«Земля 2»: как найти планету, пригодную для жизни

Часто говорят, что энтропия растёт, то есть мировой беспорядок увеличивается и Вселенная меняется в сторону упрощения, распада и деградации. Мы знаем, что, если открыть в пустоте ёмкость с газом, молекулы разлетятся и вряд ли соберутся в первоначальную структуру.

Но в космосе нередко наблюдаются противоположные явления. Одна из самых распространённых «космических» реакций — синтез гелия из водорода, происходящий на Солнце и других звёздах. Таким образом, структура вещества усложняется. А облака газа не рассеиваются, а, напротив, принимают упорядоченные формы, образуют звёзды и планетные системы.

На самом деле энтропия — это жизнь. Стремление физических систем к переходу в состояние с наименьшей потенциальной энергией — источник движения материи и возникновения жизни. Какие формы примет это движение, зависит от обстоятельств. Рассеется ли газ, начнёт ли сжиматься — тут играют роль и масса, и температура, и множество сторонних факторов. А когда карты случайно складываются в сильнейшую покерную комбинацию, зарождается клетка, способная превратиться во что-то гораздо большее. Например, в нас.

Орбита

Приведёт ли возрастание энтропии к появлению обитаемых планет, зависит от количества газа и пыли, рассеянных в космическом пространстве. Если материи достаточно много, гравитация так или иначе побеждает, и газопылевое облако начинает уплотняться, одновременно закручиваясь — по тем же причинам, по которым закручивается вода, стекающая в воронку. Оно стремится принять форму диска с утолщением в центре, так как центробежная сила, препятствующая гравитационному сжатию, направлена поперёк оси вращения. В глубине протозвёздной туманности рождается новое светило — температура и давление достигают величины, достаточной для запуска термоядерных реакций.

Периферийная же часть диска постепенно распадается на отдельные кольца, которые, остывая, сгущаются, превращаясь в поток небольших, подобных метеорам, тел. Затем мелкие фрагменты захватываются гравитацией более крупных, образуя нарастающие, как снежные комья, планетезимали. Последние, двигаясь по близким орбитам, сталкиваясь и поглощая друг друга, в конце концов становятся планетой…

Но это лишь первая группа необходимых условий. Для того чтобы планета получила шанс стать колыбелью жизни, она должна сформироваться в «обитаемой зоне», то есть не слишком далеко и не слишком близко от звезды. К сожалению, о границах этой зоны, именуемой порой «зоной Златовласки», наука чего-либо определённого сказать не может: слишком многое зависит от свойств самой планеты. Какова же вероятность, что землеподобная планета сформируется на нужном расстоянии от светила?

Модели, объясняющие расположение и массы планет Солнечной системы, показывают, что внутренняя часть газопылевого диска, образующегося на этапе формирования звезды, плотнее и содержит больше материала. Соответственно, чем дальше от светила, тем шире становятся протопланетные кольца — до тех пор, пока не оказываются настолько разреженными, что планетезимали перестают сталкиваться друг с другом, а планетоиды — слипаться в более крупные тела. В нашей системе это начинается за орбитой Нептуна, где располагаются лишь состоящий из малых ледяных тел пояс Койпера и облако Оорта.

Планеты-гиганты, согласно предсказаниям теории, должны возникать на средних дистанциях, где кольца ещё достаточно плотны, но уже очень широки. В Солнечной системе на формирование Сатурна и Юпитера повлиял и ещё один фактор: при формировании планет в район их орбит давлением солнечного ветра была вытеснена львиная доля газов из внутренней части диска. В свою очередь, на умеренных расстояниях от звезды формируются планеты земного типа.

Казалось бы, общая схема планетообразования благоприятствует развитию жизни. Звезда класса G не просто может, но и должна располагать одной или даже двумя силикатными планетами с радиусом орбит от 0.8 до 1.3 астрономических единицы, то есть комфортными для гуманоидов.

Но исследования экзопланет, широко развернувшиеся в последние годы, не подтвердили это предположение. Большинство обнаруженных планетных систем оказались куда компактнее нашей. Даже в наиболее похожей на «солнечную семью» системе 47 Большой Медведицы местный «Юпитер» (планета b) занимает место нашего Марса. Чаще же встречаются ещё более плотные системы, в которых газовые гиганты располагаются не в три, а в десять раз ближе к звезде.

