Наблюдения современных космических телескопов — прежде всего, «TESS» и «JWST» (Джеймс Уэбб) — демонстрируют крайнее разнообразие внесолнечных планет, и каждое новое подтверждённое открытие просится в хабропост. Несомненно, при изучении экзопланет нас интересует, прежде всего, их обитаемость или жизнепригодность. Ранее я писал о некоторых классах таких планет, а также останавливался на проблеме влажной стратосферы и приемлемом для человека содержании кислорода в атмосфере. Действительно, нас наиболее интересуют планеты, похожие на Землю: небольшие скалистые миры, расположенные в зоне обитаемости своей звезды. Под зоной обитаемости мы понимаем тот регион, где возможно существование океанов (большого количества воды в жидком состоянии на поверхности планеты). Сегодня под катом мы поговорим о гикеанах — новом классе планет, размеры которых должны варьироваться от «земных» до «нептуновых», атмосфера — состоять преимущественно из водорода. При этом поверхность гикеана должна быть полностью покрыта водой. Английский неологизм «hycean» составлен из слов «hydrogen» (водород) и «ocean». В статье Википедии, на которую я ссылаюсь выше, гикеаны названы «гипотетическим классом» экзопланет, но, по-видимому, «Джеймс Уэбб» уже обнаружил первый настоящий гикеан — планету K2-18 b, расположенную в созвездии Льва в 120 световых годах от Земли. Новость об этом появилась в сентябре 2023 года.
В 2021 году был впервые предложен новый класс экзопланет, имеющих преимущественно водородные атмосферы и покрытых глубокими океанами. Эту гипотезу выдвинула команда под руководством Никки Мадхусудхана, преподающего планетологию в Кембриджском университете. Гипотеза показалась жизнеспособной, так как именно водород — наиболее распространённый элемент во Вселенной и в протопланетных облаках. Преимущественно из водорода состоят атмосферы нептуноподобных планет, где водородно-гелиевая оболочка окутывает каменное ядро. Ранее я также писал о зыбкости границ между землеподобной и нептуноподобной планетой. Действительно, вполне можно представить себе «субнептун», сформировавшийся в такой зоне протопланетного облака, где хватило водорода как на образование относительно тонкой атмосферы, так и на формирование мощного океана. Это могло бы произойти, если бы большая часть кислорода, участвовавшего в формировании планеты, связалась не с кремнием, образовав силикаты, а с водородом, образовав воду.
Притом, что на такой планете сложно представить жизнепригодную поверхность (отсутствуют условия для формирования не только континентов, но даже архипелагов), жизнепригодной может оказаться значительная часть её объёма, то есть толща воды.
Что нужно для зарождения жизни
Согласно современным представлениям, для возникновения жизни необходимы три ключевых фактора: источник энергии, доступ к питательным веществам и наличие жидкой воды. Теоретически, на месте воды может быть другой растворитель, например, аммиак или более экзотические соединения, но пока доминирует идея, что жизнепригодная планета должна во многом напоминать Землю (упрощённую классификацию жизнепригодности и биосовместимости планет я приводил здесь). Поскольку вода — основа жизни, а источник энергии может иметь не звёздное, а геотермальное происхождение, жизнь стоит поискать в водно‑ледяных мирах (в нашей системе это крупные спутники планет‑гигантов), расположенных далеко за пределами зоны обитаемости. Такие экосистемы могут обживаться организмами, приспособленными к высокому давлению, чей метаболизм основан не на фотосинтезе, а на хемосинтезе. В этой картине гикеан в определённом смысле противоположен ледяному спутнику: водородная оболочка даёт очень слабое атмосферное давление, а из-за близости к родительской звезде верхние слои океана могут постоянно кипеть, смешиваться с облаками и оставаться непригодными для жизни, однако обеспечивать перенос звёздной энергии в более глубокие слои планеты.
