С 1988 года до наших дней открыто более пяти тысяч планет, обращающихся вокруг других звезд. Основной прорыв в поиске и классификации этих планет был связан с работой орбитального телескопа «Кеплер», функционировавшего с 2009 по 2018 год и за этот период открывшего более 3500 небесных тел, сочтенных «кандидатами в экзопланеты». Более 1000 объектов, найденных «Кеплером», действительно оказались экзопланетами. Рассмотрение этой миссии – тема для целой книги (кстати, такая книга уже написана и переведена на русский язык, называется «Фабрика планет»).
Как известно, убежденность в существовании обитаемых миров поблизости от «других солнц» было одним из ключевых положений философии Джордано Бруно, сожженного в 1600 году, когда еще даже не была официально осуждена теория Коперника, изрядно мозолившая глаза католической церкви (работа Коперника попала в «Индекс запрещенных книг» только в 1612 году). Со времен Бруно и до наших дней человек ищет именно обитаемые или хотя бы пригодные для обитания миры, вся остальная россыпь небесных тел и открытий в планетологии – не более чем побочный продукт этого процесса.
Поиск экзопланет значительно расширил наши представления о том, что такое «зона обитаемости», и какие планеты в нее попадают. Мы считаем потенциально обитаемыми такие планеты или спутники, на поверхности которых в значительном количестве существует жидкая вода (а значит – и плотная атмосфера, не позволяющая ей испариться). Оказалось, что созданию подобных условий на планете способствует не только близость к родительской звезде, но, в какой-то степени, и приливный захват. Именно об этом феномене и его потенциальном значении для обитаемости небесных тел пойдет речь ниже.
В апреле я уже публиковал в блоге статью «Водные миры», в которой поднимал тему потенциальной жизнепригодности океанов на спутниках Юпитера и Сатурна. Европа, Энцелад, Ганимед и некоторые другие небесные тела обладают не просто жидкой водой на поверхности, но и настоящими океанами, что делает их хорошими кандидатами на роль обитаемых миров. При этом вода сохраняется в жидком виде не благодаря лучистой энергии Солнца (до Солнца слишком далеко), а благодаря приливной энергии Юпитера или Сатурна. Приливные силы большой планеты немного сминают спутник на каждом витке. Так стимулируется не только гидрологическая, но и тектоническая активность. Спутник остается теплым, и в его недрах идет геохимическая активность.
Но в определенных ситуациях, когда спутник находится слишком близко к планете, приливные силы планеты настолько замедляют вращение спутника вокруг своей оси (или останавливают его), что спутник оказывается постоянно обращен к планете только одной стороной. Именно такая ситуация возникла в системе «Земля - Луна»: как известно, обратная сторона Луны с Земли не видна. Также приливным захватом накрыло все Галилеевы спутники Юпитера.
Аналогичная ситуация должна возникать и в звездной системе с планетами, расположенными слишком близко к родительской звезде. Естественно, с принципиальным отличием: звезда в лучшем случае провоцировала бы на дневной стороне планеты нолановские приливы, но скорее – выжигала бы дотла ее дневное полушарие.
Звездное население примерно на 75% состоит из звезд спектрального класса M, то есть, из красных карликов. Поскольку сам красный карлик очень тусклый, зона обитаемости должна располагаться в непосредственной близости от него, возможно, в 0,3 – 0,4 астрономических единицах. Это означает, что все потенциально обитаемые планеты красного карлика могут оказаться в приливном захвате.
Это знаменитая система звезды TRAPPIST-1 – красного карлика класса M8, находящегося в созвездии Водолея на расстоянии 39,5 световых лет от Солнца. TRAPPIST-1 в 2017 году стала большим инфоповодом, поскольку в ее крошечной зоне обитаемости (обратите внимание на масштаб) могли находиться три из семи планет этой системы. Конечно, конфигурация планет может свидетельствовать лишь в пользу нахождения жидкой воды на их поверхности, а не в пользу обитаемости. Подобная близость к звезде чревата разнообразными осложнениями — например, хаотичным колебанием орбит или купанием в запредельно жестком ионизирующем излучении.
Предположительно, в системе TRAPPIST-1 планеты расположены настолько близко, что одна планета может вызывать приливы на другой. В результате приливного воздействия планета может настолько разогреваться, что это приведет к запуску тектонических процессов. В случае развития вулканизма на таком небесном теле, особенно вулканизма, активизирующегося при приливах, планета может накапливать солидную атмосферу, которая, однако, по составу совершенно неблагоприятна для жизни земного типа (такая атмосфера должна быть сернистой).
