Есть ли жизнь на планетах-океанах. Отрывок из книги астрофизика Элизабет Таскер «Фабрика планет»

В конце этого года в издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга «Фабрика планет: Экзопланеты и поиски второй Земли». Ее автор, астрофизик Элизабет Таскер рассказывает об экзопланетах — то есть планетах, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. «Инде» публикует фрагмент главы «Инопланетные пейзажи», в котором Таскер рассуждает о том, может ли жизнь зародиться в мире, полностью покрытом водой.

Инопланетные пейзажи

Среди тысяч открытых миров есть всего один, на котором точно может существовать жизнь, — Земля. Поэтому поиск пригодных для жизни планет во многом свелся к поиску миров, которые походили бы на наш собственный.

Действительно, распознать такую же обитаемую среду, как на Земле, проще всего. Но это вовсе не означает, что в других условиях жизнь существовать не может. Более того, вполне может оказаться, что Земля — еще и не самое лучшее место для жизни. Каким же должен быть инопланетный ландшафт, чтобы он идеально подходил для завтрака Златовласки?

Миры, покрытые водой

Когда с помощью транзитного метода была найдена первая планета в зоне умеренных температур, появилась надежда, что ее поверхность может быть заселена жизнью. Кеплер-22 b оказалась слишком большой для планеты с твердой поверхностью и слишком маленькой для газового гиганта. Могла ли она быть промежуточным миром, поверхность которого целиком покрывает глубокий океан? Поскольку на Земле жизнь присутствует везде, где есть вода, эта гипотеза заслуживала внимания.

Первый вопрос, возникающий в связи с ней: может ли такой покрытый водой мир существовать на самом деле? Без измерения массы, на основе которой можно рассчитать среднюю плотность, любые суждения о природе Кеплер-22 b оставались ничем не подкрепленными догадками. Одного лишь размера было недостаточно, чтобы выделить новый тип планет, отличающихся как от мининептунов, так и от гигантских миров земного типа. Однако к тому времени уже были получены убедительные доказательства существования планет-океанов.

В 2009 г. на расстоянии 42 световых лет от нас в созвездии Змееносец в момент прохождения по диску красного карлика была открыта новая планета. Как показывают расчеты, даже без учета атмосферы температура ее поверхности существенно выше 100 °C, то есть она точно находится за пределами зоны умеренных температур. Однако благодаря короткой орбите с периодом обращения всего 1,6 суток влияние планеты на ее звезду проявляется достаточно сильно, чтобы можно было рассчитать ее массу путем измерения изменения лучевой скорости. В совокупности с данными, полученными при наблюдении прохождения, мы может определить ее среднюю плотность.

Речь идет о планете Глизе 1214 b. При радиусе 2,7 радиуса Земли и массе, равной 6,6 массы нашей планеты, ее плотность составляет 1,87 г / см в квадрате. Таким образом, она занимает промежуточное положение между планетами земного типа и газовыми нептунами. Согласно одной гипотезе, планета с такой плотностью должна на четверть состоять из горных пород и на три четвертых из воды, а также быть окружена водородно-гелиевой атмосферой. Для сравнения: на Земле доля воды в общей массе планеты ничтожно мала — всего лишь 0,1 %. Однако из-за высоких температур огромный объем воды на Глизе 1214 b не образует жидкий океан. Этот мир окутан жидкоподобным газом сверхкритической жидкости.

Для проверки гипотезы о водной природе Глизе 1214 b с помощью телескопа «Хаббл» была изучена атмосфера планеты при ее прохождении. К сожалению, проверку она не прошла. В полученных данных не было даже намека на признаки поглощения света звезды молекулами воды. Самое очевидное объяснение столь невнятного результата заключается в том, что атмосферу планеты закрывают облака, которые делают невозможным ее изучение с помощью телескопа. И все же, несмотря на отсутствие подтверждающих данных, плотность Глизе 1214 b с высокой долей вероятности указывает на преобладание воды в ее составе. С ее открытием существование покрытых водой миров стало научным (ну или почти научным) фактом.

Чтобы заполучить так много воды, Глизе 1214 b должна была формироваться далеко от звезды. Планета вполне могла бы аккумулировать столь значительный объем воды в замороженном виде в пределах протопланетного диска за снеговой линией. Затем, в результате взаимодействия с газовым диском, богатый льдом мир мигрировал ближе к звезде. Если бы он остановился в зоне умеренных температур, мы бы имели дело с миром, покрытым океаном из воды в жидкой фазе.

