ходится на мантию из силикатных пород. Но, даже если допустить возможность реализации самых маловероятных сценариев, все равно результат будет меньше, чем у 55 Рака e.
А что, если отказаться от деления на землеподобные и газовые планеты и остановиться на идее гибридного мира — может быть, тогда удастся увязать радиус 55 Рака e с ее массой? У такой планеты должно быть твердое ядро значительно большего размера, чем у Земли. Также она должна быть способна удержать первичную толстую водородно-гелиевую атмосферу. Учитывая малый вес газов, даже при массе атмосферы в 0,1% массы планеты мы можем получить мир с плотностью, соответствующей плотности 55 Рака e.
Гипотеза о 55 Рака e как о гибридной планете могла бы стать идеальным ответом на вопрос о ее природе, если бы не невероятно короткий период обращения — всего 18 часов. Суперземля, на которой год длится меньше земных суток, обращается вокруг звезды на расстоянии всего 0,016 а.е. Из-за близости к раскаленному ядерному реактору средняя температура на этой планете, как предполагают, составляет около 2000 °C. В условиях адской жары массы планеты вряд ли хватит, чтобы не дать улетучиться легкой водородно-гелиевой атмосфере. Она выгорит за пару миллионов лет, что не так уж и много по меркам планетной эволюции. Поэтому нам вряд ли удастся увидеть 55 Рака e в тот период, когда она еще была окружена первичной газовой оболочкой.
Итак, об атмосфере, как у Нептуна, не может быть и речи. Вопрос: какой другой элемент рыхлее твердых пород, но при этом обладает достаточной массой, чтобы планета могла удержать его? Ответ: вода, вернее, крайне необычное состояние воды.
Если допустить, что изначально 55 Рака e сформировалась за снеговой линией, в момент рождения в ее составе должно было быть большое количество льда. После того как в процессе миграции к звезде ее атмосферу покинули водород и гелий, вокруг твердого ядра планеты должна была остаться оболочка из водяных паров толщиной в тысячи километров. Идея о том, что планета, обращающаяся по орбите в непосредственной близости от горнила своей звезды, может быть покрыта водой, кажется более чем странной. Разумеется, вода на такой планете не может иметь ничего общего с той прохладной жидкостью, которая течет из крана на нашей кухне. Имеющаяся на 55 Рака e вода должна пребывать в крайне редком состоянии, называемом сверхкритическим.
Переход в состояние сверхкритической жидкости происходит при очень высоких значениях температуры и давления. Например, ракетное топливо переходит в сверхкритическую фазу в момент выброса из сопел стартующего космического корабля. В такой форме граница между жидкостями и газами размывается, и вещество оказывается где-то между этими двумя состояниями. На планете с подобными характеристиками невозможно понять, где проходит граница между океанами и небом. Если бы мы решили отправиться туда и сумели выжить, мы бы оказались в подвешенном состоянии где-то в толще сверхкритического тумана.
Раскаленный мир с годом продолжительностью 18 часов в оболочке из жидкообразного газа, обращающийся по орбите, которая медленно опрокидывается, — можно ли придумать что-то более странное? Но есть еще одно, даже более странное, объяснение состава 55 Рака e: сверхкритичная вода тут ни при чем — возможно, эта суперземля полна алмазов.
Несмотря на сходство в размерах, по составу звезда 55 Рака не похожа на наше Солнце: полагают, что она богата углеродом. Звезды вплоть до преклонного возраста состоят главным образом из водорода и гелия с микроскопическими вкраплениями других элементов — углерода, кислорода, магния, кремния и железа. Углерода в составе Солнца примерно вдвое меньше, чем кислорода. Эту особенность, как правило, выражают в виде соотношения между элементами: C/O = 0,5. Проведенные в 2010 г. наблюдения показали, что, в отличие от Солнца, углерода в составе 55 Рака немного больше, чем кислорода: C/O = 1,12. Различия в составе звезд имеют большое значение, поскольку указывают на различия в составе протопланетных дисков, материал которых должен был быть таким же, как у звезд. Большая доля углерода в составе звезды может указывать на то, что участвовавшие в формировании планет частицы пыли также были богаты углеродом. Миры из такого материала могут сильно отличаться от планет земной группы.
Несмотря на большую роль углерода в эволюции биологической жизни, на Земле его на удивление мало. Девяносто пять процентов массы Земли приходятся на железо, кремний, кислород и магний. Большая часть железа заключена в земном ядре. Остальные элементы образуют силикатную мантию и кору. Углерод выступает в качестве второстепенного компонента: на него приходится менее 0,2% массы Земли. Столь мизерная доля объясняется тем, что конденсация углерода в твердые частицы происходила в холодной внешней области Солнечной системе. В области формирования миров земной группы он оставался в форме пара, и в момент, когда Солнце заставило рассеяться газовый диск, его оттуда просто выдуло. Как и в случае с океанами, о возможных источниках происхождения которых мы говорили в главе 4, в начале существования Земли углерода на ней не было. Небольшое его количество было занесено на нашу планету метеоритами из внешней области Солнечной системы.
