Воображаемая жизнь - читать бесплатно онлайн полную версию книги автора Джеймс Трефил (14 ЕСЛИ ВЗГЛЯНУТЬ ПОБЛИЖЕ ВСЁ СТАНОВИТСЯ ЕЩЁ БОЛЕЕ СТРАННЫМ) #16

14 ЕСЛИ ВЗГЛЯНУТЬ ПОБЛИЖЕ ВСЁ СТАНОВИТСЯ ЕЩЁ БОЛЕЕ СТРАННЫМ

Мы исследовали возможность развития жизни в целом ряде воображаемых миров разного рода. Однако в галактике с почти бесконечным разнообразием это даже не оставило бы царапинки на поверхности планет, которые на самом деле могут существовать в ней. Тем не менее, чтобы подчеркнуть, что воображение может быть лучшим инструментом для исследования галактики, в этой главе мы подробно рассмотрим некоторые реально открытые миры, похожие на те миры, которые мы обсуждали в предыдущих главах. Мы начнем с водного мира, похожего на тот, который в главе 8 мы назвали Нептунией, затем перейдём к некоторым большим планетам, вроде той, что в главе 12 мы назвали Здоровяком. Наконец, мы поговорим о целой галерее планет-сирот вроде той, которую мы окрестили Одиночкой в главе 11.

Gliese 1214 b: водный мир

По состоянию на сегодняшний день экзопланеты в большинстве своём были открыты при помощи космических телескопов — таких, как космический аппарат «Кеплер» (см. главу 11). Однако одна из самых изученных экзопланет, Gliese 1214 b, о которой мы упоминали в главе 8, была открыта в декабре 2009 года проектом MEarth. Это наземный массив из восьми идентичных телескопов, который следит примерно за 2000 звёзд из числа красных карликов в поисках прохождений планет.

Как отмечалось в предыдущей главе, присвоение имён экзопланетам — это странное дело. Оно начинается с указания звезды, затем каждой из экзопланет вокруг неё присваивается буква в порядке открытия, причем буква A зарезервирована для самой звезды. Таким образом, Gliese 1214 b является первой планетой, обнаруженной на орбите 1214-й звезды по каталогу ближайших к нам звёзд, составленному Вильгельмом Глизе. (Возможно, вы помните, что в главе 12 мы обсуждали Gliese 876 d.)

Звёзды из числа красных карликов невелики — обычно их масса не превышает 30 процентов от массы нашего Солнца. Они составляют почти 40 процентов звёзд в нашей галактике и, следовательно, вполне могут быть самым распространённым типом светил, вокруг которых вращаются планеты. Для наших целей важнейшей особенностью красных карликов является то, что они проявляют значительную звёздную активность (солнечные пятна и солнечные бури), и потому время от времени купают свои планеты в интенсивных потоках ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

Gliese 1214 находится примерно в 42 световых годах от Земли. Её масса достигает примерно одной шестой массы нашего Солнца, а температура поверхности составляет около 4900°F (2700°C). Возраст системы Gliese 1214 оценивается в 6 миллиардов лет, или примерно на 30 процентов старше нашей Солнечной системы.

Gliese 1214 b — суперземля с массой, примерно в 6,55 раз превышающей массу Земли. Однако её плотность составляет лишь около трети от плотности нашей планеты — ненамного больше плотности воды. Таким образом, у Gliese 1214 b, скорее всего, есть небольшое ядро из металла и камня, но мантия состоит в основном из воды, как у мира, который мы назвали Нептунией в главе 8.

Поскольку средняя плотность экзопланеты является таким важным показателем её структуры, стоит сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, как её можно рассчитать. Радиус планеты (и, следовательно, её объём) можно определить по величине затемнения, наблюдаемого, когда планета проходит перед своей родительской звездой. Массу планеты можно определить, измерив, насколько сильно её гравитация притягивает звезду. Поскольку плотность — это просто масса, поделённая на объём, при помощи этих двух измерений мы можем рассчитать плотность планеты. Результат для Gliese 1214 b: плотность примерно в 1,87 раза больше, чем у воды.

