газом?

В 2016 г., когда группа исследователей из Кембриджского университета опубликовала результаты последних наблюдений, к перечню возможных ответов добавился еще один совершенно неожиданный вариант. Направив космический телескоп «Спитцер» на 55 Рака, астрономы изучили свет от звезды не только в момент прохождения 55 Рака e по ее диску, но и в момент нахождения планеты позади нее. В обоих случаях перекрытие звездой и планетой друг друга приводило к падению наблюдаемой светимости. Когда планета не находится ни перед диском звезды, ни за ним, наблюдаемый свет складывается из света звезды и тусклого излучения самой планеты. Во время прохождения планета заслоняет часть поверхности звезды, что приводит к падению светимости. При обратном явлении, то есть в тот момент, когда звезда заслоняет планету, фиксируется второе, менее заметное падение, связанное с отсутствием излучения планеты. Это второе прохождение называют покрытием, или вторичным затмением.

Источниками исходящего от планеты света являются отраженный свет звезды и собственное тепловое излучение планеты. Поскольку планета холоднее звезды, тепловая часть ее излучения находится в области спектра с большей длинной волн — инфракрасной, то есть той, на работу с которой изначально был нацелен «Спитцер». При наблюдении за изменением теплового излучения после исчезновения планеты из видимой области во время покрытия удалось измерить ее температуру.

В ходе наблюдений за покрытиями 55 Рака e в 2012 и 2013 гг. были получены высшей степени странные результаты: скачки теплового излучения могли достигать 300%. Расчеты показали, что температура на планете изменяется в диапазоне 1000–2700 °C, то есть почти на 2000 °C. Кроме того, падение светимости во время прохождения планеты перед звездой также не было постоянным: казалось, что поверхность планеты загораживала разное количество света, как если бы менялся ее размер.

Столь значительные колебания невероятно высоких температур натолкнули исследователей на очередную гипотезу: все дело в вулканах. При такой жаре должны плавиться практически все виды горных пород. То есть вместо океанов с необычной водой или дегтем поверхность этой планеты должна утопать в магме. Из жидкой коры в результате извержений в атмосферу должны выстреливать струи расплавленных горных пород.

Нечто подобное можно наблюдать и у нас. Наибольшая вулканическая активность в Солнечной системе отмечается на Ио, третьем по величине спутнике Юпитера. Струи магмы вылетают из жерл вулканов на высоту более 300 км над поверхностью спутника. На столь большом расстоянии от Солнца источником энергии для плавления нижней коры Ио и вулканической активности является приливный разогрев, обусловленный слегка эллиптической орбитой этого спутника[13]. Под воздействием изменения интенсивности гравитационного взаимодействия с Юпитером и соседними спутниками Европой и Ганимедом поверхность Ио деформируется с амплитудой до 100 м. Это в 200 раз больше разницы высот океанских приливов на Земле. В результате притяжения со стороны звезды и соседних планет орбита 55 Рака e также могла принять эллиптическую форму, а значит, планета также подвергается деформации, стимулирующей нарастание вулканической активности наряду с испепеляющим жаром звезды.

Если бы продукты вулканической активности выбрасывались высоко в атмосферу 55 Рака e, ее нижние слои не были бы видны извне. В этом случае для наблюдения были бы доступны более высокие, менее горячие части газовой оболочки планеты, а также формирующаяся при охлаждении выбросов шапка, а значит, были бы получены более низкие значения температуры. С ослаблением вулканической активности облака выбросов рассеются, и нижняя, более горячая часть атмосферы планеты снова будет видна. Поэтому зафиксированные колебания температуры могут объясняться вспышками вулканической активности. Изменения в величине падения светимости при прохождении планеты по диску звезды также могут быть вызваны присутствием в атмосфере вулканических выбросов. Наличие в воздухе значительного количества вулканического пепла препятствует проникновению света звезды, что и дает большее значение при измерении радиуса планеты.

Объяснить наблюдаемые изменения в значениях температуры и радиуса вулканической активностью можно только в том случае, если вулканы на 55 Рака e выбрасывают материал на высоту, недоступную ни одному вулкану в Солнечной системе. На высоте порядка 1300–5000 км над всей поверхностью планеты должны тянуться облака выбросов. Если это одно массивное облако, то поистине циклопических размеров — 10 000–22 000 км, то есть от 1 до 2 радиусов планеты. Для сравнения: облака выбросов на Ио простираются на 300–500 км, что составляет 16% — 27% радиуса этого спутника. Впрочем, памятуя о репутации 55 Рака e как планеты крайностей, ничего другого от нее ожидать и не следует.

Подтверждение гипотезы о вулканах также могло бы пролить свет и на строение планеты. Если допустить, что фактический радиус 55 Рака e совпадает с минимальным значением, полученным в ходе измерений (и соответствующим атмосфере без облаков выбросов), ее плотность окажется близкой к значению, соответствующему землеподобным недрам из железа и силикатов. Даже в этом случае она все равно будет очень мало походить на Землю: учитывая, что ее поверхность состоит из расплавленных горных пород, это будет мир жидкой лавы. В то же время вулканическая модель не исключает версию об углеродном мире или оболочке из сверхкритической воды. Чтобы проверить гипотезу, необходимо исследовать вулканические выбросы или атмосферу планеты.

Никку Мадхусудан, член команды исследователей из Кембриджского университета и главный поборник идеи о 55 Рака e как об углеродном мире, заметил: «Находить зацепки там, где не ждешь, — именно это и делает науку такой увлекательной. Последние наблюдения открывают новую главу в изучении каменистых экзопланет с использованием уже существующих и будущих больших телескопов».

Миры, покрытые лавой

Образ океана вулканической лавы, которым может оказаться 55 Рака e, обескураживает даже больше, чем окутанный смогом углеродный мир. Впрочем, это не первая планета, которую заподозрили в сходстве с преисподней.

В феврале 2009 г. появилось сообщение о прохождении новой планеты по диску звезды на расстоянии 489 световых лет в созвездии Единорог. Планета получила обозначение CoRot-7 b — в честь французского космического телескопа, с помощью которого она была открыта: COnvection, ROtation et Transits planétaires, что в переводе на русский означает «Конвекция, вращение и прохождения планет». Телескоп CoRot был спроектирован для поиска проходящих экзопланет на коротких орбитах с периодом обращения менее 50 дней. Обнаружив планету CoRot-7 b, он убедительно подтвердил свою эффективность. Новая планета совершает полный оборот вокруг своей звезды за 20 часов на расстоянии, не превышающем 4% расстояния от Меркурия до Солнца[14].

Объяснить плотность CoRot-7 b оказалось проще, чем плотность 55 Рака e. В том же году, когда было зафиксировано прохождение планеты, исследователи вычислили ее массу на основе измерений лучевой скорости. При массе CoRot-7 b чуть меньше 5 земных масс и радиусе 1,7 радиуса Земли плотность планеты составляет приблизительно 6 г/см^3. Данное значение чуть меньше того, которое должен иметь мир в 5 раз массивнее Земли с землеподобным железным ядром и силикатной мантией, но все же возможность сходства сохраняется, если допустить, что железо истощилось или радиус при наблюдении казался чуть больше фактического. Такая плотность определенно была слишком высокой для газовой планеты, что сделало CoRot-7 b первой подтвержденной планетой с твердой оболочкой за пределами Солнечной системы.

Опираясь на вывод о близком совпадении плотности CoRot-7 b с плотностью Земли, ряд изданий и организаций (включая, надо признать, и NASA) выступили с сообщениями о новом мире, называя его «самой похожей на Землю планетой» на тот момент. Впрочем, даже если с точки зрения состава планеты это утверждение и соответствовало действительности, то с учетом средней температуры на ее поверхности (около 2000 °C), сравнение с Землей казалось несколько натянутым. Если бы можно было постоять на ее поверхности, мы бы увидели звезду в 300 раз большего размера, чем Солнце на нашем небе. Однако постоять там вряд ли получится, ведь вместо твердой поверхности там должен быть океан расплавленной лавы. Таким образом, CoRot-7 b была не просто первым подтвержденным каменистым миром — она была еще и первым миром, покрытым лавой.

Покрытые лавой миры, такие как CoRot-7 b и 55 Рака e, располагаются так близко к своим звездам, что попадают в приливный захват. В таком состоянии планета всегда обращена к звезде одной стороной. Наша собственная Луна находится в приливном захвате с Землей. Поэтому нам видна только одна половина ее поверхности. Впервые люди увидели обратную сторону Луны только во время полета «Аполлона-8» — как раз тогда была сделана знаменитая фотография «Восход Земли».

Приливный захват случается в результате деформации планеты (или спутника) гравитацией звезды (или планеты). Испытывая мощное притяжение находящейся совсем близко звезды, сферическая планета принимает слегка вытянутую форму (форму мяча для игры в регби). При попытке вращения гравитация звезды будет притягивать выступающую область на ближайшей к ней стороне планеты. Из-за этого вращение планеты будет происходить таким образом, чтобы выступающая область всегда была обращена к звезде. В результате она оказывается в приливном захвате.

Гравитация планеты (или спутника) также может деформировать звезду (или планету). В случае CoRot-7 b по причине колоссальной разницы в размерах между планетой и звездой это обратное влияние остается слабым и незаметным. Напротив, притяжение, которое Луна оказывает на Землю, заставляет подниматься и опускаться сушу и моря, вызывая приливы. В результате деформации Земли под воздействием Луны в ее коре образуются приливные выступы высотой около 0,5 м.

Если орбита планеты не круговая, при движении по ней величина деформации, вызванной звездой, изменяется по мере уменьшения и увеличения силы притяжения. Это приводит к изгибанию, которое, в свою очередь, провоцирует вулканическую активность. Примерами таких тел могут служить Ио и 55 Рака e. Не исключено, что и с CoRot-7 b происходит то же самое вследствие присутствия второй планеты, находящейся на более удаленной орбите. Под влиянием старшего собрата орбита CoRot-7 b могла бы принять форму эллипса, что приводило бы к изгибанию планеты при приближении к звезде и удалении от нее. Тогда поверхность CoRot-7 b была бы похожа на поверхность 55 Рака e, представляя собой вулканический ад.

Чем больше расстояние от звезды до орбиты планеты, тем меньше степень приливной деформации. На определенном расстоянии сила притяжения, воздействующая на выступ, оказывается слишком слабой, чтобы тело попало в захват. Именно поэтому Земля не находится в приливном захвате с Солнцем. Если два обращающихся объекта близки по размеру, они могут находиться в приливном захвате относительно друг друга. Как раз это произошло с Плутоном и его самым крупным спутником Хароном — эти небесные тела смотрят друг на друга, как партнеры в румбе.

Планеты, попавшие в приливный захват со своими звездами, представляют собой двуликие миры, на одной половине которых царит нескончаемый день, а на другой — вечная ночь. Равномерность распределения тепла между дневной и ночной сторонами определяется характером планеты и интенсивностью циркуляции в атмосфере. Из-за огромного расстояния, отделяющего нас от CoRot-7 b, мы не можем зафиксировать ни саму ее атмосферу, ни какие-либо температурные колебания в ней. Если допустить, что тепло в атмосфере распределяется равномерно, то температура поверхности должна достигать приблизительно 1500 °C. Если перераспределение тепла не происходит, температура на дневной стороне может достигать значения 2300 °C, а на ночной опускаться до –220 °C. В последнем случае дневная половина планеты будет занята океаном лавы, а на ночной будет преобладать темный ландшафт из горных пород.

Из-за кипящих горных пород на дневной половине атмосфера планеты может быть разреженной. Ничего общего с нашим воздухом она иметь не будет, поскольку будет заполнена газом, образовавшимся при испарении горных пород. Когда на определенной высоте этот газ из твердых пород остынет и затвердеет, на поверхность обрушится град из булыжников. Тип булыжников будет зависеть от температуры, так как горные породы разного состава будут затвердевать на разной высоте. Весь процесс будет походить на работу гигантской ректификационной колонны — установки для выделения из сырой нефти различных компонентов за счет разницы в температурах конденсации. Вот только размером эта установка будет с планету. Брюс Фегли, специалист по химии планет из Вашингтонского университета, занимавшийся моделированием данного процесса, так описал его: «Вместо формирования водяных облаков с последующим выпадением капель воды в виде дождя вы получаете формирование “каменного облака”, из которого начинают сыпаться небольшие булыжники из горных пород разных типов». Таким образом, у CoRot-7 b, скорее всего, нет ни твердой поверхности, ни атмосферы с метеорологическими условиями, которые хотя бы даже отдаленно напоминали умеренные.

Через два года после объявления о CoRot-7 b свою первую каменистую планету обнаружил космический телескоп «Кеплер». Новый мир получил название Кеплер-10 b. При плотности, указывающей на землеподобные горные породы, он имел период обращения 20 часов. Два года спустя стало известно еще об одной тлеющей каменистой планете с периодом обращения всего лишь 8,5 часов — Кеплер-78 b. Обе они относились к классу планет, являющемуся подгруппой горячих суперземных (и меньшего размера) миров. По составу они походят на Землю, но их периоды обращения измеряются сутками, а их поверхность, представляющая собой, скорее всего, расплавленную вулканическую массу, не имеет ничего общего с ландшафтом нашей планеты. Несмотря на свою относительную немногочисленность, эти покрытые лавой миры вполне сгодились бы на роль ада в нашей Галактике. Однако миры земного типа далеко не единственные, чья отталкивающая чужеродность определяется необычным строением.

Белая планета

С самого начала наблюдения за Глизе 436 b астрономы столкнулись с той же проблемой, что и в случае с 55 Рака e: вычисленный ими радиус не подходил под значения массы, соответствующие известным типам вещества планетных недр. Планета находилась на расстоянии 33 световых лет в созвездии Лев, обращаясь вокруг звезды по короткой орбите с периодом 2,5 суток. Согласно данным наблюдений, ее масса превышала массу Нептуна на 30%, что соответствовало 23 массам Земли, а радиус почти совпадал с радиусом Нептуна, чуть не дотягивая до 4 радиусов нашей планеты. Таким образом, Глизе 436 b была слишком плотной для планеты с толстой водородно-гелиевой атмосферой, но недостаточно плотной для планеты с твердой оболочкой. Наиболее вероятной альтернативой казался горячий лед.

Как и в случае с гипотезой о наличии воды в составе 55 Рака e, сама мысль о том, что лед может существовать в условиях адского пекла на поверхности планеты, находящейся в 13 раз ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу (что соответствует 7% расстояния от Меркурия до Солнца), казалась по меньшей мере странной. Но при сжатии под высоким давлением, обеспечиваемым огромной массой планеты, могут образовываться необычные формы льда, которые остаются твердыми даже при температуре поверхности свыше 300 °C.

Чтобы получить количество льда, соответствующее ее большой массе, формирование Глизе 436 b должно было проходить за снеговой линией, после чего планета должна была переместиться во внутреннюю часть системы в результате миграции. При этом ее газовая оболочка должна была улетучиться под воздействием исходящего от звезды излучения. В итоге мы получаем планету с тонкой атмосферой вокруг ядра, состоящего изо льдов и горных пород. В еще одном варианте — со слоем не менее странной сверхкритической воды.

Но стоило только исследователям закрыть вопрос о природе Глизе 436 b, как появившиеся новые сведения заставили их вновь вернуться к нему. Повторный анализ данных о размере планеты показал, что Глизе 436 b на 20% больше, чем считалось ранее. При таком соотношении размера и массы ее уже можно было отнести к более привычному классу нептуноподобных газовых гигантов, окруженных толстой атмосферой.

На этом сюрпризы не закончились. Источником удивительной лазурной синевы Нептуна служит содержащийся в его атмосфере газ метан, молекула которого является результатом связывания атома углерода с четырьмя атомами водорода. Однако при наблюдении с помощью телескопа «Спитцер» в атмосфере планеты был зафиксирован монооксид углерода и очень небольшое количество метана. Это стало загадкой, так как считается, что в толстой атмосфере газового гиганта должно быть много водорода, из которого при взаимодействии с атомами углерода должен образовываться метан. Несмотря на присутствие кислорода, при обычных для такой атмосферы температурах углерод должен участвовать главным образом в образовании метана. Вместо этого на Глизе 436 b углерод взаимодействовал преимущественно с кислородом, из-за чего метана в атмосфере планеты обнаруживается в 7000 раз меньше прогнозируемого значения. Какова же причина?

Было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот феномен. Возможно, в атмосфере планеты есть метан, но его спектральные признаки оказались размыты из-за исключительно высокого содержания других, более тяжелых молекул. Но тогда плотность Глизе 436 b должна быть выше значения, полученного в результате измерений. Наконец, в 2015 г. было высказано новое предположение: а что, если водорода на этой планете просто не было?

Суть идеи в том, что первоначально доля водорода в атмосфере Глизе 436 b была вполне обычной, но впоследствии из-за близости к звезде газ улетучился. Водород — самый легкий элемент, а значит, ему проще, чем любому другому газу, покинуть атмосферу планеты. Поэтому он улетучился, тогда как более тяжелые элементы были удержаны гравитацией планеты. Не имея возможности соединяться с водородом, находящийся в атмосфере углерод вступал во взаимодействие с кислородом, образуя диоксид углерода. С другой стороны, в отсутствие водорода главным компонентом атмосферы должен был стать гелий. В условиях обилия гелия планета должна была трансформироваться в нечто не похожее ни на один из миров Солнечной системы.

Учитывая многочисленность нептуноподобных планет вблизи звезд, гелиевые планеты могут быть довольно распространенным явлением. Варианты эволюции горячих газовых планет не ограничиваются полной потерей или полным сохранением атмосферы — некоторые из них могут потерять только водород, как это произошло с Глизе 436 b. Причем процесс избавления от водорода может продолжаться около 10 млрд лет, то есть в два раза больше возраста Солнечной системы. В таком случае гелиевые планеты — это дряхлые скитальцы на просторах нашей Галактики. У них не будет синего оттенка, как у Нептуна.

Из-за присутствующего в их атмосфере гелия они должны быть белого цвета. Итак, в экзопланетном паноптикуме появился очередной необычный экспонат. В 2015 г. планетолог Сара Сигер, один из авторов статьи, в которой выдвигается гипотеза о гелиевой атмосфере Глизе 436 b, заметила: «Наверное, где-то там, далеко на просторах Вселенной, найдется любая планета, которую можно только себе представить. Нужно только чтобы ее существование не противоречило законам физики и химии. Среди планет наблюдается такое невероятное разнообразие масс, размеров и орбит, что мы вполне можем допустить, что это верно и в отношении атмосфер экзопланет».

Вскоре наблюдения за 55 Рака e подтвердили правоту этого утверждения.

Планета без атмосферы

В 2016 г. члены группы исследователей из Кембриджа, выступившей с гипотезой о вулканическом ландшафте на 55 Рака e, провели тщательный анализ данных, полученных телескопом «Спитцер». На этот раз они решили не просто сравнить падение теплового излучения при прохождении планеты за звездой, а проследить за тусклым проявлением теплового излучения планеты на всем протяжении ее орбиты. Учитывая, что 55 Рака e всегда повернута к звезде одной и той же стороной, ее ночную сторону можно наблюдать в телескоп в середине прохождения по диску звезды. Дневной стороной планета поворачивается к наблюдателю непосредственно перед тем, как нырнуть за звезду. В результате наблюдения были зафиксированы две совершенно разные температуры.

Температура на дневной стороне планеты составляла приблизительно 2500 °C, то есть находилась где-то посередине между минимальным и максимальным значениями средней температуры, зафиксированными к тому моменту астрономами. На ночной стороне температура была 1400 °C, то есть ниже на 1100 °C. Даже при таком значении ночная сторона остается вполне себе тепленьким местечком, но сама по себе огромная разница температур указывала на очень плохой теплообмен на поверхности планеты. Горячее на 55 Рака e оставалось горячим, а холодное — холодным.

Колоссальный разрыв температур свидетельствовал об отсутствии у 55 Рака e атмосферы. Столь значительные температурные колебания должны приводить к формированию в газовой оболочке ветров, обеспечивающих перенос тепла на ночную сторону. Вероятно, когда-то у этой планеты была атмосфера, но из-за чрезвычайно короткой орбиты она лишилась ее.

Однако астрономы заметили еще одну аномалию, отчасти противоречащую этому выводу. Оказалось, что самая горячая точка на поверхности планеты расположена не точно посередине дневной стороны, а ближе к востоку. Это указывало на наличие на планете по крайней мере одного механизма, способного обеспечить перенос тепла. Одним из возможных кандидатов на эту роль стала лава. Если 55 Рака e действительно покрыта лавой, то расплавленные горные породы могут перемещаться на дневную сторону, смещая точку максимального нагрева. При попадании на ночную сторону горные породы затвердевают, что препятствует дальнейшей циркуляции.

Такая картина полностью соответствовала данным о 55 Рака e: мир, покрытый расплавленной лавой, без атмосферы, с двумя полушариями с разницей температур свыше 1000 °C — одно купается в обжигающих лучах звезды, второе окутано вечной тьмой. Конечно, паковать чемоданы ради визита туда вряд ли стоит[15], но, по крайней мере, нарисованное астрономами полотно выглядело законченным. Точнее, его можно было бы назвать законченным, если бы всего за несколько недель до того телескоп «Хаббл» не обнаружил на планете атмосферу.

Как и внешние слои звезды, атомы в атмосфере планеты поглощают свет. Если в лучах звезды, проходящих у поверхности планеты, отсутствуют волны определенной длины, то можно, как по отпечаткам пальцев, восстановить состав окружающих планету газов. Из-за небольшого размера и недостаточной толщины слоя газов изучение атмосферы планеты с твердой оболочкой — задача не из простых. Единственный шанс решить ее — наблюдать за прохождением планеты перед поверхностью яркой близкой звезды. Прежние попытки обнаружить атмосферу, которые предпринимались при наблюдении за двумя другими суперземлями, успехом не увенчались. Но в феврале 2016 г. исследователям наконец улыбнулась удача. В данных о планете 55 Рака e, полученных с помощью телескопа «Хаббл», были выявлены первые следы атмосферы этой суперземли.

Главный вопрос, ответ на который мог бы дать перечень отсутствующих в спектре длин волн (а значит, и представление об атмосфере планеты): как вообще на 55 Рака e поддерживается разница температур в 1100 °C? Ведь проносящиеся над ее поверхностью ветры должны перераспределять тепло между раскаленной дневной стороной и более «прохладной» ночной. Одно из возможных объяснений звучит так: атмосфера 55 Рака e — односторонняя.

Идея о том, что вся атмосфера планеты может быть сосредоточена на одной ее стороне, кажется даже более безумной, чем гипотеза о горячем льде или газообразно-жидкой воде. Впрочем, она бы имела право на жизнь, если бы атмосфера состояла из газа, конденсирующегося при попадании на менее горячую ночную сторону. В этом случае дневная сторона планеты была бы окружена парами, которые бы выпадали в виде осадков по мере остывания на ночной половине.

Например, такая атмосфера может быть заполнена испарившимися горными породами. Если часть расплавленной лавы испаряется в атмосферу на дневной стороне, на ночной она, конденсируясь, будет возвращаться в твердое состояние. Сам факт того, что подобная возможность рассматривается, еще раз доказывает невероятную степень нагрева покрытых лавой миров. Предложенная гипотеза может даже объяснить необычное положение эпицентра температуры на дневной стороне планеты: его сдвиг может быть обусловлен процессами в атмосфере, а не активностью потоков лавы.

Но все эти предположения разбились о вывод, сделанный на основе полученных «Хабблом» данных. Выяснилось, что в атмосфере планеты преобладают водород и гелий, что само по себе было неожиданностью — ведь легкие газы испаряются быстрее других элементов. Никто не думал, что эти первичные газы до сих пор присутствуют на 55 Рака e. И без того длинный список тайн планеты пополнился еще одной загадкой. К тому же, если данные газы присутствуют в атмосфере, тогда они должны сохранять газообразную форму даже при очень низких температурах. Поэтому ничто не должно мешать циркуляции между двумя полушариями 55 Рака e.

Единственной зацепкой, полученной «Хабблом», стало обнаружение цианистого водорода. Это вещество, которое в жидкой форме часто фигурирует в романах Агаты Кристи в качестве излюбленного оружия отравителей, образуется при соединении атомов водорода, углерода и азота. Возможно, как раз этот газ влияет на циркуляцию в атмосфере планеты, но как именно он это делает, пока никто не знает.

Стоит отметить, что присутствие цианистого водорода проливает некоторый свет на состав 55 Рака e. В большом объеме такая комбинация водорода, углерода и азота может присутствовать только в атмосфере богатой углеродом планеты. Таким образом, мы вновь возвращаемся к гипотезе о 55 Рака e как об углеродном мире. Если она верна, то — на тот случай, если кого-то продолжает манить сияние алмазной мантии, — мы можем добавить к перечню жутких характеристик планеты еще и чрезвычайно ядовитую атмосферу.

Внешность обманчива, и история изучения 55 Рака e это наглядно демонстрирует. Леденящие кровь догадки о характере среды на ее поверхности показывают, что сопоставимые с Землей размеры и наличие солнцеподобной звезды еще не делают далекую планету похожей на нашу. Если вы думаете, что ничего более странного уже быть не может, вы глубоко заблуждаетесь. Тип звезд, к которому относится Солнце, далеко не единственный в Галактике. Наша звезда хотя бы еще жива.

Глава 8. Миры вокруг мертвых звезд

Бывает, что человек, не получивший Нобелевскую премию, становится более известен, чем если бы он ее получил. Пожалуй, самый яркий пример — астрофизик Джоселин Белл Бернелл. Лето 1967 г. она провела за очень необычным занятием: вместе с несколькими другими исследователями Джоселин занималась монтажом огромного радиотелескопа из 2048 радиоантенн на поле размером с 57 теннисных кортов. Белл Бернелл была аспирантом Кембриджского университета и планировала использовать эту установку в качестве источника данных для своей диссертации. В итоге молодая исследовательница не просто написала диссертацию, но совершила открытие, сделавшее ее одной из самых заметных фигур в мире астрофизики.

Анализируя получаемые с телескопа данные, Белл Бернелл обратила внимание на необычный сигнал. Он представлял собой радиоимпульсы, которые повторялись ровно через 1,337 секунды. Повторялись они с такой феноменальной точностью, что в какой-то момент у Белл Бернелл и ее научного руководителя Энтони Хьюиша даже возникла мысль о возможной связи с внеземной жизнью. Регулярность пульсации была едва ли не точнее атомных часов, что, казалось, указывало на искусственное происхождение ее источника, на стоящую за ним развитую внеземную цивилизацию. Для обозначения неведомого объекта Белл Бернелл и Хьюиш использовали аббревиатуру LGM-1, составленную по первым буквам словосочетания Little Green Men, «маленькие зеленые человечки».

Вскоре Белл Бернелл обнаружила точно такой же сигнал, поступавший с другого участка неба. От идеи о маленьких зеленых человечках пришлось отказаться. Расстояние между источниками сигнала было так велико, что они просто не могли быть частью одной цивилизации, тогда как полное совпадение характера сигналов исключало предположение о двух абсолютно разных формах жизни. Впоследствии Белл Бернелл рассказала, что испытала чувство облегчения, когда пришла к выводу об ошибочности идеи о маленьких зеленых человечках. Как раз тогда подходил к концу срок ее аспирантуры — не самое подходящее время для размышлений об инопланетной жизни. Но что тогда это было? Какой объект мог соревноваться в точности с атомными часами? Оказалось, что это была мертвая звезда.

Любая звезда постоянно стремится сжаться под действием собственной гравитации, но этому препятствует выделение тепла в результате горения вещества в ее недрах. Поглощая эту энергию, атомы, из которых состоит звезда, переходят в возбужденное состояние и начинают сопротивляться коллапсу. Применительно к звездам термин «горение» означает не химическое горение, знакомое нам всем по кострам в турпоходах, а слияние легких атомов в более тяжелые. Этот процесс называют термоядерным синтезом.

Благодаря меньшей силе отталкивания положительных зарядов ядер легкие атомы более склонны к синтезу, чем тяжелые. Вот почему в звездах начинается слияние атомов водорода в гелий. Чтобы эта реакция состоялась, она должна протекать при умопомрачительно высоких температурах, способных обеспечить такую скорость столкновения атомов, которой будет достаточно для преодоления электрического отталкивания. Температуры солнечного ядра, достигающей 15 млн градусов, для этого достаточно. Из-за большей атомной массы образовавшийся гелий опускается к центру звезды, оставляя водороду пространство для продолжения синтеза во внешней оболочке. Как только у звезды заканчивается топливо, верх одерживает гравитация. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.

В случае со звездой, похожей на наше Солнце, тяжелое гелиевое ядро сжимается под действием собственной более мощной гравитации. Температура повышается, и звезда начинает раздуваться в размерах. По мере расширения внешние слои остывают, испуская свет красного оттенка. Поэтому такую звезду называют красным гигантом. В итоге температура в ядре достигает 100 млн градусов, и начинается термоядерная реакция превращения гелия в углерод. Более тяжелый углерод опускается ниже гелия, образуя еще более плотное ядро. Массы звезды вроде нашего Солнца недостаточно, чтобы обеспечить повышение температуры при сжатии углеродного ядра до значения, при котором начнется слияние ядер углерода. Вместо этого под воздействием тепловой энергии ядра внешние слои умирающей звезды рассеиваются, оно теряет половину своей массы и сжимается до размеров Земли. Такую звезду называют белым карликом.

Финальная стадия эволюции звезды массой более 8 масс Солнца (или солнечных масс) протекает гораздо драматичнее. Благодаря большей массе степень сжатия ядра достигает значений, обеспечивающих горение углерода, а затем и более тяжелых элементов. Дойдя до железа, реакции синтеза прекращаются, так как слияние ядер атомов железа сопровождается не выделением энергии, а ее поглощением. То есть звезда не получает никакого нового импульса от горения. Не имея возможности продолжать генерировать энергию, звезда перестает сопротивляться коллапсу — в результате гравитация побеждает, и звезда схлопывается. Образовавшаяся ударная волна вызывает термоядерный синтез практически всех элементов, и звезда взрывается. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой.

При достаточной массе оставшегося после взрыва сверхновой ядра гравитация превращается в неудержимую силу, которая заставляет остатки звезды коллапсировать до тех пор, пока из ловушки гравитационного притяжения будет не в состоянии вырваться даже свет. Так образуется черная дыра. Если после взрыва остается ядро массой 1,4–3 солнечных массы, процесс не может завершиться образованием черной дыры. Вместо этого под действием гравитации ядро сжимается так сильно, что электроны в атомах соединяются с протонами, образуя нейтроны. В результате появляется горячая головня без оболочки — нейтронная звезда — самый плотный класс звезд во Вселенной.

Если диаметр этих трупов звезд уменьшается с миллионов километров до примерно 10–20 км, то их масса превышает массу Солнца более чем на 40%. От поверхности до ядра они состоят из насыщенных нейтронами атомных ядер. При этом доля нейтронов увеличивается с увеличением глубины до тех пор, пока ядерная структура не распадается, превращаясь в подобие супа из нейтронов. На Земле кусочек нейтронной звезды размером с кубик сахара весил бы более 100 млн т — больше, чем все население нашей планеты (правда, нам пришлось бы сильно потесниться).

Несмотря на уменьшение радиуса нейтронной звезды, в результате которого она сжимается до размеров небольшого городка, количество ее вращения остается прежним. Результат можно сравнить с тем, что будет происходить, если вы раскрутитесь в офисном кресле и начнете подтягивать руки к груди, продолжая кружиться. В обоих случаях скорость вращения возрастет[16]. В случае нейтронной звезды, подвергшейся колоссальному сжатию, время обращения уменьшается до считанных секунд.

Хотя нейтронная звезда состоит преимущественно из нейтральных нейтронов, в ней остается около 10% заряженных протонов и электронов, которые обеспечивают сохранение ее магнитного поля[17]. В результате коллапса поле сжимается, становясь в триллионы раз сильнее поля Земли. Магнитное поле вспарывает поверхность вращающейся звезды и вытягивает оставшиеся протоны и электроны из коры, направляя их вдоль силовых линий к магнитным полюсам. Лавируя при движении по силовым линиям, заряженные частицы испускают радиоволны вместе с мощным рентгеновским излучением, гамма-излучением и видимым светом. Там, где силовые линии магнитного поля сходятся на полюсах, излучение собирается в пучки, которые распространяются по космосу вместе с ветром из заряженных частиц.

Северный и южный полюсы магнитного поля могут не совпадать с осью вращения звезды. Именно так обстоит дело на Земле: ось магнитного поля нашей планеты наклонена на 11 градусов к ее оси вращения. Из-за этого смещения пучки излучения нейтронной звезды разлетаются в разные стороны от звезды, словно луч света от вращающегося маяка. Если траектория движения пучка проходит через Землю, при каждом обороте нейтронной звезды до нашей планеты добираются регулярные импульсы излучения. Именно эти импульсы и обнаружила Белл Бернелл, прозвав их «маленькими зелеными человечками».

Беря интервью у Белл Бернелл в 1968 г., научный корреспондент The Daily Telegraph поинтересовался у исследовательницы, как следует называть эти странные мерцающие объекты. Сам он предложил называть их пульсарами по аналогии с квазарами — теми яркими, но не пульсирующими источниками радиоизлучения, которые Белл Бернелл собиралась изучать с помощью выстроенного ею телескопа. Этот вариант вошел в научный обиход и стал повсеместно использоваться в качестве названия нового типа астрономических объектов.

Выяснив, что источником импульсов является быстро вращающийся пульсар, Белл Бернелл и Хьюиш решили переименовать загадочный объект, заменив аббревиатуру LGM-1 на CP 1919, где буквы CP — сокращение от Cambridge Pulsar («кембриджский пульсар»), а цифры 1919 указывают на угловое расстояние от нулевой точки на небесном экваторе в восточном направлении. Позже она получила свое нынешнее официальное обозначение — PSR B1919+21, где PSR означает пульсирующий источник радиоизлучения (Pulsating Source of Radio), дополнительные цифры 21 указывают на то, что склонение объекта к северу от небесного экватора составляет 21 градус, а буква B сообщает о формате записи координат.

В 1974 г. Хьюиш получил Нобелевскую премию по физике за открытие пульсаров. Тот факт, что вклад Белл Бернелл в это открытие не получил признания, долгое время оставался предметом дискуссии, хотя сама Белл Бернелл приняла его с достоинством, так прокомментировав решение: «Полагаю, не получив Нобелевскую премию, я получила даже больше!» За свою карьеру она была удостоена множества других престижных премий и наград. В Великобритании она занимала должность президента Королевского астрономического общества и президента Института физики. Тем временем изучение пульсаров приводило к результатам, которые выглядели все более и более странно.

В конце 1970-х гг. всего лишь в нескольких градусах от открытого Белл Бернелл и Хьюишем пульсара был обнаружен еще один радиоисточник. Учитывая его невероятно компактные размеры, исследователи решили, что это новый пульсар. Однако все попытки зафиксировать характерное для пульсаров мерцание ни к чему не привели. Казалось, объект испускал не импульсный сигнал, похожий на вспышки маяка, а непрерывный поток радиоволн.

Подозревая, что при огромной скорости вращения пульсара могут возникнуть трудности с фиксацией его мерцания, в марте 1982 г. исследователи предприняли еще одну попытку. На этот раз их мишенью стали пульсары с периодами вращения до 4 миллисекунд (то есть 250 оборотов в секунду). Самый быстрый из известных к тому времени пульсаров находился в Крабовидной туманности. Его период вращения составлял 33 миллисекунды. Таким образом, результатом новых поисков должны были стать объекты, вращающиеся в 10 раз быстрее. Однако вплоть до осени никаких признаков характерных для пульсаров мерцаний обнаружено так и не было.

Наконец появилось сообщение об импульсном сигнале, зарегистрированном радиотелескопом в Аресибо на острове Пуэрто-Рико. 305-метровая тарелка этой обсерватории пользовалась большой популярностью у кинематографистов: именно с помощью нее искали внеземную жизнь герои экранизации романа Карла Сагана «Контакт»; и она же была эффектно взорвана в финале одной из серий бондианы «Золотой глаз». При сканировании неба с частотой в полмиллисекунды в 1982 г. огромной антенне обсерватории все-таки удалось обнаружить повторяющие импульсы, исходившие от пульсара-рекордсмена. Период вращения нового объекта составлял 1,558 миллисекунды, что соответствует ни много ни мало 642 оборотам в секунду. Это было в 20 раз быстрее пульсара в Крабовой туманности. Так был поставлен рекорд скорости вращения пульсара, который продержался еще четверть столетия.

Хотя открытие миллисекундного пульсара позволило ответить на вопрос о необычном источнике радиоизлучения, оно породило целый ворох новых проблем. Поскольку пульсары непрерывно испускают энергию в форме радиоволн и прочих видов излучения, с течением времени они постепенно замедляются. Поэтому молодые пульсары вращаются быстрее старых. Из этого должно было следовать, что, раз миллисекундный пульсар был самым быстро вращающимся из всех когда-либо наблюдавшихся, он должен был быть совсем молодым. Но данные говорили об обратном.

Если бы пульсар был обнаружен вскоре после рождения, вокруг него должны были бы присутствовать признаки взрыва гигантской сверхновой звезды, в результате которого она должна была бы сбросить свои внешние слои. Выброшенный умирающей звездой газ — так называемый остаток сверхновой — обычно виден в течение более чем 10 000 лет. Например, Крабовидная туманность — остаток от взрыва сверхновой звезды, превратившейся в пульсар. По оценкам, ее возраст составляет 960 лет. Новый миллисекундный пульсар должен быть намного моложе, но никаких признаков газового остатка вокруг него нет.

Еще более странным было то, что пульсар замедлялся недостаточно быстро. Согласно моделям изменения скорости пульсара, молодые пульсары должны терять скорость стремительно, а такой заводной волчок, как миллисекундный пульсар, должен затухать и того быстрее — всего лишь за несколько лет. Измерения скорости замедления пульсара показали, что она была намного ниже ожидаемой, а возраст объекта составляет 230 млн лет. То есть он был намного старше всех известных на тот момент пульсаров. Как мог пульсар, испускающий энергию в космос, быть одновременно и самым быстрым и самым старым? Как выяснилось впоследствии, все дело было в том, что он поглотил своего компаньона.

История миллисекундных пульсаров начинается с пары звезд, обращающихся вокруг общего центра масс в составе двойной системы. Удерживаемые вместе взаимным тяготением, эти звезды не похожи друг на друга: одна из них намного массивнее другой. Большой размер не прибавляет здоровья звезде, так как дополнительная масса ускоряет процесс сжигания запасов ядерного топлива. Поэтому более массивный из двух компонентов первым достигает конца обычного для звезд жизненного цикла и взрывается как сверхновая. Когда совсем рядом происходит взрыв такой колоссальной мощности, меньшая звезда рискует быть разорванной на кусочки. Но если ей все-таки удается выжить, она оказывается в паре с нейтронной звездой.

Несмотря на крошечный размер, нейтронная звезда остается невероятно тяжелой. Поэтому вторая звезда в системе продолжает испытывать на себе ее гравитационное притяжение, и обе они по-прежнему обращаются вокруг общего центра масс. Если магнитные полюсы нейтронной звезды оказываются направлены в сторону Земли, пучки ее радиоизлучения попадают по нашей планете и регистрируются как пульсар. Со временем пульсар начинает замедляться. Приблизительно за 100 000 лет радиосигнал пульсара ослабевает настолько, что обнаружить его уже невозможно. И пульсар замолкает. Однако масса пульсара при замедлении не меняется, так что ее звезда-компаньон продолжает движение по той же орбите. Но теперь уже она сама также приближается к концу своего жизненного пути.

Вокруг каждой из звезд есть участок пространства, в котором ее притяжение преобладает над притяжением звезды-компаньона — полость Роша. По сути, это понятие, схожее с понятием сферы Хилла, — для тех случаев, когда массы рассматриваемых объектов сопоставимы. По форме полости Роша похожи на слезинки, которые сходятся в одной точке своими узкими концами, а не на сферы вокруг звезд. В точке схождения гравитационные силы двух звезд уравновешивают друг друга подобно перемычке между двумя горными долинами. Достаточно сделать один шаг по направлению к одной из звезд — и ее гравитация притянет вас к ней. Сдвиньтесь в обратном направлении — и теперь уже ее компаньон затащит вас к себе.

Когда в меньшей из двух звезд заканчивается водород, она раздувается и превращается в красный гигант. Радиус звезды становится настолько большим, что она выходит за пределы своей полости Роша и втягивается в область притяжения нейтронной звезды. Этот выход за границы повторяет механизм образования хтонических суперземель из горячих юпитеров, описанный в шестой главе.

Как только внешние слои красного гиганта наваливаются на нейтронную звезду, она получает толчок, который приводит к еще большему ускорению ее вращения. Под влиянием дальнейшего притока вещества красного гиганта-компаньона скорость вращения нейтронной звезды вырастает до невероятных значений, измеряемых миллисекундами. Соприкасаясь с поверхностью нейтронной звезды, вещество нагревается до колоссальных температур, достигающих 10 млн градусов. Такое фантастически горячее вещество испускает не инфракрасное, а более высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Для обозначения источников такого излучения, фиксируемого на Земле, используют промежуточный термин маломассивные рентгеновские двойные системы.

В конце концов нейтронная звезда полностью вытягивает внешние слои красного гиганта, который превращается в белый карлик, обращающийся вокруг миллисекундного пульсара. Чтобы обратить внимание на главную особенность миллисекундных пульсаров, а именно увеличение скорости вращения в результате воздействия внешнего объекта, их называют раскрученными пульсарами. Точность, с которой они испускают импульсы, еще выше, чем у обычных пульсаров. Степень точности настолько велика, что на нее может повлиять даже крошечный объект. И последствия этого влияния можно наблюдать.

Самая первая экзопланета

51 Пегаса b часто называют первой экзопланетой, открытой астрономами. В действительности этот горячий юпитер был первой планетой, найденной в системе с солнцеподобной звездой. Статус самой первой экзопланеты, обнаруженной людьми, делят два мира, обращающиеся вокруг миллисекундного пульсара PSR B1257+12.

История открытия PSR B1257+12 необычна тем, что началась она не с ввода в строй новейшего телескопа, а с поломки старого. В 1990 г. возникла необходимость провести ремонтные работы на радиотелескопе «Аресибо» — том самом, с помощью которого был найден первый миллисекундный пульсар. Незадолго до того в его конструкции были обнаружены трещины. Брать на себя риск эксплуатации неисправного телескопа никто не собирался, особенно после одного инцидента: за несколько лет до того из-за повреждения элементов конструкции произошло обрушение 90-метрового радиотелескопа в американском городке Грин-Бэнк. «Аресибо» мог продолжать работу и во время ремонта. Единственное ограничение было связано с тем, что он должен был оставаться в одном положении, то есть он не мог поворачиваться вслед за объектом, отслеживаемым в ночном небе. В результате перечень проектов, в которых он мог использоваться, существенно сузился, и спрос на услуги телескопа сильно упал. Но нашелся человек, который понял, как извлечь максимальную пользу из этого вынужденного простоя. Им стал работавший на «Аресибо» польский астроном Александр Вольщан. Он планировал провести обзорную съемку неба с целью обнаружения миллисекундных пульсаров. Для реализации этого плана потребовалось бы в течение месяца использовать почти треть мощности самого большого на тот момент телескопа в мире. В обычных обстоятельствах его заявку просто бы отклонили. Однако, учитывая падение спроса на телескоп и то, что Вольщан уже работал с ним, ему выделили время.

Так Вольщан обнаружил два новых пульсара. Первый был частью двойной системы с еще одной нейтронной звездой. Поначалу именно он показался исследователю более интересным, но затем Вольщан обратил внимание на аномальный период вращения второго пульсара.

Обнаруженный Вольщаном пульсар PSR B1257+12 стал пятым известным нам миллисекундным пульсаром. Его период вращения составлял 6,2 миллисекунды, что соответствовало 161 оборотам в секунду. Но когда Вольщан пытался спрогнозировать частоту, с которой этот источник радиоизлучения должен быть виден на Земле, у него ничего не получалось. Это было особенно странно, учитывая, что он имел дело с миллисекундным пульсаром. Раскручиваясь при взаимодействии со своим компаньоном, такие старые нейтронные звезды подвержены внешним воздействиям в меньшей степени, чем их более молодые или медленные собратья. Возможно, эта аномалия объяснялась орбитой пульсара. При вращении двух звезд в одной системе расстояние до Земли будет слегка колебаться, а вместе с ним — и частота регистрируемых импульсов. Однако наблюдение показывало, что никакого компаньона рядом с пульсаром не было (что само по себе было странно для раскрученного пульсара), а колебания частоты сигнала от него казались слишком незначительными, чтобы их причиной могло быть взаимодействие с соседом размером со звезду. Гипотеза о наличии менее крупного компаньона также не имела никакого смысла, так как в фазе красного гиганта в эволюции пульсара такой объект просто бы испарился или был бы выброшен из области действия гравитации пульсара вследствие уменьшения массы при взрыве сверхновой.

Вольщан предположил, что проблема заключалась в неточном определении местоположения пульсара. Если эти данные были неверны, то и результаты расчетов расстояния до Земли также должны были быть неправильными. Наличие такой ошибки привело бы к изменению ожидаемого времени поступления радиоимпульсов и тем самым свело на нет все расчеты Вольщана. Чтобы получить более точные данные, Вольщан обратился за помощью к Дейлу Фрейлу из Национальной радиоастрономической обсерватории США, работавшему на телескопе с изобретательным названием «Сверхбольшая антенная система» (Very Large Array, сокращенно — VLA). Телескоп VLA находится в штате Нью-Мексико и состоит из 27 отдельных параболических антенн, образующих в плане гигантскую букву Y. Благодаря обобщению данных с разных антенн обеспечивается исключительно высокая точность измерений.

Пока Фрейл занимался уточнением местоположения пульсара, мировые СМИ взорвала сенсационная новость об обнаружении планеты рядом с еще одним пульсаром. 26 июля 1991 г. вышел очередной выпуск журнала Nature, на обложке которого красовалось сообщение об открытии «первой планеты за пределами нашей Солнечной системы».

Открыли новую планету британские астрономы Эндрю Лин и Мэттью Бейлс, которым помогал аспирант Сетнем Шемар. Их находка располагалась рядом с пульсаром PSR B1829–10, относившимся к классу обычных пульсаров, на расстоянии 30 000 световых лет в созвездии Щит. Судя по колебаниям излучаемого пульсаром сигнала, планета-компаньон имела массу, равную 10 массам Земли, и период обращения около 6 месяцев.

Вольщан воспринял эту новость со смешанными чувствами. Теперь, когда возможность существования планет вокруг пульсаров была практически доказана другими, у него возникло ощущение, что он только что упустил свой шанс войти в историю. Не были ли планеты также и причиной странного движения PSR B1257+12? Он считал это объяснение одним из возможных, но к тому моменту не располагал достаточными данными, чтобы заявить об этом.

Новость об открытии экзопланеты дошла и до Фрейла. Он отправил Вольщану по факсу новые уточненные данные о координатах их миллесекундного пульсара, полученные при наблюдении с помощью VLA, сопроводив их шутливым напутствием: «Только не вздумай найти там какие-нибудь планеты!» Скорректировав исходную модель с учетом новых данных, Вольщан все-таки был вынужден сообщить коллеге в ответном письме о том, что они только что нашли две. Масса каждой из планет составляет приблизительно 4 массы Земли. Они обращаются вокруг пульсара чуть ближе и чуть дальше, чем Меркурий вокруг Солнца, по слегка вытянутым эллиптическим орбитам с периодами 67 и 98 суток. Учтя воздействие этих планет, Вольщан получил полноценную модель, в которую идеально укладывалась частота излучения пульсара.

Известие о двойной находке просочилась в газеты еще до публикации Вольщаном и Фрейлом официального сообщения об открытии. 29 октября 1991 г. в британской газете The Independent появилась заметка, намекавшая на обнаружение двух новых миров вокруг пульсара. В качестве источника информации назывался Лин. Автор статьи был осторожен в выводах относительно открытия и писал: «Профессор Вольщан не был готов рассказать о своем исследовании из опасения, что это может поставить под вопрос возможность публикации результатов в научном журнале. Кроме того, он подчеркнул, что другие астрономы пока не имели возможности изучить его расчеты». За статьей в The Independent последовала еще одна, опубликованная в журнале New Scientist за 14 декабря 1991 года. Несмотря на более уверенный тон в оценке открытия, в этой короткой заметке было представлено удивительно сдержанное описание первых планет, обнаруженных человеком за пределами Солнечной системы. Нарочитая скромность в оценках, возможно, объяснялась скептическим отношением к самой возможности существования столь странных объектов или нежеланием делать громкие заявления до появления статьи в научном рецензируемом издании. Несмотря на опасения Вольщана, их совместная с Фрейлом публикация появилась в номере Nature за 9 января 1992 года. Таким образом, они официально объявили об обнаружении двух планет рядом с PSR B1257+12.