К сожалению, в тесных системах пригодную для жизни планету неизбежно ожидает участь гипотетического Фаэтона, которому не позволил сформироваться могучий сосед — Юпитер. Перемешивая, разбрасывая и захватывая планетезимали, гигант оставил на месте пятой планеты системы лишь пригоршню обломков.

«Разреженная» Солнечная система оказалась исключением из правил. В обычной же планетной семье планеты-карлики, неспособные удержать водород и гелий, могут уцелеть лишь на дальней периферии.

Но тот факт, что планетные системы обнаружены только у каждой десятой звезды, оставляет некоторые надежды. Современные средства наблюдения лишь изредка способны зарегистрировать планеты земного типа, а образование протопланетного диска в процессе рождения звезды является установленной закономерностью. Так что видимое «отсутствие планет» почти наверняка означает, что возле светила нет газовых гигантов и система состоит лишь из сравнительно мелких тел. Например, из планет, подобных Земле.

Обитаемые луны

«Колыбелями жизни» вполне могут стать крупные спутники планет-гигантов. Претендент уже есть — это Европа. Планет, подобных Юпитеру, в галактике много, лун на их орбитах ещё больше, и преимущества по сравнению с «самостоятельными» планетами последние имеют существенные.

Во-первых, гравитация близлежащего колосса позволит даже небольшой планете сохранить свои недра разогретыми. Это обеспечит плотную атмосферу, магнитный барьер на пути космических частиц и восполнение запасов воды. Во-вторых, оказавшийся в «обитаемой зоне» газовый гигант не только не воспрепятствует, но даже поможет формированию планеты земного типа — если она является его спутником. В-третьих, луна на орбите планеты-гиганта синхронизирует своё вращение с ним, а не со звездой. Сутки, таким образом, не растянутся на бесконечность, а будут равны, скажем, месяцу, что вполне выносимо. Хотя в этом случае обитателям может досаждать, например, 80-метровая приливная волна, вызываемая гравитацией звезды.

Вопрос, может ли газовый гигант обладать спутником размером с Землю, остаётся открытым: подтверждённых примеров не существует. Зато фантасты за идею ухватились давно и прочно: и Пандора из «Аватара», и родина эвоков из «Звёздных войн» — спутники планет-гигантов.

Светило

Какой должна быть звезда, в окрестностях которой есть шанс найти обитаемую планету? Светила, масса которых превосходит солнечную в два и более раза, следует исключить сразу. Чем тяжелее звезда, тем выше давление в её недрах, тем интенсивнее протекают в ней термоядерные реакции. Продолжительность жизни звезды снижается примерно в кубе относительно роста её массы, а светимость возрастает в четвёртой степени. Поэтому звёзды-гиганты взрываются уже через несколько миллионов лет после рождения.

Вдвое более массивная, чем Солнце, звезда сможет согревать планеты около миллиарда лет. Для возникновения примитивных форм жизни это вполне достаточный срок, но — только на первый взгляд. Нужно учитывать: с возрастом термоядерное пламя разгорается сильнее, водород превращается в гелий, ядро звезды уплотняется, давление нарастает, и реакции синтеза протекают всё интенсивнее (например, светимость Солнца за 4 миллиарда лет увеличилась на 40%). В момент зарождения жизни наша планета находилась на внешней границе «обитаемой зоны». Теперь же она вплотную приблизилась ко внутренней границе. Уже через 500-700 миллионов лет моря закипят. Так что конец света всё-таки случится.

Фактически лишь возле звёзд не тяжелее 1,5 солнечной массы может возникнуть жизнь. А чтобы она успела выйти на сушу и приобрести разум, требуется звезда, не более чем на 10% превосходящая массой наше светило. Солнце, которое мы пренебрежительно именуем «жёлтым карликом», на самом деле одна из крупнейших звёзд, освещающих обитаемые миры. То есть, простите, это вообще единственная звезда, которая освещает обитаемый мир, — насколько нам известно.

Скорее уж жизнь следует искать в системах красных карликов. Звёзды класса M невероятно стабильны. Срок их жизни колеблется от 100 миллиардов до 10 триллионов лет. Даже древнейшие красные карлики, возраст которых лишь немногим уступает возрасту Вселенной, не вышли из поры ранней юности.