Начав с внешнего слоя водного мира Gliese и двигаясь внутрь, вначале мы встретим воду в виде пара из-за высокой температуры поверхности планеты — она находится очень близко к своей звезде. На поверхности вода будет существовать в виде горячего кипящего океана, глубина которого может составлять, возможно, 70 миль (около 100 км) или более. На более глубоких уровнях, где давление ещё выше, как обсуждалось в главе 7, мы обнаружили бы воду в виде льда. Это даёт образ планеты, который чем-то напоминает луковицу с многочисленными слоями кожицы, в каждом из которых вода находится в фазе, отличной от соседних слоёв. Каждый слой также будет обладать уникальными химическими свойствами, а также собственным типом энергетики, химии и даже «океанографии».

Поскольку Gliese 1214 b состоит в основном из воды, она должна была образоваться достаточно далеко от своей центральной звезды, чтобы у неё была возможность удерживать воду, накопленную на этой стадии. То есть, планета должна была образоваться за пределами того, что мы можем назвать снеговой линией звезды — за тем местом, где температура окружающей среды опускается ниже точки замерзания воды. В противном случае её жидкая вода и водяной пар были бы сдуты, как это случилось в ходе формирования планет земной группы в нашей системе, в том числе Земли. Однако по какой-то неизвестной причине Gliese 1214 b не превратилась в газового гиганта наподобие Юпитера или Сатурна. Вместо этого она, видимо, переместилась внутрь, на свою нынешнюю близкую к звезде орбиту, уже после того, как сформировалась.

Это означает, что на протяжении времени своего существования планета испытала огромные изменения количества звёздного света (энергии), который она получала от центральной звезды, а это, в свою очередь, подразумевает, что она пережила эволюцию климата в невиданных на Земле масштабах. Иными словами, атмосфера, которую мы видим сегодня на Gliese 1214 b, — это не та атмосфера, которая была там вначале.

Расчёты показывают, что температура поверхности Gliese 1214 b составляет от 250° до 540°F (от 120° до 280°C). Поскольку гравитация на её поверхности составляет около 90 процентов от земной, атмосфера удерживается на её поверхности так же, как атмосфера Земли удерживается на поверхности нашей планеты. Мы ожидаем, что на Gliese 1214 b будут бури и погодные явления, связанные с низким и высоким давлением. Наконец, анализ её спектра показывает, что у неё есть облачный покров по всей поверхности на очень большой высоте.

Есть ещё один вывод, который мы можем сделать на основании исследований Gliese 1214 b. При помощи наших современных косвенных методов обнаружить большие планеты, вращающиеся вблизи своей центральной звезды, значительно легче, чем маленькие планеты, вращающиеся вдали от неё. Таким образом, существование близкого к звезде водного мира вроде Gliese 1214 b предполагает, что вполне может существовать масса водных миров меньших размеров и более прохладных, расположенных дальше от своих звёзд. Миры, которые мы назвали Айсхейм и Новая Европа, могут быть примерами этой ещё не открытой группы планет. Их обнаружение требует более совершенных астрономических методов.

Kepler-10с: супер-суперземля

Примерно в 540 световых годах от нас, в созвездии Дракона находится система, в которой самая большая из известных землеподобных планет вращается вокруг очень похожей на наше Солнце звезды под названием Kepler-10 (так назван центр 10-й планетной системы, существование которой подтвердил спутник «Кеплер»).

Самый последний анализ показывает, что звезде и её системе около 10 миллиардов лет, или она примерно на 5,5 миллиарда лет старше нашей Солнечной системы. Уже одно это делает любые планеты вокруг Kepler-10 особенно интересными, потому что любые процессы, происходящие там, будь то физические, химические или биологические, должны были протекать на 5,5 миллиарда лет дольше, чем на Земле.

