73.
Рисунок 13. Кратер Дега
Очень вытянутая орбита, наличие летучих элементов в коре, особенности состава мантии, высокое содержание железа в составе планеты – все это говорит о драматической истории формирования Меркурия и дает благодатную почву для всевозможных интерпретаций. Объяснение необычайно тонкой мантии Меркурия многие астрономы пытаются найти в различных вариантах гипотезы о мегаимпакте – столкновении с гигантской протопланетой74. Такой катаклизм действительно мог способствовать выбросу большей части меркурианской мантии в космос и обусловить наблюдаемые сегодня характеристики Меркурия. В ранней Солнечной системе столкновения протопланет должны были происходить часто, и в описанном сценарии на первый взгляд нет ничего удивительного. Но при более тщательном рассмотрении возникают вопросы.
Компьютерные моделирования столкновения Меркурия с протопланетой дают ограничения по массе и скорости тела-ударника. Если оно было слишком большим или двигалось слишком быстро, то Меркурий был бы разрушен полностью или выброшен за пределы Солнечной системы. Если же имело место столкновение с протопланетой, двигавшейся с не очень высокой относительной скоростью, это привело бы к тому, что бо́льшая часть вещества ударника осталась бы на Меркурии, а бо́льшая часть мантии планеты, выброшенная ударом в космос, смогла бы вернуться обратно на планету. Ни того ни другого мы не наблюдаем. Остается три различных сценария формирования современного Меркурия: лобовое столкновение или скользящий удар с протопланетой, имеющей приемлемое соотношение массы и скорости, или же множественные столкновения с небольшими телами. Но и эти варианты, вероятно, не соответствуют реальности. Первые два приводят к возникновению таких высоких температур, что все летучие вещества моментально испаряются из коры, а это, как мы знаем, не так; последний же вариант требует почти ювелирной точности метеоритной бомбардировки, что вряд ли возможно, учитывая ее самопроизвольный характер.
Что остается в итоге? Только предположить, что столь странное строение Меркурия является изначальным, сложившимся в результате вполне мирного процесса образования этой планеты. Подобные гипотезы были популярны в 1970–1980-х годах и подразумевают наличие довольно высоких температур в протопланетном диске в области формирования Меркурия – температур, при которых силикаты находились бы в расплавленном состоянии, тогда как железо, напротив, не подвергалось плавлению75; или же еще более высоких – таких, что оболочка Меркурия вообще испарилась бы, и ее остатки удалились вместе с газами протопланетного диска76. Но такие сценарии формирования Меркурия противоречат современным представлениям о распределении температуры в протосолнечной туманности и сегодня практически не рассматриваются учеными.
В итоге астрономы до сих пор не могут отдать предпочтение ни одной из гипотез о формировании Меркурия. Пытаясь найти разумное объяснение наблюдаемым свойствам планеты, они рассматривают и те версии, которыми ранее пренебрегали. Например, за удаление летучих веществ при относительно слабом столкновении Меркурия с протопланетой мог отвечать солнечный ветер, который тогда был намного сильнее, чем сегодня77. Найдутся ли у этой гипотезы доказательства, покажет время, но в любом случае мы должны заключить, что образование похожих на Меркурий планет, богатых тяжелыми элементами, требует очень необычных условий.
О планетах около других звезд мы знаем сегодня примерно столько же, сколько знали о планетах Солнечной системы до того, как к ним полетели космические аппараты. Каждый из них совершил множество открытий и не единожды перевернул наши представления о геологии и химии поверхностей исследованных им планет. Поэтому все, что нам остается сейчас, до того момента, как к экзопланетам полетят космические аппараты, – это строить более или менее правдоподобные гипотезы.
Перенесемся на 40 св. лет от Солнца, к двойной звезде, которую видно на ночном небе даже невооруженным глазом, – 55 Рака. Первый компаньон системы – солнцеподобная звезда 55 Рака A, вокруг нее по орбите радиусом 1 000 а. е. обращается ее компаньон – 55 Рака B, маленький красный карлик. Когда вы приблизитесь к системе, вы обнаружите, что вокруг 55 Рака А вращаются по крайней мере пять экзопланет.
Обеим звездам уже по 10 миллиардов лет, это означает, что они почти в два раза старше нашего Солнца. То, что 55 Рака видна невооруженным глазом, а также наличие такой большой планетной системы, сделало эту двойную звездную систему одной из самых наблюдаемых в нашей галактике. В 2015 году 55 Рака получила имя Коперник. (Это произошло благодаря тому, что Международный астрономический союз принял решение с 2014 года давать экзопланетам и их родительским звездам имена собственные.) Пять открытых планет, входящих в систему, были названы в честь знаменитых астрономов и изобретателей телескопа: Галилей, Браге, Хэрриот, Янсен и Липперсгей[48].