Статья увидела свет накануне зимней сессии Американского астрономического общества — одного из главных событий в календаре астрономического сообщества. В тот год сессия должна была пройти в Атланте в США. В программу были включены доклады обеих групп исследователей, открывших планеты у пульсаров. Выступать они должны были друг за другом. Планировалось, что сначала Лин расскажет об открытии первой экзопланеты, затем Вольщан выступит с отчетом о своей паре планет. Но рассказ Лина оказался совсем не таким, как ожидалось. Стоя перед профессиональной аудиторией, исследователь был вынужден признаться, что он и его коллеги допустили ошибку в расчетах: никакой планеты у PSR B1829–10 не было. Первым сигналом о том, что такой исход возможен, был заявленный шестимесячный период обращения планеты. Столь точное совпадение с частью цикла вращения Земли вокруг Солнца уже указывало на возможную неточность в определении координат пульсара, а значит, на изменение положения наблюдаемого пульсара из-за собственного движения Земли. Несмотря на все усилия исследователей, эта ошибка ускользнула от их внимания. После ее исправления оказалось, что периодические «вспышки» пульсара следовали точно по графику, что исключало какое-либо воздействие со стороны невидимого компаньона. «Нашему смущению нет границ, — заключил Лин. — Нам действительно очень жаль».

Лин обнаружил ошибку за несколько дней до начала сессии, но все же решил выступить и сообщить о промахе. Его признание шокировало участников сессии, но вскоре недоумение сменилось уважением к честности и смелости Лина, нашедшего в себе силы публично признать ошибку. Зал приветствовал его бурными аплодисментами. Это была демонстрация того, что такое настоящая наука: нащупывание идей, их уточнение и непрерывная корректировка в соответствии с новыми данными.

Выступать после Лина Вольщану было вдвойне труднее. Сама по себе мысль о том, что вокруг возродившейся звезды вроде пульсара могут обращаться планеты, уже казалась малоправдоподобной. А тут еще и выясняется, что первый случай обнаружения такой системы, оказался ошибкой. Однако благодаря точным измерениям местоположения миллисекундного пульсара, проведенным Фрейлом с помощью VLA, двое исследователей находились в более безопасном положении. Планеты рядом с миллисекундным пульсаром PSR B1257+12 действительно существовали.

Открытие выдержало проверку временем. Через полгода независимой группе исследователей удалось наблюдать PSR B1257+12 с помощью 43-метрового радиотелескопа в Грин-Бэнк. В частности, был подтвержден осциллирующий характер излучаемого миллисекундным пульсаром сигнала. Появилось еще одно свидетельство того, что вывод о существовании пары планет не был следствием ошибки наблюдения.

В течение следующих двух лет Вольщан продолжал наблюдать за планетами в поисках каких-либо новых подробностей, на которые могло указывать время прихода сигналов пульсара. В 1994 г. он наконец обнаружил то, что искал. Оказалось, что рядом с пульсаром находился еще один объект — меньшего размера и ближе, чем ранее обнаруженные планеты. Излучаемый им слабый отрывистый сигнал был трудноразличим, а потому все это время оставался незамеченным.

Новость была встречена с изрядной долей скептицизма. Как в истории с первой экзопланетой, обнаруженной рядом с пульсаром, орбитальный период третьей экзопланеты совпадал с периодом одного из объектов Солнечной системы, а именно с периодом вращения Солнца. Находящийся на самом краю Солнечной системы американский зонд «Пионер-10» зафиксировал изменение скорости солнечного ветра — потока заряженных частиц, испускаемых внешними слоями Солнца. Эти колебания совпадали с вращением Солнца и орбитой предполагаемой третьей внесолнечной планеты. Проблема заключалась в том, что солнечный ветер рассеивал сигнал пульсара на пути к Земле таким образом, что величина его затухания менялась, тем самым вызывая колебания, которые выглядели так, как будто они были обусловлены воздействием экзопланеты.

Способность солнечного ветра рассеивать сигнал пульсара определяется частотой испускаемых радиоволн. Понимая это, Вольщан провел измерение испускаемого пульсаром излучения на разных радиочастотах, чтобы выяснить, меняется ли сила сигнала. Исходящий от третьей планеты слабый шум никуда не пропал: она действительно была там.

Новая экзопланета была всего лишь в два раза больше Луны, а период ее обращения составлял 25,4 суток. Сам факт того, что такая маленькая планета могла быть обнаружена на расстоянии более 2000 световых лет от Земли, свидетельствовал о невероятной точности интервалов между сигналами миллисекундного пульсара, позволяющей выявлять даже самые незначительные отклонения. В целом уровень чувствительности этого метода настолько высок, что позволяет обнаруживать планеты с массой крупного астероида. Со времени сделанных Вольщаном открытий прошло 20 лет, но этот мир размером с две Луны остается самой маленькой планетой за всю историю наблюдений.

Итак, факт существования планет вокруг пульсара подтвердился, что само по себе было прекрасно. Но был один важный вопрос, ответ на который так никто и не дал: откуда у звезды, которая давно мертва, планетная система?

Планеты-саламандры

Самое очевидное объяснение происхождения планет вокруг пульсара связано с предположением о том, что такие планетные системы сформировались так же, как наша, в начальный период жизни звезды. Правда, тогда придется доказать, что планетная система способна пережить превращение звезды в пульсар.

Согласно сценарию саламандры, предложенному учеными из Калифорнийского технологического института Е. Стерлом Финни и Брэдом Хансеном и названному ими так в честь мифической огнелюбивой ящерицы, сначала обращающимся по коротким орбитам планетам придется пережить контакт с внешними слоями звезды, которые окутают их в процессе стремительного расширения светила до красного гиганта. Вряд ли нахождение внутри звезды может пойти на пользу планетам. Опасность в том, что миры могут просто испариться или нырнуть в более глубокие и горячие области звезды при столкновении с расширяющимся газом. Предел расширения раздувшейся атмосферы красного гиганта зависит от массы звезды. Например, когда наше Солнце вступит в фазу красного гиганта, его внешние слои, скорее всего, доберутся до Земли, находящейся на расстоянии 1 а.е. от него. Предшественник пульсара PSR B1257+12 должен был быть куда массивнее Солнца, а значит, обращавшиеся вокруг него три планеты совершенно точно должны были оказаться в его огненном чреве.

Проблема усугубляется, когда звезда взрывается как сверхновая. При этом она теряет вещество, сохраняя лишь небольшую часть своей первоначальной массы. С потерей массы сила гравитационного притяжения звезды существенно уменьшается — ее уже недостаточно, чтобы удерживать такой небольшой объект, как планета. Поэтому, скорее всего, звезда лишится своих планет. Избежать этого можно в том случае, если взрыв сверхновой будет асимметричным, в результате чего оставшаяся после взрыва нейтронная звезда будет выброшена к планетам таким образом, что ей удастся снова захватить их в свои гравитационные силки. Откровенно говоря, такой сценарий кажется исключительно маловероятным, особенно если учесть, что захватывать придется три планеты.

Наконец, есть еще одна проблема: планеты рядом с PSR B1257+12 обращаются в одной плоскости, что указывает на относительно спокойное существование с момента рождения в протопланетном диске. Общая орбитальная плоскость также исключает возможность повторного захвата. Еще один сценарий предполагает сближение между пульсаром и другой звездой, в ходе которого планеты могли поменять своего звездного родителя, перейдя на орбиты вокруг пульсара после его опасной смерти. Если бы три планеты рядом с PSR B1257+12 были смещены со своих исходных орбит вокруг одной звезды и стали обращаться вокруг другой, их траектории движения вокруг пульсара должны были рассинхронизироваться и исказиться случайным образом. Однако это не подтверждается результатами наблюдения. Нам нужен какой-то другой сценарий формирования, предполагающий менее бурную эволюцию, чем взрыв с последующим повторным захватом.

Планеты-мемнониды

Если планеты рядом с пульсаром движутся по орбитам в плоскости аккуратной дискообразной формы, то, возможно, после превращения звезды в пульсар рядом с ней сформировался новый протопланетный диск. И как раз в нем-то впоследствии и был запущен запоздалый цикл планетообразования. Гипотеза о втором протопланетном диске была названа сценарием мемнонид — в честь мифических птиц-мемнонид, которые вылетели из погребального костра на могиле павшего воина Мемнона.

Идея о новом диске согласуется с результатами наблюдения за системой PSR B1257+12, но оставляет открытым вопрос о происхождении вещества этого диска. Первоначальный протопланетный диск к тому времени уже точно рассеялся, так что без свежей порции пыли вряд ли бы рядом с пульсаром образовались новые планеты.

Одним из источников вещества для нового диска могли стать внешние слои красного гиганта, сброшенные им во время взрыва сверхновой. Если это вещество не сможет вырваться из плена гравитационного притяжения, создаваемого оставшимся трупом звезды, оно замедлится и окружит новоиспеченный пульсар. А если допустить, что скорость его вращения будет достаточно высокой, чтобы предотвратить выпадение на пульсар, то из него сформируется диск. Вопрос о том, насколько большая доля внешних слоев красного гиганта может быть использована повторно в планетообразующем диске, также остается открытым. Но если первоначальная звезда была достаточно велика, то оставшегося рядом с пульсаром вещества должно было бы хватить для формирования небольших планет, обращающихся вокруг PSR B1257+12.

Гораздо труднее объяснить отсутствие каких-либо признаков звезды-компаньона рядом с миллисекундным пульсаром PSR B1257+12. Если своим раскручиванием до скоростей, измеряемых в долях секунды, пульсар обязан взаимодействию с внешними слоями звездного спутника, то от второй звезды должен остаться след в виде белого карлика. Где он и имеет ли он какое-либо отношение к планетам?

В случае с PSR B1257+12 наиболее перспективной кажется идея, в соответствии с которой отсутствующая звезда-компаньон как раз и была определяющим фактором в процессе формирования планет. Согласно этому зловещему сценарию, звезда-компаньон была разорвана на кусочки пульсаром и тем самым обеспечила строительный материал для формирования нового протопланетного диска.

Один из возможных способов уничтожения соседа — взрыв сверхновой. При асимметричном взрыве формирующийся пульсар может угодить прямо в своего компаньона. В результате такого столкновения последний будет разорван на части, из которых вокруг пульсара образуется протопланетный диск. Звезды сталкиваются исключительно редко, но и планеты в окрестностях пульсаров, судя по всему, встречаются не часто.

В еще одном из возможных сценариев пульсар расплавляет и разрезает своего компаньона как паяльной горелкой. Названные черными вдовами в честь паучих, пожирающих самцов-партнеров, эти мертвые звезды-каннибалы обращаются на таком маленьком расстоянии от своего соседа, что под действием их излучения вторая звезда испаряется, а из ее остатков образуется диск. Как раз сейчас один такой звездоубийца, пульсар PSR J1311–3430, делает свое черное дело[18].

В 2012 г. была открыта тусклая звезда, цвет которой менялся в диапазоне от ярко-синего до тускло-красного. В том месте, где она находилась, также наблюдался источник высокоэнергетического гамма-излучения, сопровождавшегося прерывистым радиоволновым излучением.

Высокая интенсивность излучения наводила на мысль, что ключом к разгадке тайны является пульсар. Главная трудность заключалась в том, чтобы выделить в гамма-излучении характерную маякоподобную пульсацию. Из-за высокой энергии такого излучения пульсары испускают намного меньше гамма-лучей, чем радиоволн, поэтому зафиксировать быструю вспышку не так-то просто. Однако исследователям NASA, скрупулезно проанализировавшим данные, полученные с помощью космического гамма-телескопа «Ферми» за четыре года, это все-таки удалось: меняющая цвет звезда действительно вращается вокруг пульсара — первого, выявленного исключительно по вспышкам гамма-излучения.

PSR J1311–3430 — 2,5-миллисекундный пульсар, совершающий 390 оборотов в секунду. Расстояние между пульсаром и его компаньоном невероятно мало — всего на 40% больше расстояния между Землей и Луной. Вследствие этого период обращения составляет 93 минуты — меньше, чем в среднем тратит на дорогу от дома до работы и обратно средний британец. Как раз этой близостью к мерцающему маяку пульсара и объясняется изменение цвета звезды-компаньона.

Та сторона звезды-компаньона, которой она повернута к своему мертвому соседу, находится под постоянным натиском излучения пульсара. В результате этой бомбардировки температура на ней достигает 12 000 °C — вдвое больше, чем на поверхности Солнца, а сама она имеет ярко-синий цвет. Цвет дальней стороны звезды — более прохладный красный, соответствующий куда меньшей температуре 2700 °C. При вращении вокруг компактного пульсара звезда поворачивается к Земле то красной, то синей стороной.

Тусклость звезды также объясняется влиянием пульсара. Она имеет крошечный размер, а ее масса составляет каких-то 12 масс Юпитера. Раз скорость вращения пульсара измеряется в миллисекундах, в прошлом звезда-компаньон должна был отдать ему свои внешние слои, тем самым раскрутив его. Вероятно, после этого у нее осталось гелиевое ядро, которое, скорее всего, было слишком легким, чтобы обеспечить сжатие до белого карлика. В последующем, непрерывно подвергаясь воздействию излучения пульсара, звезда съежилась до космического объекта размером почти с планету. Остатки распадающегося тела звезды следуют за ней, образуя своего рода барьер вокруг пульсара. Поэтому испускаемые пульсаром радиоволны рассеиваются или поглощаются этими фрагментами искромсанной звезды, тогда как высокоэнергетическое гамма-излучение прорывается через них и добирается до Земли. Когда от звезды ничего не останется, улетучившийся из нее материал может конденсироваться, образовав диск вокруг пульсара. Таким образом, мы получим одинокий миллисекундный пульсар и первичный диск для формирования нового поколения планет.

Если пульсар не находится достаточно близко, чтобы разрезать своего соседа на части, звезда-компаньон в конечном итоге умрет и превратится в белый карлик. Укутанный в собственную полость Роша, белый карлик будет обращаться вокруг пульсара. Однако это безопасное существование не сможет продолжаться вечно. Причина — гравитационные волны.

Сто лет назад Альберт Эйнштейн предсказал существование волновой ряби на ткани пространства. Согласно ему, Вселенную можно представить в виде упругой резиновой пластины, которая продавливается под тяжестью массивных объектов. Гравитация — следствие этого продавливания. Она заставляет более легкие объекты перемещаться к более тяжелым, продавившим пространство на большую глубину. При передвижении объектов пластина деформируется с учетом их нового местоположения, в результате чего возникают колебания, которые расходятся в виде гравитационной волны.

11 февраля 2016 г. было объявлено о первом случае прямой фиксации гравитационных волн. Наверное, это был самый тщательно скрываемый секрет в истории науки. При этом слухи об успешной регистрации ходили с конца 2015 года. Осуществлена она была с помощью детектора LIGO в США, которому удалось обнаружить сигнал, исходящий от слияния двух черных дыр. Слияние черных дыр — самых плотных объектов во Вселенной — вызывает рябь, состоящую из гравитационных волн с самым сильным сигналом, который только можно себе представить. Следующие по силе — вибрации, образующиеся при взаимодействии других звездных остатков.

Непрерывная деформация пространства при движении пульсара и белого карлика по орбитам в двойной системе является постоянным источником гравитационных волн. Питающая эти волны энергия берется из энергии орбитального движения, благодаря чему объекты движутся все ближе друг к другу[19]. При сближении полость Роша менее массивного белого карлика будет сжиматься под воздействием более сильного гравитационного притяжения пульсара до тех пор, пока во второй раз карлик не поделится частью себя с пульсаром.

Хотя белый карлик не сдавливает себя настолько, чтобы превратиться в сгусток нейтронов, как пульсар, из-за невероятно высокой плотности он ведет себя не так, как обычное вещество. При потере массы в результате перетягивания его слоев пульсаром белый карлик не сжимается, а расширяется. Таким образом, все больше и больше вещества мертвой звезды перекочевывает к пульсару, пока, наконец, звезда не разрушается полностью. Из ее остатков может сформироваться диск, который послужит основой для образования нового поколения планет.

У протопланетного диска, сформировавшегося из праха мертвой звезды, есть ряд интересных свойств. Во-первых, такие диски живут недолго. Раздробленный звездный материал подвергается постоянной бомбардировке излучением пульсара и быстро разогревается, что заставляет диск расширяться. Плотность диска падает и в какой-то момент достигает значения, при котором процесс планетообразования становится невозможен. По оценкам, продолжительность жизни таких вторичных дисков составляет около 100 000 лет. (Для сравнения: протопланетные диски, аналогичные тому, что был в Солнечной системе, существуют в течение 10 млн лет.) Столь короткий промежуток времени делает маловероятным формирование газовых гигантов, но не исключает возможность образования близких планет земного типа, что может объяснить существование того трио планет, которые обращаются вокруг PSR B1257+12.

Состав протопланетного диска, образованного из остатков от взрыва сверхновой или поврежденного тела белого карлика, скорее всего, должен быть необычным. Учитывая, что в звезде-предшественнице белого карлика термоядерный синтез практически заканчивается на гелии, такие диски должны быть богаты углеродом. Поэтому формирующиеся в них миры земного типа будут походить на алмазные планеты, о которых шла речь в главе 7.

Следует отметить, что существует еще один очень странный способ формирования единичного алмазного мира вокруг мертвой звезды, который не имеет отношения к трио миров у PSR B1257+12. Он состоит в превращении звезды непосредственно в планету.

Звезда, которая стала планетой

В декабре 2009 г. был обнаружен пульсар с периодом 5,7 миллисекунды, что соответствует 175 оборотам в секунду. Чтобы раскрутить пульсар до миллисекундных скоростей, требуется вторая звезда. Поэтому астрономы начали прочесывать небо в поисках такого компаньона. Сначала поиски не дали никаких результатов: казалось, что других тел рядом с пульсаром PSR J1719–1438 просто нет.

Мертвую звезду обнаружил радиотелескоп «Паркс» в Австралии. Его 64-метровая антенна прославилась тем, что именно с ее помощью было принято большинство легендарных трансляций Нила Армстронга с поверхности Луны. Но среди астрономов этот телескоп все-таки знаменит другим — рекордным количеством обнаруженных пульсаров. Одним из них и стал интересующий нас пульсар, который был обнаружен на расстоянии 4000 световых лет в созвездии Змея. Почти два года спустя «Паркс» и 76-метровый телескоп имени Б. Ловелла в британской обсерватории Джодрелл-Бэнк зафиксировали рядом с ним в высшей степени необычный объект.

По незначительному изменению времени прихода импульсов пульсара удалось определить, что он является частью двойной системы с орбитальным периодом 2 часа 10 минут. Однако компаньон пульсара отличался очень маленькой массой, сопоставимой с массой Юпитера. Так что было не совсем понятно, что это был за объект — звезда или планета.

Из-за короткого орбитального периода компаньоны в системе находились совсем близко друг к другу — на расстоянии 600 000 км, то есть чуть меньшем, чем радиус Солнца. Поскольку следов рентгеновского излучения обнаружено не было, речи о перетекании внешних слоев компаньона на пульсар в тот момент идти не могло. Это означало, что размер компаньона должен был быть таким, чтобы он мог уместиться в своей полости Роша. Поэтому, учитывая расстояние до пульсара, он не мог быть более 5 радиусов Земли. Таким образом, соседом пульсара была суперземля с массой Юпитера. Газовый гигант с толстой водородной атмосферой не втиснулся бы в такой маленький радиус, значит, оставался лишь один вариант — очень маленький белый карлик.

Являясь более легкой разновидностью нейтронной звезды, белые карлики обычно имеют массу около двух третей массы Солнца и тело размером с Землю. Чтобы весить столько же, сколько Юпитер, необычный компаньон PSR J1719–1438 должен был отдать пульсару приблизительно 99,8% своей массы. Учитывая своеобразный способ организации вещества внутри белого карлика, мертвая звезда должна была бы расширяться, а ее радиус — увеличиваться. Однако, несмотря на колоссальную потерю массы, звезда избежала полного разрушения.

В процессе передачи белым карликом массы пульсару гравитация каждого из них изменяется. То же происходит и с формой и протяженностью полостей Роша вокруг них. На определенном расстоянии этого изменения может оказаться достаточно для того, чтобы белый карлик вернулся в свою собственную полость Роша, а перетекание на пульсар прекратилось. Это задача не из простых. Если участники двойной системы будут находиться слишком далеко друг от друга, перетекание массы белого карлика на пульсар станет невозможным. На чрезмерно близком расстоянии перетекание не прекратится до полного уничтожения белого карлика.

Плотность этого маленького карлика, состоящего главным образом из невероятно твердого углерода, превышает 23 г/см^3, что намного больше плотности Земли, равной 5,5 г/см^3. При таких значениях плотности углеродный мир должен кристаллизоваться в алмазный.

Должно быть, это один из самых странных объектов во Вселенной: алмазная планета, обращающаяся вокруг компаньона размером с город, которая когда-то была звездой.

Глава 9. Системы с двумя солнцами

Попытки доказать с помощью телескопа, что наша Солнечная система не уникальна во Вселенной, предпринимались еще за 10 лет до открытия первой экзопланеты. Правда, мало кто воспринимал их всерьез. Скептическое отношение было вызвано не сомнениями ученых в существовании планет вокруг других звезд, а неверием в возможность их обнаружения при тогдашнем уровне развития технологий.

До того момента охота на планеты сводилась к астрометрии — поиску мельчайших изменений в местоположении звезд на небе, которые бы указывали на наличие рядом планеты. Проблема заключалась в том, что даже под влиянием Юпитера, обращающегося вокруг Солнца, при наблюдении с расстояния 16 световых лет угловое отклонение нашей звезды составляет всего лишь 0,0000003 градуса. А это в 1000 раз меньше разрешения фотографических изображений неба, которые в то время можно было получить с Земли.

Пожалуй, самой убедительной попыткой открытия экзопланет стало известие об обнаружении двух объектов с массой Юпитера, обращающихся вокруг звезды Барнарда — красного карлика, находящегося на расстоянии 6 световых лет от нас в созвездии Змееносец. При сравнении местоположения звезды на фотопластинках в 1960-е гг. было выявлено смещение в 1 микрометр. Однако впоследствии выяснилось, что время, когда оно фиксировалось, совпадало со временем чистки линз телескопа, а значит, перемещение звезды тут было ни при чем. Эта ошибка еще раз продемонстрировала всю тщетность подобных изысканий.

Анализ изменений лучевой скорости звезды казался столь же бесперспективным занятием. Допуская, что для достижения максимального эффекта наблюдение ведется «с ребра», кеплеровская скорость Солнца, возникающая под действием притяжения Юпитера с его 12-летним периодом обращения, составляет около 13 м/с. В 1970-е гг. лучевую скорость звезды можно было измерить только с точностью 1 км/с — при таком уровне точности невозможно выявить даже признаки планет размером с Юпитер. Да и горячий юпитер (объект, о котором тогда никто даже и не мог помыслить) остался бы незамеченным.

В конце 1970-х гг. благодаря работам Гордона Уолкера и его ученика постдока[20] Брюса Кэмпбелла был совершен прорыв в области измерения лучевых скоростей. Они предложили поместить между излучаемым звездой светом и детектором телескопа контейнер с известным газом. Подобно атмосфере звезды, атомы газа поглощают свет в определенных интервалах длин волн. Таким образом, мы получаем уникальный отпечаток звезды из перекрывающих ее свет темных полос. Когда свет от звезды смещается к красному или синему концу спектра в результате воздействия обращающейся вокруг нее планеты, газовый отпечаток выступает в качестве опорной точки — своего рода нулевой отметки на линейке, относительно которой можно измерить это отклонение. Большим преимуществом было то, что и контрольная точка, и свет звезды могли фиксироваться одновременно. Это позволяло избежать тех больших погрешностей, которые прежде возникали из-за невозможности обеспечить полную неподвижность аппарата между замерами.

Сначала в качестве контрольного газа Уолкер и Кэмпбелл решили выбрать фтороводород, так как он имеет взаимно разнесенные длины волн поглощения, которые могут быть четко выделены. У фтороводорода есть ряд недостатков, например высокая токсичность и коррозийность. Кроме того, после каждого сеанса наблюдения газовый контейнер приходилось перезаряжать. Описывая новый инструмент в 2008 г., Уолкер заметил, что «по правде говоря, работать с ним было просто небезопасно».

Но как бы опасен он ни был, новый инструмент обеспечил нужный результат. Предложенная конструкция позволила повысить точность измерения лучевой скорости звезд в сто раз — почти до 10 м/с. И хотя впоследствии исследователи все-таки заменили опасный фтороводород газовым контейнером с йодом, достигнутой благодаря ему точности было достаточно для обнаружения внесолнечных планет в течение десятилетия до первого сообщения о планете рядом с пульсаром. Получилось это не сразу, но к цели своей ученые подобрались близко.

Исследователи установили контейнер с фтороводородом на 3,6-метровый канадско-французско-гавайский телескоп на горе Мауна-Кеа на Гавайях. Предположив, что новый метод способен выявлять юпитероподобные планеты на орбитах с периодом более десятилетия, Уолкер, Кэмпбелл и их коллега астроном Стефенсон Янг начали наблюдение за 23 звездами. Наблюдение велось на протяжении 12 лет ежегодно в течение нескольких ночей. В 1988 г. исследователи решили обобщить результаты за первые шесть лет. В данных по семи звездам содержались признаки возмущений, которые могли быть вызваны воздействием планет. Одной из этих семи звезд была γ Цефея. Как и в случае с большинством первых обнаруженных планет, объект, обращавшийся вокруг нее, поначалу не восприняли всерьез просто из-за того, что он казался слишком странным.

При наблюдении за γ Цефея выяснилось, что это двойная звездная система, находящаяся на расстоянии около 45 световых лет от нас в созвездии Цефей, названном так в честь царя из древнегреческого мифа. Период обращения звезд-компаньонов был дольше времени, выделенного на обзорное исследование неба в поисках планет, поэтому в поле зрения астрономов попала только часть их орбит. Основываясь на полученных данных, исследователи заключили, что звезды совершают полный оборот друг вокруг друга за 30 лет. Также были зафиксированы колебания их скорости с амплитудой 25 м/с, повторяющиеся каждые 2,7 года. Если в публикации 1988 г. эти колебания еще рассматриваются как признак «возможного соседства третьего тела», то к моменту завершения обзора в 1995 г. исследователи стали более осторожны в оценках.

Считалось, что более крупная из двух звезд системы — γ Цефея — представляет собой расширяющуюся гигантскую звезду, вступившую в завершающую стадию своей эволюции. Престарелые звезды такого типа отличаются своевольным нравом, проявляющимся, например, в виде пульсаций во внешних слоях, что очень похоже на колебания под влиянием планеты. Сама возможность вращения планеты вокруг двойной звездной системы казалась маловероятной. Еще менее вероятным казалось то, что орбита планеты, которая по всем признакам должна была быть газовым гигантом, могла проходить ближе к звезде, чем орбита любой планеты в нашей Солнечной системе. Учитывая тогдашнее более чем скептическое отношение к поиску планет, существование такого тела казалось слишком экзотичным, чтобы в него можно было поверить. Но этот вывод оказался ошибочным.

Еще через 10 лет новые наблюдения за γ Цефея показали, что в действительности двойная орбита в два раза длиннее, чем считалось, а бóльшая из двух звезд еще не превратилась в своевольного гиганта. Все сомнения развеялись, и в 2003 г. было объявлено об обнаружении газового гиганта с массой, равной 3–16 массам Юпитера (в зависимости от неизвестного угла наклона орбиты), обращающейся вокруг звезды большего размера по орбите с периодом 2,48 года на расстоянии немногим более 2 а.е. Если бы о находке заявили в 1988 г., она бы стала первой открытой внесолнечной планетой. Тем не менее ее открытие положило начало использованию метода, позволившего впоследствии обнаружить тысячи других миров.

Если бы γ Цефея была одиночной звездой, скорее всего, к признакам, указывающим на вращающуюся вокруг нее планету, отнеслись более серьезно. Но действительно ли наличие звезды-компаньона является негативным фактором для формирования планет?

В созвездии Телец существует несколько сотен новорожденных звезд, окруженных газовыми облаками так называемого комплекса Тельца–Возничего. Чтобы рядом с любой из этих звезд возрастом всего 1–2 млн лет образовались планеты, она должна быть окружена пылевым протопланетным диском. Анализ данных по 23 молодым звездам, обращающимся вокруг по крайней мере одного звездного компаньона, показал, что приблизительно у трети из них имеется диск. Это значит, что вокруг них диски формируются в два раза реже, чем вокруг одиночных звезд. Оказалось, что наличие звезды-компаньона отрицательно сказывается на процессе планетообразования еще до начала формирования планет.

Степень влияния зависит от расстояния между звездами. Если оно меньше 30 а.е., протопланетные диски практически отсутствуют, за исключением немногочисленных случаев, когда диски окружают обе звезды. И наоборот, при расстоянии более 300 а.е. влияние звезды-компаньона на частоту формирования диска, судя по всему, сходит на нет. В промежутке между этими двумя расстояниями диски встречаются реже, чем при наблюдении за одиночными звездами, что свидетельствует об их рассеивании под влиянием звезды-компаньона.

Но если звезда-компаньон препятствует образованию протопланетного диска, то уж на процессе формирования и роста планет ее влияние должно сказываться еще сильнее. В ходе изучения звезд с помощью телескопа «Кеплер» было установлено, что для исключения негативного влияния компаньонов на формирование планет расстояние между звездами должно составлять не менее 1500 а.е. Это не значит, что при меньшем расстоянии мы не обнаружим планет — они, конечно, встречаются, но намного реже, чем вокруг одиночных звезд.

Каким образом звезда-компаньон препятствует возникновению планеты? Протопланетный диск, формирующийся вокруг молодой звезды в двойной системе, подвергается действию силы притяжения звезды-компаньона. В результате диск деформируется, вытягиваясь в сторону второй звезды в виде выступа. Так как скорость вращения диска выше скорости движения по двойной орбите, выступ обгоняет звезду-компаньона. Гравитация компаньона тянет его назад, создавая сопротивление, под действием которого диск замедляется. Как и при планетной миграции, из-за падения скорости газ и пыль устремляются к центру, и диск сжимается. В результате происходит приливное усечение диска звездой-компаньоном. Аналогичный эффект торможения имеет место на Земле из-за вызванных Луной приливных выступов. В результате вращение Земли слегка замедляется. Чтобы учесть это замедление, время от времени в наш календарь приходится добавлять дополнительную секунду.

Из-за усечения протопланетного диска времени на формирование планет остается все меньше и меньше. Чем компактнее диск, тем ближе он к испепеляющему жару звезды и тем быстрее происходит его аккреция. Этим объясняется то обстоятельство, что протопланетные диски вокруг двойных звезд видны в течение более короткого времени, чем диски вокруг одиночных звезд. Близость второй звезды также приводит к повышению температуры диска, затрудняя конденсацию пыли и тем самым уменьшая количество материала для строительства планет.

В тех протопланетных дисках, которым все-таки удается выжить, звезда-компаньон может оказывать губительное воздействие на планетезимали. При обращении звезд в двойной системе по взаимным орбитам вторая звезда может притягивать формирующиеся планетезимали, заставляя их переходить на эллиптические траектории и, подобно гироскопу, совершать прецессионное движение вокруг своей звезды. Из-за изогнутых траекторий скорость столкновений существенно вырастает, что приводит не столько к слипанию, сколько к фрагментации частиц. Таким образом, темпы роста планетезималей и формирования зародышей планет снижаются.

Обилие негативных факторов заставляло задуматься о самой возможности существования планет рядом со звездой γ Цефея. Более всего исследователей беспокоил вопрос о наличии в усеченном диске достаточного количества газа для формирования юпитероподобной планеты-гиганта. Если его там было недостаточно, то, скорее всего, при наблюдении была допущена ошибка. Впрочем, как показывали расчеты, после усечения в диске должно было быть ровно столько вещества, сколько требуется для формирования планеты. На второго газового гиганта его бы вряд ли хватило.

Тот факт, что планета рядом с γ Цефея является газовым гигантом, также может объяснить, почему протопланетный диск рассеялся так быстро. Если диск был достаточно массивным, планета могла образоваться в результате возникшей в нем неустойчивости, избежав проблем, связанных с разрушительными столкновениями на высоких скоростях. В двойной системе неустойчивость развивается даже чаще, так как вероятность фрагментации в более массивном и плотном диске выше, а значит, под действием притяжения звезды-компаньона могут появиться условия для возникновения неустойчивости.

Однако стоит только исследователям выработать убедительную теорию формирования планет у двойных звезд, как появляется какая-нибудь новая планета, которая не укладывается в нее, и все приходится начинать сначала. В данном случае такой планетой стал объект с замысловатым названием OGLE-2013-BLG-0341L B b.

Планета, которая заставляет свет отклоняться

Планета OGLE-2013-BLG-0341L B b примечательна не только своим названием, которое длиннее, чем у любого другого объекта, встретившегося нам на страницах этой книги, но также и тем, что найдена она была с помощью абсолютно иного метода. Главную роль в обнаружении этой планеты сыграли не колебания скорости звезды или падение ее яркости, а гравитационное отклонение света.

Мало кто из нас задумывается о воздействии гравитации на свет. Эйнштейн был убежден, что лучи должны следовать кривизне пространства, создаваемой массивными объектами[21]. В качестве аналогии можно привести траекторию движения теннисного мячика, который быстро катится по пластине, продавленной мячом для боулинга, огибая тяжелый объект. Свет ведет себя точно так же. Впервые эту теорию удалось проверить во время полного солнечного затмения в 1919 г. Тогда британскому физику Артуру Эддингтону пришла в голову интересная мысль: он решил использовать короткий период, когда Луна перекрывает солнечный свет, чтобы проверить, отклоняется ли свет от других звезд под действием солнечной гравитации. Если свет от звезд отклоняется, тогда во время солнечного затмения звезды должны быть видны немного не там, где они находятся в ночное время, когда Солнца на небе нет.

Из проведенных Эддингтоном измерений следовало, что свет отклоняется на 0,00045 градуса, что соответствовало гипотезе Эйнштейна. После сообщения Эддингтона теория Эйнштейна оказалась в центре всеобщего внимания. Несмотря на возбуждение публики, сам Эйнштейн отнесся к всплеску внимания с равнодушием. Журналисту, который спросил, как бы он себя чувствовал, если бы наблюдения Эддингтона опровергли его теорию, Эйнштейн ответил: «Тогда мне не осталось бы ничего другого, как посочувствовать уважаемому господину Эддингтону. Теория в любом случае верна».

Отклонение света может свидетельствовать о присутствии невидимого массивного объекта, такого как тусклая звезда или планета. Основанный на этом наблюдении метод обнаружения объектов называют гравитационным микролинзированием, так как скрытый объект выступает в качестве линзы, вызывающей отклонение света. В обычных линзах (таких, например, как линзы в очках) свет по краям преломляется сильнее, чем в середине, что обеспечивает фокусировку лучей в одной точке. Гравитационные линзы создают противоположный эффект: чем ближе свет к центру, тем больше величина отклонения. В результате свет фокусируется в кольцо, а не в одну точку, образуя яркий кольцевидный ободок вокруг линзы, называемый кольцом Эйнштейна. Если в качестве линзы выступает объект с огромной массой, такой как целая галактика, то кольцо четко видно. В случае с объектами меньшего размера, такими как звезды, кольцо неразличимо. Единственный способ увидеть его — это наблюдать за другой, более далекой звездой, свет от которой будет становиться ярче, а затем тускнеть при ее прохождении за линзой, так как яркость кольца выше, чем этой звезды самой по себе.

Поскольку все, что имеет массу, заставляет свет отклоняться, планета, обращающаяся вокруг линзируемой звезды, также должна вносить свой вклад в это явление. Выступая в качестве дополнительной мини-линзы, она вызывает заметное изменение величины, на которую увеличивается и уменьшается яркость фонового источника. Как раз благодаря такому изменению и удалось обнаружить OGLE-2013-BLG-0341L B b.

Акроним OGLE, который можно называть одним из лучших в истории изучения Галактики, расшифровывается как «оптический эксперимент по гравитационному линзированию» (Optical Gravitational Lensing Experiment). Руководство проектом OGLE осуществляют специалисты из Варшавского университета в Польше, а большинство наблюдений проводятся в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Хотя основной задачей OGLE является изучение темной материи, в рамках проекта удалось обнаружить уже около 20 экзопланет. Планета OGLE-2013-BLG-0341L B b попала в поле зрения исследователей, когда они занимались поиском объектов в области звездного балджа — густо усеянной звездами центральной части нашей Галактики. Отсюда сокращение BLG в ее названии, которое указывает на то, что она находится в балдже (bulge). Цифры 2013 указывают на год начала сезона наблюдения, а 0341 — обычный порядковый номер. Последняя буква L является признаком того, что объект был найден с помощью линзирования. Она помогает отделить его от ряда других объектов, обнаруженных в рамках OGLE с помощью транзитного метода. Прописная буква B означает, что звезда, к которой относится планета, не одинока: она является частью двойной системы с очень маленьким расстоянием между звездами.

В ходе эпизода линзирования было зафиксировано три скачкообразных изменения яркости при прохождении фоновой звезды позади системы: два больших двойных от каждой из двух звезд и еще один поменьше — от планеты. Анализ показал, что система состоит из двух тусклых карликов, обращающихся одна вокруг другой на расстоянии 15 а.е., что больше расстояния от Солнца до Сатурна, но меньше, чем до Урана. Планета обращается вокруг одной из этих звезд на близком к земному расстоянии 0,8 а.е. при массе, приблизительно в 2 раза превышающей массу нашей планеты. Несмотря на незначительную разницу в расстоянии до звезды, обнаруженная планета оказалась намного холоднее Земли. Причина в том, что при массе, равной 10–15% массы Солнца, карликовая звезда приблизительно в 400 раз тусклее нашего светила. Поэтому новая планета — это холодный, темный мир с температурой поверхности около –213 °C, что делает его холоднее Европы — ледяного спутника Юпитера. Даже если эта планета имеет твердую поверхность, на Землю она не похожа.

Несмотря на отсутствие сходства с Землей, OGLE-2013-BLG-0341L B b служит доказательством возможности формирования планет вокруг звезды, у которой есть очень близкий компаньон. Вопрос о том, как именно планета смогла собрать достаточно вещества в столь плотно организованной системе, остается открытым, но ряд идей, объясняющих ее формирование, кажутся вполне убедительными. Согласно одной из самых простых гипотез, высокая скорость столкновения планетезималей, обусловленная эллиптической формой их орбит, не является такой уж большой проблемой, как считалось ранее. Сопротивление со стороны газа может компенсировать воздействие притяжения второй звезды, удерживая планетезимали на круговых орбитах. Вторая идея связана с таким механизмом, как потоковая неустойчивость, о котором шла речь в главе 2. Предполагается, что планетезимали могут скапливаться и падать в центр под действием собственной совокупной гравитации.

Согласно еще одной интригующей гипотезе, компоненты двойной звезды когда-то существовали отдельно друг от друга. Звезды образуются в скоплениях, где расстояние между звездными соседями совсем невелико. В этих условиях могут появляться звездные системы с тремя и более звездами, обращающимися вокруг общего центра масс. Они могут быть нестабильными: скорости звезд постоянно изменяются под воздействием гравитационных сил из множества источников. В определенный момент группа распадается, и из нее выбрасывается звезда. Отдав большое количество энергии выброшенной звезде, оставшиеся звезды сближаются. Если OGLE-2013-BLG-0341L B когда-то была частью такой тройки, при сокращении числа звезд в системе до двух расстояние между ними могло сократиться с более чем 100 а.е. до текущего небольшого значения. Поэтому процесс формирования планеты вполне мог проходить в относительной безопасности, без вмешательства звезды-компаньона. А когда звезды сблизились, планета осталась на той же орбите.

К сожалению, мы, скорее всего, никогда больше не сможем наблюдать OGLE2013-BLG-0341L B b. Фоновая звезда и планетная система-линза удалились друг от друга. Чтобы снова увидеть планету, придется ждать, пока они выровняются относительно друг друга определенным образом. Получается, что, зная о существовании этого холодного мира, мы можем никогда больше не увидеть его с Земли.

Но не стоит унывать: у нас есть другая, схожая система с планетой, которая доступна для систематического изучения. А тот факт, что планета обращается вокруг одной из ближайших к Земле двойных систем, открывает поистине захватывающие перспективы. Правда, есть одна небольшая загвоздка: возможно, планета эта не существует.

Ближайшая двойная звезда

Располагаясь всего в 4 световых годах от Земли, система альфы Центавра является нашим ближайшим звездным соседом и третьей по яркости звездой в ночном небе. Хотя при наблюдении невооруженным глазом она выглядит как одиночная звезда, на самом деле это тройная звездная система, состоящая из тесной двойной системы и удаленной карликовой звезды. В отличие от гипотетического трио, которое, возможно, существует в системе с планетой OGLE-2013-BLG-0341L B b, небольшой размер третьей звезды и большое расстояние между ней и двумя другими звездами обеспечивают стабильность всей системы альфы Центавра. Центральные звезды, образующие двойную систему, обозначаются как альфа Центавра A и B. Их масса приблизительно равна масс Солнца. Период обращения вокруг общего центра масса составляет 80 лет, а среднее расстояние между ними — 11 а.е., то есть чуть больше, чем расстояние от Солнца до Сатурна. Третья звезда — Проксима Центавра — находится ближе всех к Земле. При этом расстояние от нее до двойной системы равно 15 000 а.е.

Было бы замечательно, если бы вокруг альфы Центавра еще и были планеты. Благодаря близости к Земле эта система давно будоражит воображение писателей и сценаристов, которые населяют звезды в ней всевозможными цивилизациями — от родины трансформеров Кибертрона[22] до описанного в «Автостопом по Галактике» города, в котором продают лучший пангалактический грызлодер.

Поэтому появившаяся в 2012 г. новость об обнаружении небольшого колебания лучевой скорости альфы Центавра B была встречена с большим воодушевлением. Амплитуда изменения лучевой скорости звезды указывала на объект с такой же массой, как у Земли, и периодом обращения 3,2 суток. Судя по короткой орбите, найденная планета была не чем иным, как покрытым лавой миром. Однако сам факт ее существования свидетельствовал о возможности планетообразования в системе альфы Центавра, тем самым давая надежду на то, что где-то дальше могут существовать миры с более умеренными характеристиками. Впрочем, нашлись те, кому открытие показалось неубедительным. Выявленное колебание скорости альфы Центавра B было ничтожно маленьким — практически неразличимым. Было ли оно достаточным, чтобы рассматриваться в качестве признака существования планеты?

Чтобы распознать в полученных с помощью телескопа данных колебание, вызванное планетой, сначала необходимо исключить все другие факторы, которые могут влиять на лучевую скорость звезды. Одним из главных факторов, часто приводящих к ошибкам, является собственная поверхность светила — появляющиеся на ней вспышки и пятна могут влиять на свет звезды. Совокупный эффект от них намного больше искомого изменения, так что даже незначительная ошибка в его оценке может привести к положительному результату при поиске планет.

Чтобы отфильтровать «шум», исходящий от самой звезды, данные были проанализированы еще раз с помощью другого метода. Работа требовала дотошности, на которую был способен только самый отъявленный скептик. Если планета существовала, ее признаки должны были определяться обоими методами. Но она исчезла. Полностью возможность наличия планеты рядом с альфой Центавра B новые результаты не исключали, но они определенно ставили под вопрос ее открытие. К счастью, в отличие от OGLE-2013-BLG-0341L B, в данном случае была возможность повторить наблюдения, чтобы собрать больше данных. Проблема заключается в том, что сейчас альфа Центавра A постепенно выравнивается на луче зрения с альфой Центавра В и в итоге заслонит ее от наблюдателей на Земле. Значит, мы не сможем узнать, есть ли у нас все-таки шанс попробовать пангалактический грызлодер, пока две звезды не разойдутся снова.

В поисках Татуина

Зрелище двух солнц над пустынной планетой Татуин из «Звездных войн» считается одной из культовых сцен в истории научно-фантастического кинематографа. Исходя из того, что оба светила восходят и заходят одновременно, Татуин не просто обращается вокруг одиночного солнца — его орбита проходит вокруг обоих компонентов двойной системы. Такую орбиту называют околодвойной (циркумбинарной), или орбитой P-типа, противопоставляя ее околозвездной (циркумстелларной) орбите S-типа, по которой планета обращается только вокруг одного компонента двойной звезды. Когда франшиза «Звездных войн» еще только набирала обороты, такие планеты существовали исключительно в воображении сценаристов. Теперь мы знаем, что они вполне реальны.

В отличие от планет, обращающихся вокруг одиночных звезд, циркумбинарная планета движется на большем удалении от компонентов двойной звезды. Поэтому она в меньшей степени влияет на движение звезд, что затрудняет ее обнаружение по колебаниям лучевой скорости. Более подходящий метод в данном случае — пытаться зафиксировать прохождение планеты по диску одной из звезд или выявить воздействие гравитационного притяжения на период обращения компонентов двойной звезды.

Благодаря применению обоих этих методов в 2011 г. удалось обнаружить планету Кеплер-16 b. Система, в которой она была найдена, находится в 200 световых годах от нас в созвездии Лебедь. Образующие ее две звезды располагаются невероятно близко друг к другу — их отделяют всего лишь 0,22 а.е., что меньше расстояния между Солнцем и Меркурием. Размером обе звезды меньше нашего светила. Масса первой составляет 69% массы Солнца, второй — 20%. Расстояние между компонентами системы настолько мало, а их яркость настолько низка, что различить их при наблюдении не представляется возможным. Обнаружить двойственную природу системы помогает то, что в ходе орбитального движения звезды затмевают друг друга, о чем свидетельствует периодическое ослабление их общего блеска, имеющее место, когда они по очереди ныряют друг за друга.

Во время наблюдения с помощью телескопа «Кеплер» внимание исследователей привлекли три дополнительных падения светимости звезд, которые не совпадали с затмениями звезд. Такое уменьшение блеска указывало на существование третьего, невидимого тела, которое закрывало небольшую часть света двойной звезды. Причем затмения происходили не через равные промежутки времени, что свидетельствовало о циркумбинарной орбите, при которой время прохождения сдвигается из-за вращения двойной звезды.

Как бы ни велико было желание найти реальный прообраз Татуина, распознать в загадочном объекте планету удалось не сразу. Это вполне могла быть и третья звезда, например Проксима Центавра, пролетающая на большом удалении мимо двойной системы по своей орбите. Развеять сомнения помогло влияние, оказываемое интервентом на орбиты звездной пары. Как и в случае с изменением времени прохождения, описанным в главе 6, гравитация третьего тела вызывала незначительные отклонения во времени, когда две звезды затмевали друг друга. Величина таких отклонений прямо зависит от массы дополнительного элемента в системе. В данном случае его вес соответствовал весу планеты.

Небо нового мира было, как у Татуина, но сам он не был ни каменистым, ни горячим. При размере, сопоставимом с размером Сатурна, Кеплер-16 b совершает полный оборот вокруг двух звезд за 229 суток. Хотя год на этой планете приблизительно равен году на Венере, из-за небольшого размера своих светил тепла она получает немного, а температура поверхности на ней, согласно расчетам, составляет –73 °C. По времени прохождения и затмений удалось определить массу планеты и ее радиус, что позволило вычислить среднюю плотность — 0,964 г/см^3. Она выше, чем у Сатурна (плотность которого составляет 0,687 г/см^3), но намного меньше, чем у планет земного типа. Вероятно, мы имеем дело с гибридным миром, наполовину состоящим из горных пород и льда, а наполовину — из толстой водородно-гелиевой атмосферы.

Если точно следовать официальным правилам, планета Кеплер-16 b должна называться иначе — Кеплер-16 (AB) b. Такое название отражает тот факт, что она обращается вокруг обеих звезд. Но, учитывая, что они образуют тесную систему, неоднозначное толкование исключено, и поэтому обозначение AB обычно опускают.

Обычное ли это явление — планеты на циркумбинарных орбитах? Или Кеплер-16 b — редкое исключение? В момент ее обнаружения более правдоподобным казалось второе.

На протопланетные диски вокруг одной звезды действует одна сила притяжения, а на диски, окружающие двойную звездную систему, — две. Увлекаемые вперед с удвоенным усилием, планетезимали в них разгоняются и сталкиваются на скоростях, исключающих возможность образования новых миров. К тому же, если в процессе формирования или миграции планета оказывается слишком близко к звездной паре, амплитуда колебаний гравитационных сил звезд при их движении вокруг общего центра будет настолько большой, что планета вряд ли сможет удерживаться на стабильной орбите. В итоге она либо угодит в одну из звезд, либо будет навсегда выброшена за пределы системы.