Первая планета, обнаруженная в этой системе, Kepler-10b, представляет собой мир расплавленной лавы, который вращается вокруг центральной звезды с периодом около 19 земных часов. Масса Kepler-10b в 3,7 раза превышает массу Земли, а её средняя плотность мало отличается от земной. Это говорит о том, что она состоит из металлов и скального материала, почти как Земля, и это относит её к категории суперземель, подобно планете, которую мы окрестили Здоровяком (см. главу 12). Как мы уже говорили, суперземли — достаточно обычное явление в галактике.

Однако в системе Kepler-10 есть планета, которая не столь обычна и фактически может быть уникальной среди тысяч экзопланет, открытых на сегодняшний день. Kepler-10с (вторая планета, обнаруженная на орбите вокруг Kepler-10) имеет массу, примерно в 14 раз превышающую массу Земли, и плотность, близкую к земной. Модели предполагают, что планета имеет либо газообразную атмосферу, либо жидкий океан, но для этого требуется внешняя оболочка либо из газообразного водорода и гелия, либо из водного океана. Kepler-10с — самая большая планета земного типа, о которой мы знаем.

Kepler-10c находится очень близко к своей центральной звезде, поэтому перспективы жизни земного типа там не очень хорошие — равновесная температура для планеты, по расчётам, составляет около 400°F (200°C). С другой стороны, основные потребности для жизни, которые в целом общеприняты — жидкая вода, полезная энергия, питательные вещества — явно находятся в изобилии. Кроме того, из-за больших размеров Kepler-10c, на её поверхности, вероятно, часто происходят извержения вулканов, а деятельность вулканов в условиях плотной атмосферы или океана будет выбрасывать в окружающую среду газы и более тяжёлые элементы, которые, предположительно, могут служить питательными веществами.

Если внешние области Kepler-10c состоят в основном из водорода и гелия, они могут породить интересные эволюционные адаптации для продвинутых форм жизни: летающих существ, которые могли бы, например, «плавать» в атмосфере так же, как рыбы плавают в наших океанах. Возможно, на Kepler-10с могли бы эволюционировать как плавающие, так и летающие существа — первые в океане, а вторые — в атмосфере.

HD 69830: суперземли и мега-земли

Примерно в 41 световом году от нас, в северо-восточной части созвездия Кормы, находится система, в которой три чрезвычайно большие планеты вращаются вокруг звезды, очень похожей на наше Солнце. «Корма» (лат. Puppis) буквально обозначает «ют» — крышу над каютой, построенной в задней части корабля, используемую в качестве помоста. Корма когда-то была частью более крупного созвездия под названием «Корабль Арго», которое представляло корабль Ясона и аргонавтов из греческой легенды.

Звезда в интересующей нас системе обозначена как HD 69830 — это указывает на то, что она является 69 830-й звездой в каталоге, созданном американским астрономом Генри Дрейпером (1837-82). HD 69830 немного меньше нашего Солнца и имеет возраст около 7,5 миллиардов лет — примерно на 3 миллиарда лет старше нашей солнечной системы.

Две внутренних планеты в системе HD 69830 обладают массами, примерно в 10 и 12 раз превышающими массу Земли, а масс самой внешней планеты в 18 раз превышает массу Земли. (Для справки: масса Урана и Нептуна, соответственно, в 15 и 17 раз больше массы Земли.) Их состав варьирует от преимущественно камня и металла для двух самых внутренних до непонятной смеси камня, металла и воды для третьей. Планеты HD 69830 не имеют аналогов в нашей солнечной системе. Две внутренние планеты вписываются в категорию, которую в главе 12 мы назвали суперземлёй, в то время как третья и самая большая вполне может быть примером категории, которую астрономы начинают обозначать как мегаземли.