Покрытые водой миры, возможно, не так уж и редки. Глизе 1214 b и Кеплер-22 b — суперземли, то есть относятся к самому многочисленному из известных нам классов экзопланет. Эта группа планет, превышающих размером нашу в несколько раз, может включать два очень разных типа покрытых водой миров.

Глизе 1214 b — пример мира, покрытого глубоким океаном. Занимая промежуточное положение, ее плотность указывает на громадную долю воды в составе планеты. Ее твердое ядро должно быть скрыто толщей воды глубиной в десятки тысяч километров. Впрочем, вода может целиком покрывать поверхность планеты, даже когда она не преобладает в ее составе. В условиях более мощной гравитации поверхность каменистой планеты большого размера должна иметь плоский рельеф. Сжимаемый силой притяжения, ландшафт такого мира может сильно отличаться от привычного нам, изрезанного горами и холмами, образуя сплошную равнину, которая может легко превратиться в океанское дно даже при небольшом объеме воды. Эти два типа планет-океанов различаются так же, как залитая водой глубокая суповая тарелка отличается от залитой водой тарелки плоской. Вода закрывает поверхность обеих тарелок, но в одной из них жидкости намного больше, чем в другой. На каменистой планете массой 10 масс Земли может вовсе не быть континентов, даже если воды на ней будет в 10 раз меньше количества воды на нашей планете. Таким образом, более крупная версия Земли, скорее всего, будет покрыта водой.

На Земле жизнь существует повсюду, где есть вода. Однако может ли полноценная экосистема сформироваться на планете без суши? Если наличие океана, целиком покрывающего поверхность, делает планету непригодной для жизни, это накладывает ограничения на размер каменистой планеты, на которой может развиться жизнь.

На планете, покрытой глубоким океаном, растениям, которые живут за счет фотосинтеза, придется удерживаться на поверхности без какой-либо опоры. Стебли и корни не способны дотянуться с освещаемой звездой поверхности до дна на глубине более 10 000 км. Плавучим растениям, таким как водоросли, придется развиваться рядом с существами, которые могут летать или плавать. Конечно, на земле есть примеры таких форм жизни, а также организмов-хозяев, которые могут обходиться без солнечного света. Смогли бы формы жизни, обитающие в океанах Земли, успешно существовать на планете, целиком покрытой глубоким океаном?

Хотя на воду приходится лишь 0,1% массы Земли, наши океаны так глубоки, что свет не может пробиться сквозь толщу воды и достичь дна. Его заменяют гидротермальные выходы — трещины в коре, через которые вырываются струи горячей жидкости. Несмотря на высокую температуру, существенно превышающую 100 °C, эти гигантские столбы вещества сохраняют жидкую форму. Вокруг гидротермальных выходов формируются целые экосистемы, которые отлично обходятся без солнечного света. Такой источник энергии мог бы поддерживать жизнь на блуждающей планете, не имеющей доступа к свету звезды. К сожалению, любые попытки экстраполировать эту гипотезу на мир, покрытый глубоким океаном, обречены на провал.

Стоит только представить себе, что доля воды в массе планеты составляет не 0,1%, а более 50%, и дно океана становится совершенно другим местом. На дне резервуара такого колоссального объема давление достигает значений, при которых вода сжимается в толстые слои льда. Таким образом, ядро из силикатных пород оказывается отделено от водной стихии ледяным барьером толщиной в тысячи километров. Под таким слоем льда формирование гидротермальных выходов невозможно, а значит, вокруг них не образуются экосистемы.

Кроме того, отсутствие суши делает невозможным круговорот углерода. В главе мы говорили о нем как о термостате нашей планеты, обеспечивающим регулировку температуры на поверхности за счет изменения количества углекислого газа в атмосфере. При увеличении температуры на планете в результате реакций с поверхностными горными породами из атмосферы удаляется большее количество углекислого газа. При падении температуры эти реакции замедляются, уровень углекислого газа в атмосфере повышается, а вместе с ним — и количество улавливаемого тепла. В отсутствие горных пород на поверхности этот механизм температурной регуляции не может полноценно функционировать.

