Воображаемая жизнь

Солнце стоит на горизонте. В этом нет ничего удивительного — здесь солнце всегда стоит на горизонте. Оно никогда не движется в небе. Со своего наблюдательного пункта на вершине горы вы можете посмотреть вниз на залитую солнцем часть планеты, где вы видите скорченную, измученную, выжженную солнцем пустыню. Прищурившись, взгляните в другую сторону, в темноту другой половины планеты, и вы сможете разглядеть гигантские горы льда. Узкая переходная полоса, называемая терминатором, где вы совершили посадку, является единственным местом, где жизнь может уцелеть на этой планете двух крайностей, одна сторона которой вечно горяча, а другая вечно холодна. В окружающей вас природной среде господствуют свирепые ветры, дующие из пустыни в сторону ледников, и неподалёку вы можете увидеть ветряные мельницы, построенные существами, живущими под поверхностью планеты. Несколько обслуживающих ветряные мельницы инженеров и техников, которых вы замечаете, — это существа обтекаемых очертаний, едва возвышающиеся над землёй. А как ещё они смогли бы противостоять ветрам Гало?

До этого момента мы посещали планеты, которые вызывают определённое ощущение знакомого мира. В конце концов, вода, лёд и океаны — это часть повседневного опыта здесь, на Земле. Однако наши следующие визиты будут на планеты, которые уже не кажутся нам такими знакомыми. В этой главе, например, мы рассмотрим миры, которые всегда обращены к своей звезде одной и той же стороной, поэтому их сторона, обращённая к звезде, раскалена, в то время как другая сторона, обращённая в космос, обжигающе холодна. В таких мирах существует лишь узкая переходная зона между горячим и холодным. Она окружает планету подобно ореолу (гало). Собственно, мы и примем во внимание эту особенность, использовав её в качестве названия нашей воображаемой планеты: Гало.

Приливный захват

Вы с детства знали, что Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, какое совершенно необычайное совпадение необходимо для такого положения дел? Чтобы оставаться обращённой к Земле одной и той же стороной, Луна должна повернуться вокруг своей оси один раз за то же самое время, которое требуется для завершения одного оборота по орбите. По сути, её «день» должен быть ровно такой же длины, что и её же «год». Любое другое соотношение между её вращением вокруг своей оси и вращением вокруг Земли показало бы наблюдателям на нашей планете её обратную сторону.

Невероятное совпадение? Ну, не настолько. Как ни странно, но такого рода ситуации — довольно обычное дело в галактике. Говорят, что Луна находится в приливном захвате у Земли (или, на как говорят астрономы, синхронизирована). В нашей солнечной системе многие луны находятся в приливном захвате у своих планет, тогда как другие находятся в более сложных приливных отношениях, известных как орбитальные резонансы. Также возможно, что планета будет находиться в приливном захвате у своей звезды, особенно если расстояние между ними невелико. Мы считаем, например, что все семь планет размером с Землю, вращающиеся вокруг звезды TRAPPIST-1 (см. главу 13), находятся в приливном захвате, и в качестве исторического экскурса скажем, что мы привыкли считать, будто Меркурий всегда обращён к Солнцу одной и той же стороной, прежде чем точные измерения его вращения доказали, что это представление ошибочно.

Как подразумевает само название явления, Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной из-за действия приливов и отливов. Мы привыкли думать о приливах и отливах на Земле как явлении, связанном с океанами. Любой, кто проводил время у морского берега, знает, что каждый день бывает два прилива, а услышав слово «прилив», мы автоматически думаем о повышении и снижении уровня воды. Мы знаем, что эти океанские приливы вызваны силой тяготения Луны и, в меньшей степени, силой тяготения Солнца.

Однако на нашей планете существует другой вид приливов, который столь же регулярен, как и океанские, но далеко не так хорошо известен. Чтобы понять это утверждение, вы должны осознать, что, где бы вы ни находились, два раза в день земля под вами поднимается и опускается чуть менее чем на 1 фут (около 30 см) во время так называемого земного прилива или смещения уровня поверхности. Подобно океанским приливам, земные приливы на нашей планете вызваны силой притяжения Луны. Обычно мы их не замечаем, потому что подвергшаяся её действию область планеты имеет тысячи миль в поперечнике. Например, если поверхность большей части континентальной территории Соединённых Штатов поднимается на 1 фут или около того в течение многих часов, по сути, никаких заметных эффектов не наблюдается — в действительности же земной прилив можно обнаружить лишь очень чувствительными научными приборами. (Например, учёные, работающие с Большим Адронным Коллайдером в Швейцарии должны учитывать земные приливы при выполнении тонких настроек своей машины.)