При увеличении доли углерода в протопланетном диске до величины, сопоставимой с долей атомов кислорода (или даже превышающей ее), свойства твердого строительного материала в системе меняются. Доминирование атомов углерода приводит к тому, что кремний начинает связываться не с кислородом, а с углеродом, образуя не силикат, а твердый карбид кремния. Поэтому в составе планет, сформированных из такой пыли, будут преобладать не соединения кислорода, а углерод и карбид кремния.
Если недра 55 Рака e имеют именно такой богатый углеродом состав, необходимость в обеспечивающей объем оболочке из более легкого материала отпадает. Состоящая из железа, углерода и кремния планета с массой, зафиксированной в ходе наблюдений за 55 Рака e, может иметь как раз тот радиус, который нам нужен. Значит, можно не только отбросить гипотезу о сверхкритичной воде, но и констатировать, что воды на 55 Рака e, возможно, нет совсем.
При обилии углерода в протопланетном диске кислород окажется во власти этого элемента, результатом чего станет формирование токсичного монооксида углерода. Кислорода, из которого при связывании с водородом могла бы образоваться вода, останется совсем немного. Поэтому даже во внешней планетной системе льда из воды может просто не быть. Торренс Джонсон, исследователь из Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, занимавшийся моделированием процесса образования планетезималей в богатых углеродом системах, как-то с сожалением заметил: «За снеговой линией, возможно, никакого снега и нет».
Отсутствие воды в планетной системе означает, что, даже если бы 55 Рака e находилась на орбите, обеспечивающей более благоприятный климат, из-за обилия углерода на ней бы не было условий для поддержания жизни в известной нам сейчас форме. Джонатан Лунин из Корнеллского университета, работавший вместе с Джонсоном, прокомментировал это наблюдение не без доли иронии: «Как это ни парадоксально, но когда углерода, главного элемента жизни, становится слишком много, он крадет кислород, необходимый для формирования воды — растворителя, без которого известные нам формы жизни просто немыслимы».
Если оставить в стороне отсутствие воды, какие еще особенности должны быть у углеродной планеты? Скорее всего, ее кора будет состоять из графита — вещества, из которого делают стержни для карандашей. В условиях высокого давления под поверхностью планет образуется алмазная мантия. Значительная часть углерода в мантии Земли также имеет форму алмазов, превращаясь в карбонаты при окислении в условиях более низкого давления в прилегающих к коре слоях. Почему же мы до сих пор не купаемся в бриллиантах? Причина в том, что общее количество углерода исключительно мало — менее 0,2%, в то время как на кислород приходится чуть больше 50%. На богатой углеродом планете алмазов будет столько, что в результате вулканической активности на ее поверхности должны разливаться настоящие реки этих сверкающих драгоценных камней.
Если бы на такой планете могло существовать вещество в жидкой форме, оно также было бы связано с углеродом — например, это могло бы быть море дегтя. Добавим также высокий уровень содержания моноксида и диоксида углерода в атмосфере и постоянно висящую в воздухе пелену смога из-за углеродных дождей. И это еще оптимистичный сценарий. Ведь на такой планете может вовсе не быть атмосферы.
Под поверхностью Земли безостановочно кипит работа. Кора планеты разделена на застывшие участки, которые называют тектоническими плитами. Под ними — мантия. Несмотря на кажущуюся монолитность, в масштабе геологического времени, измеряемого миллионами лет, мантия на самом деле движется как жидкость с чрезвычайно высокой вязкостью. Выступая в качестве своего рода конвейерной ленты, она заставляет перемещаться тектонические плиты. Когда две плиты расходятся, находящаяся под ними мантия выходит на поверхность и остывает, образуя новый участок коры. Там, где плиты соскальзывают друг под друга, старые более толстые участки коры начинают плавиться, в результате чего в таких переходных зонах часто образуются вулканы. Перемещения коры и мантии обеспечивают циркуляцию атмосферы и питательных веществ в пределах планеты, а также способствуют генерации магнитного поля. Но стоит заменить нашу мантию на алмазную, как эта важнейшая активность будет существенно затруднена.
Алмаз имеет очень высокую вязкость, то есть жидкостное трение, определяющее скорость течения материалов. Вязкость сиропа больше, чем вязкость воды, а вязкость алмазной мантии приблизительно в 5 раз больше вязкости силикатного слоя. На планете, где доля углерода превышает 3%, сдвинуть мантию настолько трудно, что рассчитывать на тектонические сдвиги не приходится — разве что на скрежет.
Из-за отсутствия тектонических процессов поверхность планеты превратится в неподвижный панцирь, что серьезно затруднит образование вулканов. На первый взгляд, в сокращении числа гор, которые могут взорваться в любой момент, нет ничего плохого. Но на самом деле планета лишается важного фактора формирования атмосферы. В итоге мы получаем инертное тело с горой драгоценных камней, но без воздуха.