Кажется подозрительным, что Кеплер-16 b находится как раз у этого рубежа стабильности. Разница в размерах звезд системы Кеплер-16 очень велика, из-за чего более массивная звезда располагается вблизи общего центра массы. То есть самое массивное тело в системе «едва шевелится», пока его компаньон и планета движутся по своим орбитам, а значит, действующая на Кеплер-16 b сила гравитационного притяжения практически не меняется. Это может быть одним из факторов, позволивших циркумбинарной планете избежать печальной участи большинства ее родственниц.

Сложные условия формирования — не единственная проблема таких планет. К ним добавляется трудность их обнаружения. Для затменных двойных звезд и так характерно периодическое ослабление блеска, которое куда более выражено, чем то, которое вызывает проходящая планета. Еще одна проблема — пятна на звездах, влияние которых на яркость двойной звезды похоже на влияние проходящей по ее диску планеты.

Из-за неодинаковых интервалов между прохождениями циркумбинарных планет подтвердить, что источником падения яркости является обращающаяся вокруг звезды планета, также совсем не просто. При движении вокруг одиночной звезды время прохождения планеты можно рассчитать с такой высокой точностью, что отклонения от него могут использоваться при поиске скрытых планет. Однако прохождение планеты, обращающейся вокруг двойной звезды, — это прохождение по диску движущегося объекта. Поскольку и планета, и звездная пара находятся в движении, прохождения носят нерегулярный характер. Третье прохождение Кеплер-16 b по диску более яркой из двух звезд произошло на 8,8 суток раньше, чем прогнозировалось исходя из временного промежутка между первыми двумя прохождениями. Эта разница огромна, особенно в сравнении с отклонениями времени прохождения, вызываемыми ее собратьями в планетных системах, которые обычно измеряются в минутах и никогда не превышают нескольких часов.

Наконец, планета может никогда больше не пройти по дискам звезд. Из-за изменения гравитационного воздействия вращающихся солнц планета завершает движение по орбите не совсем там, где она его начинает. Она испытывает прецессию, которая постепенно приводит к изменению ее траектории движения. В конечном итоге это может привести к тому, что мы больше не сможем наблюдать прохождение планеты по дискам звезд. Согласно моделям долгосрочной эволюции Кеплер-16 b, прохождения планеты по диску большей из двух звезд прекратятся в начале 2018 г. и возобновятся около 2042 г. Последнее ее прохождение по диску меньшей звезды состоялось в мае 2014 г. До следующего, согласно расчетам, осталось 35 лет.

Несмотря на многочисленные препятствия, астрономы продолжали поиски. И дело было не только в желании найти прообраз вымышленной планеты с двумя солнцами. Возможность объединить результаты наблюдения за прохождениями с результатами наблюдения затмений в двойных системах позволяет определить характеристики планеты с исключительной степенью точности. Например, массу и радиус Кеплер-16 b удалось рассчитать с удивительно маленькими погрешностями — 4,8% и 0,34% соответственно. Шанс заполучить столь точные данные оправдывал усилия по поиску миров, обращающихся вокруг двойных звезд.

Новые открытия не заставили себя ждать. В поисках признаков проходящих планет с помощью телескопа «Кеплер» были обследованы 750 затменных двойных звезд с короткими орбитами с периодом менее одного земного года. Завершились они успехом: всего через 4 месяца после известия о существовании Кеплер-16 b были открыты еще две планеты, обращающиеся вокруг двойных звезд.

Эти планеты, получившие обозначения Кеплер-34 b и Кеплер-35 b, были газовыми гигантами и имели массы, сопоставимые с массой Сатурна. Кеплер-34 b движется по орбите вокруг двух солнцеподобных звезд, собственный период обращения которых составляет 28 суток. Планета совершает полный оборот вокруг пары за 289 суток. Кеплер-35 b обращается вокруг двух звезд меньшего размера с массами, равными приблизительно 80–90% массы Солнца. Период обращения звездной пары составляет 21 сутки; период обращения планеты — 131 сутки.

Орбиты всех трех находок лежат практически в одной плоскости (с отклонением не более 2%) с орбитами двойных звезд. Это означает, что планеты сформировались в протопланетном диске, окружавшем оба компонента тесной звездной пары. Если бы они были захвачены, то их орбиты были бы наклонены под разными углами — как орбиты комет, обращающихся вокруг Солнца. В каждой из трех систем существует лишь одна планета. Таким образом, возможность существования планет, обращающихся вокруг двойных звезд, была доказана. Но могла ли вокруг двух солнц сформироваться полноценная планетная система?

Ответ был получен осенью того же года при наблюдении за Кеплер-47 — двойной звездой, состоящей из солнцеподобного светила и его втрое меньшего и на 99% более тусклого компаньона. Две звезды образуют тесную пару с периодом обращения 7,45 суток и расстоянием между компонентами всего 0,08 а.е. Сначала казалось, что других объектов рядом со звездами нет. Наблюдение за периодами обращения не выявило никаких признаков взаимодействия со скрытым объектом. Но при анализе блеска звезд были обнаружены следы присутствия другого тела. Более того, были обнаружены по крайней мере две планеты, проходившие по диску большей из двух звезд.

Из-за отсутствия измеримого влияния на движение компонентов двойной системы оценить массы планет не представлялось возможным. Само по себе это обстоятельство указывало на то, что планеты не являются массивными газовыми гигантами размером с Юпитер. В противном случае их гравитационное притяжение оказывало бы влияние на двойную звезду. Результаты измерения радиусов во время прохождений подтвердили эту догадку. Внутренняя планета была в три раза больше Земли и имела период обращения 50 суток. Внешняя планета была крупнее — чуть больше 4,5 радиуса Земли. Полный оборот вокруг звезд она совершала за 303 суток. Это газовые планеты, но не такие большие, как Юпитер.

Близость внутренней планеты к звездам означает, что, скорее всего, она является горячим мини-нептуном с массой, предположительно равной половине массы нашего Нептуна, и толстой атмосферой. Размер второй планеты оказался ближе к размеру Нептуна, а условия на ее поверхности — менее суровыми, чем на Нептуне. Ни с одной из этих планет, к сожалению, не получится понаблюдать за заходом солнц. Однако то, что их по крайней мере две, свидетельствует о возможности существования целых систем, состоящих из миров, похожих на Татуин.

К началу 2015 г. было найдено уже с десяток миров, обращающихся вокруг двойных звезд. Учитывая, как трудно находить такие планеты, можно предположить, что при наблюдении было пропущено в 10 раз больше татуиноподобных миров. Двойные закаты, конечно, не относятся к числу самых распространенных явлений, но и большой редкостью их также вряд ли можно назвать. Однако на фоне открытых впоследствии миров, обращающихся вокруг как одиночных звезд, так и двойных систем, даже Татуин кажется чем-то заурядным.

Мафусаил

Кеплер-16 b часто называют первым татуиноподобным миром, но на самом деле она не была первой циркумбинарной планетой, найденной нами. Как и в случае с экзопланетами, первые обнаруженные планеты этого типа обращались вокруг мертвых звезд.

Случилось это через год после открытия Вольщаном и Дейлом планет у пульсара, когда в 12 000 световых лет от нас в созвездии Скорпион был найден еще один миллисекундный пульсар. Судя по миллисекундному периоду вращению, рядом должна была присутствовать звезда-компаньон. Чтобы проверить эту догадку, был проведен анализ испускаемых пульсаром маякоподобных вспышек. В результате были обнаружены белый карлик и планета.

Новая планета не имела ничего общего с мирами обычного для суперземель размера, открытыми Вольщаном и Дейлом. Это массивный газовый гигант в два с половиной раза тяжелее Юпитера. Орбита его пролегает не рядом с пульсаром — планета обращается вокруг пульсара и его звездного собрата, белого карлика, на расстоянии 23 а.е., то есть в Солнечной системе она бы находилась где-то между орбитами Урана и Нептуна.

Находка полностью перевернула наше представление о процессе образовании планет у пульсаров. Считалось, что протопланетные диски вокруг пульсаров формируются из разорванной на части звезды-компаньона, но, как со всей очевидностью показывали данные наблюдений, сосед этого пульсара никуда не пропал. Даже если на протопланетный диск ушла лишь часть массы компаньона, как могла столь массивная планета сформироваться на таком большом удалении? К тому же орбита планеты была наклонена относительно орбит двух мертвых звезд, а значит, вряд ли они формировались вместе. Из всего этого следовал вывод: планета была захвачена.

Область, где находились пульсар и белый карлик, не была изолирована от остальной Галактики. Напротив, пара располагалась в древнем скоплении звезд. При коллапсе газового облака рождается далеко не одна звезда — в результате фрагментации плотных областей газа появляется тесная группа звезд, называемая звездным скоплением. Такое скопление может насчитывать от десятков до сотен тысяч новых солнц. Родившись в одном облаке, члены такой звездной семьи имеют один и тот же возраст, хотя из-за разницы в массе у них могут быть разные продолжительности жизни. Со временем скопления обычно рассеиваются, оставляя после себя разделенные большими расстояниями одиночные звезды, двойные системы и небольшие группы звезд. Однако самые старые и крупные звездные скопления содержат миллионы светил и сохраняют свою плотную структуру. Их называют шаровыми звездными скоплениями. Их формирование пришлось на период молодости Галактики. Как раз в одной из таких древних громадин и находится пульсар PSR B1620–26.

Название шарового скопления, к которому относится PSR B1620–26, — Мессье 4. Это одно из тех скоплений, которые легко можно наблюдать с помощью любительского телескопа: Мессье 4 выглядит как размытый шар размером с Луну рядом с яркой звездой Антарес. Масса скопления составляет около 70 000 солнечных масс, размер занимаемой им области в поперечнике — 75 световых лет, а возраст, как считается, — приблизительно 12,8 млрд лет. Если вновь обнаруженная планета рядом с пульсаром изначально сформировалась в окрестностях молодой звезды, она должна иметь приблизительно тот же возраст, что и скопления. То есть это одна из самых старых планет, которые мы наблюдали. Чтобы подчеркнуть ее почтенный возраст, планете дали прозвище «Мафусаил» — в честь предка библейского строителя ковчега Ноя, который, согласно легенде, закончил свою неправдоподобно долгую жизнь в возрасте 969 лет.

Полагают, что существование планеты, обращающейся вокруг пары мертвых звезд, объясняется как раз тем, что эта система находится в густонаселенном звездном скоплении. Вероятно, планета сформировалась в обычном протопланетном диске вокруг молодой звезды. На протяжении своей жизни планетная система перемещалась по усыпанному звездами ядру скопления. Объекты там располагаются настолько близко друг к другу, что взаимодействия между звездными соседями, которые в других обстоятельствах случаются исключительно редко, здесь являются обычным явлением. Находясь в таком окружении, в какой-то момент звезда с планетой оказались рядом с двойной системой, компоненты которой достигли последних стадий в своей эволюции, став пульсаром и белым карликом. В результате взаимодействия этого трио звезда с планетой заняла место белого карлика. В результате обычная звезда стала обращаться вокруг пульсара, а планета была выброшена из системы и стала обращаться вокруг другой звездной пары.

Наконец подошла к концу и эволюция первоначальной материнской звезды, которая превратилась в красный гигант. Ее внешние слои перетекли на пульсар, и звезда-гигант стала белым карликом. Этот процесс не доставил неприятностей юпитероподобной планете, так как звезда была слишком мала, чтобы взорваться в качестве сверхновой. Вместо этого она стала планетой с двумя мертвыми звездами, восходящими и заходящими на его небе. Но, как выяснилось, PSR B1620–26 b не первая планета, родившаяся в результате смерти звезды и обращающаяся вокруг двойной системы. И самой странной ее вряд ли можно было бы назвать.

Две звезды — одно тело

В части созвездия Змея, именуемой «Голова змеи», на расстоянии 1670 световых лет от нас располагается двойная система, состоящая из живой и мертвой звезд. Это NN Змеи, пара, в которой белый карлик соседствует с обычной красной карликовой звездой. Звезды обращаются одна вокруг другой за 3 часа и 7 минут. Расстояние между ними невероятно маленькое — всего 0,004 а.е. По мнению астрономов, такая близость свидетельствует о том, что когда-то красный карлик жил внутри своего соседа.

Хотя смерть солнцеподобной звезды, сопровождающаяся ее превращением в белый карлик, протекает не столь бурно, как у более массивных собратьев, она может представлять определенную опасность для другого компонента системы. Когда умирающая звезда расширяется, превращаясь в красный гигант, ее внешние слои могут не перелиться на находящегося поблизости компаньона, а окутать его. В результате одна звезда оказывается в теле другой, образуя нечто похожее на гигантское яйцо с двумя желтками. Такую пару называют системой с общей оболочкой. Под воздействием окружающего звездного вещества звезда, оказавшаяся внутри, переходит на все более короткие орбиты. Сокращение орбиты сопровождается выбросом энергии, которая выталкивает окружающие звезду слои, открывая белый карлик в ядре красного гиганта.

Из-за скрывающих их складок красного гиганта наблюдать за звездами в системе с общей оболочкой исключительно трудно. Но предполагается, что двойные системы, состоящие из белого карлика с обращающимся вокруг него на очень короткой орбите компаньоном, когда-то имели общую оболочку. К их числу относится и система NN Змеи, компоненты которой могли быть притянуты друг к другу в тот период, когда белый карлик был раздутым красным гигантом. Быть проглоченным целиком — далеко не самый лучший способ обзавестись планетной системой. Но в очередной раз Вселенной это не помешало.

Как и Кеплер-16, NN Змеи — затменная двойная система, компоненты которой с точки зрения наблюдателя с Земли проходят друг перед другом. Зафиксировав незначительные отклонения в интервалах между затмениями, астрономы пришли к казавшемуся совершенно неправдоподобным выводу о том, что рядом со звездной парой есть что-то еще.

Небольшие отклонения в орбите NN Змеи вызваны двумя планетами-компаньонами. Это массивные газовые гиганты, один из которых в семь раз больше Юпитера, а второй — вдвое. Они обращаются вокруг тесной пары звезд на значительно большем расстоянии, составляющем 3,5 а.е. и 5,5 а.е., с периодом 7,7 и 15,5 лет соответственно. Сформировались ли эти планеты вместе с компонентами двойной системы или же они родились в момент сброса общей оболочки?

Первый вариант не выглядит правдоподобным, поскольку планете трудно пережить смерть звезды. Потеря внешних слоев красного гиганта не сравнится по разрушительным последствиям со взрывом сверхновой, но она все-таки привела к уменьшению массы звездной пары приблизительно на 75%. В случае с PSR B1620–26 b столь значительной потери массы удалось избежать благодаря аккреции вытолкнутой оболочки на пульсар. Менее массивные звезды NN Змеи лишились этого материала, значит, им было бы трудно удержать обращающиеся вокруг них планеты. Поэтому более вероятным кажется сценарий, согласно которому планеты в NN Змеи намного моложе своих звезд.

Если допустить, что вокруг компонентов двойной звезды образовался диск из сброшенной красным гигантом оболочки, это могло положить начало формированию второго поколения планет. Применительно к NN Змеи это бы означало, что две найденные там планеты очень молоды. Температура белого карлика в звездной паре чрезвычайно высока, достигая 57 000 °C, из чего следует, что с момента его образования прошло не так много времени и остыть он не успел. Исходя из температуры, возраст белого карлика (а вместе с ним и максимально возможный возраст планет) не превышает 1 млн лет. Столь короткий период формирования указывает на то, что газовые гиганты не являются результатом постепенного слипания планетезималей в соответствии с моделью аккреции на ядро. Скорее планеты родились в оболочке из сброшенных звездных слоев в результате развития в диске неустойчивости, так как в таком сценарии скорость формирования выше.

Система NN Змеи — средоточие крайностей: планеты, рожденные в сброшенных слоях звезд, заключенных в общее тело. По правде говоря, она настолько странная, что закончить рассказ о ней следует предостережением. За время, прошедшее с открытия NN Змеи, были найдены еще две тесные затменно-двойные звезды, в которых наблюдались аналогичные отклонения времени прохождения. Сначала исследователи решили, что, как и в случае с NN Змеи, вызывают их планеты. Но анализ орбит планет показал, что они не могли оставаться стабильными: миры на таких орбитах были бы обречены столкнуться со звездами либо быть выкинутыми из системы. Таким образом, колебания орбит компонентов двойных звезд были обусловлены другим, неведомым событием. Орбиты планет вокруг NN Змеи стабильны, но сравнение с похожими системами показывает, что возможность для других толкований до сих пор существует. Таким образом, тесные затменно-двойные звезды могут еще хранить секреты, не имеющие никакого отношения к планетам.

Кузены

Для планет, формирующихся вокруг только одной звезды в двойной системе, вторая звезда может играть роль злой мачехи, которая так и норовит опрокинуть люльку с падчерицей. Но может ли каждый из компонентов двойной звезды иметь свою отдельную систему планет?

Существование таких планет-кузенов возможно, но, как и в других случаях, зависит от расстояния между звездами. Если они находятся далеко друг от друга, вокруг каждой из них, как и вокруг одиночных солнц, могут сформироваться планеты. При расстоянии между компонентами двойной звезды менее 20 а.е. бо́льшая часть окружающего газа концентрируется в окрестностях большей из звезд. Стоит им сблизиться еще больше, и образуются похожие на Татуин миры, обращающиеся вокруг обоих компонентов. Системы с планетами-кузенами пока считаются редким явлением. На начало 2016 г. было обнаружено только три или, предположительно, четыре[23] двойные звезды, в которых у обеих звезд есть свои планеты. Особенно интересна одна из них — двойная звезда WASP-94.

Звезды WASP-94A и WASP-94B находятся на расстоянии 600 световых лет от нас в созвездии Микроскоп. В ходе наблюдения за WASP-94A были зафиксированы периодические падения светимости, указывающие на прохождения перед звездой планеты. Вокруг этой звезды обращается горячий юпитер. Период обращения — менее 4 суток. Чтобы определить массу этого нового мира по характерным колебаниям лучевой скорости, за WASP-94A вели постоянные наблюдения. В ходе них было также установлено, что вокруг WASP-94B обращается горячий юпитер, который не проходит по диску звезды.

Расстояние между компонентами двойной звезды составляет 2700 а.е. Разделенные столь большим участком пространства, звезды не могли влиять на формирование планет вокруг своего компонента. Поэтому, хотя сам по себе факт существования двух горячих юпитеров, конечно, представлял определенный интерес, ничего примечательного в нем по большому счету не было. Если бы не необычные орбиты планет.

Если бы формирование звезд и планет проходило в первичном газовом облаке, вращение звезд вокруг своей оси и орбитальное движение двойной системы и планет должны были бы происходить в одной плоскости и в одном направлении. Вместо этого орбиты двух планет наклонены друг к другу под определенным углом, из-за чего мы и не можем наблюдать прохождения одного из кузенов. Более того, оказалось, что орбита проходящей планеты — ретроградная, а значит, она обращается вокруг WASP-94A в направлении, противоположном направлению вращения звезды.

Мы уже видели примеры такого рассогласования. В главе 5 мы рассматривали систему, в которой звезда-компонент могла заставить перевернуться планету, в результате чего появлялся горячий юпитер с наклонной или ретроградной орбитой. Возможно, даже если WASP-94A и B из-за слишком большого расстояния между ними не могли помешать формированию планет вокруг второго компонента системы, одной из них все-таки удалось заставить планету двигаться в противоположном направлении. Согласно другой гипотезе, кузены могли когда-то быть родными братьями, обращавшимися вокруг одной звезды. В результате активного взаимодействия двух планет одна из них могла быть вытолкнута на орбиту вокруг второй звезды. Наконец, в двойной системе могут быть другие планеты, которых мы не видим и которые заставили горячий юпитер вокруг WASP-94A сместиться на наклонную орбиту. Пока что история этого семейства покрыта тайной.

Миры с многими солнцами

Как показывает пример системы альфы Центавра, в которой двойная звезда соседствует с далекой Проксимой Центавра, количество компонентов в звездных системах не всегда ограничивается двумя. Конечно, вряд ли отыщется несколько звезд, которые бы находились достаточно близко друг к другу, чтобы их мог окружать один циркумбинарный диск, но на орбитах вокруг одного компонента такой системы вполне могут обращаться планеты, небо которых освещается несколькими солнцами.

Тройной звездной системой также является HD 131399, находящаяся на расстоянии 340 световых лет от Земли в созвездии Центавр. Эта группа также состоит из двойной системы и одиночной звезды, но на этом ее сходство с нашими ближайшими соседями из системы альфы Центавра заканчивается.

Одиночная звезда в системе HD 131399 — самая массивная из трех. Ее масса на 80% больше массы Солнца. Компонентами двойной подсистемы являются звезда размером с Солнце и карлик, которые обращаются вокруг своего собрата-тяжеловеса подобно вращающейся гантели. Одиночную звезду и двойную разделяют 300 а.е., а между ними находится внушительный юпитероподобный мир.

Этот похожий на Юпитер газовый гигант обращается вокруг массивной звезды-одиночки на расстоянии 82 а.е., что приблизительно соответствует двум расстояниям от Солнца до Плутона. Чтобы совершить полный оборот по орбите, ему требуется целых 550 земных лет. Если бы рядом с планетой был пригодный для жизни спутник и он был бы населен людьми, то одного сезона длиною в столетие хватило бы, чтобы родилось и умерло несколько поколений.

Планета находится так далеко от трех звезд в системе, что ее присутствие нельзя определить ни транзитным методом, ни по изменениям в движении звезд. HD 131399 A b была обнаружена путем прямой съемки.

Формируясь в результате яростных столкновений или из стремительно коллапсирующего газа, планеты рождаются горячими. Обычно это тепло перекрывается блеском звезды. Но если планета достаточно велика, молода и удалена от своего солнца, выделяемое ею тепло может быть обнаружено при наблюдении. Температура планеты зависит от ее возраста и массы. Если допустить, что возраст системы совпадает с возрастом звезды, можно рассчитать массу планеты, доступной для прямого наблюдения, на основе ее температуры. Прямое наблюдение — стремительно развивающийся метод изучения экзопланет, но мощности даже самого лучшего телескопа может быть недостаточно для достижения оптимального результата. При массе, равной четырем массам Юпитера, в момент объявления о ее открытии в 2016 г. HD 131399 A b была одной из самых легких планет, выявленных методом прямого наблюдения.

На протяжении половины многовековой орбиты HD 131399 A b все три звезды должны быть расположены близко друг к другу в небе. Это значит, что каждый день на ее поверхности должно быть три восхода и три заката. Во второй половине ее года при наблюдении с поверхности планеты должно казаться, что звезды расходятся. В какой-то момент восход большой звезды должен совпасть с заходом звездной пары. После этого в течение приблизительно 140 лет на планете не будет полноценной ночи. Однако, несмотря на постоянное присутствие одного (или двух) из солнц в небе, поверхность HD 131399 A b не должна быть ярко освещена. Расстояние между тремя звездами так велико, что даже яркость массивной звезды будет составлять лишь около 1/600 яркости Солнца, то есть она должна выглядеть как маленькая, но очень яркая точка света. При этом двойная звезда должна испускать еще более тусклый свет.

В статье для интернет-журнала Slate астроном и автор научно-популярных книг Фил Плейт представил себе, как бы могла сложиться история цивилизации, развивающейся в таком мире. Нашлось бы в ней место для системы Птолемея, утверждающей, что небесная сфера вращается вокруг планеты, когда в любой момент можно взглянуть на небо и увидеть там очевидное опровержение в виде двух солнц?

Учитывая удаленность HD 131399Ab, вряд ли эта планета сформировалась в окрестностях своей нынешней орбиты. Не исключено, что в тройной системе есть другие скрытые планеты, из-за взаимодействия с которыми газовый гигант был выброшен туда, где он находится сейчас. Согласно другому сценарию, HD 131399 A b могла быть циркумбинарным миром, обращавшимся вокруг звездной гантели, а потом была выброшена одной из звезд или другой планетой. Странность этой ситуации в очередной раз демонстрирует, что звезды в любых условиях прекрасно справляются с ролью фабрик планет.

В созвездии Чаша, в 150 световых годах от Земли, находится четырехкратная звездная система HD 98800. Она состоит из двух пар звезд, кружащихся, подобно лошадкам на детской карусели, друг вокруг друга на расстоянии всего лишь 50 а.е. Чтобы представить себе, насколько плотно должны располагаться компоненты такой системы, достаточно мысленно поместить четыре звезды в промежуток между Солнцем и поясом Койпера. Обнаружить планеты в этой системе не удалось, но одну из звездных пар окружает остаточный диск.

Остаточные диски состоят из фрагментов межзвездной пыли, образовавшихся, подобно стружке на мебельной фабрике, во время столкновений планетезималей и прочих объектов. В отличие от протопланетных дисков, остаточные диски появляются в конце процесса формирования планет. Поскольку пыль теплая, такие телескопы, как «Спитцер», способны обнаруживать эти диски по инфракрасному излучению.

Согласно данным наблюдений с помощью «Спитцера», остаточный диск вокруг этой необычной двойной системы разделен на две половины. Внешняя часть располагается почти в 6 а.е. от пары звезд, тогда как внутренняя простирается от 1,5 до 2 а.е. В промежутке между двумя частями ничего нет.

Наличие пустого пространства может указывать на невидимую планету. Такой скрытый мир при движении по своей орбите вполне мог подобрать небольшие глыбы, расчистив полосу в обломочном материале. Однако это всего лишь предположение, так как столкновения, в результате которых появились обломки, совсем не обязательно должны были привести к формированию мира размером с планету. Нельзя исключать вариант, при котором процесс остановился на объектах размером с астероид. А свободный промежуток мог образоваться в результате взаимодействия гравитационных сил четырех солнц, находящихся неподалеку друг от друга. Но если планета все-таки существует, то в ее небе должны быть видны четыре солнца. Расстояние до двух из них должно казаться чуть бóльшим, чем расстояние до Солнца с точки зрения наблюдателей на поверхности Земли. Остальные два должны выглядеть приблизительно так же, как Плутон.

Но и это не предел — во Вселенной встречаются еще более сложные системы. В созвездии Большая Медведица, на расстоянии 250 световых лет от нас, имеется система из пяти звезд. Пятерная система состоит из двух двойных звезд и одной одиночной. А если заглянуть в созвездие Близнецы, можно увидеть яркую звезду Кастор, сверкающую светом шести звезд. Планет в этих системах пока не нашли, но если бы они там были, в их небе можно было бы увидеть такое, что заставит забыть о выдумках писателей-фантастов.

Глава 10. Место преступления — планетная система

В 2006 г. Солнечная система потеряла планету. Десять лет спустя появились слухи, что она ничего не потеряла, а наоборот — приобрела. Обычно во всей этой неразберихе винят американского астронома Майкла Брауна.

Справедливости ради нужно отметить, что ни в том ни в другом случае речь не шла о появлении или исчезновении миров на орбитах вокруг Солнца. Интрига заключалась в обнаружении множества новых в дальних уголках Солнечной системы.

О существовании пояса из твердых планетных обломков за Нептуном было известно давно. Ранее считалось, что пояс Койпера, который окружает орбиту Плутона, состоит из тел небольшого размера. Однако это представление пришлось пересмотреть, после того как группа исследователей под руководством Брауна открыла Эриду, Макемаке и Хаумею — три объекта, размеры которых были сопоставимы с размером Плутона. Когда Международный астрономический союз (МАС) осознал, что из-за стремительного повышения чувствительности методов наблюдения в скором времени придется добавить к списку планет Солнечной системы тысячи маленьких миров, было решено выделить их в отдельный класс. По этой причине статус Плутона изменился — он был отнесен к карликовым планетам. Компанию ему составили Эрида, Макемаке и Хаумеа.

Помимо практических соображений, связанных с неудобством работы с длинным списком планет, был еще ряд факторов, говоривших в пользу такого пересмотра. Последние находки отличались от всех наших соседей — и от планет земной группы, и от газовых гигантов. В Солнечной системе все планеты — от Меркурия до Нептуна — доминируют в окружающей их части пространства. На орбитах рядом с ними нет объектов сопоставимого размера, за исключением связанных с ними спутников. Иную картину являет Плутон: располагаясь в поясе Койпера, он окружен объектами размером с него и меньше. Такое различие объясняется тем, что в процессе формирования Земля и похожие на нее планеты избавились от близлежащих объектов, сталкиваясь с ними или рассеивая их. Они как бы «расчистили» собственные орбиты. Плутону и другим карликовым планетам расчистить орбиты не удалось, и поэтому окружающее их пространство очень сильно отличается от пространства вокруг более крупных миров.

Еще один пример неочищенного пространства в пределах нашей Солнечной системы — пояс астероидов. Среди составляющих его миллионов каменных глыб удобно устроилась 900-километровая Церера. С момента своего открытия в 1801 г. Церера, как и Плутон, считалась планетой. Когда был обнаружен пояс астероидов, оказалось, что Церера окружена объектами почти такого же размера, как она сама, включая астероиды Паллада, Веста и Гигея, диаметр каждой из которых превышает 440 км. Для сравнения: самый крупный известный нам объект, пересекающий в настоящее время орбиту Земли, — это астероид Ганимед (не путать со спутником Юпитера с таким же названием), диаметр которого около 41 км, то есть в 300 раз меньше земного. Более того, сравнение с Ганимедом не совсем корректно, так как большинство таких объектов в окрестностях Земли сначала сформировались в поясе астероидов и уже потом только оказались заброшены во внутреннюю часть Солнечной системы. Учитывая то, в какой компании она находится, Цереру отнесли к карликовым планетам наряду с Плутоном и крупными транснептуновыми объектами.

Густонаселенные орбиты внешних карликовых планет — не единственное, что отличает их от планет-собратьев. Их траектории движения вокруг Солнца имеют не круговую, а вытянутую, эллиптическую форму и пролегают не в одной плоскости с путями остальных планет, а под углом к ней.

Еще в начале XVII в. Кеплер установил, что планетные орбиты на самом деле эллиптические, а не идеально круглые, как считалось тогда. Степень вытянутости орбит определяется величиной их эксцентриситета. Орбита Земли вокруг Солнца почти круговая — ее эксцентриситет составляет всего лишь 0,01. Эксцентриситет орбиты Марса равен 0,1, а Юпитера — 0,05. Ничего удивительного в этом нет: чтобы процесс образования планет происходил максимально эффективно, планетезимали должны сталкиваться на низких скоростях, поскольку быстрые объекты при ударе чаще всего отскакивают или разлетаются на кусочки. Вероятность медленных столкновений выше между объектами, движущимися на схожих скоростях по коротким круговым орбитам.

В отличие от миров большего размера, Плутон имеет эксцентриситет 0,25, а его орбита наклонена под углом 17° к плоскости эклиптики. Из-за вытянутости траектории движения величина расстояния от Плутона до Солнца изменяется в столь большом диапазоне, что его орбита пересекается с орбитой Нептуна, благодаря чему на 20 лет из 248, которые требуются ему для совершения полного оборота, карликовая планета находится ближе к центру системы. Последний раз это произошло 7 февраля 1979 г., после чего Плутон оставался ближе к Солнцу, чем Нептун, до 11 февраля 1999 года.

Учитывая, что эллиптические траектории плохо подходят для наращивания массы объекта, формирование небесных тел с вытянутыми орбитами вряд ли происходило в тех частях Солнечной системы, где они обращаются сейчас. Скорее всего, на своих нынешних орбитах они оказались в результате взаимодействия с другими объектами. «Это похоже на осмотр места преступления, на работу экспертов, которые изучают расположение брызг крови на стенах, — описывает процесс Стивен Кейн. — Вы знаете, что произошло что-то нехорошее, и вам нужно разобраться в причинах». В случае с Плутоном, Эридой, Макемаке и Хаумеей главные подозреваемые — Нептун и газовые гиганты.

Более близкие объекты в поясе Койпера, такие как Плутон и Хаумеа, находятся в орбитальном резонансе с Нептуном. Орбитальный резонанс между Плутоном и Нептуном — 3:2, то есть за то время, которое требуется Плутону, чтобы совершить два полных оборота вокруг Солнца, Нептун успевает трижды обойти светило. Благодаря этому пересечение орбит двух миров не приводит к их столкновению — они всегда минуют друг друга в одних и тех же (не грозящих столкновением) точках своих орбитальных витков. Хаумеа и Нептун, вероятно, находятся в менее выраженном резонансе 7:12. При таких резонансах орбиты карликовых планет меньшего размера вытянулись и наклонились в результате действия того самого механизма Козаи — Лидова, который привел к формированию горячего юпитера.

Макемаке, которая располагается чуть дальше, не находится в резонансе с Нептуном. Полагают, что ее орбита наклонилась, когда на поздних этапах формирования Солнечной системы планета была выброшена во внешнюю ее часть в результате взаимодействия с газовыми гигантами. Эрида, в свою очередь, обязана своей сильно эллиптической и наклоненной орбитой полученному от Нептуна «пинку», из-за которого ее траектория существенно вытянулась.

Дальше Эриды, за пределами пояса Койпера, влияние Нептуна заканчивается. Еще дальше, далеко-далеко от него располагается облако Оорта, в котором скопление небольших каменистых тел балансирует на границе между гравитацией Солнца и более мощным притяжением Галактики. Между Поясом и Облаком — пустота. Во всяком случае, так принято было считать.

Осенью 2003 г. Майкл Браун, преподававший в Калифорнийском технологическом институте, прочитал студентам лекцию под названием «Край Солнечной системы». Он читал ее уже много лет, каждый раз заканчивая выводом об отсутствии чего-либо за пределами пояса Койпера. По воспоминаниям Брауна, которые можно прочитать в его блоге, в тот год, повторив привычный вывод, он сделал паузу, а потом сказал: «Но я не уверен, что продолжаю верить в это».

В то утро, просматривая сделанные накануне ночью снимки неба, Браун обратил внимание на медленно движущийся объект. А несколько недель спустя Майкл Браун вместе с астрономами Чедвиком Трухильо и Дэвидом Рабиновицем получили данные, подтверждавшие открытие новой карликовой планеты. Находившийся на расстоянии около 100 а.е. от Солнца новый мини-мир был самым удаленным объектом за всю историю наблюдений Солнечной системы[24]. К тому же орбиту новой планеты нельзя было назвать круговой.

Орбита карликовой планеты вытянулась в тонкий овал, а ее эксцентриситет достиг невероятной величины — 0,85. Из-за этого расстояние от нее до Солнца изменяется в широчайшем диапазоне — от 76 а.е. в самой близкой точке до 936 а.е. в самой дальней. Намекая на удаленность, новую планету назвали Седна — в честь эскимосской богини, обитающей на дне Северного Ледовитого океана.

Эксцентриситет Седны весьма примечателен, но не он делает ее настоящей аномалией, а дистанция. Даже в самой близкой точке своей орбиты Седна остается очень далеко от пояса Койпера, который располагается в 30–50 а.е. от Солнца. Таким образом, Нептун вряд ли оказывает на эту карликовую планету какое-либо влияние.

При рассеивании более крупным телом астрономический объект может перейти на эллиптическую траекторию, то есть его орбита станет вытянутой. Как и круг, эллипс образует замкнутую петлю, а значит, в конечном итоге объект вернется в точку рассеивания. Поэтому на определенном участке своего пути любой движущийся по вытянутой орбите объект должен проходить мимо вытолкнувшего его тела. Седна никогда не подбирается близко к Нептуну или какой-либо другой планете, взаимодействие с которой могло бы привести к переходу на вытянутую орбиту. На самом деле эта планета находится дальше от Нептуна, чем даже Земля. При этом от облака Оорта она также находится слишком далеко, чтобы испытывать приливные воздействия со стороны Галактики. Где же тот преступник, который вытолкнул Седну на ее эллиптическую орбиту?

В конце марта 2014 г. разгадать и без того непростую загадку Седны стало еще сложнее: была открыта еще одна карликовая планета, двигавшаяся по аналогичной сильно вытянутой орбите за пределами сферы влияния Нептуна. Впервые ее наблюдали в ноябре 2012 года. Сейчас для обозначения этой планеты используется код 2012 VP_113. Когда Международный астрономический союз полностью изучит ее орбиту, планета получит более благозвучное название.

Эллиптическая орбита 2012 VP_113 начинается даже дальше, чем орбита Седны: она пролегает на расстоянии от 80 а.е. до почти 450 а.е. от Солнца. Как и Седна, на своем пути она не встречает ни одного объекта, который бы мог вытолкнуть ее на такую орбиту. Как же в таком случае эта карликовая планета оказалась на ней?

В настоящий момент происхождение Седны и 2012 VP_113 остается загадкой. Существует три возможных варианта объяснения. Согласно первому, карликовые планеты были рассеяны не другой планетой, а проходящей мимо звездой.

На это можно возразить, что, в отличие от объектов в облаке Оорта, Седна и 2012 VP_113 все-таки расположены слишком близко к Солнцу, чтобы на них могли оказывать влияние наши ближайшие звездные соседи. А вот когда наша Солнечная система только формировалась, у Солнца была компания.

Звезды рождаются в скоплениях, которые, как правило, распадаются по мере рассеивания первичного газового облака под воздействием исходящего от молодых светил тепла. В те времена компаньоны Солнца в скоплении должны были находиться намного ближе к нему, чем другие звезды сегодня. Не исключено, что как раз скопление и было источником той силы притяжения, которая заставила Седну и 2012 VP_113перейти на вытянутые орбиты. Если это так, то две карликовые планеты могут принадлежать к намного более многочисленной группе объектов, образующей так называемое внутреннее облако Оорта. Сейчас эта предполагаемая область пространства располагается вне досягаемости планет-гигантов и проходящих звезд. Своим существованием она обязана ранним этапам существования Солнечной системы

Если звезды из скопления, в котором родилось Солнце, не имеют отношения к рассеиванию карликовых планет, то есть еще одна гипотеза, согласно которой всему виной их бурная молодость. Сегодня Седна и 2012 VP_113 недосягаемы для Нептуна, но, как полагают, их формирование проходило не там, где они находятся сейчас. После испарения протопланетного диска четыре газовых гиганта поменялись местами, разбросав планетезимали по Солнечной системе. В этот период Нептун мог быть вытолкнут на более вытянутую орбиту, пролегавшую дальше от Солнца. При этом область гравитационного влияния газового гиганта переместилась ближе к краю системы, что позволило ему забросить Седну и 2012 VP_113 на их удаленные орбиты. В процессе рассеивания планетезималей и карликовых планет Нептун вернулся назад, на круговую орбиту, после чего карлики стали недостижимы для него.

Объяснение вытянутых орбит карликовых миров толчком, произведенным звездой или молодым Нептуном, кажется вполне убедительным. Но есть и третий вариант: а что, если в Солнечной системе существует еще одна планета?

Идея о том, что планет в Солнечной системе на самом деле больше, имеет давнюю историю. В 1820 г. французский астроном Алексис Бувар заметил, что его расчеты местоположения Урана не соответствовали результатам наблюдений. Планета была не там, где ей следовало находиться. Чтобы объяснить такое расхождение, Бувар предположил, что на движение Урана влияет другой массивный объект. Им оказалась планета Нептун. Первыми наблюдать ее довелось астрономам из Берлинской обсерватории в 1846 году. Координаты Нептуна точно совпали с теми, что были получены при оценке отклонения Урана от расчетного положения.

Почти столетие спустя, благодаря не столько расчетам, сколько счастливому стечению обстоятельств, был открыт Плутон. В начале 1900-х гг. богатый американский бизнесмен и астроном Персиваль Лоуэлл произвел вычисления, которые показали, что на орбиты Урана и Нептуна также оказывает влияние другое тело. Хотя сам Лоуэлл найти недостающий объект так и не смог, вероятный кандидат все-таки был обнаружен сотрудниками основанной им обсерватории.

Сделал это Клайд Томбо — сельский паренек из Канзаса, своими руками смастеривший несколько телескопов на семейной ферме. Один из этих самодельных аппаратов Томбо прозвал «газоноскопом», так как для большей мобильности он установил его на газонокосилку. В 1928 г. на основе проведенных им наблюдений он сделал подробные рисунки Марса и Юпитера и отправил их в Лоуэлловскую обсерваторию в Аризоне. Рисунки получили высокую оценку специалистов, и Томбо получил приглашение на работу. Так он присоединился к начатым Персивалем Лоуэллом поискам «планеты Х».

Через два года Томбо обнаружил Плутон. Он решил, что это и есть предполагаемая девятая планета, та недостающая сила, которая нарушает покой Урана и Нептуна. Однако, когда в 1978 г. была вычислена масса Плутона, оказалось, что он слишком мал, чтобы оказывать столь значительное воздействие на орбиты своих соседей-гигантов. По-настоящему проблема была решена только в 1989 г., когда космический зонд NASA «Вояджер-2» добрался до Нептуна и обнаружил, что его реальная масса на 0,5% меньше расчетной. Таким образом, не укладывавшиеся в общую картину расчеты орбит утратили свое значение. Прошло еще 20 лет, и претендовавший на звание девятой планеты Плутон был разжалован в карликовые планеты: все-таки его влияние на окружающее пространство совсем невелико.

А может быть, Лоуэлл все-таки был прав? Может быть, загадочная «планета Х» действительно существовала в Солнечной системе, и именно ее влиянию обязаны планеты-карлики своими вытянутыми орбитами? Такая планета должна быть достаточно массивной, чтобы заставить Седну и 2012 VP_113перейти на эллиптические орбиты, и при этом находиться на таком большом расстоянии, чтобы ее было трудно наблюдать с Земли.

Как понять, есть в Солнечной системе скрытая планета или нет? Например, мы можем определить расположение центра масс Солнечной системы. Как уже упоминалось ранее, центр масс двух обращающихся тел — это точка, в которой их силы гравитационного притяжения уравновешивают друг друга. Ее можно сравнить с точкой равновесия удерживаемого на пальце карандаша с ластиками разного размера на концах. Оба тела обращаются вокруг общего центра масс, который находится ближе к более массивному телу.

Когда в системе несколько тел, центр масс находится там, где силы их взаимного притяжения уравновешивают друг друга. Вместо удерживаемого на пальце карандаша мы должны теперь представить себе тарелку, наполненную тяжелыми стеклянными шариками. Очевидно, что центр масс Солнечной системы располагается очень близко к Солнцу. Его точное местоположение определяется положением планет, поэтому он смещается вслед за их перемещениями. Если в Солнечной системе есть планета, о которой мы не знаем, то расчетный центр масс не должен совпадать с фактическим, ведь на нашей тарелке будет лежать еще один, не учтенный в расчетах шарик.

Выявить такую ошибку можно с помощью пульсаров. При обращении Земли вокруг центра масс Солнечной системы ее положение относительно пульсаров изменяется. Таким образом, время прихода испускаемых пульсаром периодических импульсов в разных точках орбиты Земли должно слегка различаться. В данном случае расстояние до пульсара по сравнению с общей его величиной изменяется совсем незначительно, но благодаря исключительной точности интервала между вспышками сигналов даже такое маленькое отклонение поддается оценке. Поэтому, чтобы точно измерить частоту поступления сигналов пульсара, астрономам приходится учитывать движение Земли. Если бы вычисленные координаты центра масс Солнечной системы были ошибочными, фактическое расстояние между Землей и пульсаром было бы несколько искажено, а интервалы между сигналами пульсара носили нерегулярный характер.

В 2005 г. был проведен тщательный анализ времени прихода сигналов пульсаров с целью обнаружения признаков аномальных отклонений, которые бы указывали на недостающую планету. Он не дал никаких результатов. Никаких признаков того, что на центр масс Солнечной системы оказывает влияние невидимая планета, обнаружено не было.

Несмотря на всю убедительность аргументации против существования «планеты Х», точку в этом вопросе ставить все-таки было еще рано. Как и в любом другом эксперименте, в проведенном анализе было ограничение на величину поддающегося оценке гравитационного влияния. Минимальное значение соответствовало влиянию планеты размером с Юпитер, находящейся на расстоянии около 200 а.е. Если «планета Х» существует, она должна быть меньше или дальше указанного расстояния. Поскольку это ограничение выходило далеко за рамки параметров известных нам планет и карликовых планет, наличие в нашей Солнечной системе еще одного объекта казалось маловероятным.

И только после открытия 2012 VP_113 астрономы обратили внимание на одно странное совпадение, из-за которого вопрос о «планете Х» вновь вернулся в повестку дня. Орбиты шести самых удаленных объектов в Солнечном системе оказались странным образом согласованы. Вытянутые орбиты этой группы тел, состоящей из Седны, 2012 VP_113 и еще четырех астрономических объектов размером поменьше, пересекаются в перигелии — точке, в которой они ближе всего к Солнцу. Причем, расходясь после этой точки по своим эллиптическим траекториям, все они движутся примерно в одном направлении.

Обнаружив эту особенность, Майкл Браун обратился за помощью к астроному Константину Батыгину, который, сидя буквально в соседнем кабинете в Калифорнийском технологическом институте, занимался моделированием движения небесных тел. Вдвоем они изучили результаты наблюдений, провели необходимые расчеты и пришли к выводу, что вероятность случайного образования такого скопления равна всего лишь 0,007%. Вероятность того, что согласованность орбит была обусловлена влиянием другого тела, была намного выше. Так идея о «планете Х» получила второе рождение.

Согласно расчетам Брауна и Батыгина, «планета Х» (или «планета 9», как они назвали это потенциальное дополнение к семейству планет Солнечной системы) должна быть приблизительно в 10 раз массивнее Земли и в 5000 раз массивнее Плутона. То есть речь шла не о карлике, а о холодном и далеком мини-нептуне. Несмотря на размер, при среднем расстоянии от Солнца, равном 600 а.е., никакого влияния на центр масс Солнечной системы такая планета оказывать бы не смогла.

Постоянное гравитационное притяжение «планеты Х» должно медленно вытягивать объекты из сферы влияния Нептуна в пояс Койпера. Результатом этого процесса и стала популяция удаленных тел на согласованных сильно вытянутых орбитах.

Доступна ли «планета Х» для наблюдения? Ответ: да, доступна, но увидеть ее непросто.

Чтобы предсказать местоположение Нептуна, астрономам пришлось изучить отклонения орбиты Урана на всем ее протяжении при обращении планеты вокруг Солнца. В отличие от Нептуна, период обращения Седны и ее товарищей, движущихся по эллиптическим траекториям, составляет от 1000 до 10 000 лет, а значит, наблюдать мы можем лишь крошечную часть их орбит. Из-за этого определить точное местоположение «планеты Х» при движении по орбите не представляется возможным. Искать ее придется по всему небу, а это задача не из легких.

Существование предполагаемой «планеты Х» могло бы помочь разгадать загадку необычного расположения самых далеких карликовых миров. Но каким образом могла бы сформироваться такая планета? За исключением области у снеговой линии, где количество твердых частиц резко возрастает, плотность протопланетного диска уменьшается по мере удаления от центральной звезды. Собрать столько материала, сколько нужно для формирования планеты массой в 10 земных на расстоянии, в 20 раз превышающем расстояние от Солнца до Нептуна, чрезвычайно трудно. Возможно, «планета Х» была заброшена сюда проходящей звездой, но самое простое объяснение: ее вытолкнули наши газовые гиганты.

Если изначально «планета Х» была ядром пятого газового гиганта, она могла быть выброшена к краю системы в процессе формирования четырех его газовых собратьев. В этом случае возникает та же проблема, что и при объяснении происхождения Седны и 2012 VP_113: вытолкнутая при рассеивании планета должна обращаться по эллиптической орбите, возвращаясь в точку рассеивания. Однако «планета Х» точно не проходит вблизи области, занимаемой газовыми гигантами. Возможно, все дело в сопротивлении газа в протопланетном диске. Если «планета Х» была выброшена до того, как газ улетучился, при движении по своей новой эллиптической траектории ей пришлось бы продираться через вращающийся диск. Учитывая значительную разницу в скорости окружающего газа и самой планеты, на последнюю должна была действовать мощная сила сопротивления. В отличие от небольших Седны и Плутона, «планета Х» должна была обладать такой гравитацией, которой хватило бы, чтобы при взаимодействии с газом ее орбита снова стала круговой, несмотря на удаленность от Солнца.

В отдаленных областях Солнечной системы газ в протопланетном диске должен был быть разреженным. Было ли его достаточно, чтобы вернуть «планету Х» на круговую траекторию? Добиться этого непросто, но у нас есть другой пример, доказывающий, что такая ситуация возможна.

В 2008 г. у молодой звезды HR 8799 были обнаружены три газовых гиганта. Находясь на расстоянии 129 световых лет от нас в созвездии Пегаса, эти планеты сохраняют тепловую энергию, накопившуюся в процессе формирования, и потому отлично видны в инфракрасном диапазоне. Благодаря хорошо различимому спектру излучения они доступны для прямого наблюдения. Таким образом, это первая многопланетная система, обнаруженная методом прямого наблюдения. В течение следующего года к планетному трио добавилась еще одна планета. В итоге мы имеем дело с системой, состоящей из четырех газовых гигантов.