В первозданной планетарной атмосфере, состоящей преимущественно из водорода и гелия, не нашлось бы ни места, ни сырья для важнейших парниковых газов «земного образца» — углекислого газа CO2 и метана CH4. Но уже существуют модели, согласно которым достаточно мощная водородная атмосфера может давать парниковый эффект. При высоком давлении активные столкновения молекул H2 должны приводить к возникновению дипольного момента и поглощать инфракрасное излучение, нагревая планету. Это явление называется «столкновительно-индуцированный дипольный момент». В таких условиях водный океан будет постоянно перегрет, и вода окажется в сверхкритическом состоянии.
Сверхкритический океан
При высоком давлении даже жидкий водяной океан может оказаться слишком горяч для привычной нам жизни. Но в случае с гикеаном включается и ещё один фактор: температура поверхностных слоёв воды может достичь критической точки, после которой нарушается переход жидкости в газ и обратно (испарение и конденсация). Согласно исследованию, проведённому в 2015 году Франсуа Субираном и Буркхардтом Милитцером из Калифорнийского университета в Беркли, водород полностью растворим в сверхкритической воде, поэтому на гикеане не должен действовать закон Генри, согласно которому при постоянной температуре растворимость (концентрация) газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором. Поэтому граница между атмосферой и океаном на такой планете должна отсутствовать.
Плотная и толстая атмосфера, состоящая преимущественно из водорода, совершенно не похожа на нашу атмосферу, в состав которой входят значительно более тяжёлые азот и кислород. Так, азот лучше всего рассеивает короткие волны видимого спектра, а длинные блокирует (поэтому небо в солнечный день кажется синим). Водород действует совершенно иначе: он блокирует или пропускает различные волны электромагнитного спектра в зависимости от того, под каким давлением находится. Давление на водной поверхности гикеана должно составлять 10-20 атмосфер, и, согласно имеющимся расчётам, если бы гикеан оказался в Солнечной системе на расстоянии 1 а.е. от звезды (то есть, на земной орбите), то вся его вода перешла бы в сверхкритическое состояние и выкипела. Таким образом, логично предположить, что зона обитаемости гикеанов расположена значительно дальше от звезды, чем зона обитаемости земель, либо что даже жёлтый карлик — слишком горячая звезда для гикеана, и такая планета может оставаться стабильной лишь в системе красного карлика. Действительно, звезда K2-18, одна из чьих планет упомянута над катом, является красным карликом, её масса и радиус равны 35 % и 41 % от солнечных соответственно. Среди кандидатов в гикеаны — ещё около десятка планет, все они находятся в системах красных карликов (спектральный класс M). Планетарная эволюция гикеанов пока совершенно не изучена из-за скудости имеющихся наблюдений, но, как полагает Никки Мадхусудхан, на ранних этапах формирования гикеана вполне может существовать этап, когда такая планета остаётся жидкой или даже льдистой, поскольку её звезда-хозяйка ещё только разгорается. Если эволюция планетной системы проходит примерно по тому сценарию, что и в нашей Солнечной системе, то на раннем этапе протопланетный диск полон комет и ледяных планетезималей, то в период, аналогичный первичной метеоритной бомбардировке, в гикеане должно было утонуть достаточно много космических тел, которые обогатили бы его биологически важными лёгкими металлами, а также органикой. Учитывая, что в гикеане совершенно отсутствует выветривание, а разогревается он постепенно, органический гомеостаз в пределах всего этого океана должен достигаться достаточно легко.
Гикеаны как подкласс нептунов
По-видимому, гикеан — это частный случай развития мини‑нептунов. Эти планеты в несколько раз меньше Нептуна, но примерно в 1,5 раза больше Земли. На этих планетах слишком густая и активная атмосфера, а литосфера не располагает к образованию континентов. Компьютерные модели, призванные помочь классифицировать гикеаны, позволяют предположить, что такие водные миры могут быть как горячими, так и холодными, а также находиться в приливном захвате. На следующей иллюстрации HZ — это «habitable zone», «зона обитаемости». По оси ординат откладывается масса светила, по оси абсцисс — расстояние между планетой и светилом, выраженное в астрономических единицах.
