Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

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.

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.