Все четыре собрата представляют собой огромные миры. Их массы в 7–10 раз превышают массу Юпитера, то есть они значительно массивнее любого объекта в Солнечной системе. Кроме того, они обращаются вокруг своей звезды на расстоянии 15–70 а.е., что приблизительно соответствует расстоянию от Урана до областей Солнечной системы, далеко выходящих за пределы пояса Койпера. Но главное не это, а то, что, судя по всему, движутся они по круговым орбитам.

Хотя четыре планеты обращаются ближе к своей звезде, чем Седна и ее соседи, их гигантский размер исключает возможность их формирования в том месте, где они находятся сейчас. Объяснить их происхождение можно несколькими разными способами — от миграции во внешнюю часть планетной системы из богатого материалом внутреннего диска до формирования в результате гравитационной неустойчивости в диске. Согласно еще одной гипотезе, четыре собрата могли быть выброшены на вытянутые орбиты во внешней части системы при взаимодействии с другой планетой. Если при этом молодые планеты по-прежнему находились в протопланетном газовом диске, рассеявшая их планета вполне могла мигрировать во внутреннюю область к звезде, что сделало невозможным дальнейшее взаимодействие. После этого при перемещении по оставшемуся газовому диску эллиптические траектории выброшенных планет постепенно стали круговыми.

Существующие модели формирования круговых орбит показывают, что это возможно. Но они предусматривают ряд ограничений. Во-первых, выброшенная планета, оказавшаяся на вытянутой орбите, должна быть массивной: взаимное притяжение газа и планеты должно быть достаточно сильным, чтобы создаваемое при этом сопротивление достигало необходимой величины. Миры размером с Плутон или Землю просто недостаточно велики, чтобы обеспечить нужную силу притяжения. Поэтому карликовая планета вроде Седны не может быть переведена на круговую траекторию, тогда как планета размером с суперземлю или Нептун вполне может перейти на такую орбиту. Наконец, чтобы обеспечить достаточное сопротивление, протопланетный диск вокруг далеких миров должен оставаться весьма плотным. Если он испарится до момента рассеивания планет, вместе с ним исчезнет и сила, которая способна сформировать круговые орбиты. Оценить вероятность такого сценария не представляется возможным.

Гигантские планеты рядом с HR 8799 подтверждают, что «планета Х» может существовать. Если массивные планеты действительно могут выталкиваться во внешние области планетной системы, а затем переходить на круговые траектории, вполне может оказаться, что в нашей Солнечной системе существует далекий скрытый мир. Надежда найти его заставляет продолжать поиски в окрестностях Солнца.

Прогноз погоды: завтра будет на 1000 °C теплее, чем сегодня

Немногочисленность планет с вытянутыми орбитами в Солнечной системе и отсутствие убедительного объяснения их происхождения заставляют нас предположить, что и в других планетных системах такие траектории вокруг других звезд встречаются также нечасто. Но результаты наблюдений говорят обратное.

Оказалось, что в мире экзопланет преобладают не ровные круговые орбиты, а эллиптические траектории разной степени вытянутости. В непосредственной близости от звезды, в пределах 0,1 а.е., приливные силы, вызванные мощным притяжением звезды, удерживают планеты на круговых орбитах. Но на расстоянии более 1 а.е. (случай Земли) эксцентриситет орбит экзопланет в среднем составляет 0,25, то есть превышает аналогичный показатель любой из планет в Солнечной системе. Причем миры на вытянутых орбитах — это не карлики размером с Седну, вытолкнуть которые не составило бы труда. Нет, эллиптические орбиты с наибольшим эксцентриситетом характерны для массивных миров крупнее Нептуна. Некоторые из них просто поражают воображение.

Один из таких примеров — звезда HD 80606, устроившаяся в районе «передней лапы» в созвездии Большая Медведица. Эта солнцеподобная звезда находится на расстоянии 190 световых лет от нас. Вокруг нее обращается одинокая планета с массой около четырех масс Юпитера и эллиптической орбитой, степень вытянутости которой кажется неправдоподобной. Эксцентриситет орбиты HD 80606 b составляет 0,93 — почти как у кометы Галлея. Уникальность ее не только в том, что для формирования такой орбиты одного толчка точно недостаточно, но и в том, что в ходе наблюдений не удалось обнаружить ни одной другой планеты, от которой бы такой толчок мог исходить. Траектория HD 80606 b настолько вытянута, что в ближайшей к звезде точке расстояние между двумя телами составляет каких-то 0,03 а.е., то есть равно 3% расстояния между Землей и Солнцем и всего лишь в четыре раза превышает размер самой планеты. В самой удаленной точке орбиты расстояние до планеты приближается к расстоянию от Солнца до Земли, достигая 0,88 а.е. Однако даже здесь температура слишком высока для беспрепятственного формирования газового гиганта. Чтобы совершить полный оборот по своей эллиптической петле, HD 80606 b требуется не более трети земного года.

Согласно второму закону Кеплера о движении планет, прямая, проходящая от звезды к планете, всегда описывает равные площади за равные промежутки времени. Для наглядности можно представить себе эту прямую в виде снегоочистителя, для которого установлена суточная квота на уборку снега. При сильно эллиптической орбите прямая между планетой и звездой сжимается, когда планета проходит вблизи звезды. Значит, чтобы убрать столько снега, сколько полагается в рамках квоты, снегоочистителю придется двигаться намного быстрее в течение соответствующих суток. Следуя этой аналогии, ближе к звезде планета движется быстрее, чем вдали от нее.

В результате действия второго закона Кеплера лето на HD 80606 b длится один день, в течение которого выгорает все, что только есть на поверхности этой планеты.

Бóльшую часть своего 111-дневного года она проводит приблизительно на том же расстоянии, что и Земля по отношению к Солнцу. Затем ныряет к центру, огибая свою звезду всего лишь за 30 часов. При наблюдении за этим быстрым и яростным летом в космический телескоп «Спитцер» был зафиксирован скачок температуры с 500 °C до 1200 °C в течение каких-то шести часов. Даже если бы существовал солнцезащитный крем для температуры 1000 °C, лето на HD 80606 b точно не подходит для загара. Стремительно нагревающаяся атмосфера планеты расширяется, оказываясь во власти мощнейших бурь с умопомрачительной скоростью ветра до 18 000 км/ч. По словам астронома Грегори Лафлина, проводившего наблюдение за планетой с помощью «Спитцера», это «одна из самых яростных бурь в Галактике». Если бы вы решили укрыться под пляжным зонтиком на верхней границе облаков этого газового мира, вы бы увидели, как звезда в небе раздувается до размера 30 видимых нами с Земли солнечных дисков и становится в 1000 раз ярче.

Но если HD 80606 b не могла сформироваться на своей чрезвычайно вытянутой орбите, мы снова оказываемся в роли детективов, исследующих место преступления в поисках следов злоумышленника. Проблема даже не в том, что соседние планеты находятся слишком далеко: в системе HD 80606 нет никаких других планет (во всяком случае, согласно имеющимся данным наблюдений). В отсутствие иных подозреваемых в центре внимания оказывается звезда, у которой, между прочим, есть сестра.

Звезды HD 80606 и HD 80607 образуют широкую двойную систему со средним расстоянием между компонентами, равным 1200 а.е., что соответствует 125 расстояниям от Сатурна до нашего Солнца. Это слишком большая дистанция, чтобы звезды могли оказывать существенное влияние на формирование планет в окрестностях друг друга. Однако под воздействием второй звезды орбита планеты HD 80606 b вполне могла вытянуться за счет механизма Козаи — Лидова. В главе 5 мы рассматривали его в качестве возможного фактора формирования горячих юпитеров. Попеременно растягивая и наклоняя орбиту планеты, звездная «тетка» могла заставить ее переместиться к центру системы.

Если это действительно случилось с HD 80606 b, газовый гигант мог сформироваться на приличном расстоянии, сопоставимом с расстоянием от Солнца до Юпитера, на обычной круговой орбите. В течение следующих 10 млн лет под влиянием притяжения второй звезды орбита такой планеты должна была периодически колебаться, переходя с сильно вытянутой траектории на траекторию с большим наклонением. Когда орбита, наконец, приобрела эллиптическую форму, планета стала обращаться ближе к своей звезде, что привело к приливному разогреву из-за более интенсивного взаимодействия со светилом и переходу на все более близкие орбиты. В результате планета стала двигаться по эллиптической траектории, не выходящей за пределы расстояния от Солнца до Земли. В конечном итоге приливное притяжение должно взять верх над влиянием второй звезды, а планета HD 80606 b должна вернуться на круговую орбиту, став горячим юпитером.

Вмешательством второй звезды системы можно было бы объяснить большие эксцентриситеты некоторых из найденных экзопланет. В феврале 2016 г. рекорд HD 80606 b был побит экзопланетой с поразительным эксцентриситетом 0,96. HD 20782 b обращается вокруг своей звезды на расстоянии 117 световых лет в созвездии Печь. Двигаясь по сплющенной эллиптической траектории, этот мир перемещается в диапазоне от 0,06 а.е. до 2,5 а.е. Ее звезда, как и звезда планеты HD 80606b, имеет звезду-компаньона, воздействие которой могло заставить вытянуться орбиту планеты. И все-таки встречаются в мире планет и другие преступления, требующие иного объяснения.

Планетные автодромы

В конце 1990-х гг. было обнаружено множество солнцеподобных звезд с одной планетой и ни одной — с несколькими. Первым исключением стала звезда Ипсилон Андромеды A.

Как и наше Солнце, Ипсилон Андромеды A окружена четырьмя газовыми гигантами[25]. В отличие от планет Солнечной системы, все они располагаются в пределах, сравнимых с орбитой Юпитера. Их массы составляют не менее 0,7, 2, 4 и 10 масс Юпитера. Самая маленькая и близкая из четверки по крайней мере вдвое массивнее Сатурна, имеет период обращения 4–5 суток и находится на расстоянии 0,06 а.е.

Открытие планетной системы с четырьмя огромными планетами, располагающимися в пределах орбиты первого газового гиганта в Солнечной системе, стало выдающимся событием. Кроме того, оно вошло в историю как открытие первой многопланетной системы вокруг обычной (не мертвой) звезды. Но что по-настоящему удивило исследователей в системе вокруг Ипсилон Андромеды A, так это совершенно не укладывающиеся в привычные представления орбиты планет.

Вторая и третья планеты, если считать от звезды (Ипсилон Андромеды A c и d), движутся по эллиптическим орбитам с большими величинами эксцентриситета, составляющими 0,26 и 0,3 соответственно. По сравнению с эксцентриситетами HD 80606 b и HD 20782 b эти цифры кажутся ничем не примечательными. Но стоит обратить внимание на наклонение орбит, как понимаешь, насколько они неординарны. Не совпадают не только плоскости обращения планет и плоскость вращения звезды, но даже и плоскости обращения самих планет: взаимное наклонение двух орбит составляет 30 градусов. Для сравнения: угол между орбитальными плоскостями планет в Солнечной системе обычно не превышает 2 градусов. Даже орбита Меркурия при величине эксцентриситета 0,21 имеет весьма умеренное наклонение 7 градусов. Разница в 30 градусов означает, что массивные планеты обращаются вокруг своей звезды в совершенно разных направлениях, что характерно не столько для планет, сколько для крупных комет.

Каково происхождение столь больших значений эксцентриситета и колоссального разброса наклонений? Сначала подозрение в очередной раз пало на механизм Козаи — Лидова. Как следует из ее названия, Ипсилон Андромеды A — компонент двойной звезды. Ее компаньон Ипсилон Андромеды B представляет собой красный карлик намного меньшего размера. Пара движется на относительно большом расстоянии друг от друга, однако точно вычислить дистанцию между ними не удается из-за яркого блеска Ипсилон Андромеды A, который не дает проследить движение по небу менее яркой второй звезды. Расстояние между звездами может составлять от 700 а.е. до 30 000 а.е. Однако ни при одном значении из этого диапазона влияние небольшой Ипсилон Андромеды B не будет достаточно сильным, чтобы вызвать такой хаос в орбитах планет вокруг ее компаньона. В данном случае вторая звезда оказалась ни при чем.

Таким образом, сами планеты стали подозреваемыми. Несмотря на очевидную разницу в размерах при сравнении со звездой, миры столь колоссальных масс вполне могут спровоцировать мощный гравитационный толчок. Не сталкиваемся ли мы с той же ситуацией, что и в случае с двумя карликовыми планетами и далекими газовыми гигантами вокруг звезды HR 8799? Правда, в данном случае результатом стало не рассеивание планет, а хаос их орбит.

Чтобы набрать свои огромные массы, планеты должны были зародиться в протопланетном диске на орбитах, близких к круговым. Кроме того, являясь газовыми гигантами, они должны были формироваться намного дальше к краю системы, чем та область, где они находятся сейчас. В противном случае, они бы не смогли быстро обрасти массой за счет льдов. Таким образом, ранние этапы формирования этой системы должны были походить на историю нашей Солнечной системы, то есть массивные планеты там имели небольшие значения эксцентриситета и наклонения и находились на большом расстоянии от звезды.

По мере роста массы планеты должны были начать миграцию по направлению к звезде. Когда они приблизились к той области, где находятся сейчас, газовый диск рассеялся, и миграция остановилась. С исчезновением газа исчезли и силы сопротивления, поддерживавшие круговые орбиты планет. В итоге планеты оказались подвержены влиянию сил притяжения со стороны своих близких собратьев-гигантов. Хотя мы не можем знать наверняка, что произошло потом, весьма вероятно, что планету d, словно машинку на детском автодроме, подтолкнул какой-то другой объект.

Подтолкнувшей ее «машинкой» могла стать еще одна планета, которая первоначально входила в состав системы. В результате взаимного притяжения планета d и этот предполагаемый мир начали двигаться с большей скоростью по направлению друг к другу. При этом планета d перешла на более вытянутую орбиту, а нарушитель ее покоя оказался катапультирован за пределы системы.

Сойдя с ровной круговой орбиты, планета d начала притягивать планету c, что со временем привело к изменению орбиты соседа. Любопытно, что орбита планеты c не фиксированная: в процессе постоянного взаимодействия с планетой d она то возвращается на круговую траекторию, то переходит на вытянутую, наклоненную орбиту. Продолжительность такого цикла смены орбит составляет приблизительно 10 000 лет.

Такая игра в гравитационный пинбол, в котором соперники — это планеты, позволяет нам лучше понять процесс планетообразования: сформировавшись, планетные системы не застывают навечно. Подобно участникам телевизионного реалити-шоу, покидающим его по результатам голосования, некоторые планеты могут быть выброшены из системы при взаимодействии с другими ее компонентами.

Наличие сильно вытянутых орбит у четверти экзопланет позволяет с уверенностью утверждать, что излюбленной забавой в окрестностях звезд является гравитационный пинбол. Переход на эллиптическую траекторию приводит к резкой смене сезонов на поверхности планеты, как, например, на HD 80606 b с ее сильнейшими колебаниями температуры. Означает ли это, что на надежде отыскать землеподобный мир с умеренными условиями среды на поверхности можно поставить крест? Благодаря своей почти круговой орбите Земля получает примерно постоянное количество тепла от Солнца. Если бы наша планета оказалась выброшена на более выраженную эллиптическую орбиту, она бы превратилась в мир с испепеляющим летом, как на Меркурии, и ледяной зимой, как на Марсе. Вероятность развития жизни в таком мире была бы намного ниже.

Но, несмотря на многочисленность экзопланет с вытянутыми орбитами, для землеподобных миров не все еще потеряно. Благодаря меньшей массе и гравитации они намного реже принимают участие в планетном пинболе. Как показывают наблюдения за экзопланетами с радиусами около 2,5 радиусов Земли, чаще всего они движутся по круговым орбитам с незначительным эксцентриситетом. И хотя пока у нас не так много примеров подобных некрупных миров, сам факт их существования указывает на то, что комфортная круговая орбита нашей планеты не является исключением.

Что случилось с пятой планетой в системе Ипсилон Андромеды A? Оказавшись за пределами сферы влияния своей звезды, она сошла с привычной орбиты и превратилась в свободного отшельника.

Глава 11. Блуждающие планеты

Всякий, кто решает описать историю нашей Солнечной системы, сталкивается с одной проблемой: чтобы пазл сложился, приходится допустить потерю одной планеты. Когда под воздействием излучаемого молодым Солнцем тепла испарились последние остатки протопланетного диска, сопротивление газа движению планет прекратилось. Как мы уже видели, на этом их скитания не закончились. Под градом планетезималей орбиты газовых гигантов начали смещаться и пересекаться. В условиях наступившего гравитационного хаоса Уран и Нептун были выброшены на задворки, а Солнечную систему заполонили обломки горных пород.

Несмотря на наличие свидетельств этой бурной планетной юности, таких, например, как изрытая кратерами поверхность Луны, восстановить точную картину, как это ни странно, весьма трудно. Трудность эта связана со своенравием Юпитера, который вел себя как гигантский «громила». При попытке смоделировать движение планет в ту эпоху выясняется, что из-за колоссальной гравитации этого великана один из его соседей должен был вылететь во внешнее пространство, и в планетной системе должно было стать на одного газового гиганта меньше. Что, если все так и было на самом деле?

Оказывается, что виртуальные модели, исходящие из того, что газовых гигантов изначально было пять, более точно и убедительно воспроизводят эволюцию Солнечной системы, чем модели с четырьмя имеющимися гигантскими мирами. Согласно этим моделям, пятая планета могла сформироваться сразу за Сатурном. Размером она была схожа с двумя ледяными мирами — Ураном и Нептуном. Когда началась хаотичная перетасовка планет, этот пятый мир оказался слишком близко к Юпитеру, который безжалостно вытолкнул его из Солнечной системы. После этого тот утратил всякую связь с нашим Солнцем, и потому мы никогда не узнаем наверняка, был ли в Солнечной системе пятый газовый гигант. Оказавшись в межзвездном космическом пространстве, планета стала блуждающей.

Два самых эффективных способа охоты на планеты — метод лучевых скоростей, состоящий в поиске заметных колебаний в движении звезды, и транзитный метод, заключающийся в обнаружении падения яркости звезды. Недостаток обоих в том, что у планеты должна быть звезда. Блуждающая планета — это мир-сирота, который не обращается вокруг звезды. Поэтому нет никакого регулярно, периодически повторяющегося явления, которое бы указывало, подобно маяку, наличие этих бездомных бродяг в нашей Галактике. Искать их приходится с помощью двух оставшихся способов — гравитационного микролинзирования и прямого наблюдения.

Астрономы любят строить телескопы на вершинах вулканов, что непосвященным может показаться странным. Объясняется это просто: например, благодаря сухому и неподвижному воздуху с горных вершин на Гавайях открывается лучший вид на ту часть неба, которая видна в Северном полушарии. Нигде больше в мире нет такого вида. То обстоятельство, что под этими горами бурлят вулканы, кажется небольшим неудобством.

Вулкан Халекала («Дом Солнца») занимает большую часть площади острова Мауи в Гавайском архипелаге. На его вершина размещается телескоп Pan-STARRS с диаметром зеркал 1,8 м. Задача этого аппарата, название которого расшифровывается как «Оперативно развертываемая система телескопов панорамного обзора» (PANoramic Survey Telescope And Rapid Response System), заключается в проведении съемки видимого неба несколько раз в месяц. За столь широкий охват приходится платить меньшим разрешением, чем при наблюдении, направленном на обнаружение чего-то конкретного, но оно отлично подходит для обнаружения движущихся объектов. Анализ быстро проходящих изменений в небе дает возможность обнаруживать астероиды и кометы, которые могут угрожать Земле. Чтобы оценить грандиозный масштаб собираемой с помощью Pan-STARRS базы изображений, достаточно представить, что каждую ночь ее объем увеличивается на величину, сопоставимую с 60 000 фотографий, сделанных на камеру смартфона. Вот в этом-то массиве информации и был найден странный объект.

Pan-STARRS задумывался как инструмент для обнаружения астероидов. Однако колоссальный объем собираемых им данных является ценным ресурсом для многих проектов. Например, он использовался при поиске методом прямого наблюдения так называемых «коричневых карликов», звезд с очень маленькой массой. У этих тусклых объектов не хватает массы для запуска процесса горения водорода в их ядре, но при этом они являются источником характерного слабого теплового излучения в красном диапазоне. Однажды в объектив камер попал объект, который был краснее, чем любой другой известный нам коричневый карлик.

Этот источник нетипичного красного свечения, находившийся на расстоянии 80 световых лет от Земли, получил обозначение PSO J318.5–22. PSO — сокращение от Pan-STARRS1 Object (объект Pan-STARRS1), а цифры указывают на координаты объекта на небе. Сравнение тусклого красного света, излучаемого PSO J318.5–22, со светом, излучаемым известными звездами и планетами, показало, что он намного ближе к свету молодой планеты, чем к свету известных коричневых карликов. А если это действительно планета, каково ее происхождение?

Отсутствие поблизости звезды, вокруг которой планета могла бы обращаться, означало, что PSO J318.5–22 в полном одиночестве свободно перемещается по космическому пространству. Впрочем, неподалеку от блуждающего мира находилось скопление звезд, известное как Бета Живописца. Это часть созвездия Живописец. Группа располагается вблизи PSO J318.5–22, двигается с сопоставимой скоростью и также является молодой. Кроме того, по крайней мере у двух входящих в нее звезд, согласно имеющимся данным, есть гигантские газовые планеты.

Сравнение с возрастом звезд в Бета Живописца показывает, что возраст PSO J318.5–22 составляет приблизительно 12 млн лет. Как известно, протопланетный диск рассеивается приблизительно через 10 млн лет, значит, по меркам планетного мира объект является недавно сформировавшимся юнцом. Его масса приближается к 6 массам Юпитера — намного легче коричневого карлика.

Если говорить о происхождении PSO J318.5–22, вероятнее всего, эта планета сформировалась в окрестностях одной из звезд в системе Бета Живописца. Вытолкнута оттуда она могла быть ближе к концу жизни звезды. Произошло это, скорее всего, при расширении внешних слоев звезды в процессе перехода в стадию красного гиганта. Согласно другой гипотезе, из-за чрезмерной потери массы притяжение звезды не смогло удержать планету на орбите. Однако и PSO J318.5–22, и звезды в системе Бета Живописца молодые. Поэтому более вероятным представляется сценарий, в котором планета была выброшена в результате взаимодействия с другой планетой или соседней звездой. Оказавшись за пределами системы, планета превратилась в блуждающую. Впрочем, каким бы правдоподобным такое объяснение ни казалось, подтвердить его трудно. Можем ли мы утверждать, что именно рассеивание в результате взаимодействия с другими телами является главной причиной превращения планеты в блуждающую?

Планета HD 106906 b не является блуждающей. Она обращается вокруг звезды на расстоянии около 300 световых лет от Земли в созвездии Южный Крест. У нее есть одна особенность, которую трудно объяснить: расстояние между ней и родительской звездой чрезвычайно велико.

HD 106906 b — молодой газовый гигант с массой, равной 11 массам Юпитера. Как и PSO J318.5–22, планета была обнаружена благодаря тепловому свечению — методом прямого наблюдения. Часто, в силу небольшого размера и тусклости планеты, получить ее изображение невозможно из-за перекрывающего ее свечение яркого света звезды. В случае с блуждающими и далекими планетами отсутствие света звезды существенно упрощает этот процесс. К тому же HD 106906 b и PSO J318.5–22 отличаются большой массой и небольшим возрастом и в их телах по-прежнему сохраняется тепло, возникшее при формировании. Возраст HD 106906 b почти такой же, как у PSO J318.5–22: ей 13 млн лет — подросток в мире планет.

Расстояние между HD 106906 b и родительской звездой настолько велико, что по сравнению с ним даже Нептун вполне сойдет за горячий юпитер, — целых 650 а.е., что в Солнечной системе сопоставимо с расстоянием до Седны. Самая дальняя в нашей системе планета Нептун находится всего лишь в 30 а.е. от Солнца. Протопланетный диск на таком расстоянии не может содержать достаточное количество вещества для формирования газового гиганта по моделям аккреции на ядро или неустойчивости диска. Тогда каким же образом планета оказалась там, где она находится сейчас?

Убедительный ответ на этот вопрос можно дать, если допустить, что HD 106906 b — «почти блуждающая» планета. Возможно, она была выброшена на очень далекую орбиту более крупной планетой, но удержалась в сфере влияния своей звезды и продолжила обращаться вокруг нее. Правда, в данном случае ситуацию осложняют два обстоятельства.

Во-первых, HD 106906 b — единственная планета, обнаруженная рядом с ее родительской звездой. Никаких признаков существования другой планеты, которая бы могла вытолкнуть HD 106906 b на дальнюю орбиту, нет. Учитывая, что масса такого «громилы» должна быть сопоставима с массой HD 106906 b, которая тяжелее Юпитера в 11 раз, ее давно бы обнаружили. Звезда-компаньон, которая могла бы заставить планету перейти на другую орбиту, также отсутствует.

Во-вторых, звезда HD 106906 окружена обширным диском, состоящим из обломков. Каменистые остатки процесса планетообразования и заставили наблюдателей обратить внимание на эту систему — никто и не думал, что в ней есть еще и далекая планета. В 2014 г. были проведены наблюдения, которые показали, что диск занимает область приблизительно между 20 а.е. и 120 а.е., то есть он начинается сразу за границей основной зоны формирования планет. Выброшенной планете пришлось бы пробиваться сквозь обломки, составляющие диск.

В итоге была выдвинута новая гипотеза: а что, если эта планета является компаньоном звезды и также сформировалась из облака газа в результате гравитационного коллапса? Но если HD 106906 b и ее родительская звезда являются компонентами двойной системы, почему у них столь разные массы? Масса HD 106906 b составляет всего лишь 1% от массы HD 106906, тогда как в двойных системах масса меньшего компонента, как правило, превышает 10% массы большего. Может ли такая система существовать?

Через год после открытия HD 106906 b появились новые данные, которые добавили в картину новых красок. Результаты наблюдений за диском показали, что он намного шире, чем считалось ранее, и занимает пространство в промежутке между 50 а.е. и 500 а.е. Более того, выяснилось, что первоначальное представление о нем как о сплошном поле камней не соответствует действительности: внешняя часть диска оказалась несимметричной, к тому же из нее торчал тонкий, похожий на иглу выступ из каменных обломков. Не был ли он свидетельством того, что планета HD 106906 b все-таки была выброшена из системы, проложив себе путь через поле обломков?

Точного ответа на этот вопрос нет. С учетом крошечного (относительно звезды) размера HD 106906 b гипотеза о выталкивании кажется самой убедительной. Однако до сих пор так и не удалось обнаружить никаких следов планеты, которая бы могла ее вытолкнуть. Получается, что либо в этой системе все-таки есть массивный мир, но астрономам не удается его обнаружить, либо планета была выброшена в результате случайного взаимодействия с проходящей мимо звездой. Кроме того, разрыв в диске обломков, судя по всему, ограничивается его внешними областями. Это противоречит идее о том, что планета прошла через весь диск. Скорее притяжение со стороны HD 106906 b в процессе ее формирования в том месте, где она находится сейчас, могло нарушить целостность внешних слоев диска, не оказав никакого влияния на его внутренние, более удаленные от нее части. Согласно еще одной гипотезе, HD 106906 b была выброшена из системы рядом с другой звездой. Оказавшись за пределами своей родительской системы, планета превратилась в блуждающую. В какой-то момент она подобралась к HD 106906 так близко, что звезда смогла захватить ее и притянуть, заставив обращаться вокруг себя по удаленной орбите.

Проблему ущербности моделей, предполагающих рассеивание и формирование, можно было бы решить, доказав, что объект размером с планету не может сформироваться из облака газа в результате коллапса подобно звезде. Как ни странно, у нас есть основания полагать, что может.

Главный аргумент против идеи о формировании объектов размером с планету в результате гравитационного коллапса газа связан с массой. Чем больше масса, тем сильнее гравитация. Гравитационный коллапс может произойти только в том случае, если объект обладает достаточной массой для преодоления направленного вовне давления газа. Для небольшого объекта размером с планету это означает, что плотность газа должна быть невероятно высокой. В протопланетном диске такая плотность может быть в местах возникновения неустойчивости, но не в более разреженных газовых облаках, где рождаются звезды. Так считалось, пока не было доказано обратное.

В процессе формирования звездного скопления из исходящей от новых звезд энергии в окружающем их газовом облаке образуется горячий пузырь. Расширяясь, пузырь выталкивает газ наружу, и скапливающийся по краям пузыря газ образует плотную оболочку. При съемке этих областей получаются контрастные изображения туманностей с темными вкраплениями, указывающими на холодный газ, из которого в результате сжатия образовались оболочки. Как раз рядом с этими оболочками и были замечены отделившиеся каплевидные фрагменты плотного газа.

Туманность Розетка — звездная колыбель, находящаяся на расстоянии около 4600 световых лет от нас. В ней присутствует множество этих крошечных фрагментов, которые получили название глобулет. Эти глобулеты формируются на внешней границе расширяющегося пузыря. Отличаясь исключительно высокой плотностью, они имеют массы менее 13 масс Юпитера. В случае коллапса их ядра появится не связанный со звездой объект размером с планету. Таким образом, это еще один способ образования блуждающих планет.

Мы не можем со стопроцентной уверенностью сказать, какая из свободнолетящих планет была выброшена из системы вокруг какой-либо звезды, а какая появилась на свет в одиночестве из глобулеты. Единственное, что мы можем сделать, это попытаться отыскать в окрестностях такого странника звезду, которая пренебрегла своими родительскими обязанностями. Теперь, когда мы познакомились с двумя способами образования планет без звезд, можно задаться следующим вопросом: насколько распространены блуждающие миры?

Планеты, которые не тонут в заслоняющем все вокруг свете звезды, методом прямого наблюдения обнаруживать проще, чем планеты, обращающиеся вокруг звезд, И все же различить исходящее от них неяркое тепловое излучение нелегко. Поэтому при поиске блуждающих миров приходится пользоваться еще одним методом — гравитационным микролинзированием.

В главе 9, когда речь шла о поиске планет в окрестностях тусклых двойных звезд, мы выяснили, что для гравитационного микролинзирования не нужен свет родительской звезды. Суть метода заключается в определении отклонения света от проходящей фоновой звезды (под воздействием массы планеты) по кратковременному увеличению яркости, похожему на фокусировку при прохождении за линзой. Поскольку для обнаружения планеты с помощью этого метода нужно, чтобы она оказалась на одной оси с проходящей звездой фона, наблюдать явления микролинзирования можно только при удачном стечении обстоятельств и только в течение нескольких дней. Поэтому организуются специальные исследования, учитывающие данные особенности использования метода микролинзирования.

В настоящее время проводятся два таких исследования, направленные на регистрацию явлений микролинзирования, — OGLE и MOA. Именно в рамках исследования OGLE была обнаружена планета, обращающаяся в двойной звездной системе. Название второго исследования, MOA, расшифровывается как «Наблюдения микролинзирования в астрофизике (Microlensing Observations in Astrophysics). Это совместный японско-новозеландский проект по поиску тускло освещенных объектов — от темной материи до экзопланет — в Южном полушарии. Как и OGLE, проект MOA направлен на поиск явлений микролинзирования рядом с центром Галактики, где вероятность попадания на один луч зрения планет и звезд выше благодаря высокой концентрации последних.

В силу скоротечности явлений микролинзирования наблюдение за ними должно проводиться сразу после обнаружения поравнявшихся планеты и фоновой звезды. Чтобы использовать каждую такую возможность, OGLE и MOA предусматривают систему оповещения, которая обеспечивает фиксацию внезапных скачков яркости звезд и оперативную организацию наблюдения. В 2011 г. в рамках совместного доклада о результатах двух проектов было объявлено об обнаружении 10 блуждающих планет, размер каждой из которых был сопоставим с размером Юпитера. Чтобы оценить долю обнаруженных темных планет, команды проектов попытались рассчитать приблизительное количество блуждающих миров в нашей Галактике. Их вывод ошеломляет: 400 млрд планет — вдвое больше, чем звезд.

Независимо от способа формирования, блуждающие планеты размером с Юпитер — совсем не те миры, на поверхности которых мы бы могли себя представить. Чем легче планета, тем проще ее вытолкнуть из системы, а значит, можно с большой долей вероятности утверждать, что Галактика усеяна планетами земного типа без солнц. В силу небольших размеров их невозможно обнаружить с помощью имеющихся у нас методов. Однако даже если блуждающая планета — газовый гигант, рядом с ней могут быть спутники с твердой поверхностью.

Благодаря огромной массе газовые гиганты являются мощным центром притяжения для миров меньшего масштаба, заставляя их переходить на орбиты вокруг себя. Например, у Юпитера имеется не менее 67[26] спутников. Причем массы четырех самых крупных из них — Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто — составляют от двух третей до двух масс Луны. Это достаточно крупные миры[27]. При выталкивании газовых гигантов из их родительских звездных систем спутники, скорее всего, следуют за ними.

Вряд ли спутники есть только у тех планет, которые заполучили их до того, как были выброшены из родительской системы. Комплекс в Хамелеоне — область звездообразования, состоящая из трех темных облаков с условными названиями Хамелеон I, II и III. Как видно из их названий, облака находятся в созвездии Хамелеон, лежащем в южном небесном полушарии. Хамелеон I включает в себя несколько сотен звезд, среди которых наблюдается необычная дискообразная область.

Объект Сha 110913–773444 обязан своим названием координатам внутри облаков Хамелеон. Это свободнолетящий объект с массой, равной 8 массам Юпитера. Таким образом, его можно классифицировать как блуждающий планетный мир. Также его окружает плоский пылевой диск, похожий на протопланетные диски вокруг молодых звезд. Если в последующем из пыли в этом диске образуются крупные тела, это будет означать, что у блуждающей планеты появятся спутники, которые будут обращаться вокруг нее.

Такой потенциальный спутник будет иметь твердую поверхность из горных пород, но можно ли на ней обнаружить что-то, кроме холодной пустыни? Означает ли отсутствие исходящего от звезды тепла, что спутнику суждено навечно остаться испещренной кратерами, погруженной во тьму каменной глыбой?

И тут впору вспомнить о спутниках газовых гигантов Солнечной системы, чтобы понять, что надежда все-таки есть. Во внешних областях Солнечной системы слишком холодно, чтобы на поверхности находящегося там землеподобного мира могла существовать вода в жидкой форме. Однако у нас есть основания полагать, что под ледяными панцирями нескольких спутников могут скрываться океаны. Наиболее вероятные кандидаты на роль хозяев тайных морей — спутники Юпитера Европа и Ганимед, а также спутник Сатурна Энцелад. Находясь на большом расстоянии от Солнца, эти ледяные сферы не получают излучения в таком объеме, который бы позволил океанам на их поверхности сохранять жидкую форму. Главным источником тепла для них является находящийся рядом газовый гигант.

Поскольку вокруг каждого газового гиганта обращается несколько спутников, их орбиты не могут быть абсолютно круговыми. Европа и Ганимед притягивают друг друга, а также взаимодействуют с самым близким к Юпитеру крупным спутником Ио, тогда как Энцелад притягивается своей сестрой Дионой. В результате взаимодействия этих сил орбиты спутников имеют слегка эллиптическую форму. Поэтому величина гравитационного притяжения планеты, которому они подвергаются при движении по своим орбитам, изменяется. Изменение силы притяжения заставляет спутник сжиматься и разжиматься подобно резиновому мячу, в результате чего внутри него происходит непрерывный процесс деформации, сопровождающийся выделением тепловой энергии. Это тот самый приливный разогрев, который упоминался в главе 7 в качестве источника вулканической активности на планете 55 Рака e. Этот механизм выработки тепла работает настолько эффективно, что, например, Европа рассматривается в качестве объекта с наиболее благоприятными для существования жизни условиями в Солнечной системе за пределами Земли.

Хотя сам факт существования моря, разумеется, не гарантирует наличие в нем живых существ, на Земле жизнь присутствует повсюду, где есть вода. Поэтому для кого-то или чего-то океан под поверхностью спутника блуждающей планеты может оказаться волне пригодным для жизни. Но как быть, если рядом нет газового гиганта? Может ли планета-сирота размером с Землю стать пристанищем для жизни в леденящей пустоте глубокого космоса?

Без сомнения, если Солнце померкнет, нам несдобровать[28]. Несмотря на то что Земля получает небольшое количество тепла от радиоактивных материалов, и к тому же в ее недрах сохраняется тепло, оставшееся от процесса формирования планеты в результате столкновений, вся эта энергия в тысячи раз меньше той, которую мы получаем от Солнца. Одной ее не хватит, чтобы не дать замерзнуть нашим морям и океанам. Чтобы у жизни был хотя бы малейший шанс, блуждающая планета должна оставаться теплой.

Впрочем, сравнение с судьбой Земли, лишенной Солнца, не совсем справедливо. Каменистая планета, выброшенная в межзвездное пространство из протопланетного диска, не может быть похожа на Землю в ее нынешнем виде. Будь наша планета выброшена на поздних этапах процесса формирования, ее атмосфера состояла бы из вещества протопланетного диска, то есть она представляла бы собой практически сплошной слой водорода, а вовсе не ту смесь азота, углекислого газа и кислорода, из которой она состоит сейчас.

В ходе естественного процесса формирования планеты земного типа первичная атмосфера из легких атомов водорода улетучивается под воздействием ультрафиолетового излучения молодого солнца. Однако если планета оказывается выброшена до потери водорода, ей будет проще удержать его благодаря низкой температуре космического пространства. По мере остывания и уплотнения водородная атмосфера теряет способность рассеивать тепло и образует своего рода покрывало над поверхностью планеты. Так что даже при экстремально низких температурах, характерных для космического пространства, водород сохранит газообразное состояние и не будет конденсироваться на поверхности планеты. Таким образом, небольшое количество энергии, исходящей от имеющихся на планете радиоактивных горных пород, будет удерживаться атмосферой, обеспечивая на поверхности температуру, которой может быть достаточно для поддержания воды в жидком состоянии.

Правда, должно соблюдаться одно условие: при нахождении в протопланетном диске планета должна аккумулировать толстый слой водорода — по меньшей мере в 10–100 раз толще нынешней атмосферы Земли. Сделать это не так трудно, как может показаться. Например, Земля в подобной ситуации могла бы захватить такое количество водорода, которое бы сделало ее атмосферу в 1000 больше существующей сейчас.

Разумеется, если бы планета вроде Земли была выброшена из звездной системы уже после рассеивания газового диска, к тому моменту она могла бы уже лишиться своей первичной атмосферы. Это все еще может произойти, если покой Солнечной системы нарушит проходящая мимо звезда. Вероятность реализации этого сценария до перехода Солнца в стадию красного гиганта через 3,5 млрд лет составляет около 0,002%. Конечно, это не так много, чтобы у вас началась бессонница из-за переживаний за судьбу Солнечной системы, но все-таки существенно больше, чем вероятность выиграть деньги в лотерею[29]. Будучи выброшенной за пределы Солнечной системы, наша планета смогла бы избежать губительного воздействия усиливающегося солнечного излучения, но сумело бы что-нибудь на поверхности Земли пережить такое путешествие в открытом космосе? В условиях существующей атмосферы превращение Земли в блуждающую планету означало бы застывание воды на ее поверхности. Это стало бы приговором для людей, но что бы случилось с жизнью в подземных океанах, подобных тем, которые могут быть на спутниках газовых гигантов?

В отсутствие газового гиганта, который бы обеспечивал приливный разогрев за счет деформации горных пород, единственным источником энергии для поддержания подземных вод в жидком состоянии на блуждающей Земле стало бы радиогенное тепло. Перспектива не самая радужная. При полном отсутствии энергии Солнца внутренние источники тепла на нашей планете смогут поддерживать на поверхности далекую от комфортной температуру –235 °C. Будет настолько холодно, что планета покроется слоем льда толщиной 15 км. Теоретически под ледяным панцирем может быть вода в жидкой форме, но, к сожалению, всей воды на Земле хватит лишь для формирования слоя толщиной около 4 км. Поэтому вода на нашей планете перейдет в твердое состояние — для образования скрытого моря ее просто не останется.

Единственное, на что мы можем надеяться, это то, что в случае превращения Земли в блуждающую планету будут благодаря геологической активности сохраняться горячие области с жидкой водой вокруг очагов извержения на замерзшем океанском дне. В этих мини-водоемах может развиться жизнь, но она окажется изолированной от остальной планеты и будет полностью зависеть от наличия таких горячих участков.

Вряд ли превращение Земли в планету-сироту сделает ее мечтой отпускника. Но значит ли это, что все блуждающие планеты земного типы, утратившие свою первичную атмосферу, мертвы? Как оказывается, существует четыре способа сделать Землю более привлекательным местом при попадании в межзвездное пространство: увеличить количество воды, нарастить массу, изменить состав атмосферы и прихватить с собой Луну.

Каждый из этих вариантов имеет право на существование. Планеты земного типа в других звездных системах вполне могут аккумулировать больше воды, если они формируются рядом со снеговой линией или подвергаются мощной бомбардировке ледяными метеоритами. Согласно одной из рассмотренных в главе 7 гипотез относительно состава 55 Рака e, океаны занимают практически всю поверхность этой планеты. Если воды на блуждающей планете больше, чем необходимо для формирования слоя льда толщиной 15 км, из оставшейся воды под его поверхностью может образоваться море.

В случае с более массивной блуждающей планетой мы получаем больший объем радиоактивных элементов и большее количество остаточного тепла. При наличии дополнительных источников энергии внутри планеты для поддержания воды в жидком состоянии требуется ледяная оболочка меньшей толщины. Так, планета с массой 3,5 массы Земли и такой же долей воды в составе может обойтись всего лишь несколькими километрами льда на поверхности, а значит, на ней будет достаточно воды для того, чтобы под этим слоем льда сохранилось море.

Даже если допустить, что масса блуждающей планеты и доля воды в ее составе такие же, как на Земле, она может оставаться более теплой, если изменится ее атмосфера. В результате вулканической активности в атмосферу Земли выбрасывается углекислый газ, который затем удаляется из нее за счет химической реакции с силикатными породами. При понижении температуры химические реакции замедляются, и содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается. В обычных условиях это приводит к потеплению, так как более высокий уровень углекислого газа обеспечивает удержание тепла за счет парникового эффекта[30]. При выходе в межзвездное пространство углекислый газ на поверхности планеты должен замерзнуть, обеспечивая дополнительный изоляционный слой и тем самым снижая требуемую толщину слоя льда.

Наконец, не менее интересен сценарий, в котором Землю в ее миграции сопровождает Луна. При выталкивании из Солнечной системы и Землю, и Луну ждет хорошая встряска. Если они все-таки останутся вместе, Луна, скорее всего, окажется на вытянутой орбите. При приближении Луны к Земле по ее новой эллиптической траектории оба тела будут подвергаться гравитационному воздействию, величина которого будет меняться. В случае со спутником, обращающимся вокруг газового гиганта (или планеты, обращающейся вокруг звезды), изменение силы притяжения столь небольшого тела не оказывает практически никакого влияния на огромную планету. Однако Земля — каменистый мир, который не так сильно отличается размерами от Луны, как Юпитер от его спутников. Поэтому при нахождении в межзвездном пространстве и Земля, и Луна будут деформироваться в результате изменения гравитационных сил, что приведет к приливному разогреву.

В отсутствие других естественных спутников, притяжение которых уравновешивало бы притяжение Земли, Луна в конце концов снова перейдет на круговую орбиту. До этого момента в результате приливного разогрева энергия Земли увеличится в 100 раз по сравнению с тем количеством, которое наша планета получает из внутренних источников сейчас. Такая подпитка будет продолжаться (во все меньших количествах) примерно 150 млн лет. Таким образом, наличие спутников — это положительный момент для блуждающей планеты.

Жидкий океан, скрытый под поверхностью блуждающей планеты, будет существовать до тех пор, пока на ней будут сохраняться внутренние источники тепла. Когда с течением времени запасы тепловой энергии исчерпаются, недра планеты остынут. Времени на это потребуется примерно столько же, сколько осталось Солнцу до превращения в красный гигант, за которым неизбежно последует гибель всего вокруг него. Несмотря на жутковатый подтекст такого сравнения, сопоставимые сроки существования Земли в Солнечной системе и Земли в межзвездном пространстве указывают на возможность образования океанов под поверхностью блуждающих планет.

Формы жизни на планете-сироте наверняка не будут иметь ничего общего с теми солнцелюбивыми существами, которые населяют поверхность Земли. Однако было бы не совсем правильно утверждать, что мы не имеем никакого представления о том, как они могут выглядеть. В земной коре на дне земных океанов имеются так называемые гидротермальные выходы — трещины, в которых океанская вода соприкасается с магмой. Образующиеся в результате этого струи кипятка буквально кишат жизнью, несмотря на отсутствие на такой глубине солнечного света. Не исключено, что именно здесь и зародилась первая жизнь на Земле. Если это действительно так, развитие жизни на блуждающей планете может происходить практически по тому же сценарию, что и на Земле.

Живущих у глубоководных выходов существ называют хемоавтотрофами. Энергию для своей жизнедеятельности они черпают из резких перепадов температуры в области выходов. Несмотря на меньшую эффективность по сравнению с фотосинтезом, такой процесс вполне может обеспечить развитие организмов на планете без Солнца.

Допустив теоретическую возможность существования жизни на планете-сироте, мы можем сделать следующий шаг, выдвинув два интригующих предположения. Во-первых, ближайшим к нам источником внеземной жизни может быть проходящая рядом с Солнечной системой свободнолетящая планета. Во-вторых, выброшенная за пределы звездной системы планета, на которой есть жизнь, может стать средством доставки организмов из одной планетной системы в другую. Таким образом, мы получаем способ распространения жизни по Галактике, который не связан с идеями о независимой эволюции жизни в каждой звездной системе и существовании высокоразвитой цивилизации, способной совершать межзвездные перелеты.

Гипотезу о том, что жизнь была занесена на Землю из космического пространства, называют панспермией. В правдоподобность такого сценария зарождения жизни на нашей планете верят немногие, но представление о блуждающих мирах как разносящих жизнь межпланетных космических кораблях придает ей новое звучание.

Впрочем, даже если бы сложные формы жизни и могли бы развиться в темных трещинах на океанском дне планеты, летящей в межзвездном пространстве, вряд ли бы они имели хоть что-то общее с теми существами, которые мы наблюдаем вокруг нас. Может быть, в поисках внеземной жизни в более привычной для нас среде обитания стоит обратить внимание на планеты, которые походят на нашу?

Глава 12. Условия для жизни

Как впоследствии отмечал Стивен Кейн, это было время, когда горячие юпитеры все еще были горячей темой — настолько горячей, что за каждым новым открытием обязательно следовала пресс-конференция. Однажды Кейну, который входил в состав группы исследователей, обнаружившей падение яркости звезды из-за проходящей по ее диску планеты, довелось выступать с рассказом о характеристиках нового мира перед толпой журналистов. Находка была газовым гигантом без твердой поверхности. Объем планеты в тысячу раз превышал объем Земли и был практически целиком заполнен атмосферой колоссальных размеров. В центре этого бурлящего моря газа должно быть твердое ядро. Причем давление на его поверхности должно в 40 млн раз превышать давление на поверхности нашей планеты. В условиях сокрушительного давления водород на такой глубине должен переходить в металлическую фазу, которую исключительно трудно воспроизвести даже в лаборатории. Орбита этого горячего юпитера настолько короткая, что год на нем длится всего лишь четверо земных суток. Из-за близости к огненному шару звезды температура верхних слоев атмосферы планеты достигает, согласно оценкам исследователей, умопомрачительно высокого значения — 2700 °C. Когда Кейн закончил свой рассказ, один из журналистов поднял руку и спросил: «Как вы думаете, на этой планете может быть жизнь?»

Нами движет практически непреодолимое желание отыскать пригодную для жизни планету. Идея о возможности существования во Вселенной других планет, на которых могут быть условия для зарождения жизни, завладела воображением людей еще во II веке до н.э. и будоражит наши умы до сих пор: одни с трепетом ждут встречи с внеземными существами, другие руководствуются практическими соображениями, надеясь, что однажды люди обретут второй дом; наконец, третьими движет тяга ко всему неизведанному[31].

В течение последних двух десятилетий существование похожего на Землю мира из области научной фантастики перешло в сферу научных фактов. Начавшись с открытия юпитероподобных миров, обращающихся в непосредственной близости от своих звезд, работа по обнаружению планет достигла стадии, когда мы можем находить планеты, сопоставимые по размеру с нашим каменистым космическим домом. С ростом числа планет, которые своим радиусом и массой все больше походят на нашу, все чаще звучат заявления о второй Земле — «Земле 2.0». Так что перспектива открытия самой настоящей межзвездной сети кофеен уже не кажется такой уж абсурдной. Впрочем, сопоставимые с земными размеры — далеко не определяющая характеристика. Чтобы найти критерии действительно пригодной для жизни планеты, мы должны выяснить, что делает Землю нашим домом.