Высокие температуры в двух внутренних мирах исключили бы существование жидкой воды на их поверхности. Считайте их горячими Нептунами. Самая большая планета находится достаточно далеко от звезды, чтобы жидкая вода сохраняла стабильность на её поверхности, поскольку она находится прямо внутри классической ЗООЗ. Давайте обратим внимание на эту планету — на ту, что называется HD 69830 d.

Есть две модели, которые одинаково хорошо соответствуют имеющимся у нас данным об этой планете. Можно предположить, что HD 69830 d является примером огромного водного мира. Мир этого типа обладает небольшим металлическим ядром, окружённым глубокой водной мантией, поверх которой находится плотная атмосфера из водорода и гелия или водяного пара. Другая возможность состоит в том, что внутренняя часть планеты гораздо больше похожа на Землю, с железно-никелевым ядром, окружённым богатыми кремнием минералами. В этом случае на её поверхности могут находиться океаны жидкой воды, а в атмосфере много углекислого газа и водяного пара.

Какая бы из этих моделей ни оказалась правильной, ясно, что HD 69830 d обладает жидкой водой в изобилии, полезной энергией в виде солнечного света и, возможно, химической энергией в глубоководных океанских горячих источниках, а также сырьём, необходимым для развития жизни. Главной необычной особенностью её окружающей среды является интенсивная сила притяжения на её поверхности. Однако маловероятно, что это повлияет на развитие живых клеток в океане на поверхности планеты. Таким образом, HD 69830 d может превратиться в то, что мы называем миром зелёной тины. Однако мы ожидаем, что внешний вид наземных организмов, если они появятся в процессе эволюции, будет примерно таким же, как у приземистых форм жизни, которые мы обсуждали в главе 12 для Здоровяка. Поскольку выталкивающая сила будет, как минимум, отчасти противодействовать гравитации планеты, формы жизни в жидкой воде могут не сильно пострадать от большого размера HD 69830 d — иными словами, появятся обычные рыбы и коренастые динозавры.

В 2005 году космический телескоп «Спитцер», орбитальная инфракрасная обсерватория, открыл кое-какую интересную информацию о планетах вокруг HD 69830. Похоже, что за пределами орбиты планеты d существует кольцо пыли — возможно, результат разрушения большого астероида. (Пыль обычно ярко выделяется в инфракрасном небе.) Звёздный свет, отражённый от этой пыли, создаст полосу света в небесах внутренних планет системы HD 69830, так что там наблюдатели увидят второй «Млечный Путь»: на их ночном небе будут находиться две пересекающиеся полосы света, а не одна, видимая с Земли.

Галерея миров-сирот

В последнее десятилетие стало ясно, что межзвёздная среда далеко не пуста. В главе 11 обсуждалось открытие первой межзвёздной кометы Оумуамуа. Теперь мы знаем, что в межзвёздном пространстве существует множество объектов. Большая часть мусора в межзвёздном пространстве, вероятно, находится в форме комет. Кроме того, существуют астероиды и крупные тела, очень похожие на объекты пояса Койпера нашей собственной системы (Плутон — яркий пример объектов такого типа). Более того, наши компьютерные модели говорят нам, что в начале истории нашей Солнечной системы, до того, как всё закрепилось на нынешних стабильных орбитах, из неё были выброшены целые планеты, и эти планеты по-прежнему должны где-то находиться.

Планеты, выброшенные в межзвёздную среду, назывались по-разному: «миры-изгои», «тёмные планеты», «планеты-невидимки», «планеты степных волков» (названные так потому, что в воображении некоторых астрономов любая жизнь в этих странных местах обитания существовала бы как одинокий волк, бродящий по галактической степи), но чаще всего используется название «свободно плавающие планеты». Мы называем их мирами-сиротами. Несколько таких планет должны возникать всякий раз, когда вокруг зарождающейся звезды формируется планетная система. Фактически, их могут быть сотни или тысячи на каждую из планет в нашей галактике, вращающуюся вокруг звезды. Если это правда, то миры-сироты, безусловно, являются самым распространённым типом планет, существующим в природе.