Если Луна может вызывать приливы и отливы на Земле, то из этого следует, что гравитационное воздействие Земли может вызывать приливы и отливы на Луне, и это именно то, что приводит к приливному захвату. Подобно поверхности Земли, поверхность Луны в некоторой степени эластична. Он реагирует на силу притяжения Земли, слегка перемещаясь вверх и вниз, когда Земля проходит над ней. Это создает так называемую приливную волну. Волна всегда находится под Землёй и по мере вращения Луны перемещается по её поверхности, так что разные части Луны приподнимаются в разное время.

Ещё одно следствие земной гравитации, хотя и менее очевидное, заключается в создании на поверхности Луны второй приливной волны в месте, прямо противоположном тому, что находится напротив Земли. Самый простой способ представить себе этот момент — сказать, что гравитация Земли оттягивает поверхность Луны от основного тела Луны с одной стороны и оттягивает основное тело Луны от поверхности с другой. (Кстати, существование аналогичной второй приливной волны, создаваемой Луной на нашей собственной планете, приводит к тому, что океаны Земли демонстрируют два прилива в день, а не один.)

Можно представить две приливных волны Луны как «ручки», за которые может ухватиться земная гравитация. Если бы Луна вращалась быстрее, чем раз в месяц (т. е. поворачивалась бы вокруг своей оси больше одного раза за время, необходимое для облёта Земли), суммарный эффект земной гравитации заключался бы в замедлении вращения — как будто Земля схватилась за эти ручки и тянет назад. Точно так же, если бы Луна вращалась медленнее, Земля схватилась бы за ручки и ускорила её движение. Таким образом, конечным результатом этого является то, что на протяжении всей истории существования системы Земля-Луна Луна стала делать всего лишь один поворот в месяц и всегда обращена к нам одной и той же стороной.

Приливный захват может возникать всякий раз, когда меньший объект вращается на орбите вокруг большего, особенно если орбита меньшего объекта близка к нему, и потому силы притяжения велики. Многие из обнаруженных нами экзопланет расположены близко к своей звезде, поэтому мы ожидаем, что как минимум некоторые из них будут находиться в приливном захвате. Каковы были бы условия на такой планете? Оказывается, в зависимости от особенностей строения планеты и звезды существует множество интересных возможностей.

Сумеречная зона

Наиболее очевидным последствием приливного захвата является то, что обращённая к звезде поверхность планеты будет очень горячей, тогда как сторона, обращённая в космос, будет очень холодной. По сути, поверхность планеты будет наполовину раскалённой пустыней, наполовину замёрзшей тундрой. Однако между этими двумя крайностями будет находиться упомянутая выше переходная зона: тонкая полоса, вытянутая в направлении север-юг, где температура может поддерживать присутствие жидкой воды. Эта переходная зона со всей очевидностью является первым из мест для поиска признаков жизни, похожей на нас.

Если бы вы находились в переходной зоне, то оказались бы в странном окружении. Солнце всегда будет на горизонте, готовое к рассвету или закату, который никогда не наступит. Если отойти от неё слишком далеко в сторону звезды, то окажешься в жаркой пустыне. Отойди от неё слишком далеко в другую сторону — и ты замёрзнешь. С вашей точки зрения, жизнь была бы явлением, ограниченным строгими рамками, привязанным к узкой полосе, опоясывающей планету.

А ещё здесь будут дуть ветры. Один из основных законов физики, второй закон термодинамики (см. главу 2), заключается в том, что тепло перетекает из жарких областей в холодные. На Земле разница температур между тропиками и полюсами относительно небольшая, и имеет место вращение планеты, которое управляет циркуляцией атмосферы и великими океанскими течениями. Представьте себе, что Гольфстрим и господствующие погодные условия — это попытки Земли привести температуру на всей планете к одинаковому значению.

