Воображаемая жизнь

Трефил Джеймс

Мы обнаружили несколько примеров экзопланет, которые могли бы быть очень похожими на наш гипотетический Айсхейм. Самой поразительной является также самая удалённая из известных экзопланет. Она называется OGLE 2005-BLG-390Lb (в честь эксперимента по оптическому гравитационному линзированию [Optical Gravitational Lensing Experiment, OGLE], в ходе которого её обнаружили). Она находится в созвездии Скорпиона и расположена примерно в 21 500 световых лет от Земли. Масса планеты примерно в 5,5 раз больше массы Земли, но температура поверхности составляет -360 °F (-218°C). Этот мир получил прозвище «Хот», потому что напомнил своим первооткрывателям ледяной мир в фильме «Империя наносит ответный удар».

Таким образом, оказывается, что миры с металлическим ядром и мантией из скальных пород, окружённые водой, могут быть обычным явлением. Мы начнём исследовать важные аспекты нашей воображаемой жизни в таких

мирах с того, что немного обдумаем мир Айсхейма.

Энергия

Энергия требуется для любой жизни, поэтому мы хотим определить возможные источники энергии, которые могут существовать на поверхности и внутри того или иного мира. Самый простой тип энергии, который можно рассмотреть, — это, конечно же, излучение звезды у планеты. Это именно тот тип энергии, который питает большую часть биосферы Земли. Принимая во внимание низкие температуры на поверхности Айсхейма, можно подумать, что планета должна находиться вдали от своей звезды, но это не обязательно так. Например, если бы не присутствие углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере, средняя температура на Земле была бы около 0°F (-18 °C) — гораздо ниже точки замерзания воды. Поверхность Земли, в том числе океаны, замёрзнет, несмотря на то, что мы находимся относительно близко к Солнцу. На самом деле, как мы указывали в главе 3, пару раз в геологическом прошлом из нашего мира уже получалась так называемая «Земля-снежок» — это события, от которых планета была спасена, когда вулканы выбросили углекислый газ обратно в атмосферу, создав сильный парниковый эффект, который растопил всемирный ледяной покров.

Однако события «Земля-снежок» были недостаточно продолжительными, чтобы океаны успели промёрзнуть до дна, поэтому наша планета никогда не была ледяным миром наподобие Айсхейма. Вместо этого в состоянии «Земля-снежок» на нашей планете существовал бы подповерхностный океан, как на Европе, спутнике Юпитера. Мы подробнее обсудим миры такого рода в следующей главе.

Другим (и, на наш взгляд, более важным) источником энергии для жизни на Айсхейме является тепло, исходящее от его ядра, находящегося под слоем льда. Существует несколько возможных источников этого тепла, и относительная доля их участия будет зависеть от возраста и размера ядра.

Первый источник — это остаточное тепло от образования экзопланеты. В начале своей истории протопланета, ставшая Айсхеймом, двигалась по своей орбите, собирая весь рассеянный материал в своих окрестностях. Если бы вы оказались в это время на её поверхности, то вы наблюдали бы непрерывный дождь из падающих метеоритов. Энергия, приносимая этими метеоритами, была преобразована в тепло. (На Земле, как мы видели выше, такие метеориты выделяли достаточно тепла, чтобы полностью расплавить планету.) Как только весь метеоритный материал стал частью новорождённой планеты, началось неизбежное остывание. В случае Земли, спустя 4,5 миллиарда лет после образования нашей планеты, этот процесс всё ещё продолжается — добрая половина тепла недр является результатом этого исходного расплавления.

Распад радиоактивных элементов в недрах планеты — это ещё один источник тепла. Некоторые из них имеют удивительно долгий период полураспада, поэтому они снабжают ядро энергией на протяжении длительного времени. Например, период полураспада урана-238 составляет около 4,5 миллиардов лет — его продолжительность примерно равна возрасту Земли. Таким образом, у Земли всё ещё остаётся примерно половина её исходного запаса этого на удивление распространённого элемента. Учёные подсчитали, что вторая половина тепла, поступающего из недр Земли, образуется за счёт распада долгоживущих радиоактивных элементов вроде урана-238.

Количество радиоактивного материала, находящегося внутри Айсхейма, будет зависеть от химического состава облака межзвездной пыли, из которого он сконденсировался, и который, в свою очередь, будет зависеть в первую очередь от видов звёзд, чьи остатки посде взрыва сверхновой создали облако. У звёзд, образовавшихся из облаков, состоящих главным образом из первичного водорода, — так называемых звёзд первого поколения — в их первоначальном составе было совсем немного радиоактивных материалов. С другой стороны, можно ожидать, что системы, которые конденсируются из облаков, обогащённых за счёт переработки вещества ядерными реакциями за несколько поколений жизни звёзд, будут обладать гораздо более высокими концентрациями этих элементов и, следовательно, в недрах их планет выделится больше тепла, образующегося за счёт радиоактивности. Для справки: наша солнечная система считается третьим поколением — этим и объясняется высокий уровень радиоактивности, при котором мы живём, и широкий спектр элементов, которые мы здесь обнаруживаем.