Как мы уже видели в главе 11, проблема, с которой мы сталкиваемся, — это наблюдение за такими мирами-сиротами. Они не светятся видимым светом, как звёзды, и находятся так далеко от звёзд, что не отражают сколько-нибудь заметного звёздного света, как планеты в солнечных системах. До настоящего момента было обнаружено лишь несколько однозначно определённых миров-сирот, но тот факт, что несколько из них всё же были обнаружены, несмотря на огромную сложность их обнаружения, говорит о том, что они действительно представляют собой довольно обычное явление.

PSO J318.5-22: Большой свободно плавающий мир

Обсерватория Pan-STARRS на Гавайях, та же самая, что открыла Оумуамуа, обнаружила несколько миров-сирот. Одним из самых интересных является PSO J318.5-22. Строка цифр относится к его положению в небе — для краткости мы будем называть его PSO 22. Этот объект находится примерно в 80 световых годах от нас — достаточно близко, чтобы можно было установить некоторые из его особенностей.

Масса PSO 22 примерно в 6,5 раза больше массы Юпитера. Поскольку для запуска ядерных реакций, создающих звезду, требуется масса, превышающая массу Юпитера в 15-20 раз, PSO 22 иногда называют субзвёздным объектом. Количество излучаемой им инфракрасной энергии указывает на то, что его температура составляет около 1800°F (900°C), что значительно выше температуры Юпитера, но значительно ниже диапазона, характерного для малых звёзд.

Одна из особенностей PSO 22, которая делает его таким интересным, заключается в том, что можно получить кое-какую информацию о его составе. В частности, в его атмосфере был обнаружен метан, а также пара щелочных элементов — натрий и калий. Таким образом, по составу мир может быть похож на Уран и Нептун.

Ещё одна интересная особенность PSO 22 обусловлена тем фактом, что его масса значительно больше, чем у Юпитера. Когда он был выброшен из планетной системы, где родился, он, скорее всего, забрал с собой большое количество местного мусора благодаря своей сильной гравитации. Эти обломки должны представлять собой материал, из которого формировались местные планеты, а также материал типа кометного и астероидного. Он также мог бы унести все луны, которые образовались вокруг него. Таким образом, PSO 22 является хорошим кандидатом в миры-сироты с собственной луной или лунами на его орбите.

CFBDSIR214947.2-040308.9: Планета-сирота, связанная со звёздным скоплением

Многие звёзды образуются внутри так называемых звёздных «яслей» — облаков, достаточно больших, чтобы породить звёзды в количестве от тысяч до миллионов. CFBDSIR214947.2-040308.9, которую мы будем сокращённо называть C9, представляет собой планету, которая сформировалась в окрестностях члена таких «яслей», а затем была выброшена в межзвёздное пространство. Она была обнаружена с помощью прибора, разработанного специально для поиска объектов, испускающих инфракрасное излучение, на больших участках неба.

C9 — очень молодой объект, возраст которого составляет всего от 20 до 200 миллионов лет. Он связан со скоплением звёзд, известным как AB Золотой Рыбы, примерно в 65 световых годах от Земли. Все звёзды в этом скоплении движутся в одном и том же общем направлении и поэтому, как полагают, сформировались все вместе примерно в одно и то же время. C9 движется вместе с группой AB Золотой Рыбы, что даёт нам очень веские доказательства в пользу того, что миры-сироты выбрасываются из планетных систем, когда эти системы только формируются. Это не говорит о том, что миры-сироты не могут быть выброшены в другие моменты истории планетной системы, но с учётом нашего понимания процессов формирования планет и эволюции ясно, что наиболее вероятным сценарием является выброс миров-сирот в эпоху формирования планет.