У находящейся в приливном захвате планеты разница температур между обращённой к звезде и обращённой к космосу сторонами будет огромной по сравнению с таковыми на Земле — вероятно, порядка сотен градусов и более. Хотя конкретные особенности будут зависеть уже от географии Гало и расстояния от звезды, можно предположить некоторые общие особенности ветров на планете. Можно ожидать, что газы на стороне, повёрнутой к звезде, будут скорее нагреваться и подниматься, в то время как газы на стороне, обращённой в космос, будут охлаждаться и опускаться. Это создаст общую схему циркуляции, при которой высотные ветры дуют к стороне, обращённой в космос, и одновременно поток холодных ветров возвращает воздух на сторону, обращённую к звезде, на меньших высотах.

Циркуляция воздуха наподобие описанной, когда тёплый воздух поднимается на экваторе и опускается на полюсах, наблюдалась бы и на Земле, если бы планета не вращалась. Она называется ячейкой Хэдли в честь британского метеоролога Джорджа Хэдли (1685-1768), который впервые предложил её в качестве объяснения механизма возникновения пассатов. (Мимоходом отметим, что крупное британское исследовательское учреждение, занимающееся изучением изменений климата, называется Центром Хэдли в его честь.)

Если бы температура была единственной движущей силой циркуляции атмосферы Земли, то на ней существовало бы всего лишь две ячейки Хэдли, в которых тёплый воздух поднимался бы на экваторе, двигался на север в Северном полушарии и на юг в Южном полушарии и опускался бы на полюсах, а более холодный воздух возвращался бы к экватору вдоль поверхности планеты. Поверхностные ветры всегда дули бы с севера в Северном полушарии и с юга в Южном. Конечно, наша планета устроена совсем не так. В действительности на Земле существует три типа атмосферных ячеек: пассаты, дующие с востока на запад вблизи экватора; господствующие западные ветры, дующие с запада на восток в средних широтах; и полярные восточные ветры, дующие, как и пассаты, с востока на запад в Арктике и Антарктике. Эта сложная структура обусловлена вращением Земли. На самом деле, чем быстрее вращается планета, тем больше образуется подобных разграничений. Многочисленные полосы, которые мы видим, например, на Юпитере, частично объясняются тем фактом, что юпитерианский день длится всего 10 часов.

Однако приливный захват Гало означает, что её вращение будет относительно медленным — в конце концов, она делает лишь один оборот за весь свой «год». Поэтому мы ожидаем, что основной движущей силой циркуляции атмосферы будет разница температур между полушариями, обращёнными к звезде и в космос, причём, чем больше будет разница, тем быстрее станут дуть ветры. Расчёты показывают, что на планете, расположенной вблизи её звезды, эти ветры, безусловно, были бы сверхзвуковыми — возможно, достигающими скорости 15 Махов[10] — гораздо быстрее, чем любые ветры в нашей солнечной системе. Основываясь на этой общей схеме атмосферных течений, мы могли бы ожидать, что на атмосферу будут накладываться всевозможные осложнения, подобно тому, как струйные течения и ураганы на Земле накладываются на простую циркуляцию Хэдли.

Существует ещё одно важное следствие разницы температур на Гало. Мы ожидали бы, что любая вода на стороне, обращённой к звезде, быстро испарится из-за высокой температуры. Затем ветры отнесут её на сторону, обращённую в космос, где из-за низких температур она выпадет в виде снега или льда. Таким образом, сторона, обращённая в космос, будет покрыта слоем льда, толщина которого будет зависеть от количества воды на планете (см. в главе 8 обсуждение механизмов накопления планетарной воды в контексте водных миров). Если бы на Гало было много поверхностных вод, как на Земле, то её космическую сторону мог бы покрыть ледник толщиной во много миль, охватывающий всё полушарие. Если бы планета также была достаточно большой, чтобы поддерживать мантийную конвекцию, то её сторона, обращённая в космос, была бы очень похожа на планету, которую в главе 6 мы назвали Айсхейм — с горячей магмой, поднимающейся изнутри через вулканические жерла. Это создало бы под ледником пузыри жидкой воды, где в принципе могла бы возникнуть жизнь. Таким образом, все замечания, которые мы сделали о развитии жизни и цивилизации в главе 6, применимы к подповерхностной стороне Гало, обращённой в сторону космоса.