Словосочетание зона возможной жизни, или, короче, зона жизни, является, наверное, одним из самых досадных терминологических промахов в планетологии. Как и более причудливый вариант зона Златовласки, эти слова вызывают в воображении образы озер с кристально чистой водой, буйной зелени и аппетитно дымящейся тарелки с овсяной кашей на завтрак. К сожалению, все это не имеет никакого отношения к тому смыслу, который вкладывают в него ученые.

Предложивший этот термин в 1959 г. исследователь из Калифорнийского университета в Беркли Су-Шу Хуан понимал под зоной жизни такую область вокруг звезды, в пределах которой на поверхности Земли может существовать вода. Окажись Земля ближе к звезде, ее моря бы испарились. Отдались она от Солнца на слишком большое расстояние, и вода бы замерзла, превратившись в лед. Температура в зоне жизни не слишком высокая и не слишком низкая — она именно такая, какой должна быть.

К сожалению, подобно тому, как у разных людей могут быть разные представления об идеальной температуре овсянки, разным планетам может требоваться разное количество света звезды для формирования оптимальных условий для развития жизни. Доступного в зоне жизни света может оказаться недостаточно для появления кишащих жизнью океанов на планете, условия на поверхности которой отличаются от земных. Например, менее крупная планета, скорее всего, аккумулирует атмосферу меньшей толщины, чем земная, а значит, температура на ее поверхности будет слишком низкой, чтобы даже в зоне жизни на ней были моря с водой в жидкой фазе. С другой стороны, в зоне жизни обнаружено в пять раз больше газовых гигантов, чем каменистых планет: вряд ли кто-нибудь получит удовольствие от тарелки овсянки в адских условиях атмосферы Нептуна. Нахождение в зоне возможной жизни совсем не гарантирует наличие на планете воды. Мир такого же размера, как Земля, сформировавшийся в богатом углеродом протопланетном диске, обречен на абсолютную сухость. Та же участь ждет и планету, не подвергшуюся бомбардировке покрытыми льдом метеоритами.

Учитывая все это, хочется призвать журналистов, сообщающих об открытии новых экзопланет, к большей сдержанности в оценках, Они часто бездумно используют термин «зона жизни», подразумевая наличие на таких планетах условий для существования жизни. В действительности нахождение в зоне жизни не говорит нам ничего об особенностях среды на поверхности планеты. Оно просто означает, что, если бы поверхность такой планеты была точно такой, как на Земле, вода в вашем стакане, окажись вы на ней, оставалась бы жидкой. Чтобы внести ясность в эту терминологическое путницу, ученые предприняли попытку переименовать зону жизни в «зону умеренных температур». Здесь акцент переносится на наличие благоприятного количества света от звезды без каких-либо намеков на медведей и овсянку. В дальнейшем мы будем следовать этой традиции, чтобы у читателя не возникало ощущения, что его водят за нос.

При самом простом способе определения местонахождения зоны умеренных температур, исходят из допущения, что планета нагревается исключительно светом, который добирается до нее от звезды. Проведя такой расчет для Земли, получим среднюю температуру на поверхности, равную всего лишь 5,3 °C. На самом деле ситуация усугубляется тем, что около трети солнечного тепла Земля отражает, поэтому расчетное значение температуры придется понизить до –18 °C. При такой температуре замерзнут все поверхностные воды, и мы окажемся за пределами области умеренных температур вокруг Солнца, которая будет простираться от 0,47 до 0,87 а.е.[32] В этом случае идеальным местом для жизни была бы Венера, а Земля превратилась бы в большой «снежок». К счастью, средняя температура на поверхности Земли составляет 15 °C — на 33 °C выше результата, полученного путем простейшего расчета. Разницей этой мы обязаны тому, что атмосфера выступает в роли естественной теплицы, удерживающей тепло нашей планеты.

Поверхность Земли поглощает проходящее через атмосферу оптическое излучение Солнца. При этом планета нагревается и повторно излучает полученную энергию в виде тепла в инфракрасном диапазоне. Убедиться в этом можно в любой солнечный день. Если потрогать почву ровно в полдень, когда Солнце стоит прямо над головой, она покажется прохладной. Всего через пару часов она может разогреться настолько, что вы не сможете ходить по ней босиком. Между этими двумя крайними состояниями почва поглощает солнечные лучи, чтобы потом отдать их энергию в виде инфракрасного излучения.

Если оптическое излучение может беспрепятственно проходить через земную атмосферу к поверхности планеты, то инфракрасное излучение встречает на своем пути препятствие. Из-за большей длины волны атмосфера поглощает его, не давая покинуть планету. При этом атмосфера нагревается и отражает часть инфракрасного излучения обратно на Землю. Поверхность планеты подвергается дополнительному нагреву благодаря образованному атмосферой защитному покрову. Это явление назвали парниковым эффектом, поскольку прозрачная конструкция для выращивания овощей точно так же нагревает почву за счет удержания инфракрасного излучения и нагретого воздуха внутри остекленного пространства.

Количество энергии инфракрасного излучения, которое остается в атмосфере, зависит от поглощающих его молекул. Основными парниковыми газами в воздухе над поверхностью Земли являются водяной пар и углекислый газ. На водяной пар приходится две трети поглощающих инфракрасное излучение молекул. Еще четверть приходится на углекислый газ. Остальные несколько процентов обеспечиваются различными газами, включая метан, диоксид азота, озон и созданные человеком хлорфторуглероды.

Если сократить расстояние от Земли до Солнца, интенсивность проникающего в атмосферу ультрафиолетового излучения увеличится. Температура на планете повысится, что приведет к переходу большего количества воды в пар. Из-за резкого скачка содержания водяного пара в воздухе парниковый эффект усилится, а значит, больше тепла будет удерживаться в атмосфере. Как следствие, произойдет дальнейшее увеличение температуры поверхности Земли.

Земля может компенсировать рост температуры путем сокращения количества углекислого газа. Этот парниковый газ вступает в реакцию с дождевой водой, превращая ее в углекислоту, которая выпадает в виде так называемого кислотного дождя. При попадании на поверхность планеты кислая дождевая вода растворяет горные породы, вступая во взаимодействие с ними в рамках процесса химического выветривания, приводящего к образованию богатых углеродом минералов. Растворенные минеральные вещества смываются в океан, образуя твердые соединения углерода, такие как меловой карбонат кальция[33] и известняк. В ходе этого процесса углерод удаляется из атмосферы, и планета охлаждается.

Углерод может возвращаться в атмосферу через жерла вулканов. При столкновении образующих земную кору гигантских тектонических плит одни из них погружаются под другие (этот процесс называют субдукцией). Вызываемое движением нижней плиты трение приводит к плавлению горных пород и высвобождению углекислого газа. Газ и силикатные породы прорываются на поверхность через вулканы. При этом формируются новые наслоения, а углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу.

Циклическое перемещение углерода называют циклом углерода. Он выступает в качестве своего рода термостата, корректирующего температуру Земли. Если планета начинает нагреваться, большее количество воды превращается в пар, и, как следствие, увеличивается интенсивность осадков. Это, в свою очередь, приводит к более активному взаимодействию углекислоты с горными породами, в результате которого она выводится из атмосферы. Из-за снижения содержания углекислого газа атмосфера задерживает меньше инфракрасного излучения, и планета охлаждается. И наоборот: когда температура на поверхности Земли опускается слишком низко, образуется лед, и количество осадков уменьшается. В более суровых климатических условиях интенсивность взаимодействия кислой воды и горных пород также снижается. При этом не только падает количество выводимого из атмосферы углекислого газа, но его становится еще и больше благодаря вулканической активности. Таким образом, количество парниковых газов увеличивается, атмосфера удерживает больше тепла, и планета нагревается.

Несмотря на свою эффективность, природный термостат работает очень медленно: цикл переноса углерода между атмосферой, горными породами и морями занимает 100–200 млн лет. Как раз в этой медлительности и заключается причина того, почему деятельность человека приводит к повышению температуры Земли: мы накачиваем атмосферу парниковыми газами намного быстрее, чем они могут быть выведены из нее путем химического выветривания. Если объем углекислого газа, попадающего в атмосферу в результате вулканической активности, составляет несколько сотен миллионов тонн в год, то выбросы от сжигания ископаемых видов топлива превышают его в сто раз, приближаясь к 30 млрд тонн.

Да, благодаря циклу углерода Земле удается справляться с незначительными колебаниями интенсивности солнечного излучения. Но его возможности далеко не безграничны. Если Земля окажется слишком близко к Солнцу, она не сможет оперативно среагировать на рост содержания водяного пара в атмосфере путем сокращения количества углекислого газа. Поэтому планета продолжит нагреваться, пара в атмосфере станет еще больше, а парниковый эффект усилится. При температуре 100 °C и выше выпадение осадков прекращается, процесс выведения углекислого газа прерывается. В результате испарения воды и вулканической активности в атмосфере продолжают накапливаться парниковые газы, температура непрерывно повышается. В условиях высоких температур углерод высвобождается из горных пород в атмосферу и вступает в реакцию с кислородом, еще больше увеличивая содержание в ней углекислого газа. Запускается необратимый цикл нагрева планеты, который завершается полным исчезновением воды с ее поверхности.

Возможно, нечто похожее случилось с Венерой. Располагаясь недалеко от нас, этот мир имеет практически те же размер, массу и состав, что и Земля. Однако, в отличие от нашей планеты, у Венеры толстая атмосфера из углекислого газа, ее недра бедны углеродом, а температура поверхности составляет 480 °C. Неудивительно, что при такой температуре, которой вполне достаточно, чтобы расплавить, например, свинец, ни один космический зонд не смог продержаться на поверхности Венеры больше двух часов. Пример планеты показывает, что сходство с Землей в размерах ничего не значит. На Венере определенно слишком горячо для каши Златовласки.

Теперь представим, что Земля отдаляется от Солнца. В этом случае благодаря круговороту углерода уровень углекислого газа повысится, что позволит планете оставаться теплой. Но как только температура упадет до значения, при котором углекислый газ конденсируется в облака, в механизме температурной регуляции произойдет сбой. Облака из углекислого газа будут отражать и блокировать больше солнечного излучения, ускоряя остывания планеты, вместо того чтобы препятствовать ему. При отдалении Земли от Солнца температура поверхности планеты упадет до нуля на расстоянии 1,4–1,7 а.е. Это точка, при пересечении которой перестает действовать парниковый эффект.

Границы зоны умеренных температур определяются пределами области, в которой температура поверхности Земли регулируется круговоротом углерода. При приближении к Солнцу Землю ждет судьба Венеры из-за слишком сильного парникового эффекта, тогда как при отдалении от звезды парниковый эффект перестанет действовать и планета замерзнет, превратившись в огромный снежок. Согласно консервативной оценке, в Солнечной системе зона умеренных температур начинается на расстоянии 0,95 а.е. и заканчивается на расстоянии 0,14 а.е.; при более гибком подходе ей отводят область между 0,84 а.е. и 1,7 а.е. Во втором варианте, предполагающем включение в зону дополнительного пространства, вода на Земле будет присутствовать не на всем протяжении ее жизни. Например, по имеющимся данным, около 3,8 млрд лет назад на поверхности Марса могла быть вода. На раннем этапе эволюции Венеры на ней также могла присутствовать вода в жидкой фазе. С учетом этих двух эпох в истории Венеры и Марса мы получаем максимально возможные пределы зоны умеренных температур.

Предполагается, что благодаря круговороту углерода внутри этой зоны температура на поверхности Земли будет оставаться в диапазоне от 0 до 100 °C, то есть на таком уровне, при котором вода на поверхности будет оставаться жидкой. Зависимость пределов зоны умеренных температур от состава атмосферы и геологического строения Земли означает, что у других планет они будут другими. Если, например, увеличить содержание углекислого газа в атмосфере Земли в 10 раз, то даже там, где она находится сейчас, на ней не будет воды в жидкой фазе. При другом составе газов в атмосфере или горных пород мы получим совершенно другой цикл, не имеющий ничего общего с земным.

Но какой тогда толк от понятия зоны умеренных температур, если оно распространяется только на планеты одного типа? Основная его задача — задать рамки для будущих астробиологических исследований. Вторая Земля будет найдена в пределах зоны умеренных температур, да и распознать жизнь на другой планете нам будет намного легче, если она будет походить на нашу. Однако само по себе нахождение в зоне умеренных температур не гарантирует наличие жизни, воды и даже твердой поверхности.

Если мы продолжим сокращать расстояние от Земли до Солнца, в определенный момент интенсивный солнечный свет нагреет атмосферу настолько сильно, что с планеты улетучатся все газы. При поглощении солнечной энергии молекулами их скорость увеличивается до значения, позволяющего им преодолеть гравитационное притяжение планеты. Точку, в которой под воздействием Солнца планета утрачивает атмосферу, называют космическим берегом. Как и в случае с парниковым эффектом, точное его расположение сильно зависит от особенностей конкретной планеты. Легкие атомы улетучиваются быстрее, чем тяжелые молекулы, а значит, планета с атмосферой, богатой водородом, лишится ее быстрее, чем планета, в атмосфере которой преобладают газы с высоким содержанием углерода и кислорода. Удерживает атмосферу гравитационное поле планеты. Поэтому чем массивнее мир, тем более устойчивы газы на его поверхности к излучению звезды. Мы уже упоминали данную зависимость в главе 6, когда рассматривали механизм превращения горячего юпитера в хтоническую суперземлю. Максимальное излучение, которое может выдержать атмосфера Земли, в 25 раз превышает то, которому она подвергается сейчас. Такая интенсивность излучения наблюдается на расстоянии около 0,2 а.е. Область между космическим берегом и зоной умеренных температур называют зоной Венеры. Это та часть пространства, в пределах которой в результате мощного парникового эффекта планета земного типа с большой вероятностью должна превратиться в похожее на Венеру адское пекло, в котором плавится даже свинец.

Есть некая несправедливость в том, что, несмотря на совершенно не подходящие для медведей и овсянки условия, легче всего обнаруживаются как раз планеты в зоне Венеры, так как они ближе к своей звезде, чем миры аналогичного размера в зоне умеренных температур. Поэтому при рассмотрении вопроса о пригодности того или иного экзомира для жизни обязательно нужно обращать внимание на границу между этими областями.

Еще один фактор, затрудняющий определение границ зоны умеренных температур, — это сама звезда. Светимость звезды меняется на протяжении ее жизни, и значит, в разные периоды существования звезды окружающая ее планетная система получает разное количество тепла. По мере превращения водорода в гелий, а затем и в более тяжелые элементы ядро звезды сжимается. Сжатие сопровождается выделением энергии, что приводит к усилению светимости звезды. Около 3–4 млрд лет назад наше Солнце было на 30% менее ярким, чем сейчас. Если бы количество получаемой Землей солнечной энергии уменьшилось на такую величину, температура на поверхности нашей планеты была бы ниже на 20 °C, чем сейчас. То есть большая часть Земли была бы заморожена. Но, как это ни странно, геологические данные показывают, что 4 млрд лет назад на поверхности Земле было более чем достаточно воды в жидкой фазе. От той эпохи до нас дошли осадочные породы, которые были сформированы в результате оседания в жидкости твердых частиц. Это называют парадоксом тусклого молодого Солнца.

Убедительного объяснения ему до сих пор не нашли. Согласно одной гипотезе, миллиарды лет назад атмосфера нашей планеты была совершенно другой — в ней было больше парниковых газов, способных удерживать тепло. В результате круговорота углерода уровень углекислого газа в атмосфере мог подняться до 80% от ее массы. По другой гипотезе, в результате жизнедеятельности ранних бактериальных форм жизни в атмосфере могло резко увеличиться содержание метана.

При определении зоны умеренных температур учитывается влияние излучения звезды на температуру на поверхности планеты земного типа. Однако звезды не единственный источник тепла.

Одновременно с тем, что можно называть собственно теплом, Солнце испускает непрерывный поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. Он распространяется по Солнечной системе со скоростью 300–1200 км/с, обрушиваясь на планеты и формируя четко различимые хвосты комет. Кроме того, во внешних слоях Солнца происходят локальные взрывы, для обозначения которых использует термин солнечные вспышки. В ходе них в направлении планет выбрасывается дополнительная порция высокоэнергетических частиц. Наконец, периодически некоторая часть солнечного вещества выбрасывается наружу в рамках явления под названием корональный выброс массы. Корональным такой выброс вещества называют потому, что происходит он во внешнем слое солнечной атмосферы — солнечной короне. Корональные выбросы могут вызывать на Земле геомагнитные бури, создающие помехи в работе электрических приборов и GPS-систем. Однако на Землю бурная активность Солнца практически не оказывает влияния, так как нашу планету защищает ее магнитное поле.

Если вы отправитесь в Гренландию на севере или в Новую Зеландию на юге, при определенном везении вы сможете наблюдать северное или южное полярное сияние. Когда испускаемый Солнцем поток заряженных частиц достигает Земли, магнитное поле нашей планеты перехватывает его и перенаправляет к полюсам. При взаимодействии частиц с атомами кислорода и азота в верхних слоях атмосферы Земли они испускают зеленый и синий свет, который и создает полярное сияние.

Не будь у Земли магнитного поля, солнечные частицы беспрепятственно бы достигали ее поверхности. Чтобы понять, что ни к чему хорошему это бы не привело, достаточно взглянуть на наших ближайших соседей. Магнитного поля нет ни у Венеры, ни у Марса. Несмотря на то что по своему строению они очень похожи на Землю, из-за небольших отличий в процессе формирования они лишились своих защитных магнитных полей.

Магнитное поле нашей планеты создается расплавленным железным внешним ядром, которое остается горячим благодаря радиоактивным элементам и остаточному теплу, выделявшемуся при столкновениях в процессе формирования Земли. При движении этого электропроводящего металла появляется ток, который создает магнитное поле, превращая планету в гигантский стержневой магнит. Движение расплавленного ядра обусловлено вращением нашей планеты и потоками тепла, циркулирующими между ядром и поверхностью. Вторые возникают в результате тектонической активности плит Земли. При перемещении гигантских плит коры горячая мантия обнажается и плавит старую кору. При этом высвобождается энергия, которая заставляет охлаждаться внешний слой. Из-за разницы температур ядра и поверхности возникают мощные конвекционные потоки, циркуляция которых напоминает циркуляцию тепла в гигантской батарее отопления: теплая жидкость поднимается вверх, а более холодная опускается вниз, где снова нагревается. Это постоянное движение в недрах Земли придает импульс расплавленному ядру и нашему магнитному полю.

В отличие от Земли, где эта система работает исключительно эффективно, ни Венера, ни Марс не смогли обзавестись ничем подобным. На этих планетах не наблюдается никакой тектонической активности. Из-за скрывающих поверхность толстых облаков и слишком высокой температуры продолжительные исследования с помощью спускаемых аппаратов на Венере затруднены, что делает изучение эволюции этой планеты непростой задачей. По современным представлениям, отсутствие тектонической активности на Венере связано с чрезмерно высокой температурой поверхности. В условиях высоких температур кора планеты превратилась в кашеобразную смесь, которая быстро заполняет трещины, препятствуя образованию плит. В отсутствие воды на адски горячей поверхности мантия Венеры лишилась еще одного фактора подвижности. К тому же планета вращается настолько медленно, что венерианский день длится дольше венерианского года: чтобы совершить один оборот вокруг оси, Венере требуется 243 дня, тогда как ее период обращения вокруг Солнца составляет 225 дней. Это означает, что фактически планета вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли.

Из-за небольшой скорости вращения планеты и отсутствия мощных конвекционных потоков, создаваемых тектонической активностью плит, ядро Венеры также вращается медленнее, чем нужно для образования магнитного поля. Этой скрытой облаками планете остается довольствоваться лишь очень слабым полем на самом верху. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца атомы в верхней части венерианской атмосферы теряют электроны, в результате чего образуется слой электрически заряженных частиц, называемый ионосферой планеты. Даже в отсутствие создаваемого ядром магнитного поля эти частицы способны отводить заряженные частицы солнечного ветра, создавая слабый ток и слабое магнитное поле. Поэтому на Венере можно наблюдать свечение, похожее на северное или южное сияние на Земле. Правда, оно в 40 раз слабее.

На Марсе все наоборот: там слишком холодно. Часть марсианской коры сильно намагничена, что указывает на то, что в прошлом у планеты должно было быть магнитное поле. Это поле намагнитило горные породы, а потом исчезло. Все дело в быстром охлаждении Красной планеты. Из-за скромного размера у Марса большая площадь поверхности по сравнению с его объемом. Как раскинутая на сушилке для белья простыня, эта обширная поверхность пропускает через себя тепло из недр планеты намного быстрее, чем это происходит на Земле. Когда ядро Марса остыло, конвекционный поток между мантией и ядром иссяк. Вся тектоническая активность замерла, а магнитное поле исчезло полностью.

Окончательно судьбу магнитного поля планеты, скорее всего, определило столкновение с крупным небесным телом, произошедшее более 4 млрд лет назад. Удар, который пришлось пережить планете всего через несколько сотен миллионов лет после рождения, был такой силы, что его следствием стала выраженная дихотомия двух полушарий марсианской коры. Поверхность северного полушария планеты в среднем на 5,5 км ниже поверхности южного полушария, а кора на 26 км тоньше. При столь масштабном столкновении на оказавшейся под ударом северной стороне должно было выделиться огромное количество тепла. Вызванный этим перепад температур мог нарушить конвекцию в мантии планеты и ослабить магнитное поле. В результате резкого повышения температуры в месте удара горные породы в прилегающей к нему области должны были размагнититься, что объясняет, почему признаки магнетизма наблюдаются главным образом в южной части планеты.

Независимо от подробностей их эволюции, ни у Венеры, ни у Марса сейчас нет магнитного поля, которое бы закрывало всю поверхность этих планет. Благодаря данным двух космических зондов мы не понаслышке знаем, к каким печальным последствиям приводит отсутствие щита в виде магнитного поля.

19 декабря 2006 г. на Солнце произошел относительно небольшой корональный выброс. Четыре дня спустя брызги солнечного вещества добрались до Венеры. Свидетелем этого стал космический аппарат Европейского космического агентства «Венера-экспресс», запущенный на орбиту планеты для изучения ее атмосферы. Несмотря на незначительное количество солнечного вещества и небольшую скорость, в результате коронального выброса незащищенная атмосфера Венеры лишилась внушительного количества кислорода. Также аппарат «Венера-экспресс» зафиксировал потерю водорода и кислорода — последних остатков морей на Венере — в результате воздействия солнечного ветра.

Некоторое время спустя мы смогли наблюдать последствия аналогичных явлений на Марсе благодаря космическому аппарату NASA, запущенному к нашему ближайшему соседу с той же целью, что и «Венера-экспресс» к Венере. 8 марта 2015 г. аппарат MAVEN наблюдал столкновение с Марсом солнечного вещества после намного более мощного коронального выброса. Объем утраченной Красной планетой атмосферы был в 10 раз больше того, который потеряла Венера. Постоянное взаимодействие с солнечным ветром также истощает марсианскую атмосферу, выдувая с маленькой планеты около 100 г газов каждую секунду.

В прошлом последствия аналогичных явлений должны были ощущаться на Марсе и Венере куда сильнее, чем сейчас. Молодое Солнце было намного активнее той спокойной звезды, которую мы можем наблюдать. Так что и вещества в окружающее пространство оно должно было выбрасывать намного больше. Следы жидкой воды на Марсе указывают на то, что когда-то его окружала толстая атмосфера, которая обеспечивала достаточно высокую температуру на поверхности. С потерей магнитного поля Марс лишился и газового покрова, превратившись в непригодный для жизни мир.

Таким образом, скорее всего, наличие магнитного щита является одним из условий обитаемости поверхности любой экзопланеты. Хотя в настоящее время у нас нет методов обнаружения магнитного поля, этот фактор стоит учитывать, объявляя очередную новую планету «похожей на Землю».

Мы прошли долгий путь с момента открытия первых горячих юпитеров в 1990-е гг. Сейчас мы находим миры, которые походят на Землю размером и обращаются в пределах зоны умеренных температур. Но достаточно ли они похожи на Землю, чтобы мы могли назвать их «Землями 2.0»?

Глава 13. Поиски второй Земли

Не прошло и трех дней после запуска космического телескопа «Кеплер», как исследователям улыбнулась удача: они обнаружили прохождение планеты в пределах зоны умеренных температур ее звезды.

Чтобы официально подтвердить находку, пришлось потратить еще два с половиной года: присутствие планеты считается доказанным, если она наблюдалась не менее трех раз. Столько же раз должны быть измерены ее параметры. Первое прохождение телескоп зафиксировал практически сразу — в мае 2009 г. К декабрю 2010 г. астрономам удалось наблюдать еще два прохождения. Год спустя, 5 декабря 2011-го, было официально об открытии первой проходящей планеты в пределах зоны умеренных температур. «Что касается обнаружения этой планеты, — рассказывал Уильям Боруки, руководивший командой сотрудников Научно-исследовательского центра Эймса NASA в Калифорнии, — нам просто повезло».

Новая планета получила обозначение Кеплер-22 b. Она обращается вокруг солнцеподобной звезды на расстоянии 600 световых лет от нас в созвездии Лебедь. Находясь на расстоянии 0,85 а.е. от своей звезды, Кеплер-22 b совершает полный оборот вокруг нее за 290 дней. Если бы Кеплер-22 b была частью Солнечной системы, она бы располагалась точно на границе зоны умеренных температур, рядом с Венерой. Если бы к тому же планета была похожа на Землю, это бы означало, что в течение короткого периода в начале ее эволюции на ней могла бы быть жидкая вода. Однако звезда Кеплер-22 чуть меньше и холоднее Солнца — она излучает на 25% меньше света. Из-за более слабого излучения зона умеренных температур сдвигается ближе к звезде, в результате чего Кеплер-22 b оказывается в границах зоны умеренных температур (в ее консервативной трактовке). Означает ли это, что с открытием этой планеты мы впервые получили возможность наблюдать вторую Землю?

СМИ были категоричны: «Найдена землеподобная планета с орбитой на пригодном для жизни расстоянии», — гласил заголовок на первой странице веб-сайта National Geographic. «Кеплер-22 b — “новая земля”», — громогласно заявляла The Telegraph. «Получено официальное подтверждение открытия похожей на Землю планеты», — не отставали на Би-би-си.

Однако после публикации результатов проведенных измерений стало очевидно, что все не так просто. Оказалось, что радиус планеты составляет 2,4 радиуса Земли, то есть Кеплер-22 b относится к загадочному классу суперземель — планет, которые больше каменистых миров вроде нашего, но меньше газовых гигантов. Эта планета слишком мала и находится слишком далеко от звезды, чтобы вызывать колебания в движении звезды, которые можно зафиксировать имеющимися у нас методами. Поэтому измерить массу Кеплер-22 b не представляется возможным. Так что рассчитать ее объемную плотность, чтобы понять, является она планетой земного типа или же на ней много горячего газа, мы тоже не можем.

Имея данные измерения лучевой скорости, мы также могли бы оценить эксцентриситет орбиты планеты. При наблюдении прохождения Кеплер-22 b астрономы видят только часть орбиты в тот момент, когда планета проходит по диску звезды, тогда как при измерении лучевой скорости звезды с целью оценки изменений в ее движении они могут проследить за планетой на всем протяжении ее орбиты. При обнаружении планеты транзитным методом сохраняется вероятность того, что она может двигаться по сильно вытянутой орбите и проводить лишь крошечную часть своего года в зоне умеренных температур.

Согласно эмпирически выведенному правилу, упоминавшемуся в главе 6, планета, чей диаметр превышает 1,5 диаметра Земли, вряд ли может иметь твердую поверхность. Однако промежуточный размер Кеплер-22 b может указывать на то, что этот мир покрыт водой. В этом случае твердое ядро планеты должно быть полностью покрыто океанской толщей в тысячи километров. Учитывая, что само определение понятия зоны умеренных температур основано на наличии воды на поверхности планеты, факт наличия покрывающего всю поверхность планеты моря должен рассматриваться как аргумент за при обсуждении вопроса о жизнепригодности. Проблема состоит в том, что, как мы могли видеть в предшествующей главе, отсутствие суши является препятствием для круговорота углерода. Это не значит, что на такой планете не может быть жизни, но, если она там все-таки есть, она точно будет отличаться от всего, что есть на Земле. Так что, несмотря на громкие заявления, Кеплер-22 b не является второй Землей.

В 2010 г. самым обсуждаемым местом в Галактике стала область вокруг красного карлика Глизе 581. Эта маленькая звезда в три раза легче Солнца находится на расстоянии 20 световых лет от нас в созвездии Весы. В ее неярком свете, как считалось, пригрелись шесть планет с массами в диапазоне между массами Земли и Нептуна — своего рода Солнечная система в миниатюре. Но самое интересное, что три из этих миров казались потенциально пригодными для жизни.

Пространство вокруг красных карликов с массами от одной десятой до половины массы Солнца — отличное место для поиска небольших планет. Во-первых, эти тусклые звездные очаги многочисленны: на них приходится три четверти всех звезд в нашей Галактике. Разница в размере между такой звездой и планетой не так велика, что делает более заметными как падения яркости при прохождении планеты по диску звезды, так и изменения лучевой скорости звезды и тем самым облегчает фиксацию этих явлений. Наконец, из-за низкой светимости зона умеренных температур в планетных системах вокруг таких звезд находится намного ближе к светилу. Благодаря такой близости повышается вероятность прохождения по диску звезды планеты, находящейся в пределах зоны умеренных температур, поскольку избежать этого сможет только планета с очень большим значением наклонения орбиты. Кроме того, короткая орбита означает короткий год. То есть прохождения должны случаться часто, увеличивая шансы на успех при поиске планеты. Таким образом, в планетных системах в окрестностях красных карликов проще всего найти миры с твердой поверхностью в зоне умеренных температур.

В период с 2005 по 2010 г. с помощью метода лучевых скоростей на орбитах вокруг Глизе 581 было найдено шесть планет. Первой, как и можно было предположить, была обнаружена самая тяжелая планета с самой короткой орбитой — Глизе 581 b, представляющая собой мир размером с Нептун с массой почти в 16 масс Земли и периодом обращения чуть больше пяти суток. Следующие две обнаруженные планеты оказались суперземлями — Глизе 581 c и Глизе 581 d. Их массы равны 5,5–6 массам Земли, а периоды обращения составляют 13 и 67 суток соответственно. Затем была найдена планета, масса которой превышает земную всего в два раза. Глизе 581 e движется вокруг звезды по еще более короткой орбите, чем три ее планетных сестры: ее период обращения составляет всего лишь 3,1 дня. Наконец, были обнаружены еще две суперземли, которые находятся несколько дальше. Одна из них, Глизе 581 f, имеет массу, равную 7 массам Земли, и период обращения 433 суток, вторая, Глизе 581 g, весит как 4 Земли и совершает полный оборот вокруг звезды за один месяц.

За исключением самой дальней суперземли — Глизе 581 f, все планеты обращаются намного ближе к своей звезде, чем любая из планет в Солнечной системе. Но светимость красного карлика настолько низка, что даже на таком расстоянии она вряд ли способна превратить планету в выжженный мир. Поэтому зона умеренных температур, то есть пространство, где вода могла бы сохраняться в жидкой форме на землеподобной планете, там находится не в районе 1 а.е., а между 0,09 а.е. и 0,23 а.е., что соответствует круговым орбитам продолжительностью 18–72 суток. Это означает, что планеты Глизе 581 d и Глизе 581 g находятся внутри зоны умеренных температур, тогда как Глизе 581 c не хватает совсем чуть-чуть до внутренней границы диапазона. Похожи ли эти миры на Землю настолько, чтобы их поверхность омывалась водами океана?

В момент ее открытия в 2007 г. Глизе 581 c была экзопланетой с самой маленькой массой за всю историю наблюдений. Хотя орбита ее пролегает практически по внутренней границе зоны умеренных температур, среди астрономов нашлись оптимисты, которые предположили, что планета может быть укрыта слоем отражающих облаков, защищающим ее от чрезмерного нагрева. Согласно расчетам, чтобы средняя температура на поверхности Глизе 581 c, которая по всем остальным параметрам похожа на Землю, не поднималась выше 20 °C, в ее текущем местоположении защитный слой должен отражать 50% излучения звезды. Если Земля отражает всего лишь около 30% солнечного света, облака на Венере не пропускают 64% добравшихся до них лучей. Поэтому цифра 50% не показалась исследователям чем-то невозможным, что позволило им провозгласить Глизе 581 c в статье об ее открытии «самой похожей на Землю из всех известных экзопланет». Это было смелое заявление, но может ли горстка облаков делать Глизе 581 c серьезным претендентом на статус пригодного для жизни мира? К сожалению, все говорит об обратном.

Первая проблема — месторасположение планеты. Даже с поправкой на слабое тепловое излучение красного карлика Глизе 581 c все равно находится слишком близко к своей звезде — ближе, чем Венера к Солнцу. Даже если облака на Венере обладают отражающей способностью, это не делает атмосферу планеты, порожденную мощнейшим парниковым эффектом, менее удушающей.

Масса планеты еще больше усугубляет ситуацию. Будь строение Глизе 581 c таким же, как у Земли, при массе 5,5 массы Земли ее радиус должен был бы составлять 1,5 радиуса нашей планеты. В этом случае она оказывается точно на границе между планетой земного типа и газовым мининептуном. Но даже если у нее твердая поверхность, из-за создаваемой большой массой сильной гравитации вокруг нее должна была бы сформироваться толстая атмосфера. Такая атмосфера отлично удерживает тепло, поэтому температура поверхности должна быть намного выше даже той, что могла бы быть на краю зоны умеренных температур. Более сильная гравитация также означает большую вероятность сохранения первичной водородно-гелиевой атмосферы, представляющей собой сухой никчемный хаос.

Если и после этих возражений у кого-нибудь возникло бы желание провести отпуск на Глизе 581 c, стоит упомянуть еще одно обстоятельство: близость планеты к звезде указывает на высокий риск приливного захвата. Как и покрытый лавой мир CoRot-7 b, в случае попадания в приливный захват Глизе 581 c оказалась бы разделена на дневную и ночную стороны, то есть она всегда была бы повернута к жару звезды одной стороной. На таких «расколотых» мирах затруднено перераспределение тепла по всей поверхности. Из этого не обязательно следует, что планета представляет собой бесплодную пустыню, но громадная разница температур вряд ли способствует развитию жизни. В совокупности перечисленные факторы являются достаточно вескими, чтобы исключить Глизе 581 c из списка серьезных претендентов на роль пригодных для жизни.

В отличие от Глизе 581 c, основная проблема при оценке жизнепригодности планет Глизе 581 d и Глизе 581 g заключается в отсутствии убедительных доказательств их существования. Через две недели после объявления об открытии Глизе 581 f и Глизе 581 g их существования было подвергнуто сомнению на встрече Международного астрономического союза в Италии. В ходе новых наблюдений удалось подтвердить присутствие только планет b, c, d и e — обнаружить четко различимые признаки планет f и g исследователям так и не удалось. Выделить в колебательных движениях звезды ритмичные скачки, вызванные взаимодействием с несколькими обращающимися вокруг нее планетами, — задача непростая. Особенно если речь идет о красных карликах, тусклых и, как правило, отличающихся строптивым характером. А ведь даже незначительные возмущения на огненной поверхности звезды способны привести к ошибке при наблюдении.

С отсутствием Глизе 581 f астрономы смирились, но за Глизе 581 g они решили побороться. Дальнейшие исследования не позволили дать однозначный ответ на вопрос о том, существует ли эта планета на самом деле, или же она — всего лишь призрак. Если она существует, то совершенно точно находится в пределах зоны умеренных температур. Более того, с массой, превышающей массу Земли всего лишь в три раза, у Глизе 581 g было бы намного больше шансов оказаться каменистой планетой, чем у Глизе 581 c. Когда до осуществления заветной мечты о пригодной для жизни планете оставался всего один шаг, каждый хотел, чтобы существование Глизе 581 g подтвердилось.

В 2014 г. с мечтами пришлось распрощаться. В ходе дальнейших наблюдений на поверхности Глизе 581 была зафиксирована необычная магнитная активность. Намагниченный участок, похожий на солнечное пятно, вступал во взаимодействие с окружающим потоком звездного вещества. При вращении звезды из-за пятна создавалась видимость периодических колебаний, которые можно было легко спутать с последствиями взаимодействия с планетой. Когда эту помеху убрали из данных, от Глизе 581 g не осталось и следа. Но еще хуже было то, что и о Глизе 581 d также пришлось забыть. Согласно расчетам, орбита этой второй жертвы исправления была в два раза длиннее орбиты Глизе 581 g. Причиной ошибки была та же самая аномалия.

Хотя точка в истории с планетами вокруг Глизе 581 еще не поставлена и наблюдения продолжаются, мечты о даче на Глизе 581 d и g превращаются в несбыточные грезы из-за возможного отсутствия их объекта. Стало понятно, что поиск планет с небольшой массой — задача невероятно трудная.

Поиск землеподобных планет в зоне умеренных температур с помощью транзитного метода затруднен двумя обстоятельствами. Первое связано с тем, что вероятность прохождения планеты, похожей на нашу, по диску звезды, похожей на Солнце, составляет всего лишь 0,1%. При наблюдении под большинством углов небольшие далекие земли не пересекают диски своих солнц. Вторая проблема: яркость звезды при прохождении планеты между ней и наблюдателем снижается не более чем на одну десятитысячную. «Представьте себе самый высокий отель в Нью-Йорке, во всех окнах которого горит свет, — говорит научный сотрудник проекта «Кеплер» Натали Баталья. — И кто-то один в этом отеле приспускает жалюзи на 2 см. Как раз такое изменение яркости мы пытаемся зафиксировать, когда маленькая планета размером с Землю проходит мимо звезды размером с Солнце».

И все-таки 18 апреля 2014 г. команде исследователей, работающих с телескопом «Кеплер», удалось это сделать. Кеплер-186 — красный карлик приблизительно в 500 световых лет от Солнца в созвездии Лебедь. При массе, равной половине массы Солнца, звезда обладает очень низкой светимостью, благодаря чему зона умеренных температур сильно сдвинута к центру, занимая область между 0,22 а.е. и 0,4 а.е., — она почти полностью умещается в пространстве, ограниченном орбитой Меркурия в Солнечной системе, которая проходит на расстоянии 0,4 а.е. от нашей звезды. Найденная планета, получившая название Кеплер-186 f, располагается на внешней границе консервативного варианта зоны умеренных температур и имеет период обращения 130 дней. Ее радиус равен 1,11 радиуса Земли, что делает Кеплер-186 f завораживающе похожей на нашу планету. При столь небольшом размере Кеплер-186 f уж точно должна была иметь твердую поверхность.

Как и Земля, Кеплер-186 f является частью системы планет. Ранее рядом со звездой Кеплер-186 уже были обнаружены четыре других планеты — все меньше 1,5 радиуса Земли. Их орбиты пролегают ближе к звезде, чем орбита Кеплер-186 f: им требуется 4–22 суток, чтобы совершить полный оборот вокруг красного карлика. Хотя они также невелики и потому вполне могут иметь твердую поверхность, эти четыре планеты находятся вне внутренней границы зоны умеренных температур, то есть, даже если условия на их поверхности в точности повторяют условия на поверхности Земли, там все равно слишком жарко, чтобы вода могла существовать в жидкой форме. В отличие от нашей планетной системы, наиболее вероятный кандидат на роль пригодной для жизни планеты в системе Кеплер-186 — самая дальняя планета. Означает ли это, что мы, наконец, нашли близнеца Земли?

Единственный надежный способ выяснить, похожа ли Кеплер-186 f на нашу планету, — обследовать ее поверхность. Конечно, у нас пока нет космических аппаратов, которые бы могли совершать путешествия между звездами. Некоторые подсказки можно найти в данных об атмосфере планеты. Как мы уже видели на примере 55 Рака e, свет, проходящий через газовую оболочку планеты при ее прохождении по диску звезды, может стать источником информации об условиях на ее поверхности. Например, в атмосфере Земли много кислорода и метана, выделяемых многочисленными формами жизни на поверхности нашей планеты. К сожалению, расстояние от нас до Кеплер-186 f составляет 500 световых лет. Это обстоятельство вкупе с ее маленькими размерами исключает возможность изучения атмосферы. Остается только строить предположения.

Уже само расположение Кеплер-186 f ставит ряд интересных вопросов. Первый и неизбежный — о границах зоны умеренных температур в окрестностях красных карликов. Находясь рядом со звездой, планеты в этой области с потенциально благоприятными условиями движутся по куда более коротким орбитам, чем орбита Земли. Процесс формирования в таком месте должен был протекать быстро. На таких орбитах за то время, которое требуется Земле, чтобы облететь Солнце, планетезимали могли совершать три полных оборота. Значит, и сталкиваться они должны были чаще. Большая частота столкновений должна способствовать более быстрому накоплению вещества. На первый взгляд, это дает нам повод для оптимизма: высокая скорость формирования планет означает, что было больше времени на формирование пригодной для жизни среды в условиях зоны умеренных температур. Но за все нужно платить. В самом начале своего существования красный карлик — это настоящее раскаленное чудовище. До начала термоядерной реакции красный протокарлик отличается удивительно высоким уровнем светимости. В отличие от более крупных солнцеподобных звезд, в процессе формирования он может излучать в 100 раз больше света, чем в своем обычном состоянии после начала превращения водорода в гелий. Если планета формируется во время этой ранней фазы, вся вода на ее поверхности может испариться до момента остывания звезды. Даже если сейчас температура на поверхности Кеплер-186 f и допускает наличие воды в жидкой форме, самой воды там уже может просто не быть.

Еще одна проблема, которая связана с близостью к звезде, — скорость планетезималей и эмбрионов планет. Эти каменистые тела быстро двигались по сходящимся орбитам. На последнем этапе процесса планетообразования все могло закончиться серией столкновений на высоких скоростях, способных лишить молодой мир и атмосферы, и воды.

Второй вопрос обусловлен тем фактом, что, судя по всему, других планет после Кеплер-186 f в этой системе нет. Разумеется, Земля находится в совершенно других условиях. За ее орбитой располагаются Марс и область газовых гигантов. Особенно большую роль в эволюции нашей планеты сыграл Юпитер, который благодаря своей мощной гравитации, как считается, обеспечил попадание во внутреннюю область Солнечной системы богатых льдом планетезималей, давших воду для наших океанов. Следует оговориться, что такой гравитационный пинбол с участием газовых гигантов может иметь печальные последствия для молодой планеты. Однако отсутствие воды в любом случае исключает возможность зарождения жизни земного типа. Значит ли это, что отсутствие такого рассеивателя планетезималей делает Кеплер-186 f безводным миром?

В этом смысле положение Кеплер-186 f кажется весьма незавидным. Впрочем, если взглянуть на устройство планетной системы, можно прийти к другому, более обнадеживающему выводу. Ее составляют пять миров, находящихся в непосредственной близости от звезды. Чтобы они могли сформироваться на своих текущих орбитах, первичный протопланетный диск должен был содержать объем вещества, превышающий массу Земли в 10 раз. Причем большая его часть должна была быть сосредоточена на расстоянии не более 0,4 а.е. от звезды. Как показывают наблюдения, в дисках вокруг молодых звезд такое распределение вещества встречается весьма редко. Более вероятным представляется сценарий, в котором планеты сформировались на большем расстоянии от звезды Кеплер-186, а затем мигрировали во внутреннюю часть системы. В этом случае отпадают обе проблемы: при формировании в более холодных внешних областях диска планеты могли обрасти льдом, что позже позволило им превратиться в богатые водой миры. По завершении бурной фазы протозвезды планеты могли мигрировать к центру системы в результате взаимодействия с газом. И вот тут-то крайнее положение Кеплер-186 f могло быть ей только на руку, так ей было проще не попасть в приливный захват. При обычном вращении поверхность планеты нагревается равномерно, поэтому на ней вполне могла сохраниться вода.

И все же… Миграция не дает ответов на все вопросы. Кеплер-186 f все равно находится слишком близко к звезде — на ней должны в полной мере ощущаться все «прелести» космической погоды, тон в которой задает звездный ветер. Без мощного магнитного поля планета легко могла лишиться своей атмосферы, а возможность формирования магнитного поля планеты определяется ее геологическим строением. Однако даже если размер Кеплер-186 f свидетельствует в пользу того, что это каменистая планета, узнать, какие именно горные породы ее образуют, не представляется возможным.

Судя по разнообразию гипотез относительно состава 55 Рака e, сам факт наличия твердой поверхности далеко не всегда означает, что планета походит на Землю. Масса планеты может существенно различаться в зависимости от соотношения железа, силикатов и льда. При таком же размере, как у Земли, состоящая из одного лишь железа планета может весить почти как 4 наших Земли, тогда как масса планеты, в составе которой преобладает лед, будет равна 0,32 массы Земли. Если доля железа и силикатов в составе Кеплер-186 f такая же, как у нашей планеты, ее масса составляет 1,44 массы Земли. Таким образом, несмотря на сходство в размере, который всего лишь на 10% превышает размер Земли, масса ее может быть совсем другой — от трети до полутора масс нашей планеты. Столь значительный разброс в оценках массы означает, что разные ее значения будут соответствовать разным уровням гравитации и внутреннего давления. В итоге горные породы на такой планете могут не обладать той степенью подвижности, которая необходима для формирования магнитного поля. Различия в гравитации также приведут к различиям в составе захваченных планетой атмосферных газов.

Однако, как и в других случаях, мы можем посмотреть на эту ситуацию с иной точки зрения. Как показывают результаты моделирования воздействия звездных вспышек и звездного ветра на планету без магнитного поля в системах с красным карликом, подвержены ему могут быть только верхние слои атмосферы. Бурная активность звезды может обходить стороной поверхность планеты, не причиняя ей вреда. Впрочем, пока мы не исследуем атмосферы некрупных планет за пределами нашей Солнечной системы, все рассуждения об условиях на их поверхности будут носить во многом умозрительный характер.

Стоит также отметить, что на Земле жизнь присутствует даже в самых непривлекательных местах. Например, так называемые экстремофилы могут выживать (как следует из их названия) в условиях экстремальных температур, или при экстремальных уровнях кислотности, давления и сухости. Один из самых устойчивых к условиям внешней среды вид существ — тихоходки, или «водяные медведи», представляющие собой существа микроскопических размеров с четырьмя парами ног, — могут впадать в состояние анабиоза при температурах от –256 °C до +151 °C, выдерживать колоссальное давление в океанских впадинах и переносить в сотни раз большие дозы радиации, чем люди. Однако мы так до сих пор и не знаем, может ли жизнь зародиться в столь экстремальных условиях, или же она всего лишь адаптируется к ним в процессе эволюции.

Что касается Кеплер-186 f, то вполне возможно, что эта планета обитаема и на ней есть жизнь. Мы можем сказать, что ее месторасположение и размер не исключают такую возможность, но при этом не можем утверждать, что одни лишь эти факторы гарантируют пригодность для жизни. Учитывая, что Кеплер-186 f обращается вокруг красного карлика, жизнь на ней в любом случае должна очень сильно отличаться от жизни на нашей собственной планете. В полдень звезда в ее небе из-за близости к планете должна казаться на треть больше Солнца, но при этом яркость ее будет соответствовать яркости Солнца за час до заката на Земле. Возможно, этот скудно освещенный далекий мир и является дальним родственником Земли, но ее братом-близнецом он совершенно точно быть не может.

К ноябрю 2016 г. было подтверждено существование 93 планет, орбиты которых проходят в границах зон умеренных температур вокруг их звезд, и 217 планет, орбиты которых хотя бы частично пересекают эту область. У пяти из них радиус меньше 1,5 радиусов Земли, а поверхность — твердая. Самой маленькой и близкой по размеру к Земле является Кеплер-186 f.

Что это говорит нам о редкости миров, которые потенциально могут походить на Землю? Несмотря на немногочисленность обнаруженных маленьких планет, общее количество открытых новых миров огромно. Оно настолько велико, что мы можем сделать некоторые статистические выводы.

На основе данных о 2300 планетах, открытых к 2013 г. с помощью телескопа «Кеплер», можно предположить, что рядом с одной из шести звезд имеется планета размером в 80–125% размера Земли. Таким образом, вокруг 100 млрд звезд в Млечном Пути должно быть 17 млрд землеподобных миров. При расчете этого впечатляюще большого числа учитывалось как количество планет, которые могли быть пропущены при наблюдении, так и число возможных ошибок. Однако эти поправки относились только к планетам с периодами обращения менее 85 суток. Количество обнаруженных планет с большими периодами обращения было недостаточным для проведения полноценного расчета[34]. При столь недолгой продолжительности года большинство из этих 17 млрд миров слишком горячие и находятся за границами зоны умеренных температур.