WISE J085510.83-071442.5: Свободно плавающий мир-изгой

Если C9 — это мир-сирота, который образовался в звёздном скоплении и всё ещё движется вместе с этим скоплением, то существуют и другие миры-сироты, которые не имеют явной связи ни с какими звёздными скоплениями. WISE J085510.83-071442.5, который мы будем сокращенно называть WISE-5, является прекрасным примером миров такого рода. WISE-5 был обнаружен с помощью телескопа НАСА WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer — Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь), который исследует большие участки неба в поисках слабых источников инфракрасного излучения.

Масса WISE-5 несколько неясна, но, вероятно, превышает массу Юпитера в 3-10 раз. Его температура низкая — возможно, до -70°F (-50°C). Возраст WISE-5 совершенно непонятен, но составляет не менее 1 миллиарда и меньше 10 миллиардов лет.

Расстояние от Земли до этого мира-сироты оценивается примерно в 7 световых лет. Для сравнения, ближайшие к нашей Солнечной системе звёзды находятся на расстоянии около 4 световых лет. Таким образом, WISE-5 станет отличным кандидатом для дальнейших наблюдений с помощью телескопов следующего поколения — таких, как TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и космический телескоп «Джеймс Уэбб» (см. главу 17). Вероятно, он находится достаточно близко к нашей солнечной системе, чтобы мы могли искать признаки наличия жизни.

Молодые обособленные объекты планетарной массы в звёздном скоплении Сигмы Ориона

В звёздном скоплении Сигма Ориона была обнаружена совокупность очень молодых, но обособленных планет. Эти миры-сироты обладают массой в пределах от 5 до 15 масс Юпитера, поэтому они слишком малы, чтобы запустить ядерный синтез и тем самым превратиться в звёзды. Однако температура их поверхности колеблется от 2800° до 3600°F (от 1400° до 1900°C), что гораздо выше, чем у планет-гигантов в нашей Солнечной системе. Эти миры-сироты представляют собой новый тип гигантских планет.

Звёздное скопление Сигма Ориона находится примерно в 1200 световых годах от Земли и отличается своей молодостью — ему всего от 1 до 5 миллионов лет. Считается, что формирование планет-гигантов в таких Солнечных системах, как наша, происходит в течение отрезков времени продолжительностью от 1 до 10 миллионов лет, поэтому данные миры-сироты, должно быть, были выброшены из своих родных систем на самом пике процесса формирования планет. Это подтверждает утверждение о том, что процесс формирования планет протекает весьма жёстко.

Как мы упоминали выше, благодаря своей большой массе подобные миры смогли бы унести изрядное количество материала туманности, из которой формировались планеты. Таким образом, у этих сбежавших планет могли бы быть собственные вращающиеся облака газа и пыли, из которых могли бы сформироваться луны. Такие системы лун могли бы оставаться пригодными для жизни до тех пор, пока приливные взаимодействия поддерживали бы их источники тепла, а это время могло бы растянуться на миллиарды лет.

MOA-2011-BLG-262Lb: Мир-сирота с небольшой луной на орбите

При использовании гравитационного линзирования (см. главу 11) была обнаружена система планет-сирот из двух объектов, среди которых более крупная планета представляет собой газовый гигант, а другая — луну, обращающуюся вокруг него. Эта система известна как MOA-2011-BLG-262Lb, которую мы будем сокращённо называть MOA-b. Считается, что масса газового гиганта примерно в четыре раза превышает массу Юпитера, а луна должна быть меньше Земли. Помимо этого, о системе MOA-b известно не так много. Её значение в данном случае заключается в том, что, если эти наблюдения точны, данная система является доказательством того, что у планет-сирот могут быть собственные луны. Если учесть сложность использования гравитационного линзирования для обнаружения планет, факт находки системы «планета плюс луна» говорит о том, что их, ожидающих своего открытия, ещё очень много.