Но даже после того, как на Гало образовался ледник, горячие ветры продолжали бы дуть. Тепло, переносимое со стороны, обращённой к звезде, может растопить ближайшую к переходной зоне часть ледяной кучи. Если бы всё случилось таким образом, вы могли бы представить себе тонкий океан жидкой воды в форме бублика вдоль внешнего края ледника, растянутого на всё полушарие, который образует ещё один ореол над тем, который даёт планете её название.

Если бы вы оказались в переходной зоне, то вы смогли бы увидеть по одну сторону узкого океана замёрзшую тундру, а по другую — раскалённую пустыню. На самом же деле, открывшееся вам зрелище может оказаться ещё драматичнее, чем это. По мере своего накопления на обращенной в космос стороне планеты, лёд начал бы всё больше напоминать антарктический ледяной покров на Земле. Под действием силы тяжести лёд вытекал бы из центра обращённого в космос полушария в виде могучих ледников. Когда ледники достигали бы берегов океана, от их массива откалывались бы куски, превращаясь в айсберги, как это происходит с ледниками на Земле. Вы будете стоять спиной к пылающей пустыне, слышать плеск волн рядом и наблюдать, как на воде появляются айсберги. Вот это зрелище!

Сильные ветры могли бы оказать два прямо противоположных воздействия на воды Гало. С одной стороны, они ускорили бы испарение с поверхности океана и перенесли бы образовавшийся пар на космическую сторону планеты, как уже говорилось выше. (Вы используете то же явление, когда дуете на что-то, чтобы обсушить это.) С другой стороны, чем сильнее ветер, тем больше будет таять ледник на обращённой в космоса стороне, и тем больше воды будет поступать в переходную зону. В зависимости от того, какой из этих эффектов победит в перетягивании каната, жидкая вода Гало может представлять собой что угодно — от глубокого моря, покрывающего всю переходную зону, до случайной струйки, которая быстро испарялась бы в бесплодной пустыне. Поскольку нас интересует развитие жизни, в дальнейшем мы предположим, что на планете присутствует океан, опоясывающий её всю.

Выполнив наш обычный приём «следования за водой» и исследовав причудливую окружающую среду Гало, мы воспользуемся моментом, чтобы обсудить ещё одну особенность, которую мы можем обнаружить на планетах, находящихся в приливном захвате, — особенность, которая может быть важна для жизни, не похожей на нас.

Кремниевый цикл

Мы знаем, что на Земле Солнце испаряет воду из океанов, и что эта вода в итоге выпадает в виде дождя или снега и возвращается обратно в океан. Это то, что мы называем гидрологическим циклом или круговоротом воды. Одна из самых интересных вещей, которая может произойти на планете, находящейся в приливном захвате, заключается в том, что, по аналогии с гидрологическим циклом на Земле, здесь может сложиться цикл, в котором задействованы минералы на основе кремния.

Представьте себе, если хотите, планету в приливном захвате, у которой обращённая к звезде сторона становится настолько горячей, что камни на её поверхности плавятся. Если бы они состояли из кремниевых минералов, у нас мог бы возникнуть жидкий океан из этих материалов на, обращённой к звезде стороне планеты. (Для справки, температура плавления чистого кремния составляет 2577° F, или 1414° C, тогда как температура плавления диоксида кремния, обычного минерала, составляет 3110° F, или 1710° C.) Часть этой жидкости испарится и, попав в атмосферу, будет унесена ветром на сторону, обращённую в космос. Оказавшись там, она замёрзнет.

Иными словами, на стороне планеты, обращённой в космос, пошёл бы «снег» из твёрдых каменных «снежинок».

Мы можем представить себе процессы, которые вернули бы этот твёрдый кремний обратно в жидкий океан — вероятно, процессы, которые по своей природе являются геологическими, как тектоническая активность на нашей планете. Дело в том, что мы легко можем представить себе «кремниевый цикл». Мы обсудим возможность жизни на основе кремния в главе 15, но сейчас просто отметим, что кремниевый цикл, который мог бы существовать в мире в приливном захвате, мог бы стать местом протекания основных химических процессов, ведущих к появлению новой формы жизни — той, которую мы назвали жизнью, не похожей на нас.