Обратите внимание на планету TRAPPIST-f. Она находится в зоне обитаемости, но лучистой энергии звезды хватает лишь для того, чтобы растопить океан в одном ее полушарии. Второе (ночное) полушарие должно быть постоянно сковано коркой льда. Вот как выглядит увеличенное художественное изображение планеты TRAPPIST-f.
Такие климатические условия называются в англоязычных источниках «планета-глаз» (eyeball planet). Фиксация планеты в таком положении должна быть распространенным последствием приливного захвата, и ниже мы рассмотрим подобный климат подробнее.
Что касается тектонического разогрева в результате приливного воздействия – уже найдена и такая планета.
Здесь оговорюсь, что среди планет земной группы в Солнечной системе тектоника литосферных плит обнаружена только на Земле. Самые высокие потухшие вулканы Марса сравнительно компактно расположены в областях Тарсис и Элизий, а бурная вулканическая активность на спутнике Юпитера Ио как раз обусловлена приливными взаимодействиями с планетой. Таким образом, чрезмерные приливные силы со стороны звезды могут сделать планету безжизненной. Именно такова, по-видимому, скалистая планета LHS 3844b, обращающаяся вокруг красного карлика в созвездии Индейца на расстоянии около 49 световых лет от Земли. Дневное ее полушарие раскалено до 770 °C, а в ночном полушарии стоит мороз около —250 °C. При таких перепадах температуры вся атмосфера должна была постепенно выпасть в виде снега и льда на ночной стороне. В свою очередь, на дневной стороне должны плавиться горные породы, и из-за разницы в их температуре и вязкости все ночное полушарие может быть покрыто вулканами, постоянно извергающими дым и таким образом поддерживающими на планете подобие атмосферы и осадков.
С другой стороны, логично предположить, что на многих планетах, попавших в приливный захват, должна существовать экваториальная «сумеречная зона», относительно приемлемая для жизни. Далее рассмотрим, какие условия, благоприятствующие существованию жизни, могут складываться на таких планетах.
Атмосфера и океаны при приливном захвате
Примерно на рубеже XIX и XX веков астрономы ошибочно полагали, что Венера может находиться в приливном захвате. «Между двумя регионами вечного дня и вечной ночи должна располагаться обширная зона, пребывающая в розовых сумерках, вполне подходящая для обитания разумных существ», - писал в 1903 Э. Хьюард, автор статьи о Венере.
Такая гипотеза, активно эксплуатируемая и в научной фантастике, несколько приукрашена. Жизнь в такой зоне (в окрестностях терминатора) могла бы сохраниться при наличии подходящей плотной атмосферы, обеспечивающей конвекцию и осадки. Баланс очень шаткий: атмосфера не должна слишком сильно укутывать планету, чтобы не провоцировать там венерианского парникового эффекта, а ночная сторона планеты не должна быть слишком холодной, чтобы вся атмосфера не выпала там в виде снега.
В 2016 году Эббот и Колл из университета Чикаго разработали симуляцию, согласно которой такой баланс достижим. На некоторых планетах в приливном захвате может существовать атмосфера, благодаря циркуляции которой вся ночная сторона планеты может оставаться теплой, тогда как дневная будет раскаленной.
Колл, один из авторов модели, полагает, что это была бы странная картина: «в условиях полной темноты постоянно сохраняются приемлемые условия». Подобная ситуация могла бы сложиться на Земле в условиях глобального потепления, когда на экваторе уже слишком жарко, а на полюсах сохраняется и жизнь, и жидкая вода (океаны). Если бы океан сохранился в условиях приливного захвата, то движение вод океана и циркуляция атмосферы помогли бы перераспределять тепло, получаемое от светила. Могли бы образовываться облака, дополнительно повышающие отражательную способность планеты и немного охлаждающие ее дневную сторону. Но, опять же, при минимальном нарушении баланса вся влага могла бы улетучиться из-за эффекта влажной стратосферы. При сохранении атмосферы она все равно была бы очень насыщена влагой, в океане и на побережьях бушевали бы штормы и тайфуны.
Жизнь в сумеречной зоне
Итак, климат в сумеречной зоне на планете земного типа в зоне приливного захвата может в экстремальной форме напоминать резко континентальный. На дневной стороне океанов нет, только постоянные жаркие ветры или самум. Ближе к неосвещенному полюсу – замерзший океан, фактически — поля торосов как из водяного, так и из углекислотного льда, отдаленно напоминающие лавкрафтовские Хребты Безумия. Климат в сумеречной зоне, вероятно, не был бы полностью однородным, образовалось бы несколько климатических поясов. В этом сумеречном регионе солнце постоянно находилось бы низко над горизонтом либо частично выглядывало из-за горизонта. Временами бушевали бы планетарные ураганы, которые заносили бы пыль с дневной стороны, а в другое время небо постоянно оставалось бы розоватым или желто-оранжевым, поэтому в сумеречном регионе планеты совершенно не просматривались бы звезды. Подтаивающие окраины ледяной стены на ночной стороне могли бы давать исток широким коротким рекам, проникавшим бы даже на дневную сторону и, возможно, терявшимся бы в болотах подобно Окаванго. По их берегам могли бы располагаться обжитые долины, подобные нильской.