Чтобы решить эту проблему, был проведен еще один расчет — на этот раз для планет, обращающихся вокруг красных карликов. Наблюдать за некрупными мирами вокруг этих звезд проще, в особенности в границах зоны умеренных температур, в которой планета на короткой орбите проходит по диску своей звезды примерно пять раз в течение одного земного года. Результаты изучения почти 4000 карликовых звезд показывают, что практически у 40% из них есть планета, которая с большой долей вероятности имеет твердую поверхность. Причем 15% таких планет находятся в пределах зоны умеренных температур. Это означает, что в зоне умеренных температур одной из звезд на расстоянии менее 10 световых лет от Земли, скорее всего, существует землеподобная планета. Одна мысль об этом будоражит воображение. Где же находится ближайшая к нам каменистая планета?

Летом 2016 г. появилась надежда на то, что, возможно, мы наконец нашли ответ на этот вопрос: рядом со звездой Проксима Центавра (она же альфа Центавра С), тусклым третьим компонентом тройной звездной системы, соседствующим с двойной звездой альфа Центавра, была открыта новая планета.

Из трех звезд этой системы ближайшей к Земле является как раз Проксима Центавра. Расстояние до нее составляет 4,22 световых года, тогда как расстояние до альфы Центавра — 4,3 световых года. Между двойной звездой и третьей звездой пролегает огромный отрезок пространства длиной 13 000 а.е., который заставляет задуматься, а действительно ли данное трио образует единую систему, или же Проксима Центавра просто проходит через двойную систему. Независимо от ответа, Проксима Центавра — наш ближайший сосед, а значит, любая планета рядом с ней автоматически становится ближайшей к нам экзопланетой. Поэтому открытие планеты Проксима Центавра b закономерно вызвало повышенный интерес.

Эта планета была обнаружена с помощью метода лучевых скоростей. Минимальная оценка ее массы — 1,3 массы Земли. Не имея возможности наблюдать за ее прохождением, мы не можем определить ориентацию ее орбиты или точно вычислить ее массу. Если орбита Проксимы Центавра b расположена под углом более 15% к лучу зрения наблюдателя с поверхности Земли, тогда ее масса должна быть в диапазоне значений, характерном для мини-нептунов. Но все-таки более вероятной представляется гипотеза о том, что масса нашего ближайшего соседа сопоставима с массой каменистой планеты.

Орбита планеты пролегает всего лишь в 0,05 а.е. от Проксимы Центавра, а год на ней длится 11,2 дня. В связи с этим было бы логичным предположить, что она представляет собой раскаленный мир, покрытый лавой, но Проксима Центавра — тусклая звезда даже по меркам красных карликов. Ее масса составляет лишь 10% массы Солнца, а излучение настолько слабое, что даже та область, в которой находится Проксима Центавра b, относится к зоне умеренных температур.

Разумеется, тот факт, что исходящий от звезды сейчас поток энергии так слаб, вовсе не отменяет проблемы, с которыми приходится сталкиваться планетам в системах с красными карликами, таким, например, как Кеплер-186 f. Проксима Центавра до сих пор демонстрирует высокую активность, сопровождающуюся мощнейшими вспышками, которые периодически обрушивают на обращающуюся вблизи планету излучение в сотни раз большей мощности, чем излучение Солнца, достигающее Земли. Если Проксима Центавра b не защищена мощным магнитным полем, она вполне могла лишиться своей атмосферы.

Учитывая чрезвычайно короткую орбиту планеты, она почти наверняка находится в приливном захвате. Потеря атмосферы в этом случае может иметь крайне негативные последствия: в отсутствие атмосферы, обеспечивающей перераспределение тепла, планета разделится на два полушария — одно с обжигающей жарой, соответствующее вечному дню, и второе с леденящим холодом, где царит вечная ночь.

В связи с повышенной активностью звезды может оказаться, что Проксима Центавра b — результат ошибки. Когда на поверхности звезды постоянно что-то происходит и меняется, распознать мельчайшие колебания, вызванные влиянием экзопланеты, становится еще труднее.

Несмотря на всю неоднозначность, близость Проксимы Центавра b делает эту находку одним из самых захватывающих открытий в истории изучения экзопланет. Если в будущем при наблюдении удастся изучить атмосферу этой планеты, мы сможем получить представление об условиях на поверхности планет вокруг красных карликов. Проще всего это сделать в момент прохождения планеты по диску звезды. До сих пор зафиксировать такое прохождение не удавалось, и вероятность того, что нам когда-нибудь улыбнется удача, в случае с Проксимой Центавра совсем невелика. Впрочем, астрономы продолжают тщательно следить за ней с целью выявления признаков периодического изменения яркости.

Второй вариант — прямое наблюдение за планетой. Прямое наблюдение и без того сопряжено с большими трудностями, а когда в качестве объекта выступает планета столь небольшого размера, вести его становится вдвойне сложнее. Но все-таки Проксима Центавра b — ближайший к нам кандидат в экзопланеты. С вводом в эксплуатацию новых телескопов, таких как наследник «Хаббла» космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) и Широкодиапазонный инфракрасный телескоп (WFIRST), а также наземные Чрезвычайно большой телескоп (ELT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT)[35], в наблюдениях за этой планетой начнется новый этап.

Сколько времени потребуется нам, чтобы добраться до Проксимы Центавра b, ближайшей к нам экзопланеты? Хотя 4 световых года кажутся чем-то незначительным на фоне 500 световых лет, отделяющих нас от Кеплер-186 f, в действительности один световой год соответствует умопомрачительно большому расстоянию. Самое далекое путешествие человека в космос — это полет вокруг Луны. В ходе него люди преодолели крохотное расстояние, равное 0,00000004 светового года. Если бы «Вояджер-1», который движется с максимальной для космических аппаратов скоростью и находится дальше, чем любой другой созданный людьми объект, летел в соответствующем направлении, ему все равно потребовалось бы 75 000 лет, чтобы добраться до Проксимы Центавра.

Есть и другие идеи, связанные с запуском миниатюрных высокоскоростных зондов, но на данном этапе мы еще очень далеки от их реализации. Пока при изучении ближайших звезд нам приходится довольствоваться тем, что мы можем увидеть с помощью телескопа.

Глава 14. Инопланетные пейзажи

Среди тысяч открытых миров есть всего один, на котором точно может существовать жизнь, — Земля. Поэтому поиск пригодных для жизни планет во многом свелся к поиску миров, которые походили бы на наш собственный.

Действительно, распознать такую же обитаемую среду, как на Земле, проще всего. Но это вовсе не означает, что в других условиях жизнь существовать не может. Более того, вполне может оказаться, что Земля — еще и не самое лучшее место для жизни. Каким же должен быть инопланетный ландшафт, чтобы он идеально подходил для завтрака Златовласки?

Миры, покрытые водой

Когда с помощью транзитного метода была найдена первая планета в зоне умеренных температур, появилась надежда, что ее поверхность может быть заселена жизнью. Кеплер-22 b оказалась слишком большой для планеты с твердой поверхностью и слишком маленькой для газового гиганта. Могла ли она быть промежуточным миром, поверхность которого целиком покрывает глубокий океан? Поскольку на Земле жизнь присутствует везде, где есть вода, эта гипотеза заслуживала внимания.

Первый вопрос, возникающий в связи с ней: может ли такой покрытый водой мир существовать на самом деле? Без измерения массы, на основе которой можно рассчитать среднюю плотность, любые суждения о природе Кеплер-22 b оставались ничем не подкрепленными догадками. Одного лишь размера было недостаточно, чтобы выделить новый тип планет, отличающихся как от мининептунов, так и от гигантских миров земного типа. Однако к тому времени уже были получены убедительные доказательства существования планет-океанов.

В 2009 г. на расстоянии 42 световых лет от нас в созвездии Змееносец в момент прохождения по диску красного карлика была открыта новая планета. Как показывают расчеты, даже без учета атмосферы температура ее поверхности существенно выше 100 °C, то есть она точно находится за пределами зоны умеренных температур. Однако благодаря короткой орбите с периодом обращения всего 1,6 суток влияние планеты на ее звезду проявляется достаточно сильно, чтобы можно было рассчитать ее массу путем измерения изменения лучевой скорости. В совокупности с данными, полученными при наблюдении прохождения, мы может определить ее среднюю плотность.

Речь идет о планете Глизе 1214 b. При радиусе 2,7 радиуса Земли и массе, равной 6,6 массы нашей планеты, ее плотность составляет 1,87 г/см^3. Таким образом, она занимает промежуточное положение между планетами земного типа и газовыми нептунами. Согласно одной гипотезе, планета с такой плотностью должна на четверть состоять из горных пород и на три четвертых из воды, а также быть окружена водородно-гелиевой атмосферой. Для сравнения: на Земле доля воды в общей массе планеты ничтожно мала — всего лишь 0,1%. Однако из-за высоких температур огромный объем воды на Глизе 1214 b не образует жидкий океан. Этот мир окутан жидкоподобным газом сверхкритической жидкости[36].

Для проверки гипотезы о водной природе Глизе 1214 b с помощью телескопа «Хаббл» была изучена атмосфера планеты при ее прохождении. К сожалению, проверку она не прошла. В полученных данных не было даже намека на признаки поглощения света звезды молекулами воды. Самое очевидное объяснение столь невнятного результата заключается в том, что атмосферу планеты закрывают облака, которые делают невозможным ее изучение с помощью телескопа. И все же, несмотря на отсутствие подтверждающих данных, плотность Глизе 1214 b с высокой долей вероятности указывает на преобладание воды в ее составе. С ее открытием существование покрытых водой миров стало научным (ну или почти научным) фактом.

Чтобы заполучить так много воды, Глизе 1214 b должна была формироваться далеко от звезды. Планета вполне могла бы аккумулировать столь значительный объем воды в замороженном виде в пределах протопланетного диска за снеговой линией. Затем, в результате взаимодействия с газовым диском, богатый льдом мир мигрировал ближе к звезде. Если бы он остановился в зоне умеренных температур, мы бы имели дело с миром, покрытым океаном из воды в жидкой фазе.

Покрытые водой миры, возможно, не так уж и редки. Глизе 1214 b и Кеплер-22 b — суперземли, то есть относятся к самому многочисленному из известных нам классов экзопланет. Эта группа планет, превышающих размером нашу в несколько раз, может включать два очень разных типа покрытых водой миров.

Глизе 1214 b — пример мира, покрытого глубоким океаном. Занимая промежуточное положение, ее плотность указывает на громадную долю воды в составе планеты. Ее твердое ядро должно быть скрыто толщей воды глубиной в десятки тысяч километров. Впрочем, вода может целиком покрывать поверхность планеты, даже когда она не преобладает в ее составе. В условиях более мощной гравитации поверхность каменистой планеты большого размера должна иметь плоский рельеф. Сжимаемый силой притяжения, ландшафт такого мира может сильно отличаться от привычного нам, изрезанного горами и холмами, образуя сплошную равнину, которая может легко превратиться в океанское дно даже при небольшом объеме воды. Эти два типа планет-океанов различаются так же, как залитая водой глубокая суповая тарелка отличается от залитой водой тарелки плоской. Вода закрывает поверхность обеих тарелок, но в одной из них жидкости намного больше, чем в другой. На каменистой планете массой 10 масс Земли может вовсе не быть континентов, даже если воды на ней будет в 10 раз меньше количества воды на нашей планете. Таким образом, более крупная версия Земли, скорее всего, будет покрыта водой.

На Земле жизнь существует повсюду, где есть вода. Однако может ли полноценная экосистема сформироваться на планете без суши? Если наличие океана, целиком покрывающего поверхность, делает планету непригодной для жизни, это накладывает ограничения на размер каменистой планеты, на которой может развиться жизнь.

На планете, покрытой глубоким океаном, растениям, которые живут за счет фотосинтеза, придется удерживаться на поверхности без какой-либо опоры. Стебли и корни не способны дотянуться с освещаемой звездой поверхности до дна на глубине более 10 000 км. Плавучим растениям, таким как водоросли, придется развиваться рядом с существами, которые могут летать или плавать. Конечно, на земле есть примеры таких форм жизни, а также организмов-хозяев, которые могут обходиться без солнечного света. Смогли бы формы жизни, обитающие в океанах Земли, успешно существовать на планете, целиком покрытой глубоким океаном?

Хотя на воду приходится лишь 0,1% массы Земли, наши океаны так глубоки, что свет не может пробиться сквозь толщу воды и достичь дна. Его заменяют гидротермальные выходы — трещины в коре, через которые вырываются струи горячей жидкости. Несмотря на высокую температуру, существенно превышающую 100 °C, эти гигантские столбы вещества сохраняют жидкую форму. Вокруг гидротермальных выходов формируются целые экосистемы, которые отлично обходятся без солнечного света. Такой источник энергии мог бы поддерживать жизнь на блуждающей планете, не имеющей доступа к свету звезды. К сожалению, любые попытки экстраполировать эту гипотезу на мир, покрытый глубоким океаном, обречены на провал.

Стоит только представить себе, что доля воды в массе планеты составляет не 0,1%, а более 50%, и дно океана становится совершенно другим местом. На дне резервуара такого колоссального объема давление достигает значений, при которых вода сжимается в толстые слои льда. Таким образом, ядро из силикатных пород оказывается отделено от водной стихии ледяным барьером толщиной в тысячи километров. Под таким слоем льда формирование гидротермальных выходов невозможно, а значит, вокруг них не образуются экосистемы.

Кроме того, отсутствие суши делает невозможным круговорот углерода. В главе 12 мы говорили о нем как о термостате нашей планеты, обеспечивающим регулировку температуры на поверхности за счет изменения количества углекислого газа в атмосфере. При увеличении температуры на планете в результате реакций с поверхностными горными породами из атмосферы удаляется большее количество углекислого газа. При падении температуры эти реакции замедляются, уровень углекислого газа в атмосфере повышается, а вместе с ним — и количество улавливаемого тепла. В отсутствие горных пород на поверхности этот механизм температурной регуляции не может полноценно функционировать.

А что, если необходимые реакции протекали бы на поверхности океана? Моря на Земле поглотили в 10 раз больше углекислого газа, чем содержится в воздухе. На планете, целиком покрытой океаном, произошло бы то же самое, но такой механизм иначе как «дьвольским термостатом» не назовешь. Наиболее эффективно процесс поглощения углекислого газа морями происходит тогда, когда температура падает. Моря при повышении температуры вытягивают из атмосферы меньше углекислого газа, из-за чего в ней остается большее количество тепла. Когда происходит обратное, и планета охлаждается, благодаря морям из атмосферы удаляется больше углекислого газа и больше тепла покидает планету. Поэтому океан, покрывающий всю поверхность планеты, будет не препятствовать процессу изменения температуры планеты, а ускорять его.

В отсутствие механизма компенсации температурных колебаний зона умеренных температур планеты-океана сужается до размеров тонкой полосы. Если представить себе суперземлю, лишенную возможности адаптироваться к избытку или недостатку излучения звезды, как это делает Земля, океаны на ней будут сохранять жидкую форму только там, где для этого существуют идеальные условия. Таким образом, вероятность, пусть и очень небольшая, того, что планета пригодна для жизни, все-таки сохраняется. Еще один повод для сдержанного оптимизма связан с огромными размерами океана, обеспечивающими исключительно низкие темпы изменения его температуры. Если, двигаясь по вытянутой орбите, покрытый глубоким океаном мир хотя бы какое-то время находится в зоне умеренных температур, он может оставаться пригодным для жизни даже в таких условиях, в которых из-за колебаний температуры на поверхности землеподобного мира не осталось бы ничего живого.

На планете, покрытой неглубоким океаном, шансы жизни на выживание несколько выше. При небольшой глубине уровень давления будет недостаточным для формирования льдов, а значит, ничто не будет препятствовать взаимодействию воды с горными породами на океанском дне. Таким образом, на такой планете могут быть как гидротермальные выходы, так и слабо выраженный углеродный цикл. Морская вода способна превращать углекислый газ в твердые породы в рамках того же процесса, что и на суше. Проблема в том, что океанское дно не может столь же точно отражать температуру на поверхности планеты, как суша, что делает работу такого естественного термостата намного менее эффективной. Уступая в этом смысле в эффективности Земле, покрытая неглубоким океаном планета должна лучше справляться с изменениями среды, чем ее глубоководный аналог.

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?

Ядро газового гиганта

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.

Исходя из наличия в составе обнаженного ядра горных пород и льда, можно предположить, что тектоническая и геологическая активность в нем будет отличаться от такой активности на Земле. К чему именно она может привести, мы не знаем, но наличие магнитного поля определенно сделает новую атмосферу ядра более устойчивой к воздействию звездной активности.

Поскольку планетная миграция, судя по всему, является обычным явлением в экзопланетных системах, следует учитывать, что каменистые планеты в зоне умеренных температур могут быть ядрами газовых планет, лишившихся своих первичных атмосфер. Но если они еще и пригодны для жизни, то жизнь эта должна развиваться в условиях, не имеющих ничего общего с привычными для нас.

Сумеречная зона

Помимо гибельной радиации планетам в зоне умеренных температур в системах с красными карликовыми звездами угрожает еще и приливный захват. Под воздействием мощного гравитационного притяжения на коротких орбитах одна половина планеты все время обращена к центру системы, тогда как другая (вполне буквально) полностью лишена дневного света.

Чтобы понять, какие губительные последствия это может иметь для жизни, достаточно представить, что произойдет, если Земля окажется в приливном захвате с Солнцем. В главе 12 мы видели, что в условиях полного отсутствия атмосферы средняя температура на Земле составит приблизительно 5 °C. При нахождении Земли в приливном захвате в результате постоянного воздействия солнечного излучения температура на дневной стороне нашей планеты взлетит до 120 °C. Единственным источником тепла на ночной стороне, обращенной в противоположную от Солнца сторону, будут недра нашей планеты. Мизерной энергии этого источника хватит, чтобы поддерживать на поверхности температуру не выше –237 °C. Вместо нынешних благоприятных условий мы получим среду, в которой нам останется лишь выбрать, какой смертью мы хотим умереть — сгореть или замерзнуть.

Но в этой мрачной картине не учитывается влияние планетной атмосферы. В отличие от поверхности планеты, положение которой зафиксировано, окружающие ее газы могут перемещаться по ней. Сможет ли эта циркуляция компенсировать температурные скачки на дневной и ночной сторонах, чтобы планета оставалась пригодной для жизни?

На первый взгляд, ситуация выглядит не очень обнадеживающе. На ночной стороне будет так холодно, что атмосферные газы будут конденсироваться на поверхности. Отсутствие атмосферы над погруженным во тьму полушарием приведет к резкому падению давления, и газы с освещенной стороны устремятся в образовавшуюся пустоту. Оказавшись в условиях экстремально низких температур, они также конденсируются. Продолжаться это будет до полного уничтожения атмосферы. Все закончится ее полным коллапсом.

Катастрофического сценария можно было бы избежать, если бы удалось обеспечить равномерное распределение тепла между полушариями: если на ночной стороне будет поддерживаться достаточно высокая температура, чтобы газ не замерзал, атмосфера останется газовой. При небольшой толщине оболочки перемещение достаточного объема горячего газа по планете будет невозможно. Но в похожей на земную атмосфере с высоким содержанием углекислого газа или азота это может получиться.

Будут ли в покрывающей всю планету атмосфере, как на Земле, условия для формирования озер и морей — уже другой вопрос. Все будет зависеть от того, сможет ли дневная сторона планеты разогреться до температуры кипения воды. На ночной стороне вода обречена оставаться в форме твердого льда. Тамошние низкие температуры грозят замерзанием даже атмосфере. Так что циркуляция воздуха вряд ли способна улучшить ситуацию настолько, чтобы и в темноте вода оставалась в жидкой форме. Если на дневной стороне вода испаряется под воздействием тепла звезды или парникового эффекта в толстой атмосфере, пар в результате циркуляции должен попадать на ночную сторону. Оказавшись в условиях, где температура ниже точки замерзания воды, пар должен конденсироваться и выпасть на обледенелую поверхность в виде снега. Таким образом, ночная сторона станет холодной ловушкой, в которой в конечном итоге сосредоточатся все запасы воды на планете в виде льда. Планета станет походить на гигантское глазное яблоко, вся поверхность которого, за исключением обращенной к звезде области, будет покрыта льдом.

Планета может превратиться в такое глазное яблоко даже при температурах менее 100 °C. Вся испарившаяся вода, переносимая по поверхности ветрами, окажется затянута в холодную ловушку. В отсутствие возможности перехода замерзшей воды в другую форму резервуары планеты постепенно пересохнут. К счастью, ледники Гренландии и Антарктики демонстрируют нам путь решения этой проблемы.

Если бы вода совсем не могла переходить из состояния льда без таяния, наша планета выглядела бы совсем по-другому. Водяные пары в ее атмосфере замерзали бы на полюсах, покидая их только летом. На Земле под действием гравитации массы льда скатываются в низины, образуя ползущие ледовые потоки, которые можно видеть на ледниках. На планете, похожей на глазное яблоко, замерзшая вода может сползать на дневную сторону, где она будет таять и снова испаряться. На границе между льдом и паром, совпадающей с границей между темным и светлым полушариями планеты, из воды в жидкой фазе могут образовываться реки. Эта опоясывающая планету пограничная область станет сумеречной зоной, где в красных лучах постоянного заката звезды может развиться жизнь.

Если температура на планете окажется достаточно низкой, чтобы на дневной стороне глазного яблока могла существовать вода, вместо пустыни там будет море. Такой вариант кажется более пригодным для жизни, чем полоска сумеречной зоны, но он таит в себе опасность. В отличие от суши и воды, которые поглощают значительную часть излучения, попадающего на их поверхность, лед, обладая высокой отражательной способностью, не может аккумулировать тепло. При замерзании воды образовавшийся лед будет отражать тепло, становясь еще холоднее. В результате лед может так никогда и не превратиться обратно в воду, растаяв.

Вероятность угодить в такую ловушку велика для планеты с достаточно низкой температурой поверхности и открытыми участками суши. Интенсивное воздействие звезды на горные породы на дневной стороне может привести к ускорению углеродного цикла и, следовательно, к поглощению из воздуха слишком большого количества углекислого газа. С уменьшением объема парниковых газов температура поверхности может упасть ниже 0 °C, что приведет к замерзанию океана. Превратившись в лед, вода будет отражать все тепло, а значит, планета подвергается риску так никогда и не выйти из состояния «снежка».

Если на планете достаточно тепло, чтобы ей не грозила такая участь, а вода оставалась в жидкой форме, наиболее подходящим местом для жизни станет обледенелое побережье или глубоководье. Там у жизни будет доступ к резервуару жидкой воды, но она будет недосягаема для прямых лучей звезды.

Одна из возможных планет типа «глазное яблоко» — KOI-2626–01. KOI означает «объект, представляющий интерес для “Кеплер”» (Kepler Object of Interest). Этой аббревиатурой обозначают планеты, которые были обнаружены транзитным методом с помощью телескопа «Кеплер», но существование которых еще пока не подтверждено данными дополнительных наблюдений. Чтобы различать потенциальные планеты, к префиксу KOI добавляют номера, а не буквы. Таким образом, KOI-2626–01 — первая планета, обнаруженная у звезды KOI-2626. Если допустить, что этот мир действительно существует, KOI-2626–01 представляет собой землеподобную планету с периодом обращения 38 дней вокруг красного карлика. Существует вероятность, что орбита планеты пролегает в пределах зоны умеренных температур, но при этом она находится в приливном захвате и, возможно, является планетой типа «глазное яблоко».

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.

Возвращение на Татуин

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.

Невозможность обеспечить стабильность орбиты в пределах зоны умеренных температур сложной формы должна означать, что потенциально пригодные для жизни миры вроде Татуина встречаются нечасто. Как ни странно, все как раз наоборот.

В 2015 г. было открыто 10 планет на циркумбинарных орбитах. Восемь из них обращаются вокруг своих двойных звезд по траекториям, проходящим в непосредственной близи от порога стабильности. При переходе на любую более короткую орбиту за этим порогом планета либо окажется выброшена за пределы системы, либо будет обречена на гибель в звездном пекле. Четкого ответа на вопрос о том, почему 80% открытых планет обращаются вокруг своих звезд вблизи порога стабильности, у нас нет. Возможно, все дело в миграции к центру системы, вызванной взаимодействием с протопланетным диском: все планеты, пересекшие границу стабильных орбит, либо покинули систему, либо погибли, тогда как миры, миграция которых прекратилась в границах безопасной зоны, выжили, и как раз их-то мы сейчас и видим. Согласно другой гипотезе, чем ближе планета к звезде, тем легче ее обнаружить, и те, что видны нам, — это просто популяция планет на самых коротких орбитах из всех возможных. Независимо от причины многочисленности таких находок, мы можем сделать один важный вывод: поскольку граница стабильных орбит часто пролегает вблизи зоны умеренных температур, вероятность обнаружения планет, обращающихся вокруг двойной звезды, даже в границах области сложной формы выше, чем можно было бы ожидать.

В главе 9 мы уже упоминали первую найденную транзитным методом планету, обращающуюся вокруг двойной звезды. Это Кеплер-16 b, мир размером с Сатурн с периодом обращения 229 суток. Масса и размеры двойной звезды, вокруг которой эта планета обращается, меньше нашего Солнца: масса одной звезды-компонента равна 69% массы Солнца, масса второй — 20%. В результате границы и форма зоны умеренных температур определяются влиянием более крупной звезды: она походит на нарисованный неумелой рукой круг с вращающимся выступом с той стороны, которая обращена к меньшему компаньону.

Несмотря на близкую к симметричной форму, наличие выступа в зоне умеренных температур все-таки несколько меняет ситуацию для планеты. Кеплер-16 b обращается по круговой орбите, пролегающей рядом с внешней границей зоны. Но из-за присутствия меньшей звезды планета в течение года периодически выходит за эту границу и потом возвращается обратно. В результате средняя температура на планете при движении по орбите 4–5 раз вырастает и падает приблизительно на 15 °C[38]. На это можно возразить, что при смене сезонов температура в далеких от экватора областях Земли может колебаться даже в большем диапазоне. Наше лето и зима — следствие наклона оси планеты, приводящего к тому, что в течение года северный и южный ее концы оказываются обращены то к Солнцу, то от него. Однако смена сезонов происходит лишь один раз в год, а средняя температура на всей планете не меняется. На Кеплер-16 b такие смены происходят пять раз в год, а изменение температуры затрагивает всю планету.

В отличие от орбиты Кеплер-16 b, орбита Кеплер-453 b нигде не выходит за пределы зоны умеренных температур. Кеплер-453 b — десятая по счету открытая планета, обращающаяся вокруг двойной звезды. О ее обнаружении было объявлено в 2014 г. Ее радиус на 60% превышает радиус Нептуна. Компоненты системы имеют разную массу: одна звезда похожа на Солнце, а вторая — красный карлик с массой, равной всего 20% солнечной массы. Благодаря заметной разнице в размере и массе зона умеренных температур имеет форму правильного пончика. Заправляет в ней более крупная звезда, поэтому Кеплер-453 b легче перемещаться в ее пределах. Хотя размер самой планеты недвусмысленно указывает на ее газовую природу, у нее может быть спутник с твердой поверхностью. Если такой спутник существует, в его небе будут видны не только две звезды, как на Татуине, но еще и бурлящая атмосфера газового гиганта.

Кстати, если судить по изображениям звезд в небе Татуина, зона умеренных температур в двойной системе из киносаги «Звездные войны» должна быть очень сильно перекошена. В действительности такое вряд ли возможно. Так что, какими бы суровыми ни изображались условия на поверхности Татуина, скорее всего, планета находилась бы за пределами зоны умеренных температур и была бы непригодна для жизни. Извини, Люк.

Планету, обращающуюся только вокруг одной звезды в двойной системе, поджидают другие опасности. Такая планета движется по орбите S-типа вокруг звезды, которая, в свою очередь, движется вокруг звезды-компаньона. В связи с этим возникает вопрос: как излучение второй звезды влияет на зону умеренных температур вокруг материнской звезды?

Оказывается, тепло звезды-компаньона, как правило, не влияет на границы зоны умеренных температур. Как было показано в главе 9, обычно планеты обращаются вокруг более крупной и яркой звезды — главной в паре. Если звезда-компаньон находится на достаточно большом удалении и не нарушает стабильность орбиты планеты, то практически всегда единственным источником излучения в пределах зоны умеренных температур является главная звезда.

Следовательно, планеты, обращающиеся вокруг одной звезды в двойных системах, имеют столько же шансов оказаться внутри (или вовне) зоны умеренных температур, что и миры в одиночных системах. К сожалению, полностью исключить влияние звезды-компаньона не получится. Даже если в качестве второго источника излучения она и не оказывает ощутимого влияния на планету, ее гравитационное поле играет свою роль. Вместо круговой траектории, которая бы позволила не выходить за пределы зоны умеренных температур, планета под воздействием притяжения второй звезды, вероятнее всего, движется по вытянутой эллиптической орбите. Если допустить, что зона умеренных температур вокруг главной звезды сохраняет форму круглого пончика, при движении по вытянутой траектории планета должна периодически покидать эту область с максимально благоприятными условиями, а потом возвращаться в нее обратно.

Может ли планета с вытянутой орбитой быть пригодна для жизни? При небольшом эксцентриситете и достаточно большой ширине зоны умеренных температур землеподобная планета вполне может оставаться внутри нее. Из-за изменения расстояния до звезды сезоны будут более выраженными, но вода на поверхности такого мира будет оставаться жидкой. В случае выхода траектории планеты за пределы зоны умеренных температур ситуация осложняется, но это совсем не обязательно означает, что последствия будут катастрофическими. Планета на орбите со значительным эксцентриситетом движется тем быстрее, чем ближе она к звезде. Поэтому жаркое лето продолжается на ней лишь небольшую часть года. За столь короткий период, даже несмотря на воздействие высоких температур, большая часть воды должна сохранять жидкую форму: она просто не успеет испариться до того момента, когда условия на планете вернутся к норме. Более того, благодаря такому ежегодному всплеску температур вода не будет полностью замерзать даже в наиболее удаленной от звезды точке орбиты планеты. Моделировать климат с помощью расчетов чудовищно трудно, но все-таки, основываясь на данных существующих исследований, мы можем предположить, что, если средний уровень излучения, получаемого землеподобной планетой от звезды в течение года, сопоставим с тем, который бы она получала внутри зоны умеренных температур, за счет перехода от высоких температур к низким и обратно вода на ней могла бы сохранять жидкую форму.

В процессе развития на планете с вытянутой орбитой организмы могли бы впадать в спячку в периоды экстремально высоких и низких температур в течение года. Легче всего адаптировались бы к таким условиям обитатели океанов, так как в крупных водоемах температура меняется не так стремительно, как на суше. Различные формы жизни эволюционируют таким образом, чтобы пик их активности приходился на период нахождения планеты в зоне умеренных температур, а в неблагоприятных условиях уровень метаболизма снижался, обеспечивая выживание в продолжительные периоды бездействия в укрытии.

Формы жизни на Земле демонстрируют как раз такое защитное поведение. Например, бактерии способны выживать приблизительно в течение недели в условиях открытого космоса, тогда как микроорганизмам достаточно спрятаться за слоем горных пород толщиной несколько сантиметров, чтобы пережить падение метеорита. Конечно, выдержать испытания такого рода могут только крохотные организмы, но это и не удивительно — ведь Земля остается в зоне умеренных температур на протяжении всего года. Если бы она покидала ее, у жизни был бы стимул приспособиться к более суровым условиям, вызванным резкими переходами между сезонами. Само разнообразие жизни на Земле показывает, насколько трудно определить, где она заканчивается и где начинается.

Лучший из возможных миров?

Прочесывая небо в поисках оптимально подходящей для жизни планеты, мы пытались найти близнеца Земли. Разумеется, никто не станет отрицать, что наша планета отлично подходит для жизни, но действительно ли она является лучшим вариантом из всех возможных? Могут ли существовать планеты, с еще более благоприятными условиями для развития жизни — так называемые сверхпригодные для жизни миры?

Как это ни парадоксально, отправной точкой формирования сверхпригодных для жизни условий является та стадия в жизни планеты, при которой вы бы точно не захотели на ней оказаться. Земля изрезана следами непрерывной вулканической активности, атмосфера заполнена побочными результатами этой активности — сернистым газом и метаном; поверхность в отсутствие защитного озонового слоя выжигается ультрафиолетом, на нее выпадают осадки в виде красных и желтых частичек серы; моря красные из-за высокого содержания железа, и под всем этим — микробные формы жизни. Добро пожаловать на Землю, какой она была 2,3 млрд лет назад! Тогда наша планета стояла на пороге самого масштабного вымирания в своей истории.

Примерно за 200 млн лет до того в земных океанах появились сине-зеленые бактерии. С появлением этих микроорганизмов на нашей планете начался принципиально новый процесс — превращение углекислого газа и воды в сахара и кислород с помощью энергии солнечного света. Так на Земле появился фотосинтез.

Эти крошечные машины для фотосинтеза называют цианобактериями. На первых порах выделяемый ими кислород вступал в реакцию с вулканическими газами, что приводило к повторному формированию углекислого газа в сопровождении водяных паров, или — с железом в воде, заставляя его окисляться. Но последовавшее за этим бурное развитие цианобактерий привело к тому, что ресурсов для поглощения выделяемого ими кислорода на планете просто не осталось. Кислород хлынул в атмосферу, спровоцировав так называемую кислородную катастрофу — глобальное изменение ее состава.

К сожалению, основной формой жизни на молодой Земле были анаэробные бактерии, на которые кислород оказывает токсическое действие. Это привело к их массовой гибели. В результате огромный пласт жизни оказался стерт с лица Земли. Тем временем кислород в атмосфере начал вступать в реакцию с метаном, образуя еще больше углекислого газа и водяных паров. Хотя оба продукта реакции являются парниковыми газами, по количеству удерживаемого ими тепла они намного уступают метану. Уменьшение количества метана привело к снижению температуры, спровоцировав масштабное гуронское оледенение — древнейший из известных нам ледниковых периодов. Не исключено, что в тот момент оледенение затронуло всю поверхность нашей планеты, превратив ее в «Землю-снежок».

На первый взгляд, эта картина совсем не походит на начало формирования пригодной для жизни среды. Однако насыщение атмосферы Земли кислородом стало ключевым фактором, который сделал возможным развитие жизни. Благодаря обилию кислорода началось активное развитие аэробных организмов. В процессе их жизнедеятельности атмосфера превратилась в то, чем мы дышим сейчас. Однако для радикальной перестройки среды на планете, в результате которой она может стать пригодной для жизни, требуется очень много времени. Поэтому если мы хотим найти планету, на которой может существовать жизнь, мы должны в первую очередь обращать внимание на миры преклонного возраста. Они — главные кандидаты в планеты с сверхпригодными для жизни условиями.

С другой стороны, в случае с миром большего возраста возникает другая проблема — звезда. Приблизительно 3,5 млрд лет назад Земля находилась в центре зоны умеренных температур в Солнечной системе. По мере старения и увеличения светимости Солнца зона умеренных температур отодвигалась все дальше и дальше от него. В результате наша планета оказалась рядом с ее внутренней границей. Через 1,75 млрд лет Земля выйдет за пределы зоны умеренных температур. Подобно Венере, она превратится в безжизненную пустыню, на поверхности которой из-за высоких температур не сможет существовать вода. Поэтому можно предположить, что, если какая-то планета гораздо большего возраста, чем Земля, сейчас находится в зоне умеренных температур, значительную часть своей юности она должна была провести за ее внешней границей, а значит, на ее поверхности не могла развиться жизнь. Впрочем, и эту проблему можно было бы решить, если бы звезда была несколько иной.

В недрах менее массивных звезд процесс горения протекает не так быстро, как у их более тяжелых собратьев. Поэтому и живут они дольше. Зона умеренных температур вокруг таких медленно стареющих звезд смещается медленнее, чем в Солнечной системе. Но есть у небольших тусклых красных карликов ряд особенностей, препятствующих формированию на планетах вокруг них пригодной для жизни среды. Мы уже упоминали, что миры в окрестностях этих звезд рискуют попасть в приливный захват и захлебнуться в волнах губительной радиации, сводящей на нет любые преимущества неспешной эволюции в зоне умеренных температур. Возможен компромиссный вариант в виде оранжевого карлика — звезды крупнее красных карликов, но меньше нашего Солнца. Оранжевый карлик может светить приблизительно в два раза дольше Солнца, благодаря чему времени для достижения зрелости и формирования пригодных для жизни условий у планеты остается намного больше.

Медленное старение необходимо не только звезде. Для поддержания соответствующих условий на поверхности планеты в ее недрах должна продолжаться геологическая активность. Помимо излучения звезды, планеты согревает изнутри тепло, оставшееся со времени их формирования, а также радиоактивные элементы в мантии и коре. На Земле это тепло дает энергию вулканам и тектонической активности, которая сопровождается перемещением горных пород, обеспечивающим магнитное поле и углеродный цикл. Когда пламя в недрах нашей планеты погаснет, атмосфера перестанет получать углекислый газ в результате вулканических извержений. Количество парниковых газов уменьшится, и Земля замерзнет. Расплавленное железо в ядре нашей планеты затвердеет, после чего исчезнет защищающее нас магнитное поле, оставив атмосферу на растерзание солнечному ветру и вспышкам.

Благодаря большим запасам внутреннего тепла геологическая активность на крупных планетах длится дольше. Правда, здесь важно не перестараться. При слишком большой массе планета вполне может стать мини-нептуном или, по крайней мере, так и не расстаться со своей первичной водородно-гелиевой атмосферой. Наличие столь толстой газовой оболочки сделает невозможным развитие жизни. Более того, из-за колоссальной гравитации на массивной каменистой планете может отсутствовать тектоническая активность: повышенное давление затруднит перемещение горных пород. Разумеется, это скажется на вулканической активности и поставит под угрозу существование магнитного поля. Для поддержания такой же геологической активности, как на Земле, оптимальной для планеты является масса, в два раза превышающая массу Земли. Такой мир должен быть на 25% крупнее Земли, а площадь его поверхности должна быть на 50% больше площади поверхности нашей планеты.

Из-за более сильной гравитации даже такой умеренный прирост массы может привести к изменению рельефа планеты. Поэтому у нашей сверхпригодной для жизни суперземли должна быть более толстая атмосфера, которая будет способствовать формированию более равнинного рельефа в условиях мощной гравитации и интенсивной эрозии. При этом океаны могут превратиться в мелководные моря с длинными береговыми линиями и небольшими островками наподобие тех, что встречаются в архипелагах на Земле. Учитывая, что архипелаги на нашей планете отличаются большим биоразнообразием, такой сценарий является оптимальным для развития жизни.

Кроме того, при большей толщине атмосферы у нее может быть другой газовый состав. Все многоклеточные организмы нуждаются в кислороде, и резкое увеличение количества кислорода на сверхпригодной для жизни планете могло бы расширить возможности для развития. Но и здесь нужна осторожность: к примеру, если текущий уровень кислорода, равный 21%, повысится до 35%, нас ждет бесконечная череда масштабных пожаров. Если небольшое увеличение доли кислорода способно помочь жизни, то его избыток превратит все живое в золу.

Итак, чтобы получить сверхпригодный для жизни мир, мы должны слегка подкорректировать размер звезды и массу планеты. А как быть с орбитой? На первый взгляд кажется очевидным, что она должна быть такой же, как у Земли. Благодаря почти круговой траектории движения Земле удается избежать резких климатических колебаний, вызванных перепадами в количестве получаемого от звезды излучения. Но являются ли такие условия оптимальными для жизни? Развитие жизни на Земле всегда проходило в условиях умеренного климата. Поэтому сформировавшиеся в результате эволюции существа исключительно чувствительны даже к незначительным изменениям. Под воздействием гравитационного притяжения Солнца, Луны, Юпитера и Сатурна орбита Земли незначительно смещается. Чтобы это произошло, требуются десятки тысяч лет. Такие колебания называют циклами Миланковича. Их можно сравнить с чрезвычайно длительными временами года. Хотя в рамках цикла Миланковича орбита планеты отклоняется всего на пару процентов, на протяжении последних нескольких миллионов лет этого оказывалось достаточно для наступления ледниковых периодов. Если бы сверхпригодный для жизни мир все время оставался на слегка вытянутой орбите, в процессе своего развития жизнь могла бы адаптироваться к таким колебаниям. Тогда бы и более долгосрочные отклонения, вызванные планетами-компаньонами, не приводили бы к столь губительным последствиям.

Итак, лучший из всех возможных миров — это старая суперземля, обращающаяся вокруг оранжевого карлика по слегка эллиптической орбите. Шансы найти на ней формы жизни, похожие на те, что существуют на поверхности Земли, наиболее велики. Но как быть, если жизнь развивается не на поверхности планеты? Мы не сможем обнаружить признаки таких форм жизни на далекой планете, но это вовсе не означает, что их там нет.

Глава 15. За пределами зоны жизни

Один из самых соблазнительно выглядящих миров во вселенной «Звездных войн» — лесистый Эндор, населенный эвоками — мохнатыми существами, летающими на дельтапланах. Но Эндор — не планета. Этот покрытый густой растительностью объект представляет собой спутник, обращающийся вокруг необитаемой громады газового гиганта[39].

Конечно, вяленое мясо эвоков (популярная закуска на планетах внешнего кольца) вряд ли когда-нибудь появится в меню наших ресторанов, а вот пригодные для жизни спутники — перспектива вполне реальная. Наши собственные газовые гиганты окружены большими скоплениями спутников. Если бы они были пригодны для жизни, количество объектов во Вселенной, подходящих для формирования экосистем, умножилось бы в разы. На первый взгляд, близость к газовому гиганту не является гарантией попадания в элиту планетной иерархии по критерию обитаемости. Однако при более детальном рассмотрении оказывается, что, несмотря на удаленность от зоны умеренных температур, спутники наших планет-гигантов входят в число тех мест, где вероятность обнаружения внеземной жизни выше всего.

Вокруг нашего самого массивного газового гиганта — Юпитера — обращается не менее 67[40] естественных спутников. Расстояние от каждого из них до Солнца в 5 раз превышает расстояние от Солнца до Земли, и ничем иным, кроме как холодными ледяными сферами, эти мини-миры быть не могут. Однако не все так просто, как кажется на первый взгляд. Если судить по земным экосистемам, обязательным условием существования жизни является наличие следующих трех компонентов:

1.      Биогенных элементов, включая углерод, кислород и водород, выступающих в качестве строительных блоков живых систем.

2.      Воды, обеспечивающей жидкую среду для формирования сложных молекул.

3.      Источника энергии для процессов метаболизма.

Поскольку область газовых гигантов находится за снеговой линией Солнечной системы, замерзшей воды в ней более чем достаточно. С другой стороны, в расчете на единицу площади туда доходит лишь около 3% того количества солнечного тепла, которое мы получаем на Земле. Чтобы постоять на поверхности спутника Юпитера Каллисто, вам пришлось бы укутаться потеплее: средняя температура там составляет –139 °C.

Но тут мы сталкиваемся с одной аномалией: в отличие от Каллисто, на котором именно так холодно и спокойно, как и должно быть на таком удалении от Солнца, другой спутник Юпитера, Ио, может предстать настоящим пеклом с самым высоким уровнем вулканической активности в Солнечной системе. Температуры на Ио изменяются в диапазоне от 1500 °C до –130 °C. Разумеется, оба спутника совсем не похожи на место, где могли бы обитать эвоки, но при этом совершенно очевидно, что у бурной активности на Ио есть какой-то другой источник энергии помимо Солнца, а именно гравитационное поле Юпитера.

Излучаемая Юпитером энергия — это отраженный солнечный свет и тепло, выделяющееся в процессе медленного сжатия газового гиганта. Этой энергии определенно недостаточно для поддержания бурной активности на Ио. В действительности генератором энергии для спутника является приливный разогрев. Подобно планете с короткой орбитой, подвергающейся деформации в результате взаимодействия со звездой, обращаясь вокруг Юпитера, спутник сдавливается под действием гравитационного поля планеты. Учитывая, что орбита Ио имеет слегка эллиптическую форму, при приближении и удалении от Юпитера высота выступов на поверхности спутника увеличивается и уменьшается. В ходе этого непрерывного процесса деформации поверхность Ио поднимается более чем на 100 м, что соответствует высоте лондонского Биг-Бена. Это сжимание-разжимание и нагревает спутник. Если бы Ио был единственным спутником, его орбита в конечном итоге приняла бы круглую форму, что привело бы к потере источника тепла. Но этого не происходит благодаря массивным соседям Ио.

В 1610 г. итальянский астроном Галилео Галилей сконструировал телескоп, с помощью которого ему удалось увидеть Юпитер. Благодаря 20-кратному увеличению — крошечному по современным меркам — Галилей смог разглядеть четыре самых больших спутника газового гиганта. Они получили название галилеевых спутников. Сам Галилей присвоил им порядковые номера, что хоть и было вполне научно, но все-таки навевало скуку. Одновременно с Галилеем те же самые спутники открыл немецкий астроном Симон Марий. Он назвал их в честь возлюбленных Зевса, бога из греческой мифологии, которому в римском пантеоне соответствовал Юпитер. В 1614 г. Марий опубликовал результаты своих изысканий, дав четырем спутникам имена Ио, Европа, Ганимед и Каллисто.

Если начинать с самого близкого к Юпитеру спутника, то мы получаем следующую последовательность периодов обращения: Ио — 1,8 суток, Европа — 3,6 суток (в 2 раза больше, чем у Ио), Ганимед — 7,2 суток (в 4 раза больше, чем у Ио), Каллисто — 16,7 суток (то есть достаточно много по сравнению с остальными).

Каллисто — единственный из четырех спутников, орбитальный период которого не кратен орбитальному периоду Ио. Остальные три спутника находятся в орбитальном резонансе 1:2:4. В главе 5 мы уже упоминали, что выйти из орбитального резонанса не так-то просто. Поэтому все три спутника исключительно устойчивы к любым взаимодействиям, которые бы могли повлиять на их эллиптические орбиты. Благодаря этому они непрерывно подвергаются приливному разогреву в результате деформаций, вызванных притяжением Юпитера.

Из-за большой величины приливного разогрева вода в жидкой форме на Ио существовать не может. Однако Европа и Ганимед не подвергаются столь суровым деформациям. Эти спутники находятся на большем расстоянии от Юпитера. Поэтому на них возникает прямо противоположная проблема с водой: на их поверхности слишком холодно, ее покрывает толстый слой твердого льда. С другой стороны, согласно имеющимся данным, эта пара лун не промерзает до ядра.

В отличие от поверхности далекого спутника Юпитера Каллисто, изуродованной кратерами как ни один другой объект в Солнечной системе, поверхность Европы — одна из самых гладких. Очевидно, что за время своего существования оба эти спутника должны были подвергаться бомбардировке метеоритами (в данном случае — врезающимися в них кометами). Из этого следует, что поверхность Европы намного моложе поверхности Каллисто. Скромное число кратеров на Европе указывает на возраст около 65 млн лет, что соответствует всего лишь 2% фактического возраста спутника. Какая-то неведомая сила выровняла поверхность Европы, превратив ее в каток невероятного размера. Судя по имеющимся изображениям поверхности Европы, на ней есть области, которые, судя по всему, находятся в процессе расширения. При этом на фотографиях нет никаких признаков областей, которые бы сжимались. Вряд ли спутник просто раздувается в размерах, как огромный воздушный шар. Придется поискать другое объяснение превращений, претерпеваемых этим покрытым льдом небесным телом.

Как это ни странно, на Земле мы можем наблюдать похожий процесс обновления и расширения. Поверхность нашей планеты периодически расширяется в результате раздвигания океанического дна, в ходе которого с выходом магмы на поверхность океанических хребтов формируется новая кора. При этом общая площадь Земли остается неизменной, так как соответствующее количество материала поверхностной тектонической плиты пододвигается под другую плиту. Из этого сравнения следует, что Европа, возможно, — первый мир, помимо Земли и, предположительно, Меркурия[41], демонстрирующий признаки тектонической активности. Плиты на Европе состоят не из силикатов, а из ледовых щитов. Когда ледяные плиты раздвигаются, поверхность спутника увеличивается за счет появления новой области. Подвижность плит на Земле показывает, что нижние слои мантии на нашей планете отличаются большей пластичностью и поэтому перемещаются. По аналогии с этим сдвиги на поверхности Европы свидетельствуют о том, что спутник, включая его ядро, не может состоять из одного лишь льда. Под замороженной поверхностью Европы таится глубокий океан жидкой воды.

Другим доказательством наличия на Европе скрытого океана являются данные, полученные космическим аппаратом NASA с говорящим названием «Галилео», который находился на орбите вокруг Юпитера с 1995 по 2003 г. В январе 2000 г., пролетая мимо Европы, он зафиксировал колебания магнитного поля.