Долгожительство карликов, впрочем, исключает некоторую часть их систем из числа кандидатов на обитаемость. Старые светила состоят почти исключительно из водорода и гелия, а тяжёлые элементы образуются при взрывах сверхновых и накапливаются во Вселенной постепенно. Наше Солнце — звезда третьего поколения, вещество которой уже дважды прошло переработку; звёзды же первых двух поколений содержат слишком мало кремния, кислорода и железа, и планеты не могут образоваться из одного с ними облака. Ведь даже газовому гиганту требуется твёрдое ядро.

К счастью, красных карликов очень много — порядка 90% от всего «населения» Галактики. Примерно половина из них принадлежит к третьему и даже четвёртому поколению, а значит, может позволить себе иметь планеты. Дополнительным преимуществом является редкость газовых гигантов в системах звёзд класса M, то есть формированию планет земного типа ничто не мешает. Конечно, светимость карликов очень мала, и обитаемый мир должен располагаться на орбите высотой от 5 до 30 миллионов километров — в несколько раз ближе к светилу, чем даже Меркурий. Но не забывайте о том, что столь плотная компоновка планетарной системы и является «галактическим стандартом».

Именно в системах красных карликов обнаружены первые «влажные» экзопланеты. Например, втрое более лёгкая, чем Солнце, звезда Глизе 581 окружена ни много ни мало тремя предположительно обитаемыми мирами — «суперземлями» массой в 5, 3 и 8 масс Земли с радиусами орбит соответственно 0.07, 0.15 и 0.22 а. е. Всего же в системе Глизе 581 обнаружено шесть планет, самая дальняя из которых обращается на расстоянии 0.7 а. е. от звезды (как Венера вокруг Солнца), ближайшая же проносится всего в 4 миллионах километров над багровой фотосферой.

Астрономическая единица (а. е.) — единица измерения астрономических расстояний, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца (примерно 149 597 870 км). Один световой год равен примерно 63 241 а. е.

К сожалению, холодное красное светило способно создать немалые проблемы обитателям своих планет. Подобно тому, как Солнце в периоды повышенной активности излучает на 0.1% больше энергии, чем обычно, меняется и светимость звёзд класса M, но только в пределах порядка 40%. В земных условиях такая мощная вспышка означала бы повышение температуры на 60 градусов. К тому же при каждом взрыве в недрах звезды на планеты обрушиваются потоки вредоносных излучений.

Другой особенностью миров, находящихся в «обитаемой зоне» красных карликов, является неизбежная синхронизация вращения планеты со звездой. Подобная звезда, хоть и относительно лёгкая, находится столь близко к планете, что её приливное воздействие очень велико. Сутки равны по продолжительности году, и планета всегда обращена к светилу одной стороной (как Луна к Земле).

Условия на планете красного карлика обещают быть экстремальными. На тёмной стороне царит вечная ночь, океан скован льдом, температура не поднимается выше –30°С. Постоянно освещённая же половина мира раскалена: суша представляет собой пустыню, стерилизованную радиацией и жаром огромного, вечно висящего в зените солнца.

Сравнительно приемлемые условия складываются только в зоне вечных сумерек — вдоль терминатора (линии светораздела). Только вот там бушует непрерывный ураган, скорость которого лишь вдвое уступает скорости звука, поскольку атмосферные массы, нагретые на солнечной стороне, поднимаются вверх, и на их место засасывается холодный воздух с ночной стороны. Испарившаяся вода частично проливается над терминатором дождями, более похожими на водопады, частично же возвращается на освещённую половину планеты в виде ползущих ледников и увлекаемых стремительными течениями айсбергов.

Ужасная картина. Но возникновению и развитию жизни в океане невероятно бурные процессы теплообмена не угрожают. На суше жизнь тоже может оказаться возможной, но лишь в отдельных оазисах, защищённых горами от ледяного ветра с «севера» и проникающего излучения с «юга».

Кратные звёзды

Вероятность появления обитаемых миров существенно снижается из-за того, что около 80% звёзд входят в двойные, тройные и прочие «кратные» системы. Протозвёздное газопылевое облако обычно имеет неправильную форму и недостаточно однородно, чтобы равномерно сжиматься к единому центру. Куда чаще образуется несколько сгущений, вращающихся вокруг общего центра масс. Кроме того, если материала достаточно, вторая и третья звёзды в системе могут образоваться из диска первой формирующейся звезды таким же образом, как и газовые гиганты.

