Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

При значении соотношения Mg/Si менее 1 доля кремния превышает долю магния. Кремний связывается с имеющимся количеством магния, образуя уже знакомый нам пироксен. Оставшаяся часть кремния вступает во взаимодействие с менее распространенными элементами, такими как калий, алюминий, натрий и кальций, формируя семейство полевых шпатов — минералов, широко распространенных в земной коре. Поэтому у бедной магнием планеты может быть мантия из горных пород, образующих кору. С другой стороны, когда магния больше, чем кремния, образуются такие богатые магнием минералы, как оливин и железистый периклаз (окись магния).

Почему так важно знать состав образующихся минералов? Дело в том, что от него зависит степень подвижности мантии. Большая или меньшая вязкость мантии по сравнению с вязкостью, обеспечиваемой минералами земной мантии, указывает на отличия в тектонической активности кристаллических плит и в вулканической активности, которые могут привести к формированию совершенно других условий на поверхности планеты. Эксперименты с составом мантии можно сравнить с попытками неопытного пекаря изменить соотношение муки и масла в традиционном тесте для выпечки: стоит отклониться от рецепта, как получается нечто непригодное для жизни.

Если в недрах 55 Рака e преобладают силикаты, то ее мантия обречена на инертное существование. Согласно данным измерений, соотношение Mg/Si у ее звезды не превышает 0,87, что гарантирует низкое содержание магния в силикатах. Из-за корковидной структуры полевых шпатов состоящая из них мантия 55 Рака e должна иметь большую вязкость по сравнению с земной. Результатом может стать интенсивный взрывной вулканизм, так как газы не смогут высвобождаться вместе с малоподвижной студенистой магмой, выносящей расплавленные горные породы на поверхность во время извержения.

На другом конце этого спектра находятся богатые магнием планеты, обращающиеся вокруг звезды Тау Кита. Эта планетная система находится на расстоянии 11,9 светового года от Земли в созвездии Кит. Входя в число трех ближайших к Солнцу звезд наряду с Проксимой Центавра и альфой Центавра, Тау Кита уже давно будоражит воображение писателей-фантастов.

Факт существования этих планет ставится под сомнение, но, согласно имеющимся данным, вокруг Тау Кита могут обращаться пять суперземель. Три из них — внутренние планеты, обращающиеся по близким к звезде орбитам. Другие две — внешние планеты, температура поверхности которых потенциально может быть сопоставима с земной. Однако соотношение Mg/Si Тау Кита равно 1,78, она на 70% богаче магнием, чем Солнце. Поэтому при наличии у этих миров твердых оболочек они должны иметь богатые магнием мантии из оливина и ферропериклаза. В отличие от полевых шпатов, железистый периклаз имеет меньшую вязкость, чем элементы земной мантии, и можно предположить, что внутренности такой планеты должны перемешиваться более интенсивно, вызывая движение тектонических плит. Возможен и обратный сценарий, при котором богатая магнием кора достигает толщины, полностью исключающей появление разломов и образование тектонических плит. Если при этом по-прежнему будет продолжаться вулканическая активность, газ будет легко выходить на поверхность со свободно текущей лавой, что приведет к бурным невзрывным извержениям лавы.

Мы пока не до конца понимаем, как именно геология влияет на характер планеты, но общий вывод очевиден: одинаковый с Землей размер и твердая оболочка еще не означают, что и во всем остальном планета будет походить на нашу.

Природа 55 Рака e не дает покоя астрономам. Что это — углеродный мир с алмазной мантией или планета с богатой кремнием оболочкой, покрытой экзотическими морями, которые наполнены не жидкостью, но и не газом?

В 2016 г., когда группа исследователей из Кембриджского университета опубликовала результаты последних наблюдений, к перечню возможных ответов добавился еще один совершенно неожиданный вариант. Направив космический телескоп «Спитцер» на 55 Рака, астрономы изучили свет от звезды не только в момент прохождения 55 Рака e по ее диску, но и в момент нахождения планеты позади нее. В обоих случаях перекрытие звездой и планетой друг друга приводило к падению наблюдаемой светимости. Когда планета не находится ни перед диском звезды, ни за ним, наблюдаемый свет складывается из света звезды и тусклого излучения самой планеты. Во время прохождения планета заслоняет часть поверхности звезды, что приводит к падению светимости. При обратном явлении, то есть в тот момент, когда звезда заслоняет планету, фиксируется второе, менее заметное падение, связанное с отсутствием излучения планеты. Это второе прохождение называют покрытием, или вторичным затмением .

Источниками исходящего от планеты света являются отраженный свет звезды и собственное тепловое излучение планеты. Поскольку планета холоднее звезды, тепловая часть ее излучения находится в области спектра с большей длинной волн — инфракрасной, то есть той, на работу с которой изначально был нацелен «Спитцер». При наблюдении за изменением теплового излучения после исчезновения планеты из видимой области во время покрытия удалось измерить ее температуру.

В ходе наблюдений за покрытиями 55 Рака e в 2012 и 2013 гг. были получены высшей степени странные результаты: скачки теплового излучения могли достигать 300%. Расчеты показали, что температура на планете изменяется в диапазоне 1000–2700 °C, то есть почти на 2000 °C. Кроме того, падение светимости во время прохождения планеты перед звездой также не было постоянным: казалось, что поверхность планеты загораживала разное количество света, как если бы менялся ее размер.

Столь значительные колебания невероятно высоких температур натолкнули исследователей на очередную гипотезу: все дело в вулканах. При такой жаре должны плавиться практически все виды горных пород. То есть вместо океанов с необычной водой или дегтем поверхность этой планеты должна утопать в магме. Из жидкой коры в результате извержений в атмосферу должны выстреливать струи расплавленных горных пород.

Нечто подобное можно наблюдать и у нас. Наибольшая вулканическая активность в Солнечной системе отмечается на Ио, третьем по величине спутнике Юпитера. Струи магмы вылетают из жерл вулканов на высоту более 300 км над поверхностью спутника. На столь большом расстоянии от Солнца источником энергии для плавления нижней коры Ио и вулканической активности является приливный разогрев, обусловленный слегка эллиптической орбитой этого спутника [13] В главе 5 мы уже рассматривали явление приливного разогрева на примере горячего юпитера WASP-17 b. Из-за эллиптической формы его орбиты сила гравитационного притяжения звезды меняется, что приводит к деформации и нагреву планеты. Чуть позже мы поговорим об этом более подробно. . Под воздействием изменения интенсивности гравитационного взаимодействия с Юпитером и соседними спутниками Европой и Ганимедом поверхность Ио деформируется с амплитудой до 100 м. Это в 200 раз больше разницы высот океанских приливов на Земле. В результате притяжения со стороны звезды и соседних планет орбита 55 Рака e также могла принять эллиптическую форму, а значит, планета также подвергается деформации, стимулирующей нарастание вулканической активности наряду с испепеляющим жаром звезды.