У Европы нет своего собственного магнитного поля, а вот Юпитер обладает самым мощным полем в Солнечной системе. Его источником служит адски высокое давление во внешней части ядра планеты, благодаря которому его поле в 10 раз сильнее магнитного щита Земли. Испытывая колоссальное давление атмосферы, водород переходит в металлическую фазу и ведет себя точно так же, как расплавленное железное ядро Земли. При перетекании этого необычного металла образуется ток, который создает магнитное поле. Радиус внутренней части магнитного поля Юпитера в 10 раз превышает радиус этой огромной планеты, простираясь до области между Европой и Ганимедом. Из-за влияния солнечного ветра внешняя часть поля имеет каплевидную форму. Она более чем в 100 раз больше радиуса газового гиганта. Как и в случае с Землей и пульсарами, ось магнитного поля Юпитера не совсем точно совпадает с осью вращения, вследствие чего сила его воздействия на спутники изменяется в зависимости от положения планеты.

Следует отметить, что процесс, обратный формированию магнитного поля движущимися заряженными частицами, также возможен: изменения в магнитном поле заставляют заряженные части перемещаться, создавая электрический ток. Индуцированный таким образом ток затем порождает свое собственное магнитное поле. Этот эффект — электромагнитная индукция — был открыт в 1831 г. британским ученым Майклом Фарадеем. Электромагнитная индукция возникает только в том случае, если заряженные частицы могут двигаться. То есть заряды должны находиться в среде, способной проводить электрический ток. Примером вещества, отлично проводящего ток, является металл, но и соленая вода также обладает этим свойством.

При прохождении мимо Европы зонду «Галилео» удалось провести измерение меняющегося магнитного поля спутника. Оказалось, что благодаря явлению электромагнитной индукции оно постоянно пытается компенсировать изменения в окружающем его магнитном поле планеты. При вращении Юпитера сила влияющего на Европу магнитного поля периодически то увеличивается, то уменьшается. В ответ индуцированное магнитное поле спутника меняет направление на обратное, стараясь сначала ослабить усиливающееся влияние поля планеты, а затем — усилить его[42]. Проведенные «Галилео» измерения этих резких смен подтвердили гипотезу о том, что магнитное поле Европы индуцировано Юпитером и ядро спутника тут ни при чем. Таким образом, спутник способен проводить ток. Следовательно, под слоем льда на его поверхности должен находиться океан соленой воды.

Лед и чистая вода — плохие проводники электричества, так как содержат небольшое количество подвижных заряженных частиц. Но стоит растворить в воде соль, и ситуация меняется. Соль разделяется на положительно и отрицательно заряженные атомы, которые чувствительны к магнитным полям. При усилении и ослаблении окружающего Европу магнитного поля Юпитера эти соляные заряды перетекают, создавая противополе.

Простой лужи соленой воды для создания вторичного магнитного поля такой силы явно недостаточно. Значит, на Европе существует скрытый океан, который покрывает всю ее поверхность, что обеспечивает свободное перемещение частиц. Можно предположить, что под слоем льда толщиной 10 км находится океан глубиной 10–100 км.

Также «Галилео» удалось исследовать гравитационное поле Европы — данные о нем могут рассказать о внутреннем строении спутника. В своих «Математических началах натуральной философии» Исаак Ньютон показал, что гравитационная сила от материи, распределяющейся по сфере правильной формы, идентична силе, исходящей из центра сферы, в котором сосредоточена вся масса. Измерив гравитационное притяжение в разных точках вблизи Европы, «Галилео» смог зафиксировать отклонения от закона Ньютона, что позволило воссоздать реальную структуру недр спутника. Согласно результатам этих измерений, у Европы имеется железное ядро, окруженное мантией из горных пород, поверх которой находится глубокий океан с внешним покровом изо льда. Если большая часть воды там сохраняется в жидкой форме, объем океанов Европы должен в два раза превышать объем воды на Земле.

Учитывая такое обилие воды, может ли под покровом Европы скрываться жизнь? Ученые всерьез рассматривают такую возможность: в следующем десятилетии космические агентства Европы и США планируют начать новые проекты для дальнейшего изучения покрытого льдом спутника.

Несмотря на наличие в недрах воды и действие приливного разогрева, для зарождения жизни на Европе понадобился бы начальный набор органической материи. Через трещины в небольшой по толщине ледяной оболочке вместе с осколками от столкновений с метеоритами в недра спутника извне могли бы проникать органические молекулы. Более того, в этом случае в верхних слоях воды мог бы протекать процесс фотосинтеза. Высокоэнергетические частицы, захваченные сильным магнитным полем Юпитера, также бомбардируют Европу, расщепляя молекулы воды на поверхности на водород и кислород. Гравитация спутника слишком мала, чтобы удержать легкий водород, поэтому он улетучивается. В результате на Европе образуется запас кислорода. Он мог бы быть использован в биологических реакциях окисления, которые, подобно фотосинтезу, способны генерировать необходимую для выживания организмов энергию.

Если ледяной покров Европы достаточно толстый, наиболее вероятной средой обитания для живых форм становится океанское дно. Вокруг гидротермальных выходов могут формироваться экосистемы, подобные тем, что процветают в океанах Земли. Возможность их существования определяется наличием на Европе вулканической активности. Этот спутник Юпитера чуть меньше нашей Луны, на которой отсутствует какая-либо геологическая активность, однако полностью исключать возможность существования гидротермальных выходов не стоит: силы приливного разогрева, обеспечиваемого взаимодействием с Юпитером, может быть достаточно для плавления части мантии Европы.

Если в сердце Европы существует жизнь, найти ее будет совсем непросто. Единственный шанс для нас обнаружить ее в этих условиях — определить наличие поднявшихся с океанического дна органических молекул в ледяном покрове спутника. Если в слое льда есть следы скрытой от наших глаз жизни, их изучение позволит нам сделать вывод о ее природе.

Но, даже если на Европе будет найдена жизнь, она не будет иметь ничего общего с жизнью на Земле. В отличие от Марса, близость которого к Земле означает возможность обмена микробиологическим материалом посредством метеоритов на ранних этапах, расстояние до Европы слишком велико, чтобы можно было допустить возможность такого обмена. Поэтому в случае обнаружения жизни на спутнике Юпитера мы сможем узнать много нового о процессе ее зарождения.

Если мы продвинемся немного дальше Европы, перед нами предстанет самый крупный спутник в Солнечной системе — Ганимед. Третий Галилеев спутник немного крупнее Меркурия, но при этом весит вдвое меньше этой планеты, так как практически половину его объема заполняет лед.

В отличие от Европы, Ганимед обладает собственным магнитным полем, не связанным с явлением электромагнитной индукции. Возможно, источником его, как и источником поля Земли, является расплавленное железное ядро. Этим же может объясняться и наличие на Ганимеде полярного сияния: магнитный щит направляет заряженные частицы к полюсам спутника. Как и Европа, Ганимед покрыт слоем льда. В результате расщепления молекул воды на нем образовалась разреженная атмосфера из кислорода. Если бы вы могли наблюдать небо над Ганимедом с поверхности этого спутника, перед вами предстало бы захватывающее зрелище — полярное сияние красного оттенка, вызванное столкновениями атомов кислорода. Оно и проливает свет на внутреннее строение спутника.

Находясь в пределах внешней части магнитного поля Юпитера, Ганимед испытывает на себе влияние как собственного поля, так и меняющего свою силу поля вращающейся гигантской планеты. В ответ на периодическое усиление и ослабление магнитного поля Юпитера полярное сияние на Ганимеде сдвигается то в одну сторону, то в другую. Согласно расчетам, сдвиг должен составлять около 6%, однако результаты наблюдений с помощью телескопа «Хаббл» показывают, что фактически сияние смещается не столь значительно — всего лишь на 2%. Эту разницу можно объяснить наличием дополнительного индуцированного магнитного поля, похожего на поле Европы, которое противостоит влиянию Юпитера. Существование второго магнитного поля на спутнике доказывает, что под поверхностью Ганимеда также скрывается океан. Такое предположение высказывалось еще во время миссии «Галилео», но полученные аппаратом результаты оказались не столь убедительными, как в случае с Европой. Подтвердилась эта догадка лишь после того, как «Хаббл» зафиксировал на спутнике полярное сияние.

Может ли скрытый океан на Ганимеде быть обитаемым? В отличие от Европы, условия на Ганимеде не вселяют оптимизма. Поскольку масса его втрое больше массы покрытого льдом соседа, давление рядом с ядром спутника существенно выше, а значит, вероятность замерзания нижних слоев океана достаточно высока. Если это так, то Ганимед должен быть похож на мир, покрытый глубоким океаном, — такой, как Глизе 1214 b, на которой океанское дно из силикатных пород не соприкасается с водой. Также, находясь дальше от Юпитера, чем Ио или Европа, Ганимед в меньше степени подвергается явлению приливного разогрева. Лед на его поверхности намного старше, чем на Европе, — его возраст составляет несколько миллиардов лет. При этом следов какой-либо недавней геологической активности, например тектоники плит, на спутнике не наблюдается. Это указывает на то, что океан может находиться на глубине 150–300 км под слоем льда на поверхности. Таким образом, в воде на Ганимеде не может быть поверхностных органических соединений. До нее точно не доходит солнечный свет, и к тому же она не контактирует с гидротермальными выходами.

Третий и последний спутник Юпитера, на котором может быть океан, — Каллисто. Самый далекий из всех галилеевых спутников, Каллисто не находится в резонансе с тремя крупными собратьями. Поэтому на него не распространяется действие явления приливного разогрева, и ему приходится обходиться тем постоянно уменьшающимся количеством тепла, которое осталось со времен его формирования. Ледяной покров этого спутника — самый древний в Солнечной системе: его изрытая кратерами поверхность полностью исключает возможность геологической активности. В связи с этим считалось, что Каллисто уж точно должен быть промерзшим насквозь. Внутреннего тепла спутника вряд ли могло хватить на то, чтобы не дать его недрам превратиться в твердый монолит под действием низких температур.

К удивлению исследователей, данные, полученные «Галилео», не подтвердили эту гипотезу. Каллисто, как и Европа с Ганимедом, обладает индуцированным магнитным полем, поддерживаемым взаимодействием с Юпитером. Значит, под поверхностью этого спутника также может скрываться океан соленой воды. Судя по всему, ледяная кора спутника более эффективно сохраняет ограниченный запас тепла в недрах Каллисто, чем считалось ранее. Впрочем, учитывая твердую поверхность и небольшое количество энергии, из трех покрытых льдом спутников вероятность наличия условий для поддержания жизни на Каллисто — наименьшая.

Крошечная яркая луна

В отличие от спутников Юпитера, о существовании скрытых океанов на которых мы можем догадываться лишь по незначительным отклонениям в характеристиках этих объектов, спутник Сатурна Энцелад не стесняется раскрывать свои тайны. Наблюдения показали, что через трещины в ледяной оболочке Энцелада в окружающее пространство ежесекундно выбрасываются струи водяных паров массой до 250 кг. Такие выбросы воды называют криовулканами. В отличие от обычных вулканов, из них вырывается не лава, а лед и вода. Струи над поверхностью южного полюса Энцелада поднимаются на высоту 500 км, превращая крошечный спутник в самое маленькое тело с вулканической активностью в Солнечной системе.

Как и Юпитер, Сатурн не испытывает недостатка в естественных спутниках: вокруг нашего второго по величине газового гиганта обращается по крайней мере 62 таких объекта разного размера — от мини-лун, больше похожих на астероиды, до полноценных спутников размером почти с Ганимед. Знаменитые кольца Сатурна состоят из микроскопической пыли и объектов, достигающих в размерах нескольких сотен метров. Кольца простираются на тысячи километров, образуя диск толщиной всего лишь около 10 м. Размеры крупных спутников Сатурна, которые находятся дальше основных колец, варьируются в диапазоне от 10 до 150% размера нашей Луны.

В древнегреческой мифологии известны две расы божественных существ, детей антропоморфных воплощений земли и неба, — титаны и гиганты. Главным среди титанов был Кронос, позже он вошел в мифологию римлян под именем Сатурна. Он и его супруга (а также, как ни странно, его сестра) Рея (в римской мифологии — Опа) стали родителями Зевса (Юпитера), Посейдона (Нептуна) и Аида (Плутона)[43].

Названия для главных спутников Сатурна были предложены в 1847 г. британским эрудитом Джоном Гершелем: для самых крупных спутников он выбрал имена титанов и гигантов — братьев и сестер Сатурна. Энцелад был открыт отцом Гершеля Уильямом и назван в честь одного из гигантов.

Энцелад — шестой по величине спутник Сатурна, крошечный и очень яркий. При диаметре всего лишь 500 км Энцелад в семь раз меньше Луны и вполне уместился бы на территории Англии или Аризоны.

Обращается Энцелад в самом дальнем разреженном кольце Сатурна, образованном частицами, которые выбрасывают гейзеры самого спутника. Своей блестящей поверхностью он обязан постоянно обновляющемуся льду, который образуется из выбрасываемой из недр Энцелада воды. Благодаря ему отражающая способность спутника — одна из самых высоких в Солнечной системе. Отражая то небольшое количество солнечного излучения, которое добирается до Сатурна, поверхность Энцелада исключительно холодная — даже в полдень средняя температура не поднимается выше –198 °C.

До 2004 года, когда к Сатурну отправился запущенный NASA в сотрудничестве с Европейским космическим агентством зонд «Кассини–Гюйгенс», мы почти ничего не знали об Энцеладе. Учитывая небольшой размер и даже большее расстояние от Солнца, чем у спутников Юпитера, он считался безжизненным царством льда. С открытием гейзеров стало ясно, что на Энцеладе есть вода, а также геологическая активность, без которой столбы воды вряд ли бы смогли взлетать над поверхностью спутника. Полученные миссией данные заставили астрономов полностью пересмотреть свое отношение к Энцеладу.

Первоначально предполагалось, что область распространения воды под поверхностью Энцелада ограничивается территорией с действующими гейзерами вокруг южного полюса спутника. Напоминая покрытую полосками шкуру тигра, лед там изрезан трещинами, из которых вырывается вода. В ходе дальнейших наблюдений были выявлены незначительные колебания Энцелада при его движении по орбите. Самое простое объяснение их наличия — движение воды в океане, простирающемся под всей поверхностью спутника на глубине около 26–31 км. Эти колебания можно сравнить с колебаниями раскрученного сырого куриного яйца[44]. Глубина океана Энцелада в 10 раз превышает среднюю глубину океанов на Земле.

Благодаря легкому доступу к воде, выбрасываемой из недр Энцелада, аппарату «Кассини» удалось взять ее образец при пролете через струи. Анализ пробы показал, что она содержит смесь воды, углекислого газа, метана, соли и кристаллов аммиака. В сочетании с теплом из того источника, который питает гейзеры спутника, эта комбинация органических соединений вполне может служить средой для жизни.

Вдали от Солнца крошечный спутник Сатурна нагревается от тех же приливных деформаций, которые снабжают теплом трио спутников Юпитера. Энцелад находится в резонансе со своим соседом — спутником Диона (названным так в честь титана из греческих мифов). За то время, которое требуется Дионе на один оборот вокруг Сатурна, Энцелад облетает планету дважды. Как и в случае с внутренними галилеевыми спутниками, под воздействием притяжения Дионы орбита Энцелада принимает слегка эллиптическую форму, что приводит к периодическому ослаблению и усилению влияния Сатурна на движущийся по орбите спутник. Однако одним лишь этим явлением объяснить происхождение получаемой спутником энергии не получится. Согласно расчетам, нагрева, вызванного влиянием Сатурна, было бы недостаточно для обеспечения столь высокой активности гейзеров. Возможно, недостающая энергия берется из внутреннего тепла, накопленного в период формирования спутника или оставшегося с тех времен, когда его орбита была более вытянутой.

Легкий доступ к воде на Энцеладе делает его привлекательным объектом для изучения, способным помочь приоткрыть завесу над судьбой жизни на этих покрытых льдом спутниках. Например, чтобы изучить состав океана на Европе, космическому аппарату пришлось бы закрепиться на поверхности спутника и просверлить отверстие в слое льда толщиной в несколько километров. На Энцеладе все намного проще. Правда, расстояние до Сатурна и объектов вокруг него намного больше. Так что путешествие к нему от Земли — это весьма непростое предприятие. Для сравнения: миссии «Кассини–Гюйгенса» потребовалось семь лет, чтобы добраться до Сатурна, тогда как путешествие аппарата «Юнона» к Юпитеру продолжалось пять лет, завершившись в 2016 году. Поэтому в центре внимания большинства планируемых сейчас миссий именно Европа, хотя Энцелад остается весьма заманчивым объектом для будущих поисков внеземной жизни.

Луна с жидкими озерами

Однако у Сатурна есть спутники и покрупнее. Один из них — Титан — такого размера, что его бы с лихвой хватило на несколько спутников. На него приходится 96% массы всех 62 спутников, обнаруженных у окольцованного газового гиганта. Второй по величине спутник Сатурна — Рея. При массе в пятьдесят раз меньше, чем у Титана, Рея втрое меньше его размером. Таким образом, Титан — второй по величине спутник в Солнечной системе, он уступает лишь Ганимеду, который больше его на каких-то 2%.

Как и покрытые льдом спутники с водой, Титан движется по слегка эллиптической орбите, обеспечивающий приливный разогрев в результате взаимодействия с Сатурном. Если причины появления эксцентриситета орбит остальных спутников ясны, ситуация с Титаном выглядит не столь однозначно. У него нет соседей достаточно крупного размера, которые бы могли повлиять на его траекторию движения, поэтому в результате притяжения Сатурна он должен был бы занять круговую орбиту. Возможно, Титан относительно недавно пережил столкновение с другим объектом, и у него не было достаточно времени, чтобы вернуться на круговую траекторию движения вокруг газового гиганта.

В любом случае, наличие эксцентриситета приводит к деформации Титана под влиянием притяжения Сатурна при движении спутника по его 16-суточной орбите. Результаты проведенных аппаратом «Кассини» измерений изменения формы спутника показали, что его масштабы намного превышают те, которые бы можно было ожидать от твердого тела из горных пород. Вместо ожидаемого 1 м с небольшим поверхность Титана поднимается на 10 м. Для сравнения: под влиянием Луны и Солнца кора Земли поднимается приблизительно на 50 см, а уровень океанов на поверхности нашей планеты поднимается приблизительно на 60 см. Податливость Титана свидетельствует о наличии под его поверхностью океана. Учитывая размер спутника, можно предположить, что из-за большого давления его ядро заключено в оболочку изо льда. Поэтому, как и в случае с Ганимедом и покрытыми водой экзопланетами, вероятность развития глубоководных форм жизни там весьма невелика. Впрочем, поверхность Титана очень сильно отличается от поверхности других спутников, закованных в ледяную оболочку.

Если на них верхний слой льда покрывает тонкая газовая оболочка, то на Титане имеется толстая атмосфера, а давление на его поверхности на 50% превышает давление на поверхности Земли. Благодаря этому спутник входит в число четырех миров в нашей Солнечной системе, обладающих твердой поверхностью и внушительной атмосферой. Самая плотная атмосфера — на Венере, в то время как атмосферы Земли и Марса более разреженные, чем на Титане. Но, как и на соседних с нами планетах, воздух на Титане совсем не подходит для дыхания.

Факт наличия на Титане толстой атмосферы был установлен уже в 1908 г. Обнаружил этот спутник 25 марта 1655 г. нидерландский астроном и физик Христиан Гюйгенс. Он и его брат Константин Гюйгенс-младший сами делали инструменты для научных исследований. В один из своих телескопов им и довелось наблюдать спутник Сатурна. Приблизительно через 250 лет каталонский астроном Хосе Комас Сола зафиксировал изменение яркости центра поверхности спутника относительно его видимых краев. Он интерпретировал этот перепад как признак наличия атмосферы.

В 1940-е гг. Койпер (исследователь, в честь которого назван пояс Койпера) изучил длины волн света, поглощаемые атмосферой Титана. Он пришел к выводу, что в ней содержится метан, но точно установить, является ли этот газ доминирующим, ему так и не удалось. Ответ на этот вопрос был получен из данных, собранных двумя аппаратами «Вояджер» при пролете мимо спутника в 1980 и 1981 гг. Они подтвердили наличие на Титане толстой атмосферы. Выяснилось, что она приблизительно на 95% состоит из азота и на 5% — из метана. В результате взаимодействия с ограниченным количеством ультрафиолетового солнечного света, достигающего далекого спутника, метан участвует в формировании более сложных молекул из атомов водорода и углерода, таких, например, как молекулы этана[45]. Эти более тяжелые углеводороды оседают в виде твердых или жидких частиц, образуя дымку оранжевого цвета, которая не позволяет увидеть поверхность спутника. Из-за красновато-коричневого цвета эти оседающие углеводороды называют толинами — от греческого слова, обозначающего сепию.

Как и на Венере и Земле, в атмосфере Титана действует парниковый эффект, благодаря которому температура поверхности увеличивается приблизительно на 10 °C. Этого недостаточно, чтобы оградить спутник от низких температур, так как из-за колоссального расстояния от Солнца он получает лишь 1% того количества солнечного света, которое достигает Земли. Поэтому на поверхности Титана умопомрачительно холодно: –180 °C. Такая температура исключает возможность наличия воды в жидкой фазе. Ее место в озерах на поверхности Титана занимают жидкий метан и этан.

При температуре 0,01 °C, которую можно считать достаточно высокой по сравнению с температурой на поверхности Титана, вода может существовать в твердой, жидкой и газовой форме. Эту необычную температуру называют тройной точкой воды.

Как раз близость температур на Земле к этой тройной точке и обеспечивает большие количества льда, воды и пара на поверхности нашей планеты. Если объединить эти фазы вместе, мы получим полный цикл круговорота воды — от облаков и дождя до льда и снега. Температуры на Титане далеки от тройной точки воды, однако они близки к аналогичной точке метана. Этот газ может существовать во всех трех фазах при –182 °C, проходя через все этапы метанового цикла — от облаков через дождь к озерам.

У нас до сих пор нет четкого ответа на вопрос о том, как Титану удалось обзавестись толстой атмосферой. На сопоставимых с ним по размеру Ганимеде и Каллисто ничего подобного не появилось. Один из возможных ответов: из-за более сильной гравитации Юпитера столкновения его спутников с кометами проходили на высоких скоростях. В ходе этих мощных столкновений крупные спутники могли утратить свои газовые оболочки. Согласно другой гипотезе, благодаря более низкой температуре в окрестностях Сатурна, находящегося так далеко от Солнца, в период формирования спутника в составе льдов сохранялся больший объем газов. Позже в результате испарения эти газы попали в его атмосферу.

Может ли существовать жизнь на берегах метановых озер и рек? Ответ зависит от того, может ли метан заменить воду в качестве среды для биологических реакций. Такие рассуждения носят исключительно умозрительный характер. К тому же не стоит забывать о низких температурах, которые затрудняют растворение органических веществ.

Данные, полученные миссией «Кассини–Гюйгенс», подтверждают отсутствие на Титане каких-либо следов жизни. Хотя газы, образующие нечто похожее на смог в атмосфере Титана, и рассеивают свет, делая поверхность спутника недоступной для прямого наблюдения, благодаря большей длине волны через них способно проникать инфракрасное излучение. С его помощью приборам на аппарате «Кассини» удалось составить карту поверхности спутника. Еще одним источником данных стал зонд «Гюйгенс», который смог приземлиться непосредственно на поверхность Титана. Отделившись от «Кассини» в Рождество в 2004 г., он через три недели совершил спуск в плотной атмосфере Титана. В отличие от зондов на Марсе, где из-за небольшой толщины атмосферы попадающий в нее космический аппарат не успевает замедлиться до скорости, обеспечивающей безопасную посадку, зонду «Гюйгенс» удалось приземлиться, используя парашюты. Он коснулся поверхности в облаке углеводородной пыли 14 января 2005 г., став первым зондом, приземлившимся на объекте во внешней части Солнечной системы.

Батареи зонда «Гюйгенс» были рассчитаны на три часа автономной работы. Фактически их энергии хватило для управления аппаратом на последних этапах спуска и работы на поверхности в течение 72 минут. Зонд отправил около 80 изображений поверхности, и ни на одном из них не было признаков движения или растительной жизни. Допуская, что при наличии на Титане жизни она бы распространилась по всей его поверхности, как это произошло на Земле, можно сделать вывод об отсутствии на спутнике макроскопических форм жизни.

Несмотря на возможность существования жизни на спутниках во внешней части нашей Солнечной системы, их экосистемы скрыты от нас толстым слоем льда или непрозрачными газовыми оболочками. При наблюдении с Земли аналогичные спутники вокруг внесолнечных планет будут казаться безжизненными кусками скал. Но как насчет планет-гигантов, мигрировавших ближе к своим звездам? Отыщутся ли среди огромного множества газовых планет, находящихся в зоне умеренных температур, такие, вокруг которых мог бы обращаться землеподобный спутник?

Глава 16. Фабрика лун

«Ситуация с лунами сейчас такая же, как с планетами в 1990-е гг., — объясняет немецкий астрофизик Рене Геллер, беря за точку отсчета эпоху накануне открытия первых экзопланет. — Мы стоим на пороге».

Геллер одержим естественными спутниками. В сферу его научных интересов входят вопросы образования и обнаружения лун вокруг внесолнечных планет. Как раз на этих экзолунах Геллер надеется найти жизнь.

С учетом огромных расстояний, исключающих возможность отправки космических зондов, обнаружить жизнь на экзоспутниках можно только по следам в атмосфере. Поэтому искать жизнь в экосистемах, скрытых под ледовой оболочкой, не имеет смысла — она должна быть на поверхности спутника. Если оставить в стороне тела вроде Титана, наиболее вероятное место, где может встретиться населенный бактериями или эвоками ландшафт, — это зона умеренных температур. Этому критерию не соответствуют покрытые льдом спутники планет Солнечной системы, но что, если бы Юпитер мигрировал во внутреннюю область на место Земли? Привело бы это к таянию ледяных панцирей Европы, Ганимеда и Каллисто? Появилось бы в результате в Солнечной системе три новых объекта с потенциально пригодными для жизни условиями на поверхности?

Для живых форм условия на таких землеподобных спутниках могут оказаться даже лучше, чем на планетах. Серьезная проблема планет, орбиты которых проходят вблизи не столь горячих красных карликовых звезд, — приливный захват. Когда планета все время повернута к звезде одной и той же стороной, на двух ее сторонах формируются два принципиально разных температурных режима — испепеляющая жара на одной и ледяная тьма на другой. В случае спутника приливный захват возможен скорее с планетой, чем со звездой. Поэтому даже при нахождении в зоне умеренных температур системы с красным карликом на спутнике может сохраниться обычный цикл смены дня и ночи.

К настоящему моменту в зонах умеренных температур астрономы открыли в пять раз больше газовых гигантов, чем землеподобных миров. Если аналоги Юпитера окружены таким же количеством лун, как наши планеты-гиганты, то экзолуны являются основными объектами с твердой поверхностью в этой зоне. Казалось бы, наши шансы на успех в поисках пригодных для жизни миров повышаются, но существует ли похожий на Землю спутник вроде Эндора, космического дома эвоков?

Чтобы на Эндоре могли существовать густые леса и мохнатые мишки, этот спутник должен иметь атмосферу. Глядя на толщину газовой оболочки Титана, можно подумать, что любой спутник может запросто удержать необходимый объем воздуха. Однако у Титана есть одно существенное преимущество перед спутником, находящимся в пределах зоны умеренных температур: температура пространства вокруг него очень низкая.

Молекулы газа покидают верхние слои атмосферы, если они могут разогнаться настолько, чтобы преодолеть силу притяжения планеты (или спутника). Поскольку плотность газа уменьшается по мере приближения к верхней границе атмосферы, при достижении достаточной скорости его молекулы вряд ли встретят какие-либо препятствия на своем пути в окружающее планету пространство. Чтобы атмосфера планеты сохранялась в течение длительного времени, газ из нее должен утекать очень медленно. Для этого либо планета должна быть очень массивной, чтобы создавать мощную силу притяжения, либо молекулы атмосферы должны двигаться с очень низкой скоростью. Спутники во внешней части нашей Солнечной системы не очень большие, но верхние слои их атмосфер очень холодные. Благодаря этому молекулам газа трудно набрать достаточную скорость, чтобы покинуть спутник.

Но стоит переместить такой спутник поближе к Солнцу, и в результате нагрева атмосферы газ из него начнет улетучиваться. Температура в верхней части атмосферы Земли в сто раз выше, чем на Титане. Если поместить на место нашей планеты Титан, его гравитации не хватит для удержания атмосферы.

Если бы на экзоспутнике была такая же атмосфера, как на Земле, потерю кислорода мог бы компенсировать фотосинтез, а потерю углекислого газа — эрозия силикатов. Впрочем, улетучивание азота из атмосферы мира, потенциально пригодного для жизни, будет иметь самые печальные последствия: азот — элемент, который плохо вступает в химические реакции, благодаря этому молекулы азота выступают в качестве буфера, снижающего риск возникновения лесных пожаров. Кроме того, азот является ключевым компонентов белков и ДНК, используемых всеми формами жизни на Земле. При отсутствии азота лес на Эндоре обречен на гибель. Поэтому условием пригодности спутника для жизни должна быть его достаточно большая масса и гравитация, обеспечивающая удержание более теплой атмосферы на протяжении миллиардов лет.

Чтобы каменистый мир мог удерживать азот и кислород при тех же температурах верхних слоев атмосферы, что и на Земле, в течение свыше 4,6 млрд лет (возраст нашей Солнечной системы), его масса должна быть чуть больше массы Марса. Таким образом, мы сталкиваемся с очередной проблемой: масса самого крупного спутника в окрестностях нашего самого большого газового гиганта составляет лишь 23% массы Марса. Даже если бы Ганимед находился в зоне умеренных температур, у него бы не было атмосферы. А могут ли вообще быть спутники больше Ганимеда? Ответ зависит от способа их образования.

Спутники в Солнечной системы формировались разными путями, которые можно объединить в три независимые группы. Наша собственная Луна относится к не совсем обычной подгруппе естественных спутников: у нее нетипично большая масса в сравнении с массой планеты — она весит как 1,2% (или 1/81 часть) Земли. Этот показатель выше только у Плутона и его гигантского спутника Харона, масса которого составляет 12% (1/8 часть) массы Плутона. Напротив, массы спутников Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна не превышают 0,025% (1/4 000 часть) массы их планет. Откуда у небольших миров вроде Земли и Плутона такие большие спутники?

Ответ заключается в том, что и наша Луна, и Харон являются результатами мощного столкновения. Полагают, что Луна появилась на свет в тот момент, когда в молодую Землю врезался объект размером с Марс, в результате чего на орбите нашей планеты оказалось много осколков потерянных нарушителем ее спокойствия и выбитых с ее собственной поверхности. Слившись, они образовали Луну. Своим строением Луна похожа на мантию Земли, но при этом лишена более легких элементов, которые улетучились в окружающее пространство при ударе.

Еще одна аномалия среди лун Солнечной системы — спутник Нептуна Тритон. При диаметре 2700 км и массе, превышающей массу Плутона на 40%, Тритон является самым крупным из 14 известных нам спутников Нептуна и седьмым по величине в Солнечной системе. В отличие от прочих спутников большого размера, Тритон обращается вокруг Нептуна в направлении, противоположном направлению вращения планеты. Эта необычная ретроградная орбита может быть свидетельством того, что Тритон и Нептун сформировались независимо друг от друга, а затем в какой-то момент Тритон оказался вблизи планеты и был захвачен ее гравитацией. По своему строению Тритон очень похож на Плутон. Поэтому вполне возможно, что он сформировался в поясе Койпера в качестве карликовой планеты, а затем оказался во власти Нептуна в процессе миграции планеты-гиганта.

Захват такого большого спутника, как Тритон, — событие далеко не рядовое. Закрепиться на орбите Нептуна будущая луна могла лишь в том случае, если она двигалась со скоростью, обеспечивающей ее удержание гравитационным полем планеты. Однако по обычной орбите вокруг Солнца карликовая планета двигалась бы слишком быстро, чтобы ее мог захватить Нептун. Кроме того, большая масса Тритона делает невозможным столкновение с каким-то из спутников Нептуна, обеспечившего достаточную силу торможения без катастрофических последствий для его участников.

Согласно популярной гипотезе, Тритон в качестве карликовой планеты когда-то был частью двойной системы, аналогичной системе Плутона и Харона. При вращении вокруг общего центра масс в процессе движения по орбите вокруг Солнца скорость каждого компонента системы относительно Нептуна должна была меняться, становясь то больше, то меньше общей скорости системы.

При сближении Нептуна с двойной системой входящие в нее карликовые планеты должны были разойтись под воздействием его мощной гравитации[46]. Карликовая планета, которая двигалась чуть медленнее, чем двойная система, была захвачена планетой-гигантом, а ее компаньон был выброшен в окружающее пространство.

Захваченная карликовая планета впоследствии и стала Тритоном. В результате рассеивания менее крупных спутников Нептуна и столкновений с ними этот новый гигантский спутник занял доминирующее положение, в результате чего на его долю приходится 99,5% массы всего вещества на орбитах вокруг Нептуна.

Большинство спутников в Солнечной системе сформировались не в результате страшного столкновения или захвата — они образовались в газово-пылевом диске, окружавшем молодые газовые гиганты. Такие околопланетные диски похожи на уменьшенную версию протопланетного диска, окружавшего молодое Солнце. Подобно протопланетному диску, околопланетный диск состоит из газа, круговое движение которого уравновешивает гравитационное притяжение планеты-гиганта.

Однако кое-чем эти два типа дисков все-таки различаются. В частности, на пыль в околопланетном диске действует гравитационное поле как планеты, так и звезды. В результате взаимодействия двух сил образуется особая область околопланетного диска, в которой могут формироваться спутники. Если расстояние до планеты будет слишком мало, спутник разорвут приливные силы, создаваемые гравитацией планеты. А при слишком большом расстоянии он окажется во власти притяжения звезды, перейдя на нестабильную орбиту. В качестве четкой внешней границы выступает сфера Хилла планеты, за пределами которой гравитация звезды сильнее гравитации планеты. На практике формирование спутника должно проходит в пределах ближайшей к планете трети сферы Хилла — только в этом случае он останется прочно привязан к своей родительской планете. Внутренняя граница области формирования спутников проходит там, где влияние гравитации планеты оказывается столь сильным, что спутник распадается на части. Это тот самый рубеж, о котором мы говорили в разделе о хтонических горячих юпитерах, атмосферы которых переливаются при приближении к звезде.

Поскольку это основной способ образования спутников, то вероятность появления пригодного для жизни определяется способностью околопланетного диска обеспечить формирование спутника большого размера. Если допустить, что размер околопланетного диска зависит от размера планеты, то юпитероподобные миры, обращающиеся вокруг других звезд, являются многообещающим местом для поиска. Осталось ответить на вопрос о возможности формирования гигантских спутников размером с Марс, способных удержать атмосферу.

Как и в протопланетном диске, ключевым фактором формирования спутника сверхбольшого размера служит наличие твердого льда. Если есть условия для замерзания воды, количества вещества может хватить для появления спутника размером с Марс. Но потребность во льде приводит нас к одной проблеме: при формировании в зоне умеренных температур спутник находится во внутренней части Солнечной системы, не пересекая снеговую линию. Температура во внутренней части слишком высока, чтобы вода могла замерзать, превращаясь в околопланетную пыль. Поэтому сверхбольшой спутник должен формироваться за пределами снеговой линии и затем мигрировать во внутреннюю область или закончить свой путь так, как Тритон, — оказавшись в захвате. Поскольку для захвата требуются особые условия, среди потенциально пригодных для жизни спутников вполне могут быть покрытые водой миры, лед на которых растаял при перемещении в зону умеренных температур. Как мы видели в главе 14, у нас нет оснований полностью исключать возможность появления жизни в таких мирах, но при этом существовать ей придется в условиях, которые очень сильно отличаются от земных.

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.

Учитывая, что наши газовые гиганты находятся в холодных дальних областях Солнечной системы, о процессе формирования спутника с пригодной для жизни поверхностью мы можем рассуждать только умозрительно. Чтобы подтвердить эти теории, мы должны найти экзоспутник.

В поисках Эндора

К настоящему моменту нам не удалось обнаружить ни одного спутника на орбите вокруг планеты за пределами нашей Солнечной системы. Однако, если Рене Геллер не ошибся в своем прогнозе, мы, возможно, стоим на пороге лавины открытий. Как лучше всего искать экзоспутники?

Найти маленькую планету рядом с куда более массивной и яркой звездой — уже колоссальная проблема. Неудивительно, что поиски спутника сопряжены с огромными трудностями. Существует ряд подходов, с помощью которых астрономы пытаются распознать следы существования сопровождающих планету тел. С одним из них мы уже знакомы.

В главе 6 мы упоминали планеты, проходящие по диску звезды Кеплер-138, — измерения их удивительно малых масс были проведены как раз в процессе поиска экзоспутников. Ученые хотели установить едва заметные изменения времени между появлениями при прохождении, вызванные притяжением движущегося по орбите вокруг планеты спутника. Правда, в том конкретном случае небольшие колебания орбиты планеты Кеплер-138 d, как оказалось, были вызваны притяжением ее соседки — Кеплер-138 c. Хотя среди обнаруженных объектов не было экзоспутников, полученный результат подтвердил эффективность метода, выявляющего их влияние.

Еще одна возможность распознать спутник — зафиксировать дополнительное ослабление света звезды при прохождении планеты по ее диску. Если спутник и планета находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, спутник сам по себе может вызвать дополнительное падение яркости, заслоняя свет звезды. Согласно другой гипотезе, спутник и планета могут совместно вызывать единичное падение яркости, но при этом общее количество загороженного ими света уменьшается при перемещении спутника с одного края планеты на другой — спереди или сзади.

Проект, цель которого — поиск этих крошечных колебаний яркости и пересечений при прохождении, называется HEK (Hunt for Exomoons with Kepler — «Поиск экзолун с помощью телескопа «Кеплер»). Возглавляет этот проект Дэвид Киппинг, изучавший планеты в системе Кеплер-138. В рамках HEK исследуются планеты, обнаруженные телескопом «Кеплер» с помощью транзитного метода, с целью выявления признаков скрытых спутников. Учитывая уровень чувствительности этого телескопа, не стоит надеяться на обнаружение спутника с массой как у Марса, а вот спутник приблизительно вдвое массивнее Марса найти вполне можно. Такому большому спутнику трудно сформироваться в околопланетном диске; скорее всего, это будет захваченный спутник вроде Тритона. Пока участникам HEK не удалось найти ни одного экзоспутника, но в ходе тщательного изучения данных «Кеплера» обнаружился ряд скрытых планет, что само по себе может служить неплохим утешением.

Как это ни странно, еще одним возможным способом выявления экзоспутников может стать прямое наблюдение. Мы знаем, насколько трудно различить тусклый силуэт планеты на фоне пышущей адским пламенем звезды. Кажется, что поиски спутника в этом случае заведомо обречены на провал. Однако это далеко не всегда так. Благодаря дополнительному нагреву со стороны планеты спутники могут оставаться горячими и светиться в течение длительного времени, даже когда они находятся вдали от звезды. Чувствительные телескопы последнего поколения вполне могут зафиксировать эти аномальные тепловые детали в инфракрасном спектре.

Комбинации спутников и каменистых миров, которые мы начинаем обнаруживать, открывают широкие возможности для поиска жизни. Но как мы узнаем, что где-то там живут наши внеземные соседи?

Глава 17. Поиски жизни

«Как вы думаете, сколько времени нам понадобиться, чтобы найти жизнь на другой планете?»

С этим вопросом ко мне обратился Мишель Майор, исследователь, открывший экзопланету 51 Пегаса b и положивший начало науке, которой посвящена эта часть книги. Незадолго до того, в 2015 г., он получил престижную премию Киото за достижения в области фундаментальных наук. На торжествах по случаю вручения награды обсуждались различные аспекты изучения экзопланет, а во время перерыва на кофе Майор любезно выслушал мой скомканный рассказ о том, чем я занимаюсь. Заданный им вопрос показывает, что тема поиска внеземной жизни по-прежнему ставит в тупик даже первопроходцев изучения внесолнечных планет.

Когда мы начали находить небольшие планеты, движущиеся вокруг своих звезд по орбитам, которые потенциально могут обеспечивать умеренную температуру на их поверхности, мы стали все чаще сравнивать их с Землей, пытаясь обнаружить сходство. Может ли какая-то из этих планет не просто быть пригодной для жизни, но и на самом деле быть населена живыми существами? Первый шаг на пути к ответу — задуматься, какие формы жизни мы можем обнаружить с наибольшей вероятностью. Учитывая значительное разнообразие условий, в которых могут выживать микроорганизмы, предполагается, что микробы вне Земли должны встречаться намного чаще, чем разумная жизнь. Но как найти то, что не способно самостоятельно заявить о своем существовании?

«Обоснованное предположение»

Допустим, мы нашли твердотельную планету размером с Землю, которая обращается вокруг звезды в зоне умеренных температур. Планета находится так далеко, что никакой космический аппарат не доберется до нее в течение нашей жизни, но при этом у нас есть возможность изучать ее атмосферу при прохождении по диску звезды. Как определить, что на этой планете развилась жизнь?

Идеальное решение — наблюдать за планетой, о наличии жизни на которой нам достоверно известно, и выявить ее признаки. По счастливой случайности такая возможность представилась аппарату «Галилео» на его пути к Юпитеру. Согласно первоначальному плану NASA, зонд должны были запустить из грузового отсека космического челнока «Атлантис». С помощью мощного разгонного блока «Галилео» мог быть выведен на прямую траекторию к внешней части Солнечной системы. Однако из-за трагической гибели «Челленджера» в 1986 г. были введены новые строгие правила безопасности, запрещавшие доставку полностью заправленного топливом блока внутри космического челнока к месту пуска. В итоге запущенный с «Атлантиса» в 1989 г. «Галилео» получил значительно меньшее ускорение, чем ожидалось.

Чтобы аппарат все-таки смог добраться до Юпитера, его направили по траектории, проходившей вблизи Венеры и Земли. Пролетая на небольшом расстоянии, аппарат получил дополнительное ускорение от гравитации планет, выступивших в роли ракеты-носителя. Такие разгоны называют гравитационными маневрами и часто используют для сокращения количества топлива, требуемого для того, чтобы добраться до какой-либо области в межпланетном пространстве.

Для «Галилео» сближение с Землей не прошло зря. Повернув камеры в нашу сторону, космический аппарат в течение некоторого времени наблюдал за Землей из космоса. Если бы мы не смогли сделать вывод о наличии на Земле бьющей ключом жизни с расстояния всего лишь 1000 км, надеяться на раскрытие тайн далеких миров, находящихся в десятках световых лет от нас, вряд ли бы стоило. Но что именно мы искали и увидели?

Жизнь — не пассивный довесок к нашей планете. Такие процессы, как фотосинтез, дыхание и разложение, оставляют свой след в составе атмосферы. «Галилео» должен был найти нечто такое, что все формы жизни — от разумных существ до микроорганизмов — вырабатывают в количествах, которые позволят обнаружить это либо в атмосфере, либо фиксируя изменения в глобальных характеристиках планеты. Иными словами, целью «Галилео» были биомаркеры.

Анализируя диапазон длин волн, поглощаемых нашей атмосферой при прохождении через нее солнечного света, приборы на «Галилео» смогли определить состав молекул в земной атмосфере, обнаружив четкие признаки наличия в ней двух побочных продуктов жизни — кислорода и метана. Также были найдены следы воды: анализ света, отражаемого поверхностью нашей планеты, показал возможность обнаружения воды в твердой, жидкой и газообразной формах, указывающих на круговорот этого вещества на планете. Кроме того, «Галилео» зафиксировал упорядоченные радиосигналы, свидетельствующие о наличии разумной жизни. А если бы ему не удалось уловить радиосигналы, хватило бы полученных данных для вывода о существовании на планете определенных форм жизни? В 1993 г. коллектив исследователей под руководством американского астронома и популяризатора науки Карла Сагана подготовил статью для журнала Nature, в которой обобщались результаты эксперимента. Саган и его коллеги были весьма осторожны в оценках, заявив, что выявленные Галилео признаки «позволяют высказать обоснованное предположение о наличие жизни на Земле».

Если рассматривать Землю в качестве эталона, может создаться впечатление, что кислород служит идеальным биомаркером. С момента появления 2,5 млрд лет назад цианобактерий наша атмосфера наполнялась кислородом, выделяемым фотосинтезирующими растениями, водорослями и бактериями. Это привело к развитию более сложных — многоклеточных — организмов, которые нуждаются в значительном количестве молекул кислорода. В отсутствие жизни легко вступающий в реакции кислород оказался бы поглощен в процессе окисления богатых железом вод, а также образования углекислого газа и воды из вулканических газов. Доля кислорода в нашей атмосфере, составляющая 21%, поддерживается благодаря тому, что его запасы постоянно пополняются из биологических источников.

Учитывая, что главное внимание при поиске поверхностных форм жизни мы уделяем мирам в зонах умеренных температур, основным источником энергии на них должен быть свет звезды. Кажется логичным допустить, что жизнь на такой планете должна воспользоваться этим источником, а значит, на ней должны развиться способные к фотосинтезу организмы. Несмотря на существование форм фотосинтеза, которые не приводят к образованию кислорода, именно этот газ, по крайней мере на Земле, является главным побочным продуктом этого процесса. Таким образом, можно предположить, что атмосферы обитаемых миров должны быть богаты кислородом.

Загвоздка в том, что жизнь — не единственный источник кислорода. Молекулы воды в атмосфере могут расщепляться на водород и кислород под воздействием ультрафиолетового излучения звезды. При этом легкий водород может покидать планету, как это происходит в скудных атмосферах покрытых льдом спутников Юпитера, обеспечивая высокое содержание кислорода. Интенсивнее всего этот процесс может протекать на планетах, обращающихся вокруг красных карликов, то есть в мирах, которые легче всего изучать в силу близости зоны умеренных температур к тусклой звезде. При отсутствии на планете геологической активности, обеспечивающей выброс газов, которые бы могли вступать в реакцию с кислородом и выводить его из атмосферы, на ней может сформироваться ложный кислородный биомаркер.

Но, если кислород не может служить надежным признаком жизни, почему бы не обратить внимание на метан? Почти весь метан на Земле является продуктом жизнедеятельности микробов, живущих в кишечнике животных, трясинах и болотах, а также участвующих в разложении остатков растений. Чтобы метан сохранялся в нашей атмосфере, запас его, как и запас кислорода, должен постоянно пополняться. В отсутствие постоянного источника запас метана истощится в результате реакции с кислородом, приводящей к образованию воды и углекислого газа, и расщепления под действием звездного ультрафиолета с последующим преобразованием в более сложный этан. Если то количество метана, которое содержится сейчас в атмосфере Земли, не будет пополняться, уже через 10 лет от него ничего не останется. Таким образом, наличие в атмосфере планеты метана должно свидетельствовать о регулярном пополнении его запасов из какого-то источника.

Но есть одна хорошо известная проблема, которая не дает использовать метан в качестве биомаркера, а именно Титан. Несмотря на постоянную потерю метана под воздействием солнечного света, его запасы в атмосфере этого спутника постоянно восполняются за счет высвобождения метана из подповерхностного слоя льда в результате деятельности криовулканов. Благодаря этому метан на Титане не заканчивается вот уже несколько миллиардов лет. На Земле также присутствует несколько источников метана небиологического происхождения, включая вулканы и глубоководные «черные курильщики» — высокотемпературные геотермальные источники. Поэтому в условиях высокой геологической активности в атмосфере мертвого мира может присутствовать метан.

Теоретически мы можем отличить биологические источники метана от абиотических. Молекула метана состоит из атома углерода и четырех атомов водорода. Жизнь на Земле имеет дело главным образом с углеродом-12 — наиболее распространенной формой углерода с шестью нейтронами в ядре. Альтернативой ему является углерод-13, атом которого тяжелее благодаря наличию дополнительного нейтрона и потому требует больше энергии для участия в реакциях. Неорганический материал на Земле содержит в 89,9 раз больше углерода-12, чем углерода-13, тогда как у живой материи этот показатель выше — 95. Разница не так велика, но ее можно обнаружить. Зонд «Гюйгенс» на Титане провел измерение соотношения двух типов углерода в метане, содержащемся в атмосфере спутника, получив значение 82,3, которое намного ближе к величине, характерной для неорганического вещества на Земле. Если бы мы научились различать атомы углерода в метане в атмосфере экзопланет, у нас бы появился маркер, указывающий на возможное присутствие жизни.

В качестве более надежного биомаркера может выступать комбинация молекул. Когда в атмосфере присутствуют и кислород, и метан, они объединяются, образуя углекислый газ. Если наблюдается высокое содержание и того и другого, это означает, что существует источник, обеспечивающий постоянное наполнение атмосферы этими двумя молекулами, не давая ей достигнуть равновесия. Такие комбинированные биомаркеры намного реже имеют абиотическое происхождение, но все-таки полностью исключать такую возможность нельзя. Например, при наблюдении титаноподобный спутник, обращающийся вокруг богатой кислородом планеты, может показаться одиноким миром со смешанной метано-кислородной атмосферой.