Недавние теоретические расчёты показали ещё один интересный аспект приливного захвата и возможность кремниевого цикла. Под руководством одного из нас (М. С.) студент-стипендиат Джорджа Мейсона Прабал Саксена исследовал, как кремниевые «снежинки», описанные нами выше, могут повлиять на вращение планеты, если они накопятся на стороне, обращённой в космос. Если бы механизм возврата кремния на солнечную сторону отсутствовал, возник бы эффект, аналогичный тому, что происходит в несбалансированной стиральной машине во время цикла отжима. Сдвиг массы «разблокирует» вращение планеты, и планета начнёт поворачиваться таким образом, что сторона, обращённая к звезде, развернётся в космос, и наоборот.

Интересной особенностью этого процесса разблокировки будет то, что ждать его результатов нужно будет всего лишь несколько десятков тысяч лет, тогда как для попадания планеты в приливный захват требуются миллионы лет. Таким образом, на некоторых планетах может происходить постоянная гравитационная битва. На протяжении миллионов лет планета будет двигаться в сторону состояния приливного захвата, но едва это случится, её вновь раскрутит сдвиг массы.

Особенно необычная вариация этой темы может иметь место, если параметры системы окажутся «в самый раз». Планета может выглядеть находящейся в приливном захвате, если смотреть на неё в течение короткого промежутка времени, но если наблюдать за ней в течение тысяч лет, то на самом деле она будет медленно вращаться. Это вращение заставило бы переходную зону медленно перемещаться по поверхности планеты. Что делает эту возможность интересной, так это то, что она заставит живых существ в переходной зоне постоянно сталкиваться с новыми экологическими проблемами. Многие палеонтологи считают, что именно такого рода экологические проблемы привели к развитию человеческого разума на Земле. Например, когда пышные тропические леса Африки начали высыхать и превращаться в саванну, те из наших предков, которые выработали прямохождение, имели преимущество, потому что могли перемещаться с одного участка леса на другой легче, чем другие гоминиды. Это освободило их руки для использования инструментов и, как утверждается, привело к последующему значительному увеличению размера мозга. Существо из переходной зоны столкнулось бы с теми же проблемами, потому что сама зона перемещалась бы по равнинам и горам. Можно ли позволять отстать разуму и технологиям?

Жизнь, разум и технологии

На Гало мы сталкиваемся с ситуацией, которая аналогична обнаруженной нами в водных мирах из главы 8, где есть два места, в которых может развиться жизнь. В данном случае одно из них — это водяные пузыри вокруг горячих источников подо льдом на обращённой в космос стороне планеты, а другое — это океан в переходной зоне. Давайте рассмотрим их по отдельности.

Развитие жизни, разума и технологий в среде, особенности которой определяют слои льда и горячие источники, обсуждалось в главе 6. Основной довод состоит в том, что на Земле многоклеточная жизнь развилась вокруг горячих источников срединно-океанических хребтов, и мы ожидаем, что, какой бы процесс там ни происходил, он может повториться вокруг аналогичных источников на Гало. Кроме того, нет никаких оснований предполагать, что тот тип разума и технологии, который мы обсуждали для Айсхейма (помните трубу?) не смог бы развиться также и подо льдом на Гало. Условно предположим, что всё так и произошло. Каковы же будут последствия?

На Айсхейме, как только цивилизации с гидротермальных источников начнут исследования, они смогут достичь наружной поверхности льда лишь одним способом — двигаясь вверх. С другой стороны, цивилизации из горячих источников на Гало, в дополнение к поиску края своего мира путём движения вверх, могли бы найти его край, двигаясь вбок. Иными словами, они могли бы вырваться из слоя льда в переходной зоне. Выход в океан Гало был бы проще, чем выход в атмосферу над обращённой в космос стороной планеты, так что это один из способов, которыми можно было бы заселить океан переходной зоны.