В системе с несколькими центрами масс столь важная для зарождения и сохранения жизни стабильность орбиты оказывается под вопросом. Ближайшая к нам звезда альфа Центавра — тройная. Два компонента системы массой 1.1 и 0.9 от солнечной вращаются на расстоянии 23 а. е. друг от друга. Третья звезда — красный карлик проксима Центавра — удалена на 270 000 а. е. Отсутствие газовых гигантов в системе повышает шанс на обнаружение планеты земного типа у одной из жёлтых звёзд. Но такая планета не сможет оставаться в «обитаемой зоне» свыше четверти миллиарда лет. Для зарождения жизни этого времени едва ли будет достаточно.

Планеты в кратных системах есть. Пример тому — газовый гигант гамма Цефея Ab, вращающийся по орбите радиусом 2 а. е. вокруг массивной солнцеподобной звезды гамма Цефея A. Вторая звезда системы — красный карлик гамма Цефея B — занимает орбиту радиусом 22 а. е.

Вода

Как считается в настоящее время, наличие на планете воды в жидкой фазе является необходимым и, вполне возможно, достаточным условием для возникновения жизни. Насколько же вероятно появление морей и океанов?

Вода — широко распространённое в космосе соединение. Туманность, из которой рождается звезда, и диск, преобразующийся в планетную систему, содержат Н2O в изобилии. Но поблизости от звезды вода исчезает ещё в процессе формирования планет. Температура слишком высока, и лёд обращается в пар, который планетезимали не могут удержать. В вакууме же молекулы воды разрушаются солнечным ветром или оттесняются прочь на значительные расстояния.

Какое-то количество воды планета земного типа, конечно, получит благодаря кометам, залетевшим с холодных границ системы. Но надолго этого запаса не хватит. В верхних слоях атмосферы вода быстро разлагается солнечным излучением на кислород и водород. Водород при этом уходит из гравитационной ямы планеты, а кислород «выжигает» углерод из карбонатов и образует углекислый газ.

К счастью, планета и сама производит воду. Ядерные реакции в недрах порождают нейтроны, быстро распадающиеся на протоны и электроны. В сумме последние две частицы образуют атом водорода, который охотно соединяется с кислородом. Извергаясь, вулканы выбрасывают в атмосферу большое количество водяного пара, а расплавленная мантия Земли содержит вдесятеро больше воды, чем гидросфера.

Количество воды определяется балансом «прихода» (из жерл вулканов) и «расхода» (за счёт разложения и утечки в космос). На Земле этот баланс, слава богу, оказался положительным: за четыре миллиарда лет запасы воды возросли в 700 раз. В момент зарождения жизни лишь 2-3% территории планеты — впадины крупнейших метеоритных кратеров в приполярных областях — были покрыты «морями» средней глубиной не больше 150 метров. Озёра эти могли закипеть и превратиться в облака пара уже при температуре 45°С, ведь атмосферное давление составляло лишь одну десятую нормы. Но, к счастью, новорождённая Земля, сотрясаемая вулканами и кометными бомбардировками, оставалась местом более или менее холодным.

Приход определяется активностью недр и массой планеты. Расход же зависит опять-таки от массы (чем слабее гравитация, тем больше утечка) и — самое главное — от температуры. Если она слишком велика для того, чтобы вода конденсировалась, извержения пойдут не впрок. Именно это и произошло на Венере: температура была выше, чем на Земле, пар не превращался в жидкость, и Солнце разрушало газообразную воду быстрее, чем та поступала.

Таким образом, наличием «сбалансированной» гидросферы Земля обязана редкому стечению благоприятных обстоятельств, в числе которых не последнюю роль сыграло присутствие Луны, стимулирующей вулканизм приливным воздействием. Если же рассматривать более вероятные сценарии, «влажная» планета, скорее всего, будет представлять собой «суперземлю» (точнее, сверхземлю), «супер-европу» или «супермарс».