В качестве дополнительного признака влияния живых форм на атмосферу могут служить сезонные изменения в ее составе на протяжении планетного года. Когда зима на Земле сменяется весной, биосфера перерождается в результате цветения растений в условиях более теплой погоды. Это оказывает заметное влияние на уровень углекислого газа в нашей атмосфере. Согласно данным измерений, проводимых в обсерватории «Мауна-Лоа» на Гавайях с 1958 г., уровень углекислого газа не только неуклонно повышается в результате глобального изменения климата, но и ежегодно претерпевает изменения в результате смены сезонов.

С приходом весны и увеличением количества солнечного света на фотосинтезирующих растениях распускаются новые листья, которые поглощают больше углекислого газа из воздуха. С наступлением зимы листва отмирает, и уровень углекислого газа вновь поднимается. Разумеется, весна на одной половине Земли сопровождается зимой на другой. Поэтому для заметного изменения уровня углекислого газа необходимо, чтобы в северном и южном полушариях была разная площадь покрытых растительностью территорий. На Земле в Северном полушарии произрастает больше растений, чем в Южном, поэтому смена весеннего и зимнего сезонов в северном полушарии планеты сопровождается ежегодными колебаниями уровня углекислого газа. Равномерное распределение растительности по поверхности планеты вряд ли возможно, а значит, объяснить наличие такого цикла, выявляемого по результатам наблюдения за движением планеты вокруг ее звезды, без наличия на ней биологического вещества достаточно трудно.

Зеленый всплеск, красный край

Атмосфера — не единственная характеристика планеты, на которой сказывается присутствие жизни. Еще один потенциальный биомаркер — цвет планеты, или, говоря более научным языком, длины волн излучения, которые преобладают в отражаемом планетой свете. Мы видим зеленый цвет на поверхности Земли благодаря широкому распространению фотосинтезирующих растительных форм жизни, отражающих зеленый свет. Все дело в хлорофилле в клетках растений, который рассеивает свет с длиной волны около 500 нм[48], но при этом поглощает попадающий на него свет с чуть меньшими и большими длинами волн. Кроме того, растения на нашей планете эффективно отражают свет с длинами волн, превышающими те, которые воспринимаются нашими глазами как цвет. Излучение в инфракрасном диапазоне с длиной волны около 700–800 нм и более либо отражается, либо беспрепятственно проходит сквозь растение. Эту границу называют красным краем. Благодаря такой отражающей способности растения прекрасно видны при инфракрасной съемке, что позволяет изучать растительный покров со спутников.

В силу этих двух особенностей в отраженном нашей планетой свете присутствуют два четко различимых явления — зеленый всплеск и красный край. Если бы могли проанализировать длины волн в спектре света, отраженного внесолнечной планетой, резкие всплески и падения такого рода могли бы служить биомаркером, указывающим на присутствие растительных форм жизни.

Но являются ли длины волн, поглощаемые нашими растениями, универсальными для всей растительности, которая может существовать на внеземных мирах? Чтобы наши рассуждения не походили на гадание на кофейной гуще, сначала мы должны понять, что именно делает наши растения зелеными.

На первый взгляд, с точки зрения эволюции формирование у растений способности отражать зеленый свет не кажется очевидным преимуществом. Хотя с поверхности Земли Солнце кажется желтым, на самом деле большую часть энергии оно излучает как раз в зеленой области спектра. Свой желтый оттенок свет получает из-за рассеивания синего света атмосферой. Таким образом, отражая зеленый свет, земные растения в ходе эволюции отказались от самой значительной доли солнечной энергии.

Однако при более детальном рассмотрении такому эволюционному повороту находится вполне разумное объяснение. Энергия, излучаемая Солнцем на определенной длине волны, складывается из энергии этой длины волны, а также ее интенсивности или яркости. Если рассматривать излучение как поток крохотных фотонов, заключенная в нем энергия будет зависеть от энергии каждого фотона и их количества.

В действительности Солнце излучает больше красных фотонов, чем зеленых, но большая длина волны красного света означает, что каждый отдельно взятый красный фотон переносит меньше энергии, чем зеленый. С другой стороны, синие фотоны переносят больше энергии, но при этом их намного меньше. Таким образом, в ходе адаптации к условиям жизни на нашей планете растения научились извлекать выгоду из многочисленности красных фотонов и мощной энергии отдельных синих фотонов. Поэтому зеленые фотоны, которые не так многочисленны, как красные, и не обладают таким количеством энергии, как отдельно взятые синие, оказались не нужны.

Если исходить из того, что, адаптируясь к условиям среды, растения стараются использовать длины волн в тех частях спектра, где фотоны богаты энергией или отличаются многочисленностью, их свойства будут определяться составом атмосферы планеты и особенностями звезды: атмосфера способна лишить поверхность планеты доступа к поглощаемым длинам волн, а от температуры звезды зависит количество энергии, излучаемой на каждой длине волны. Мы можем наблюдать последствия работы такого фильтра на Земле. Растения, живущие в океанских водах и под слоем песка, отличаются цветом от растительности на поверхности. В процессе адаптации к поглощению тех длин волн, которые добираются до них, они приобрели разные цвета. Например, вода пропускает синий свет, но поглощает красный, делая невозможной эволюцию растений, использующих красные фотоны, дальше определенной глубины. В результате такой эволюции появились водоросли различных оттенков коричневого, красного и пурпурного цветов, отражающие фотоны, которые они не научились использовать.

В отличие от процесса отбора только тех фотонов, которые оптимально подходят для фотосинтеза, рассеивание длин волн за «красным краем» может объясняться необходимостью контроля температуры с целью недопущения перегрева. Если бы растения поглощали длины волн инфракрасного диапазона, а также те, что относятся к видимой части спектра, избыток энергии мог бы привести к необратимому изменению белков, фактически поджарив растения. Вот почему наши растения отражают свет в инфракрасной и зеленой области спектра в окружающее пространство. Но что будет, если Солнце изменится?

Как уже отмечалось, у нас есть основания полагать, что жизнепригодные планеты в зоне умеренных температур могут быть покрыты организмами, получающими энергию от света. Однако они совсем не обязательно должны быть зеленого цвета.

В системах с холодными красными карликовыми звездами большая часть энергии излучается в инфракрасном диапазоне. Считается, что при характерных для него больших длинах волн фотосинтез также возможен, но из-за их меньшей энергии может потребоваться в два раза больше фотонов. Чтобы обеспечить поглощение максимального количества света, растения на планете в системе с красным карликом могут быть не зелеными, а черными. Более того, учитывая, что теперь им придется иметь дело с фотонами из инфракрасного диапазона, у растений на такой планете может не быть ярко выраженного красного края, или же он может сдвинуться в другую область спектра.

Растения на планетах в системах со звездами горячее нашего Солнца могут столкнуться с противоположной проблемой: поверхность там будет подвергаться бомбардировке высокоэнергетическими синими фотонами. В результате листва может приобрести синий оттенок, который позволит ей отражать эти фотоны, чтобы спастись от перегрева. В любом случае, выражение «в чужом дворе трава всегда зеленее» вряд ли будет применимо к внеземным мирам.

Как и в случае со следами биологической активности в атмосфере, на связь цвета планеты с цветом растительности должны указывать сезонные изменения. По ним можно отличить цвет, обусловленный ростом растительности, от цвета, связанного с цветом горных пород. Спектр отражаемого спутником Юпитера Ио света начинается в синей области при длине волны 450 нм. Все, что чуть ближе к красному, отражается от поверхности, все, что относится к синему, поглощается. Причина не связана с какой-либо формой растительной жизни, которой удается чудесным образом выживать на этом мире с высокой вулканической активностью. Все дело в слое серы, покрывшем поверхность спутника в результате обильных извержений.

Биомаркеры, по которым можно будет сделать надежный вывод о наличии жизни на планете в какой-либо звездной системе, скорее всего, не будут сводиться к одной характеристике — это будет комбинация признаков, указывающих на воздействие жизни на планету. Как в сложном пазле, мы не сможем быть уверены, что полученная нами картина обитаемого мира соответствует действительности, пока не найдем и не сложим вместе множество разных фрагментов.

Так сколько же времени, по мнению Мишеля Майора, нам понадобится, чтобы научиться отличать пригодные для жизни планеты от непригодных? «Двадцать пять лет, — ответил он мне. — На это уйдет жизнь еще одного поколения».

Словарь терминов

Астрономическая единица (а.е.) — единица измерения расстояний в планетных системах. 1 а.е. (= 150 000 000 км = 0,000016 светового года) — расстояние между Солнцем и Землей.

Блуждающая планета (планета-сирота) — планета, которая не обращается вокруг звезды.

Газовый гигант — планета того же типа, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Обладает твердым ядром, окруженным огромной атмосферой толщиной в тысячи километров.

Горячий юпитер — газовый гигант, обращающийся вблизи родительской звезды.

Двойная звезда (двойная система) — две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс.

Зона умеренных температур — область вокруг звезды, в которой температуры на поверхности землеподобной планеты обеспечивают возможность существования воды в жидкой фазе. Также ее называют «зоной жизни», «зоной обитаемости» и «зоной Златовласки».

Космический телескоп «Кеплер» — космическая обсерватория NASA, занимающаяся поиском внесолнечных планет с помощью транзитного метода.

Космический телескоп «Спитцер» — космическая обсерватория NASA, предназначенная для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне.

Красный карлик — звезда меньше и холоднее нашего Солнца. Другое название — карлик спектрального класса M.

Круговорот углерода — геологический процесс, контролирующий количество углекислого газа в атмосфере Земли. Благодаря тому, что углекислый газ является парниковым и обладает способностью удерживать тепло, данный процесс выступает в роли своего рода термостата, регулирующего среднюю температуру на нашей планете.

Масса изоляции — масса формирующейся планеты после поглощения всех планетезималей в окрестностях ее орбиты.

Метод анализа изменения времени наступления транзитов (TTV) — метод обнаружения планет путем анализа изменений в интервалах между прохождениями (транзитами), вызванных притяжением других планет (или спутников) в той же системе. Позволяет оценить массу планеты.

Метод лучевых скоростей — метод обнаружения планет по незначительным колебаниям в движении звезды. Позволяет вычислить период обращения планеты (и, соответственно, расстояние от нее до звезды), а также приблизительно оценить массу планеты.

Механизм Козаи — Лидова — способность другого тела (такого как двойная звезда или другая планета) влиять на эксцентриситет и наклонение орбиты планеты.

Миграция — смещение орбиты планеты, как правило, в направлении звезды. Под миграциями первого и второго типа подразумеваются изменения орбиты, обусловленные сопротивлением газа в протопланетном диске. Также возможна миграция, вызванная рассеиванием планетезималей меньшего размера.

Наклонение — угол между плоскостью орбиты планеты и плоскостью орбит других планет в системе (или между перпендикуляром к плоскости орбиты и осью вращения звезды).

Орбитальный резонанс — ситуация, при которой периоды обращения соседних планет (количество времени, за которое планета совершает полный оборот) соотносятся как целые числа. Например, одна планета может совершать два оборота за то время, которое требуется другой планете для одного. Такие орбиты отличаются очень высокой стабильностью и устойчивостью к внешним воздействиям.

Парниковый эффект — способность газов в атмосфере планеты поглощать и отражать инфракрасное излучение, обеспечивая ее нагрев.

Планета земного типа — твердотельная планета с тонкой атмосферой. В Солнечной системе — это Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Планетезималь — твердое тело размером с астероид (от нескольких километров до нескольких сотен километров в диаметре), образовавшееся в процессе формирования планеты.

Приливный захват — движение по орбите планеты (или спутника), при котором одна и та же сторона тела всегда обращена к родительской звезде (или планете).

Приливный разогрев — тепло, выделяющееся при деформации планеты (или спутника) в результате изменения силы притяжения звезды (или планеты) при движении по вытянутой орбите.

Протопланетный диск — газово-пылевой диск, окружающий молодые звезды и служащий основой для формирования планет.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Соответствует 63 241 а.е., или примерно 9 500 000 000 000 км.

Снеговая линия — расстояния от звезды, на котором температура опускается до значения, обеспечивающего формирование льдов в протопланетном диске. Другие названия — линия льдов, линия мороза.

Суперземля — планета радиусом 1,25–4 радиуса Земли. Такие планеты могут быть твердотельными или иметь толстые атмосферы, как у Нептуна.

Сфера Хилла — область вокруг планеты (или иного объекта), в которой ее собственная гравитация сильнее гравитации звезды. Попадая в эту область, объекты меньшего размера (такие как планетезимали) притягиваются к планете.

Транзитный метод — метод обнаружения планет по незначительному падению яркости звезды при прохождении перед ней планеты. Позволяет вычислить период обращения планеты и ее радиус.

Экзоспутник — спутник, обращающийся вокруг экзопланеты.

Экзопланета — планета, обращающаяся вокруг звезды за пределами Солнечной системы.

Эксцентриситет — элемент орбиты, характеризующий ее форму. Нулевой эксцентриситет соответствует круговой орбите.

Дополнительная литература

Простое перечисление всех научных работ, результаты которых лежат в основе представления о планетах, изложенного на страницах «Фабрики планет», потребовало бы еще одной книги такого же объема. Дабы не перегружать читателей, я попыталась отобрать исследования и обзоры, в которых содержатся основные результаты и которые вряд ли широко известны за пределами научного мира.

Предисловие. Слепцы и планеты

Открытие первой планеты, обращающейся вокруг солнцеподобной звезды — 51 Пегаса b: M. Mayor & D. Queloz 1995. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature 378:355–359.

Открытие первой планеты транзитным методом — HD 209458. Две статьи, в которых сообщалось о находке, были опубликованы в выпуске журнала за январь 2000 г., который на самом деле увидел свет в декабре 1999 г.: 1. D. Charbonneau et al. 2000. Detection of planetary transits across a Sun-like star. The Astrophysical Journal Letters 529: L45–48; 2. G. Henry et al. 2000. A transiting ‘51 Peg-like’ planet. The Astrophysical Journal Letters 529: L41–44.

Глава 2. Небывалая стройка

Исчерпывающий обзор исследований, посвященных процессу формирования планет — от пыли до планетезималей: A. Johansen et al. 2014. The multifaceted planetesimal formation process. В Protostars and Planets VI (University of Arizona Press, Tuscon, USA, 2014). Данный обзор дополняет результаты дискуссий в рамках конференции Protostars and Planets VI, с которыми можно познакомиться онлайн по адресу: www.mpia.de/homes/ppvi.

Глава 4. Воздух и море

Обзор работ Эрнста Эпика, составленный Фредом Уипплом: F. Whipple 1972. Ernst Öpik’s research on comets. Irish Astronomical Journal Supplement 10:71–76.

Глава 5. Планета, которой не может быть

Отличный источник великолепных описаний вновь открытых экзопланет — блог Шона Реймонда PlanetPlanet (planetplanet.net).

Описание модели смены галса: K. Walsh 2011. A low mass for Mars from Jupiter’s early gas-driven migration. Nature 475:206–209.

Описание модели Ниццы: R. Gomes et al. 2005. Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of terrestrial planets. Nature 435:466–469.

Описание модели Ниццы II: H. Levison et al. 2011. Late orbital instabilities in the outer planets induced by interaction with a selfgravitating planetesimal disk. The Astronomical Journal 142:152–162.

Планета с плотностью полистирола — WASP-17 b: D. Anderson et al. 2010. WASP-17 b: An ultra-low density planet in a probable retrograde orbit. The Astrophysical Journal 709:159–167. Открытие было описано в Wired (where Coel Hellier is quoted) 2009: Aack, no breaks! Giant new exoplanet goes the wrong way, http://bit.ly/2kuEaGc.

Глава 6. Мы — отклонение от нормы

Окончательные результаты измерения массы Кеплер-93 b были опубликованы в: C. Dressing et al. 2015. The Mass of Kepler-93b and the composition of terrestrial planets. The Astrophysical Journal 800:135–141

Результаты измерения массы Кеплер-138 d (тогда планета называлась по-другому — KOI-314c) методом анализа изменения времени наступления транзитов: D. Kipping et al. 2014. The hunt for exomoons with Kepler (HEK): IV. A search for moons around eight M dwarfs. The Astrophysical Journal 784:28–41. Пресс-релиз Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (включая цитату Киппинга) за 2014 г.: Newfound planet is Earth-mass but gassy, http://bit.ly/2kvR47c.

Описание эмпирически выведенного принципа, согласно которому при радиусе более 1,5 радиуса Земли планета, как правило, является мини-нептуном, а не твердотельной планетой: L. Rogers 2015. Most 1.6 Earth-radius planets are not rocky. The Astrophysical Journal 801:41–53.

Исследования, посвященные вопросу формирования суперземель из протопланетных дисков разной формы: 1. H. Schlichting 2014. Formation of close in super Earths and mini-Neptunes: required disk masses and their implications. The Astrophysical Journal Letters 795: L15–19; 2. S. Raymond & C. Cossou 2014. No universal minimum-mass extrasolar nebula: evidence against in situ accretion of systems of hot super Earths. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 440: L11–15.

Образование мини-нептуна в результате перетекания атмосферы горячего юпитера: F. Valsecchi, F. Rasio & J. Steffen 2014. From hot Jupiters to super Earths via Roche lobe overflow. The Astrophysical Journal Letters 793: L3–8.

Образование суперземли в результате «сгребания» материала горячим юпитером: S. Raymond, A. Mandell & S. Sigurdsson 2006. Exotic Earths: forming habitable worlds with giant planet migration. Science313:1413–1416.

Открытие Кеплер-11 с шестью планетами было описано (с цитатами, указывающими на удивление Джека Лиссауэра) NASA в 2011 г.: NASA’s Kepler Spacecraft discovers extraordinary new planetary system, http://go.nasa.gov/2kKtimo, а также на ряде других сайтов, включая Guardian 2011: NASA scientists discover planetary system, http://bit.ly/2lv7ydU.

Формирование суперземли на краю мертвой зоны: S. Chatterjee & J. Tan 2014. Inside-out planet formation. The Astrophysical Journal 780:53–64.

Компьютерное моделирование изменения направления миграции: C. Cossou et al. 2014. Hot super Earths and giant planet cores from different migration histories. Astronomy & Astrophysics 569: A56–71.

Глава 7. Вода, алмазы, лава — неведомые рецепты планетообразования

Обсуждение моделей образования планетезималей вокруг богатых углеродом звезд в работе Торренса Джонсона и Джонатана Лунина: T. Johnson et al. 2012. Planetesimal compositions in exoplanet systems. The Astrophysical Journal 757:192–202. Шутка Джонсона об «отсутствии снега за снеговой линией» и наблюдение Лунина относительно углеродных миров содержатся в сопроводительном пресс-релизе Лаборатории реактивного движения за 2013 г.: Carbon Worlds May be Waterless, Finds NASA Study, http://go.nasa.gov/2kVk0WA.

Возможные изменения в геологии твердотельных планет с разным составом: 1. C. Unterborn et al.2014. The role of carbon in extrasolar planetary geodynamics and habitability. The Astrophysical Journal793:124–123; 2. J. Bond, D. O’Brien & D. Lauretta 2010. The compositional diversity of extrasolar terrestrial planets. I. In situ simulations. The Astrophysical Journal 715:1050–1070.

Оценка объема углерода в звезде 55 Рака: J. Teske et al. 2013. Carbon and oxygen abundances in cool metal-rich exoplanet hosts: A case study of the C/O ratio of 55 Cancri. The Astrophysical Journal 778:132–140.

Возможность формирования богатых углеродом планет даже в протопланетном диске с долей C/O более 0,65: J. Moriarty, N. Madhusudhan & D. Fischer 2014. Chemistry in an evolving protoplanetary disc: Effects on terrestrial planet composition. The Astrophysical Journal 787:81–90.

Может ли 55 Рака e быть углеродным миром? N. Madhusudhan, K. Lee & O. Mousis 2012. A possible carbon-rich interior in super Earth 55 Cancri e. The Astrophysical Journal Letters 759: L40–44.

Пресс-релиз Кембриджского университета, посвященный 55 Рака e (включая слова Мадхусудана), за 2015 г.: Astronomers find first evidence of changing conditions on a super Earth, http://bit.ly/1c0gsu1.

Геология потенциально богатых магнием планет вокруг Тау Кита: M. Pagano et al. 2015. The chemical composition of τ Ceti and possible effects on terrestrial planets. The Astrophysical Journal 803:90–95.

Колебания температуры на 55 Рака e: 1. B.-O. Demory et al. 2016. Variability in the super Earth 55 Cnc e. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 455:2018–2027; 2. B.-O. Demory et al. 2016. A map of the large day-night temperature gradient of a super Earth exoplanet. Nature 532:207–209.

Атмосфера CoRoT-7 b, функционирующая по принципу ректификационной колонны: L. Schaefer & B. Fegley 2009. Chemistry of silicate atmosphere of evaporating super Earths. The Astrophysical Journal Letters703: L113–117. Статья на ту же тему, опубликованная Университетом Вашингтона в Сент-Луисе (включая цитату Фегли) в 2009 г.: Forecast for discovered exoplanet: clouds with a chance of pebbles, http://bit.ly/2ku8GQF.

Гелиевая атмосфера Глизе 436 b: R. Hu, S. Seager & Y. Yung 2015. Helium atmosphere on warm Neptune- and sub-Neptune-sized exoplanets and applications to GJ 436b. The Astrophysical Journal 807:8–21. Пресс-релиз на эту тему Лаборатории реактивного движения (с цитатой Сигер) за 2015 г.: Helium-shrouded planets may be common in our Galaxy, http://go.nasa.gov/2k5MrNG.

Глава 8. Миры вокруг мертвых звезд

Прекрасный обзор открытий планет вокруг пульсаров представлен в работе Кена Кросвелла (Ken Croswell) Planet Quest: the Epic Discovery of Alien Solar Systems (Free Press, New York, USA, 1997).

Если вы хотите погрузиться в тему пульсаров, прочтите написанную живым, понятным языком работу Джеффа МакНамары (Geoff McNamara) Clocks in the Sky: the Story of Pulsars (Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2008).

Открытие первого миллисекундного пульсара: D. Backer et al. 1982. A millisecond pulsar. Nature300:615–618.

Открытие Вольщана и Фрейла также описывается в статье Чарльза Дюбуа в Penn State News 1997: Planets from the Very Start, http://bit.ly/2kurW0x.

Узнайте об открытии планет вокруг пульсаров от самого Алекса Вольщана: A. Wolszczan 2012. Discovery of pulsar planets. New Astronomy Reviews 56:2–8.

Характерная вспышка «черной вдовы» — пульсара PSR J1311-3430: H. Pletsch et al. 2012. Binary millisecond pulsar discovery via Gamma-ray pulsations. Science 338:1314–1317.

Звезда, которая превратилась в алмазный мир, на орбите вокруг пульсара PSR J17191438: M. Bailes et al. 2011. Transformation of a star into a planet in a millisecond pulsar binary. Science 333:1717–1720.

Глава 9. Системы с двумя солнцами

Рассказ Уолкера о том, как он едва не открыл планету в окрестностях γ Цефея: G. Walker 2012. The first high-precision radial velocity search for extra-solar planets. New Astronomy Reviews 56:9–15.

Официальное объявление об открытии планеты рядом с γ Цефея: A. Hatzes et al. 2003. A planetary companion to γ Cephei A. The Astrophysical Journal 599:1383–1394.

Обзор дисков вокруг молодых звезд в комплексе Тельца–Возничего: R. Harris et al. 2012. A resolved census of millimeter emission from Taurus multiple star systems. The Astrophysical Journal 751:115–134.

Сравнение планет в двойных системах с различными расстояниями между компонентами: J. Wang et al. 2014. Influence of stellar multiplicity on planet formation. II. Planets are less common in multiple-star systems with separations smaller than 1500 au. The Astrophysical Journal 791:111–126.

Обзор исследований негативного влияния двойных звезд на процесс образования планет на околозвездных орбитах: Thébault & Haghighipour 2014. Planet formation in binaries. In Planetary Exploration and Science: Recent Advances and Applications (Springer Geophysics, Heidelberg, Germany, 2015).

Описание моделей, используемых для определения наличия в протопланетном диске вокруг γ Цефея достаточного количества материала для формирования газового гиганта: H. JangCondell, M. Mugrauer & T. Schmidt 2008. Disk truncation and planet formation in γ Cephei. The Astrophysical Journal Letters 683: L191–194.

Обнаружение планет вокруг альфы Центавра B: X. Dumusque et al. 2012. An Earth-mass planet orbiting α Centauri B. Nature 491:207–211.

Относительно недавний анализ данных, поставивших под вопрос существование планеты: A. Hatzes 2013. The radial velocity detection of Earth-mass planets in the presence of activity noise: The case of α Centauri Bb. The Astrophysical Journal 770:133–148.

Объявление об обнаружении татуиноподобного мира Кеплер-16 b: L. Doyle et al. 2011. Kepler-16: A transiting circumbinary planet. Science 333:1602–1606.

Tеория, объясняющая появление системы, состоящей из пульсара, белого карлика и трио газовых гигантов (PSR 1620–26), была предложена приблизительно через 10 лет после открытия: S. Sigurdsson et al. 2003. A young white dwarf companion to pulsar B1620-26: Evidence for early planet formation. Science301:193–196.

Вопрос о возможности интерпретации наблюдаемых колебаний в транзитах в двойных системах в качестве свидетельства существования планет рассматривается в J. Horner et al. 2012. A detailed investigation of the proposed NN Serpentis planetary system. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society425:749–756.

Планета в системе, состоящей из трех звезд, — HD 131399A b: K. Wagner et al. 2016. Direct imaging discovery of a Jovian exoplanet within a triple-star system. Science 353:673–678.

Статья Фила Плейта о HD 131399A b, опубликованная в Slate в 2016 г.: An alien planet orbits in a triple-star system… and we have photos, http://slate.me/29JnqoY.

Глава 10. Место преступления — планетная система

Прекрасная серия публикаций о внешней части Солнечной системы в блоге Майка Брауна: www.mikebrownsplanets.com.

Открытие карликовой планеты Седны: M. Brown, C. Trujillo & D. Rabinowitz 2004. Discovery of a candidate Inner Oort Cloud planetoid. The Astrophysical Journal 671:645–649.

Изменения в орбите молодого Нептуна, которые, возможно, стали причиной рассеивания далеких карликовых планет: R. Dawson & R. Murray-Clay 2012. Neptune’s wild days: Constraints from the eccentricity distribution of the classical Kuiper Belt The Astrophysical Journal 750:43–71.

Измерение центра масс нашей Солнечной системы с использованием сигналов пульсаров: N. Zakamska & S. Tremain 2005. Constraints on the acceleration of the solar system from high-precision timing. The Astrophysical Journal 130:1939–1950.

Возможность перехода массивных планет, движущихся по вытянутым орбитам, на круговые орбиты под влиянием газового диска: B. Bromley & S. Kenyon 2014, The fate of scattered planets. The Astrophysical Journal 796:141–149.

Планета с одной из «самых сильных бурь в Галактике» — HD 80606 b: G. Laughlin et al. 2009. Rapid heating of the atmosphere of an extrasolar planet. Nature 457:562–564. Пресс-релиз NASA, в котором цитируются слова Лафлина, за 2009 г.: Spitzer watches wild weather on a star-skimming planet, http://go.nasa.gov/2ltA3J6.

Выталкивание планеты из системы Ипсилон Андромеды A в качестве объяснения сильно искаженных орбит двух других планет: E. Ford, V. Lystad & F. Rasio 2005. Planet — planet scattering in the u Andromedae system. Nature 434:873–876. Smaller planets have less eccentric orbits: V. Van Eylen & S. Albrecht 2015. The Astrophysical Journal 808:126–145.

Глава 11. Блуждающие планеты

Прекрасная статья Шона Реймонда в журнале Aeon: Life in the dark, http://bit.ly/2jF2R2g.

Рассмотрение вопроса о возможности существования в прошлом еще одного газового гиганта в Солнечной системе: D. Nesvorny & A. Morbidelli 2012. Statistical study of the early Solar System’s instability with four, five and six giant planets. The Astronomical Journal 144:117–136.

Открытие HD 106906 b — мира, находящегося на очень большом расстоянии от нас, в окружении остаточного диска: V. Bailey et al. 2014. HD 106906 b: A planetary mass companion outside a massive debris disk. The Astrophysical Journal Letters 740: L4–9.

Последующие наблюдения, выявившие асимметричность диска: P. Kalas et al. 2015. Direct imaging of an asymmetric debris disk in the HD 106906 planetary system. The Astrophysical Journal 814:32–43.

Описание результатов наблюдений, позволивших обнаружить крошечные плотные облака, которые могли схлопнуться в объекты размером с планету (как раз члены этой группы исследователей предложили термин «глобулета»): G. Gahm et al. 2013. Mass and motion of globulettes in the Rosette Nebula. Astronomy & Astrophysics 555: A57–73.

Возможность удержания блуждающей Землей тепла рассматривается в ряде публикаций, включая: 1. D. Stevenson 1999. Life-sustaining planets in interstellar space? Nature 400:32; 2. G. Laughlin & F. Adams 2000. The frozen Earth: binary scattering events and the fate of the Solar System. Icarus 145:614–627; 3. D. Abbot & E. Switzer 2011. The steppenwolf: a proposal for a habitable planet in interstellar space. The Astrophysical Journal Letters 735: L27–30; 4. J. Debes & S. Sigurdsson 2007. The survival rate of ejected terrestrial planets with moons. The Astrophysical Journal Letters 668: L167–170.

Глава 12. Условия для жизни

Границы зоны умеренных температур (также называемой зоной жизни, зоной обитаемости или зоной Златовласки): J. Kasting, D. Whitmire & R. Reynolds 1993. Habitable zones around main sequence stars. Icarus101:108–128.

Зона Венеры: S. Kane, R. Kopparapu & S. Domagal-Goldman 2014. On the frequency of potential Venus analogs from Kepler data. The Astrophysical Journal Letters 794: L5–9.

Глава 13. Поиски второй Земли

Открытие первой планеты в зоне умеренных температур транзитным методом — Кеплер-22 b: W. Borucki et al. 2012. Kepler-22b: A 2.4 Earthradius planet in the habitable zone of a Sun-like star. The Astrophysical Journal 745:120–135. Пресс-релиз NASA (с цитатой Боруки) за 2011 год: NASA’s Kepler mission confirms its first planet in the habitable zone of a Sun-like star, http://go.nasa.gov/2kpfix8.

Открытие Глизе 581 c (провозглашенной «самой похожей на Землю из всех известных экзопланет» на тот момент): S. Udry et al. 2007. The HARPS search for southern extra-solar planets XI. Super Earths (5 and 8 M⊕) in a 3-planet system. Astronomy & Astrophysics Letters 469: L43 — L47.

Существование Глизе 581 d и g было поставлено под сомнение в работе P. Robertson et al. 2014. Stellar activity masquerading as planets in the habitable zone of the M dwarf Gliese 581. Science 345:440–444.

Описание землеподобной планеты Кеплер-186 f: E. Quintana et al. 2014. An Earthsized planet in the habitable zone of a cool star. Science 344:277–280.

Рассказ Натали Батальи о попытках зафиксировать прохождение планеты такого же размера, как наша, и с такой же орбитой, как у нашей планеты, представлен в документальном фильме 2014 г., снятом Advexon TV NOVA: Kepler 186 f — Life after Earth, http://bit.ly/1xPw9Jj.

Доля землеподобных миров: 1. F. Fressin et al. 2013. The false positive rate of Kepler and the occurrence of planets. The Astrophysical Journal 766:81–100; 2. C. Dressing & D. Charbonneau 2013. The occurrence rate of small planets around small stars. The Astrophysical Journal 767:95–114.

Открытие ближайшей к нам экзопланеты: G. Anglada-Escudé et al. 2016. A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature 536:437–440.

Глава 14. Инопланетные пейзажи

Попытка изучения атмосферы Глизе 1214 b с помощью космического телескопа «Хаббл»: L. Kreidberg et al. 2014. Clouds in the atmosphere of the super Earth exoplanet GJ1214b. Nature 505:69–72.

Вода в мантии вместо полностью покрытого водой мира: N. Cowan & D. Abbott 2014. Water cycling between ocean and mantle: super Earths need not be water worlds. The Astrophysical Journal 781:27–33.

Неспособность океанов регулировать температуру планеты: D. Kitzmann et al. 2015. The unstable CO_2feedback cycle on ocean planets. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 452:3752–3758.

Жизнь на ядре газового гиганта: R. Luger et al. 2015. Habitable evaporated cores: Transforming mini-Neptunes into super Earths in the habitable zones of M dwarfs. Astrobiology 15:57–88.

Отличная статья Шона Реймонда в журнале Nautilus: Forget ‘Earth-Like’ — we’ll first find aliens on eyeball planets. http://bit.ly/1vRsb1J.

Возможность существования атмосферы на мире типа «глазное яблоко»: M. Joshi, R. Haberle & R. Reynolds 1997. Simulations of the atmospheres of synchronously rotating terrestrial planets orbiting M dwarfs: Conditions for atmospheric collapse and the implications for habitability. Icarus 129:450–465.

Климат планет типа «глазное яблоко» и наличие на них воды: R. Pierrehumbert 2011. A palette of climates for Gliese 581g. The Astrophysical Journal Letters 726: L8–12.

Поворот атмосферы как средства выхода из приливного захвата: J. Leconte et al. 2015. Asynchronous rotation of Earth-mass planets in the habitable zone of lower-mass stars. Science 347:632–635.

Формы зон умеренных температур в окрестностях двойных звезд и стабильных циркумбинарных орбит: S. Kane & N. Hinkel 2013. On the habitable zones of circumbinary planetary systems. The Astrophysical Journal 762:7–14.

Границы зоны умеренных температур на рисунке 22 основываются на расчетах, представленных на сайте, упомянутом в: T. Müller & N. Haghighipour 2014. Calculating the habitable zone of multiple star systems with a new interactive website. The Astrophysical Journal 782:26–43. http://astro.twam.info/hz.

Влияние второй звезды на планеты на околозвездных орбитах в двойных системах: S. Eggl et al. 2012. An analytics method to determine habitable zones for S-type planetary orbits in binary star systems. The Astrophysical Journal 752:74–84.

Возможность существования воды в жидкой фазе и жизни на землеподобном мире с вытянутой орбитой: 1. D. Williams & D. Pollard 2002. Earth-like worlds on eccentric orbits: excursions beyond the habitable zone. International Journal of Astrobiology 1:61–69; 2. S. Kane & D. Gelino 2012. The habitable zone and extreme planetary orbits. Astrobiology 12:940–945.

Сверхпригодный для жизни мир: 1. René Heller’s 2015 article for Scientific American 312:20–27. Better than Earth; 2. R. Heller & J. Armstrong 2013. Superhabitable worlds. Astrobiology 14:50–66.

Глава 15. За пределами зоны жизни

Доказательства тектонической активности плит на Европе: S. Kattenhorn & L. Prockter 2014. Evidence for subduction in the ice shell of Europa. Nature Geoscience 7:762–767.

Глава 16. Фабрика лун

Обзор исследований, посвященных лунам во внешней части Солнечной системы и процессу их формирования: R. Heller et al. 2014. Formation, habitability and detection of extrasolar moons. Astrobiology14:798–835.

Образование Тритона в результате разрушения двойной системы: C. Agnor & D. Hamilton 2006. Neptune’s capture of its moon Triton in a binary-planet gravitational encounter. Nature 441:192–194.

Глава 17. Поиски жизни

Поиски биомаркеров на Земле: C. Sagan et al. 1993. A search for life on Earth from the Galileo spacecraft. Nature 365:715–721.

Соотношение углерода 12 и углерода 13 в атмосфере Титана по данным зонда «Гюйгенс»: H. Riemann at al. 2005. The abundances of constituents of Titan’s atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe. Nature 438:779–784.

Статья Нэнси Кианг 2008 г. в журнале Scientific American 298:48–55. The colour of plants on other worlds.

Наконец, если вы готовы к знакомству с уравнениями в сопровождении хорошо написанного текста, я рекомендую книгу Калеба Шарфа (Caleb Scharf) Extrasolar Planets and Astrobiology (University Science Books, Sausalito, CA, USA, 2009).

Благодарности

Во-первых, я бы хотела извиниться перед всеми теми, кому приходилось выслушивать рассказ о планетах, когда они просто хотели, чтобы я передала им хлеб во время завтрака (хотя я продолжаю настаивать на аналогии поджаренного тоста с углеродными мирами). Всем людям, которые перечислены здесь, я хочу сказать, что эта проблема никогда бы не возникла, если бы вы все время не заставляли меня заниматься любимым делом. Так что вините во всем только себя.

Работа над этой книгой никогда бы не началась без поддержки Джима Мартина и Анны Макдиармид из Bloomsbury. Спасибо, что вы терпеливо возились со мной, пока я училась писать что-то длиннее нескольких тысяч слов.

Я в огромном долгу перед моими первыми читателями-экспертами — Рене Геллером, Димитрием Верасом, Мордекай-Марком Лоу, Джонти Хорнер, Суравом Чаттерджи, Шого Тачибана, Калебом Шарфом, Шоном Реймондом, Джоанной Теске и Эриком Фордом — за то, что они жертвовали своим свободным временем, читая написанные мной главы. Без их одобрительных отзывов я бы просто спрятала рукопись под матрас. Я особенно благодарна Стивену Кейну, который поддерживал этот проект с самого первого дня, пройдя со мной весь путь — от обсуждения плана книги до выяснения деталей в обстановке панической спешки в последние минуты перед сдачей.

Мне по-настоящему повезло с прекрасными наставниками, которые сопровождали меня на всем протяжении карьеры. Без них я бы никогда не написала книгу. Мой учитель английского в средней школе Пэт Хантцингер разглядела в ужасных каракулях дислексика способность к писательству и даже нашла в себе силы дочитать до конца мои первые пробы пера в жанре прозы (все мои герои умирали по крайней мере один раз: мои романы были страшнее отпуска, проведенного на 55 Рака e). Грег Брайан, помогавший мне при подготовке выпускной работы, и Джеймс Уадсли, консультировавший меня после защиты диссертации, были для меня нескончаемым источником вдохновения и поддержки на протяжении последнего десятилетия. Ральф Пудриц из Института теорий происхождения при Университете Макмастера превратил мой интерес к планетам в неутолимую жажду, которую однажды мне удалось утолить, написав увесистый том на эту тему.

Также я должна поблагодарить Келли Рой Комуру, которая родила настоящего ребенка, пока я вынашивала свое бумажное детище, но при этом ни разу не упрекнула меня в том, что я выбрала более легкий путь — ведь моей книге не нужно было менять подгузники. Кроме того, я благодарна всем моим друзьям, которые ни разу не усомнились в том, что я закончу эту книгу, и поддерживали меня в трудную минуту — как лично, так и онлайн (и которые однажды предложили мне рассказать о планетах посреди свадебной церемонии — от себя не уйдешь).

Но больше всего я благодарна своим родителям. Они — мои лучшие друзья. Отцу я благодарна за то, что всякий раз, когда моя жизнь вот-вот должна была превратиться в апокалиптический хаос, он всегда находил выход, а маме — за то, что, защитив диссертацию, она стала для меня примером, а также за то, что была моим самым первым редактором (не самое благодарное занятие), когда я училась в школе. Я люблю вас обоих.

Примечания

1

E. T. — сокр. от extra-terrestrial («инопланетянин» — англ.). — Прим. пер.

2

Пер. с англ.: Земских В. Изучение слона. Из Джона Годфри Сакса. — Прим. пер.

3

В 2015 г., запущенный NASA космический аппарат «Новые горизонты» запечатлел движение Плутона и Харона по их орбитам. Захватывающий анимационный ролик на сайте NASA наглядно демонстрирует, как именно это происходит.

4

Эта цифра наверняка уже устарела. С актуальными данными о числе открытых экзопланет можно ознакомиться на сайте NASA: exoplanetarchive.ipac.caltech.edu.

5

Железа на Меркурии даже больше, чем можно было бы предположить исходя из его близости к Солнцу. Возможно, в истории этой планеты имело место столкновение, из-за которого она лишилась части своей нежелезной твердой оболочки, и доля железа в ее составе выросла. Впрочем, даже это полностью не объясняет ее состав, который остается под вопросом.

6

Комета Галлея должна была наблюдаться приблизительно в 11 г. до н.э., но в этом случае она вряд ли могла фигурировать в библейском сюжете в качестве указателя дороги на Вифлеем.

7

То есть с помощью телескопов на Земле, а не из космоса.

8

Это можно сравнить с бегом по краям впадины — чтобы обежать ее по нижнему краю, нужно намного меньше энергии, чем для подъема наверх круга по верхней кромке. Точно так же для движения по широким орбитам требуется больше энергии, чем для движения по коротким.

9

Этот рекорд был побит еще одной ее соседкой — планетой Кеплер-138 b, чья масса была измерена в 2015 г. и составила 0,07 массы Земли.

10

Из-за большой чувствительности миграции первого рода к параметрам среды, окружающей планеты, попытки предсказать ее направление подобны гаданию на кофейной гуще.

11

В главе 6 мы упоминали выведенное эмпирическим путем правило, согласно которому при радиусе свыше 1,5 радиуса Земли планета, скорее всего, является газовой, а не каменистой.

12

Битва за место под деревом на парковке у супермаркета, как бы далеко от входа в магазин оно ни находилась, — обычное явление в жаркой Флориде.

13

В главе 5 мы уже рассматривали явление приливного разогрева на примере горячего юпитера WASP-17 b. Из-за эллиптической формы его орбиты сила гравитационного притяжения звезды меняется, что приводит к деформации и нагреву планеты. Чуть позже мы поговорим об этом более подробно.

14

Звезда CoRot-7 — чуть меньше Солнца, но больше 55 Рака. Из-за этого ближайшая к ней планета находится на расстоянии меньшем, чем расстояние от 55 Рака e до ее звезды, но имеет чуть больший период обращения.

15

Да и чемоданы бы вряд ли пригодились — они бы просто расплавились.

16

Ручаюсь, что вы только что попробовали проделать этот трюк. Я тоже.

17

Как мы видели в главе 6, заряженные частицы могут как создавать магнитное поле, так и взаимодействовать с существующими полями.

18

Буква J в названиях пульсаров указывает на более актуальные и точные координаты их расположения на небе.

19

Энергия орбитального движения также питает приливный разогрев: в главе 5 мы рассматривали раздувшийся горячий юпитер WASP-17 b, который переместился на короткую круговую орбиту из-за разогрева, вызванного изменением силы гравитационного притяжения звезды.

20

Постдок — младший научный сотрудник, недавно защитивший диссертацию.

21

Мы уже рассматривали эту идею в восьмой главе, когда говорили о возникновении гравитационных волн и уподобляли их ряби, создаваемой массивными объектами на поверхности эйнштейновской резиновой пластины Вселенной.

22

В комиксах «Марвел» Кибертрон — одиночная планета, выброшенная из системы альфы Центавра. Такие миры-сироты подробно рассматриваются в главе 11.

23

Без ответа остается вопрос о природе системы Кеплер-132, поскольку неясно, вокруг какой из звезд обращаются найденные там четыре планеты.

24

Хотя благодаря долгопериодическим кометам нам известно о существовании облака Оорта, оно находится слишком далеко и потому недоступно для прямого наблюдения.

25

Возможно, их три: существование самого дальнего из этих газовых гигантов ставится под сомнение.

26

79 спутников на октябрь 2018 г. — Прим. науч. ред.

27

Возможность формирования на спутнике среды, похожей на земную, рассматривается в главе 16.

28

Впрочем, в нашем распоряжении будет, по крайней мере, еще восемь минут — именно столько времени требуется солнечному свету, чтобы добраться до нас.

29

Так что, покупая лотерейный билет, не забудьте на всякий случай приобрести и скафандр.

30

В следующей главе мы остановимся подробнее на механизме работы этого углеродно-силикатного термостата, регулирующего температуру на поверхности Земли.

31

Самое раннее из известных нам описаний форм внеземной жизни содержится в сочинении «Истинное происшествие» сирийского автора Лукиана Самосатского, жившего в 125–180 гг. н.э.

32

Напоминаю, что расстояние от Солнца до Земли составляет 1 а.е.

33

Это вещество можно встретить в виде белых образований на водопроводных кранах в регионах с жесткой водой, а также в антацидных препаратах.

34

Обратите внимание: это вовсе не означает, что планет на большом расстоянии от звезд меньше, чем планет на коротких орбитах. Их просто труднее обнаружить.

35

Отвлечемся на секунду, чтобы по достоинству оценить описательный, но лишенный какой-либо изобретательности подход к выбору названий астрономических инструментов.

36

Мы уже сталкивались с этим необычным состоянием материи в главе 7, обсуждая возможный состав 55 Рака e.

37

Этим также объясняется то, почему максимальная температура в течение суток на Земле достигается не в полдень, а приблизительно около 2 часов дня: земле требуется некоторое время, чтобы прогреться.

38

Речь идет о температуре верхнего слоя атмосферы, которая зависит от тепла, получаемого от звезд. Температуру под ним измерить намного труднее. Кеплер-16 b — газовый мир, поэтому поверхность в привычном понимании у нее отсутствует.

39

У планеты такое же название — Эндор. Она обращается вокруг двойной звезды, которая тоже носит имя Эндор. С точки зрения физики такая конфигурация представляет интерес, но вот номенклатурная составляющая оставляет желать лучшего.

40

На октябрь 2018 года уже 79. — Прим. науч. ред.

41

Согласно данным, полученным космическим зондом NASA «Мессенджер», Меркурий, возможно, сжимается в результате остывания его ядра. Таким образом, на поверхности планеты должна иметь место тектоническая активность.

42

По сути, электромагнитная индукция питается устойчивым неприятием перемен.

43

Римляне заимствовали у греков большинство их богов, дав им латинские имена. Титаны и гиганты фигурируют в основном в греческой мифологии.

44

Если решите попробовать повторить этот трюк дома — раскручивайте яйцо подальше от края стола.

45

Формула метана — CH_4 (четыре атома водорода и один атом углерода). Этан имеет более длинную цепь —C_2H_6 (шесть атомов водорода и два — углерода).

46

Говоря более научным языком, под влиянием усиливающейся гравитации Нептуна сфера Хилла двойной системы сжалась настолько, что в какой-то момент пересекла границу между двумя карликовыми планетами. Это привело к разрыву связи между ними и распаду двойной системы.

47

Ее также иногда называют границей жизни. Мы используем термин «температурная граница» по тем же причинам, по которым избегаем говорить о «зоне жизни».

48

1 нм = 0,000 000 001 м.

Content

Элизабет Таскер
Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

* * *

* * *

Предисловие

Введение Слепцы и планеты

Звездный радар

Силуэт Венеры

Глава 1. Фабрика за работой

Планетообразующий диск

Глава 2. Небывалая стройка

Клей-карандаш

Железные скрепы гравитации

Глава 3. Вся проблема в газе

Гиганты из газа

Формирование дальних планет

Глава 4. Воздух и море

Вторая атмосфера

Тайна воды

Мокрая Земля

Сухая Земля

Глава 5. Планета, которой не может быть

Проблемный Марс

Планета с плотностью полистирола

Глава 6. Мы — отклонение от нормы

Хтонические планеты

Далеко ходить не нужно

Планетная метла

Ловушка мертвой зоны

Мигрирующая популяция

Загадка без разгадки

Глава 7. Вода, алмазы, лава — неведомые рецепты планетообразования

Рецепты из горных пород

Взрывоопасные находки

Миры, покрытые лавой

Белая планета

Планета без атмосферы

Глава 8. Миры вокруг мертвых звезд

Самая первая экзопланета

Планеты-саламандры

Планеты-мемнониды

Звезда, которая стала планетой

Глава 9. Системы с двумя солнцами

Планета, которая заставляет свет отклоняться

Ближайшая двойная звезда

В поисках Татуина

Мафусаил

Две звезды — одно тело

Кузены

Миры с многими солнцами

Глава 10. Место преступления — планетная система

Прогноз погоды: завтра будет на 1000 °C теплее, чем сегодня

Планетные автодромы

Глава 11. Блуждающие планеты

Глава 12. Условия для жизни

Глава 13. Поиски второй Земли

Глава 14. Инопланетные пейзажи

Миры, покрытые водой

Ядро газового гиганта

Сумеречная зона

Возвращение на Татуин

Лучший из возможных миров?

Глава 15. За пределами зоны жизни

Крошечная яркая луна

Луна с жидкими озерами

Глава 16. Фабрика лун

В поисках Эндора

Глава 17. Поиски жизни

«Обоснованное предположение»

Зеленый всплеск, красный край

Словарь терминов

Дополнительная литература

Благодарности

Примечания