Если

принять во внимание эти два источника планетарного тепла, становится понятно, что размер ядра имеет огромное значение, и мы можем подтвердить это, рассмотрев объекты в нашей солнечной системе. Понять динамику тепла в ядре планеты можно, если представить себе кастрюлю с водой на плите. Когда происходит нагрев, вода вначале неподвижна, но, если подержать над ней руку, можно почувствовать тепло, излучаемое в комнату. Тепло передаётся через воду в результате столкновений молекул друг с другом — это процесс, который мы называем теплопередачей. Однако в итоге накопление тепла достигает такого состояния, что оно больше не может передаваться путём теплопередачи, и вода начинает кипеть. Вода, нагретая на дне кастрюли, поднимается на поверхность, где излучает энергию в помещение и охлаждается, а затем опускается обратно на дно. Этот процесс называется конвекцией, и он начинает работать, когда тепла слишком много, чтобы его можно было отводить исключительно за счёт теплопередачи.

Если ядро Айсхейма маленькое, как ядро у Меркурия, Марса и земной Луны, то внутреннее тепло уйдёт на поверхность за счёт теплопередачи, планета быстро остынет, и Айсхейм превратится в стабильный мёртвый мир. Однако, если ядро Айсхейма более крупное, больше похожее на ядро Земли или Венеры, всё становится гораздо интереснее.

На самом деле Земля представляет собой яркий пример действия конвекции. На протяжении сотен миллионов лет породы в мантии планеты «кипят», вынося расплавленную магму из недр на поверхность. В целом, чем больше ядро, тем больше энергии будет подниматься вверх за счет конвекции. Для наших целей самой важной особенностью этого процесса является образование горячих вулканических источников — областей, где богатые энергией материалы выводятся на поверхность. Срединно-Атлантический хребет, подводная горная цепь, протянувшаяся от Исландии до края Антарктиды, представляет собой такую особенность. Эти горы состоят из магмы, которая поднялась из жерл на морском дне вдоль центральной рифтовой долины хребта, а затем остыла, когда достигла дна океана. Если ядро Айсхейма достаточно велико, то мы можем ожидать, что подо льдом будут присутствовать такого рода жерла, и этот факт будет очень важен, когда мы станем обсуждать развитие жизни в этом месте.

Существует два важных вида энергии, которые поднимутся на поверхность через жерла Айсхейма. Один из них — это, разумеется, тепло. Вполне вероятно, что тепла хватит, чтобы растопить достаточное количество льда и создать вокруг жерла пузырь жидкой воды значительных размеров. В таких пузырях мы ожидаем найти те же молекулярные процессы, которые привели к появлению жизни, наблюдаемой нами вокруг гидротермальных источников на Земле.

Второй вид энергии, которая поступит из недр планеты, будет иметь химическую природу. Мы знаем, что наряду с магмой гидротермальные источники срединно-океанических хребтов на Земле (называемые «чёрными курильщиками») выносят из недр смесь разнообразных химических элементов. Они поставляют сырьё для богатой и разнообразной глубоководной экологии. На Земле вблизи гидротермальных источников процветают живые существа, начиная с бактерий, находящихся в самом низу пищевой цепочки в глубоководных участках океана, и заканчивая гигантскими трубчатыми червями и крабами. Вместо того, чтобы использовать для энергетической подпитки жизни солнечный свет, как это происходит у деревьев и трав на поверхности Земли, эти бактерии используют для получения энергии для своего обмена веществ процесс, известный как хемосинтез — на основе метана и соединений серы, а также минералов, растворённых в жидкостях гидротермальных источников. Эта энергия приводит в движение целые экосистемы.

Очевидным дополнительным источником энергии для Айсхейма является излучение его звезды. На Земле Солнце поставляет первичную энергию, ответственную за жизнь. Поскольку температура поверхности Айсхейма ниже точки замерзания воды, мы ожидаем, что он либо вращается вокруг маленькой тусклой звезды, либо находится далеко от обычной звезды. Само по себе это не является непреодолимым препятствием для развития жизни — это просто означает, что всё, что собирает энергию, должно быть больше, чем то, к чему мы привыкли на Земле. Например, чтобы собрать такое же количество энергии, которое падает на Земле на лист площадью 1 квадратный дюйм (около 6 кв. см), длина стороны «листа» на Плутоне должна быть около 3 футов (1 м). (Это, кстати, объясняет, почему плутоний, а не солнечные коллекторы питают космические корабли, отправленные на внешний край солнечной системы. Солнечные коллекторы должны быть огромными и, следовательно, будут весить слишком много.) На Айсхейме свет звезды будет поглощаться льдом и, вероятно, проникнет в толщу поверхности не больше, чем на несколько ярдов.