Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

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] Битва за место под деревом на парковке у супермаркета, как бы далеко от входа в магазин оно ни находилась, — обычное явление в жаркой Флориде. , 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.