Но существует и иная возможность, и она заключается в том, что жизнь может развиться в океане на Гало так же, как, по мнению некоторых учёных, она развивалась на Земле. Несмотря на свою несколько необычную географию, этот океан вполне мог обладать всеми свойствами, необходимыми для развития жизни. Повсеместное присутствие сильных ветров может несколько изменить процесс Миллера-Юри, но нет оснований полагать, что он будет остановлен. Например, молекулы в атмосфере могут быть сдуты на слой льда и вернуться в океан в процессе таяния, вместо того, чтобы упасть прямо в воду. Кроме того, география планеты могла бы легко создать множество версий дарвиновского «маленького тёплого водоёма», где могла бы развиваться жизнь (хотя здесь не было бы океанских приливов, чтобы концентрировать органический материал).

Обращая внимание на жизнь в переходной зоне, мы отмечаем, что основной характеристикой окружающей среды будут сильные ветры, дующие со льда в сторону, обращённую к звезде. Мы можем представить себе несколько способов, позволяющих справиться с такими сильными ветрами. Например, живые существа могут оставаться под землёй (или под водой). Если они эволюционируют на поверхности, то, вероятно, будут обладать обтекаемой формой и станут держаться у самой земли, возможно, напоминая приземистых жуков. Ветер может даже сыграть определённую роль в продолжении рода. Мы знаем, что на Земле некоторые организмы вроде устриц используют движение воды для переноса гамет с места на место, а распространение растениями пыльцы при помощи ветра — это обычное дело. Аналогичным образом жизнь на поверхности Гало может использовать ветры для распространения репродуктивных материалов по переходной зоне.

Ещё ветры были бы основным источником энергии для какой-то технологической цивилизации. Вполне вероятно, например, что инженеры Гало разработали бы ветряную мельницу задолго до того, как создадут паровую машину. Несомненно, они очень хорошо научились бы проектировать сооружения, способные выдерживать сильные ветры, и не было бы причин, по которым они не могли бы строить телескопы и развивать астрономическую науку — при условии, что приборы хорошо защищены.

Самым интересным аспектом развития жизни на Гало может оказаться сравнение тех живых организмов, что развивались под ледяным покровом на стороне, обращённой в космос, с теми, кто развивался в переходной зоне. В зависимости от толщины ледяного покрова основной план строения на Гало может породить организмы, которые могли бы легко приспособиться к средам обитания друг друга. По сути, для них переселение из переходной зоны в область под слоем льда может мало чем отличаться от переселения с уровня моря на вершину высокой горы для людей на Земле. Таким образом, «ледяные существа», прокладывающие туннели в переходную зону, и «существа переходной зоны», прокладывающие туннели в лёд, легко могут столкнуться друг с другом.

Если верно утверждение о тенденции естественного отбора к порождению агрессивных видов, которое мы представили в предыдущей главе, то эти столкновения могут быть далеко не мирными. С другой стороны, эти две группы, вероятно, будут обладать взаимодополняющими способностями. Ледяные существа, подобно уроженцам Айсхейма, хорошо показали бы себя в горнодобывающей промышленности и металлургии, в то время как существа переходной зоны добились бы успехов в использовании энергии ветров планеты. Эти две группы могли бы прийти к взаимовыгодному соглашению. В любом случае, их встреча послужила бы отличной основой для научно-фантастического рассказа.

Майк и Джим

Майк: Я вижу, астрономы обнаружили планеты, расположенные так далеко, что они не находятся в приливном захвате.

Джим: Ты имеешь в виду, что они просто свободно вращаются и не повёрнуты к своему солнцу одной и той же стороной?

М.: Именно так и говорят ребята из обсерватории.

Дж.: Какая бы это была странная природная среда. Я имею в виду, что едва часть планеты получит чуточку тепла от солнца, вращение перенесёт его на другую сторону, и оно рассеется.

М.: Да, и это означает, что никогда не удастся создать достаточной разницы температур, чтобы получить ветер приемлемой силы, и потому там просто не было бы гидросферы!

Дж.: А как же можно жить без ветра? Как можно перемещать материалы? Это становится совершенно бессмысленным.

М.: И даже если бы примитивная жизнь всё-таки была, она бы никогда не разработала передовых технологий — как же можно было бы вырабатывать электричество без быстрых ветров и ветряных мельниц?

Дж.: Это точно.