Самые крупные гикеаны должны быть в 2,5-2,6 раз крупнее Земли и, в силу вышеописанных свойств водородной атмосферы, именно они должны быть наиболее горячими. Температура воды в большом гикеане может колебаться около 200 градусов Цельсия в зависимости от класса звезды и расстояния до светила. Такой океан должен быть вполне комфортен для микроорганизмов, которые на Земле считаются экстремофилами.
Обнаружимость и обитаемость
Специфические физические свойства гикеанов и тот спектр электромагнитного излучения, который поглощают и отражают эти планеты, значительно упрощают их обнаружение — по сравнению, например, с поиском скалистых экзопланет сопоставимого размера. Поскольку среди всех химических элементов именно водород обладает минимальной молекулярной массой, общая гравитация такой планеты невелика. Поэтому атмосферный столб получается гораздо выше, чем у скалистой планеты с сопоставимой массой. Соответственно, увеличивается радиус и диаметр планеты, поэтому гикеан сравнительно несложно обнаружить транзитным методом. Кроме того, химический состав такой пышной атмосферы проще анализировать методом абсорбционной спектроскопии. На фоне хорошо известных сигнатур водорода и водяного пара этот метод позволил бы чётко выделять любые примеси, в том числе, биомаркеры. Поскольку гикеаны определённо являются подмножеством (суб)нептунов, диапазон их радиусов также вычислен довольно точно: ∼1–2,6 R⊕.
С термодинамической точки зрения природные условия гикеана кажутся вполне благоприятными для развития «морской» жизни, даже более благоприятными, чем складываются в недрах таких ледяных лун, как Европа и Энцелад. Однако, если смоделировать на дне гикеана некую экстремальную экосистему, напоминающую условия вблизи чёрных курильщиков, сложно представить, может ли гикеан обладать достаточным запасом растворимых пород, из которых можно было бы извлекать микроэлементы. На дне океана не происходит выветривания, поэтому толща гикеана может почти не содержать солей и других соединений металлов. Остаётся догадываться, имеется ли у гикеана железное ядро, а также могут ли под толщей воды существовать залежи радиоактивных элементов (урана и тория), способные повлиять на расщепление воды на водород и кислород, а также, возможно, поспособствовать образованию природного трития. Более того, поверхностные слои гикеана очевидно должны быть горячее глубинных, так как основную часть энергии планета получает от сравнительно тусклой звезды. В глубинах гикеана вполне может скрываться слой вечного льда, исключающий попадание химических элементов из ядра в расположенные надо льдом слои воды. Таким образом, жизнепригодность гикеана может конвертироваться в обитаемость преимущественно за счёт растворяющихся в нём комет, о чём я упоминал в предыдущем разделе. Вероятно, жизнь земного типа не могла бы образоваться без долгого предварительного абиогенеза, ключевую роль в котором должны были сыграть пребиотические молекулы, в особенности циановодород (HCN). Поэтому представляется, что гикеан скорее останется стерильным, чем породит какую-либо биохимию.
Заключение
Я решил написать этот пост не только потому, что заинтересовался ещё одним классом экзотических планет, открытых на кончике пера и буквально через два года обнаруженных «Джеймсом Уэббом» и «TESS». Мне показалось, что гикеан выглядит той самой единой средой, которая могла бы превратиться в Солярис, придуманный Станиславом Лемом. Лем пишет, что Солярис заинтересовал землян, поскольку планета как будто сама корректировала свою орбиту, чтобы не упасть ни на одно из светил в двойной звёздной системе (в итоге так и оказалось). Готовя этот текст, я также подумал, как Солярис мог справляться с угрозой собственного выкипания и перехода в условия влажной стратосферы, а также почему выбрал себе орбиту именно в человеческой зоне обитаемости. Впрочем, всё это — чистая фантазия, обсуждение которой я рад буду увидеть в комментариях.
Автор: Олег Сивченко