Сверхземлями именуют экзопланеты, превосходящие массой Землю, но не настолько, чтобы удержать водород и гелий, превращаясь в газовые гиганты. Космическое тело такого типа даже без помощи спутника (Луны) выделит немало воды; скорее всего, последней окажется достаточно для того, чтобы покрыть придавленные гравитацией горы. Главное же — тяжёлая планета-океан, неохотно «отпускающая» газы, уже на раннем этапе существования должна обладать плотной атмосферой. Высокое давление удержит воду жидкой, и планета будет сопротивляться перегреву: водная гладь хорошо отражает солнечные лучи, дополнительную защиту обеспечит непроницаемая пелена облаков.

Но на более удалённых орбитах высокая отражающая способность приведёт к переохлаждению, и океан покроется льдом — хотя до дна он, видимо, всё же не промёрзнет. Даже если под ледяным панцирем сохранятся лишь отдельные согретые теплом недр озёра, подобные антарктическим, они окажутся не худшим прибежищем для примитивных форм жизни, чем первые кратерные «моря» на Земле. Причём с удалением от звезды ситуация будет только улучшаться. Получив массу даровой воды прямо из протопланетной туманности, подобно тому, как её получили спутники Юпитера и Сатурна, под толстой корой изо льда и замёрзших газов такая «супер-Европа» сохранит жидкую мантию.

И если недра маленьких Европы и Энцелада согревает близость планет-гигантов, то ледяной мир размером с Землю или более сможет целиком полагаться на собственные силы: свет звезды ему не понадобятся вообще (конечно, чисто теоретически). Энергии недр окажется достаточно для того, чтобы многие миллиарды лет между силикатным ядром и ледяным панцирем сохранялся слой воды.

По видимости, большинство потенциально обитаемых планет схожи с вышеописанными. Другой вопрос, что жизнь на них примет очень своеобразные формы, безмерно далёкие от земных. Но не должны быть большой редкостью и «сверхмарсы» — пустынные, но с формальной точки зрения всё-таки «влажные» планеты размером с Землю или несколько меньше.

История Марса сложилась бы по-другому, если бы эта планета оказалась втрое тяжелее: «гравитационной» границей обитаемости считаются 0,3 массы Земли. Некогда на Марсе текли реки, хотя в «зону Златовласки» красная планета не попадала никогда. Получая в 2,5 раза меньше энергии от Солнца, на заре своего существования Марс мало отличался от Земли — планета согревалась жаром собственных недр. Но Марс остыл, газы перестали поступать в атмосферу, давление снизилось, а парниковый эффект пропал. Вода не исчезла, но замёрзла, существование подлёдных озёр на Марсе возможно, хотя и маловероятно.

Марс смог бы сохранить немного жидкой воды, если бы располагал спутником размером с Луну или являлся «двойной планетой» подобно системе Плутон-Харон. А расположенная на этом месте планета размером с Землю, но лишённая спутника, имела бы настоящие океаны, покрывающие пятую часть поверхности. Причём расчёты показывают, что для пустынного мира «обитаемая зона» очень широка — от 0,7 до 2 астрономических единиц. Именно это обстоятельство делает существование «супермарсов» высоковероятным.

С одной стороны, пески и скалы хорошо усваивают солнечную энергию, и пустынная планета не боится замораживания. Даже если на ночной стороне реки и мелкие моря покроются льдом, то днём они оттают. С другой стороны, и к перегреву «супермарс» относится без серьёзных «деформаций»: дефицит влаги делает его климат «резко континентальным». Даже если днём моря закипят, ночью температура упадёт, и пар прольётся дождями.

* * *

Насколько позволяет судить современный уровень знаний, условия для возникновения жизни не столь сложны, и вероятность наличия где-либо обитаемой планеты весьма высока. Планеты с жидкой водой, вероятно, есть у каждой десятой звезды, что даёт около десяти миллиардов на всю Галактику. Но условия, благоприятные для существования высокоорганизованной, а тем более разумной расы, — исключительная редкость. Таких планет, скорее всего, очень мало — от 100 тысяч до миллиона.

Статистика же на стороне человека в любом случае — даже если Земля уникальна. Эта хитрая наука утверждает, что вид, возникший в определённых условиях, с вероятностью 1,0 будет наблюдать хотя бы одну планету с подходящими для себя условиями. Ну вот, одну мы пока и наблюдаем.