А что, если необходимые реакции протекали бы на поверхности океана? Моря на Земле поглотили в 10 раз больше углекислого газа, чем содержится в воздухе. На планете, целиком покрытой океаном, произошло бы то же самое, но такой механизм иначе как «дьявольским термостатом» не назовешь. Наиболее эффективно процесс поглощения углекислого газа морями происходит тогда, когда температура падает. Моря при повышении температуры вытягивают из атмосферы меньше углекислого газа, из-за чего в ней остается большее количество тепла. Когда происходит обратное, и планета охлаждается, благодаря морям из атмосферы удаляется больше углекислого газа и больше тепла покидает планету. Поэтому океан, покрывающий всю поверхность планеты, будет не препятствовать процессу изменения температуры планеты, а ускорять его.

В отсутствие механизма компенсации температурных колебаний зона умеренных температур планеты-океана сужается до размеров тонкой полосы. Если представить себе суперземлю, лишенную возможности адаптироваться к избытку или недостатку излучения звезды, как это делает Земля, океаны на ней будут сохранять жидкую форму только там, где для этого существуют идеальные условия. Таким образом, вероятность, пусть и очень небольшая, того, что планета пригодна для жизни, все-таки сохраняется. Еще один повод для сдержанного оптимизма связан с огромными размерами океана, обеспечивающими исключительно низкие темпы изменения его температуры. Если, двигаясь по вытянутой орбите, покрытый глубоким океаном мир хотя бы какое-то время находится в зоне умеренных температур, он может оставаться пригодным для жизни даже в таких условиях, в которых из-за колебаний температуры на поверхности землеподобного мира не осталось бы ничего живого.

На планете, покрытой неглубоким океаном, шансы жизни на выживание несколько выше. При небольшой глубине уровень давления будет недостаточным для формирования льдов, а значит, ничто не будет препятствовать взаимодействию воды с горными породами на океанском дне. Таким образом, на такой планете могут быть как гидротермальные выходы, так и слабо выраженный углеродный цикл. Морская вода способна превращать углекислый газ в твердые породы в рамках того же процесса, что и на суше. Проблема в том, что океанское дно не может столь же точно отражать температуру на поверхности планеты, как суша, что делает работу такого естественного термостата намного менее эффективной. Уступая в этом смысле в эффективности Земле, покрытая неглубоким океаном планета должна лучше справляться с изменениями среды, чем ее глубоководный аналог.

При всех трудностях развития жизни на покрытых неглубоким океаном планетах есть одно важное обстоятельство, которое может склонить чашу весов в их пользу. На планете земного типа поверхность — далеко не единственное место, где имеется вода. На Земле значительная ее часть в результате впитывания воды горными породами оказалась заключена в мантии. При перемещении тектонических плит происходит обмен водой между резервуарами на поверхности и в мантии. При опускании океанической коры вода попадает в мантию, а затем возвращается на поверхность через жерла вулканов. Благодаря более мощной гравитации на суперземле обмен между двумя резервуарами будет происходить под более высоким давлением, что приведет к выталкиванию в мантию большего количества жидкости. В определенный момент в результате ухода воды в недра плоское дно океана на суперземле может частично обнажиться. С появлением суши планета утратит типичные черты покрытого водой мира — на ней возобновится круговорот углерода.

Оценить эффективность процесса выталкивания воды в подземные резервуары довольно трудно. Отчасти это объясняется тем, что мы не знаем, сколько именно воды находится в земной мантии. Если примерно столько же, сколько в океанах на поверхности, то такого соотношения вполне хватит, чтобы планета массой 10 масс Земли с тектонической активностью плит не стала планетой-океаном. Такая оценка представляется вполне справедливой и даже немного осторожной. Так что исключать крупные каменистые планеты из рядов потенциально пригодных для жизни миров пока еще рано.

Было бы любопытно порассуждать о возможности развития разумной жизни на планете, которая полностью покрыта водой, но вполне жизнепригодна по другим параметрам. Без суши вряд ли приходится рассчитывать на изобретение огня и электричества, а вместе с ними — и на формирование высокотехнологичной цивилизации. Кроме того, из-за более сильной гравитации на суперземле не могли бы развиться многие формы жизни, способные летать. Земные океаны кишат всевозможными живыми существами, но ни одно из них не сравнится с людьми по критерию разумности. Случайность ли это? Или же эволюция в морской воде на самом деле не способствует развитию когнитивных способностей?

«Фабрика планет: Экзопланеты и поиски второй Земли», Элизабет Таскер, «Альпина нон-фикшн», 2018