В 2004 году методом доплеровской спектроскопии была открыта 55 Рака e (позже ее назвали Янсен)78 – ближайшая экзопланета к звезде 55 Рака А, и вот уже более 15 лет она приковывает к себе внимание астрофизиков. 55 Рака е являет собой отличный пример представителя семейства экзопланет с ультракоротким периодом. Год на Янсене длится меньше, чем земные сутки, – лишь 17 ч. и 41 мин., а радиус ее орбиты всего 0,015 а. е. Кроме того, эта экзопланета примечательна тем, что ее орбита почти на 80° наклонена к плоскости обращения других планет. Если вспомнить общий сценарий формирования планет из протопланетного облака, такой большой наклон орбиты – свидетельство каких-то масштабных катастроф, произошедших с планетой на ранних стадиях ее формирования. Интенсивные приливные силы, действовавшие на эту ближайшую к звезде планету, скорее всего, привели к тому, что она теперь всегда обращена к 55 Рака А одной стороной.
В 2011 году с помощью канадского космического аппарата MOST были зафиксированы транзиты Янсена по диску ее родительской звезды79. Используя данные транзитных исследований и метода доплеровской спектроскопии, астрономы вычислили радиус Янсена (2,2 R⊕) и его массу (почти 8,6 M⊕), благодаря чему смогли рассчитать и среднюю плотность экзопланеты – 6 600 кг/м3.
Янсен – планета-загадка. За время ее изучения появилось несколько конкурирующих, противоречащих друг другу гипотез о том, что она собой представляет. Давайте их рассмотрим.
Для начала нужно понять, какие выводы можно сделать из значения средней плотности планеты. Посмотрим на более простые примеры модельных, полностью состоящих из одного вещества планет. Как меняется радиус этих планет при росте их массы? Ответ для некоторых веществ вы видите на рисунке 14.
Посмотрим на этот рисунок. Чтобы понять, какое вещество преобладает в составе планеты, зафиксируем массу Янсена (8,6 M⊕), начнем варьировать его состав и посмотрим, как меняется радиус. Если бы Янсен являлся железокремниевым миром, как Земля, то его радиус был бы меньше измеренного (точка, изображающая Янсен, лежала бы между кривыми d и e). Будь же Янсен, при той же массе, близок по составу к Нептуну, его радиус бы намного превышал измеренный (точка, изображающая Янсен, лежала бы выше кривой a, соответствующей планетам, полностью состоящим из воды). Получается, Янсен не похож ни на гигантскую Землю, ни на небольшой Нептун. Что же он собой представляет?
Рисунок 14. Соотношение массы и радиуса каменистых планет с однородным составом. Кривые показывают отношение массы к радиусу для планет однородного состава, указанного в легенде. Для 55 Рака e указаны два значения радиуса: звездочка соответствует радиусу, измеренному в видимом диапазоне, а точка – радиусу, полученному путем объединения измерений в видимом и инфракрасном диапазоне80
Первая мысль, которая может возникнуть, – Янсен является чем-то средним между планетой земного типа и газовым гигантом – этакое потерянное переходное звено. Универсальным методом подбора можно получить приемлемые значения радиуса твердого ядра планеты и атмосферы, чтобы итоговое значение плотности планеты соответствовало наблюдениям. Это могло бы спасти ситуацию, если бы не радиус орбиты Янсена. При такой близкой орбите излучение звезды испарило бы атмосферу в считанные миллионы лет.
Как же разгадать эту головоломку? Обратим наше внимание на родительскую звезду Янсена – 55 Рака A. Может быть, она подскажет нам правильный ответ? Ведь звезды и их планеты изначально формируются из одного газопылевого облака, а значит, они должны иметь сходный состав. Хотя бо́льшая часть выброшенного при взрыве сверхновой вещества является водородом и гелием, в газовом облаке присутствуют более тяжелые элементы (астрофизики называют их металлами). Затем, когда из этого вещества образуется новая звезда, концентрация металлов в ней повышена по сравнению со звездой предыдущего поколения.
Спектр 55 Рака говорит о повышенной концентрации углерода в ее составе (такой состав свойственен звездам четвертого поколения). Поэтому следует ожидать, что в составе планет, которые вращаются вокруг звезды, углерод тоже в избытке. На рисунке 14 точка, изображающая Янсен, весьма кстати лежит очень близко к углеродной кривой b. Получается, что модель углеродной планеты лучше всего подходит, чтобы объяснить наблюдаемые массу и радиус Янсена? Что говорят нам о ее пейзажах законы физики, химии, геологии? Я приглашаю вас в путешествие по этому миру!
Представьте себе бескрайнюю черную пустыню. Вдали видны черные зубы гор, под тонкой корой гигантской планеты бурлит магма, в небе висит огромное испепеляющее солнце. Черный песок пустыни – графит, одна из форм углерода, – моментально пачкает скафандр первого человека на этой планете – ваш. Температура на поверхности немногим уступает температуре в плавильной печи. Надеюсь, у вашего скафандра хорошая теплозащита. Янсен – это старая и очень массивная планета, она медленно остывала миллиарды лет, но до сих пор не остыла. В ее недрах течет не встречающийся на Земле расплавленный углерод. Очень вязкий, он медленно перемещает литосферные плиты, сталкивает их, а затем разводит. На Янсене медленно – намного медленнее, чем на Земле, – растут горы, хребты и цепи вулканов, извергающих в воздух кристаллизующиеся на лету алмазы. Возможно, вы уже успели заметить равнины, покрытые алмазами, когда пролетали на своем космическом корабле вокруг планеты