В таком мире совершенно иначе воспринималось бы время. Мы привыкли к ходу времени, так как большинству процессов на Земле присуща сезонная и суточная цикличность, а живым организмам — циркадные ритмы. Более того, на планете в зоне приливного захвата светило также не движется вдоль горизонта, то есть, не меняет зодиакального положения (или это малозаметно, так как радиус орбиты невелик). Поэтому постоянный «жаркий вечер» мог бы в крайнем случае заронить «следы времени» в жизненные циклы живых организмов. Определенными «несолнечными часами» могли бы служить сталактиты и сталагмиты в пещерах. Наверняка пещеры привлекали бы жителей такого мира, поскольку там прохладно и значительно ниже перепады температур, так что изучение карстовых процессов могло бы натолкнуть их на идею времени.
Жизнь (в том числе, разумная) на такой планете наверняка стремилась бы закрепиться и на темной стороне; ночь давала бы определенные эволюционные преимущества теневыносливым или хищным растениям, кровососущим насекомым, хищникам; также ночная сторона и особенно пещеры на ней могли бы восприниматься как перманентное надежное убежище для беглецов из сумеречной зоны – например, для изгоев или преступников. Конечно, рано или поздно до жителей сумеречной зоны дошли бы легенды о звездном небе, которое стоит над ночной стороной мира — и чем дальше в ночь и холод, тем оно четче, так как зона циклонов и атмосферных возмущений остается ближе к терминатору. Астрономы составили бы достойную компанию тем авантюристам, что стремятся укрыться на ночной стороне. Именно на ночной стороне можно было бы наблюдать движение небесных тел, в том числе, расположенных поблизости планет, которые в системе таких масштабов как TRAPPIST-1 выглядели бы огромными:
Даже при отсутствии времен года как таковых, в сумеречной зоне постоянно наблюдались бы вторжения горячих или холодных воздушных масс с дневной или ночной стороны, они были бы тем чаще и сильнее, чем меньше ширина сумеречного пояса. Поэтому все живое на такой планете могло бы зависеть от постоянных экстренных миграций или впадало бы в «зимнюю» и «летнюю» спячку.
Предполагается, что такие экосистемы могли бы отлично способствовать быстрой эволюции растительных и микробных форм жизни. Зеленые растения зависят от теплоустойчивости хлорофилла, который начинает серьезно сбоить уже при +75°C. Поэтому зеленые растения в условиях приливного захвата могли бы держаться поближе к ледяной стене; сама ледяная шапка служила бы не только источником влаги, но и дополнительным щитом от ультрафиолета, и в подледных полостях могли бы развиваться как фототрофные, так и хемотрофные микроорганизмы. Хемотрофные организмы оказываются в тем более выигрышной ситуации, учитывая вышеупомянутую активную тектонику, в частности, условия для образования гидротермальных источников. В таких экосистемах могли бы сложиться условия и для систем метаболизма, не существующих на Земле – например, для извлечения энергии из серпентина или оливина.
Заключение
Я сделал все, что было в моих силах, чтобы эта статья не скатилась в хаб «Научная фантастика». Но, завершая ее, хочу оставить еще одну ссылку — на дискуссию о том, могла бы оказаться на месте системы «Земля-Луна» (где планета и спутник находятся во взаимном приливном захвате) принципиально иная система из двух обитаемых планет.
Вероятно, такое соседство самым определяющим образом повлияло бы на мировоззрение цивилизации на любой из планет, на экспансионизм, космогонию и широту ее представителей. Гораздо раньше могли бы появиться идеи о космонавтике, небесной механике, полете. Очень рано мог быть изобретен телескоп. При существовании биосферы на обеих планетах жизнь на них могла бы развиваться примерно в одном темпе, но в разных направлениях, что могло бы привести к вспышкам эпидемий или эпизоотий при попадании микроорганизмов с одной планеты на другую. Идея космического лифта была бы буквально перед глазами – причем, отсутствовал бы вопрос, «а на чем его заякорить»? Впрочем, это уже точно научная фантастика, которую я бы с удовольствием почитал.
Автор: Олег Сивченко
