Глава 9. Меркурий и металлические миры

 

Живопись требует небольшой тайны, некоторой неопределенности, некоторой фантазии. Когда вы вкладываете в картину совершенно ясное значение, людям становится скучно.

ЭДГАР ДЕГА

 

 

Меркурий никогда не был планетой, на которой ученые надеялись обнаружить инопланетян. Он относится к так называемой земной группе, то есть к планетам, по своим геохимическим характеристикам напоминающим Землю. Все планеты земной группы имеют железоникелевое ядро, твердую кору, а между корой и ядром у них мантия, состоящая из силикатов. Я уже писал о причинах, по которым такие планеты должны быть сконцентрированы во внутренней части Солнечной системы.

Из-за близости к Солнцу Меркурий приливно заблокирован и находится в резонансе 3:2. Это означает, что он делает три оборота вокруг своей оси за то же время, что и два оборота вокруг Солнца. Меркурий – самая маленькая из планет Солнечной системы, и его орбита довольно сильно вытянута. Более малым размером и более вытянутой орбитой обладал только Плутон. Но после того как в 2006 году его «разжаловали» из планет, первое место в этих двух «номинациях» досталось Меркурию. И это создает ряд проблем для наших теорий планетообразования. Почему? Давайте разбираться.

Всего два космических аппарата – «Маринер-10» в 1973-м и «Мессенджер»[47] в 2011–2015 годах, оба отправлены NASA, – исследовали Меркурий. Первый облетел планету три раза и провел самые общие исследования: составил карту части поверхности, обнаружил магнитное поле, определил колебания температуры поверхности. Второй аппарат изучил Меркурий более детально, и по результатам его деятельности многие из наших представлений о Меркурии были признаны неверными.

На снимках, присланных «Маринером-10», ученые увидели поверхность, покрытую разломами, вызванными остыванием и сжиманием коры планеты; широкие гладкие равнины, оставленные потоками лавы; глубокие черные воронки на этих равнинах – следы взрывной вулканической деятельности. Это всё свидетельства интенсивных геологических метаморфоз в прошлом планеты. Обнаружение их стало неожиданностью, так как считалось, что к настоящему времени Меркурий уже остыл и представляет собой реликт, по сути гигантский кусок камня, а если его поверхность и меняется, то разве что из-за столкновений с астероидами. Полет «Мессенджера» заставил отказаться от этих представлений. Теперь мы знаем, что Меркурий до сих пор является геологически живым миром и его поверхность может эволюционировать67.

Одним из главных открытий «Мессенджера» стали странные полости и впадины на поверхности Меркурия размером от нескольких десятков метров до полукилометра и глубиной 16–24 м. Они озадачивали. Проблема в том, что эти полости и впадины не могли появиться миллиарды лет назад, когда Меркурий был молод: за такой огромный промежуток времени они должны были бы совсем исчезнуть. К тому же у них слишком острые края, что тоже говорит об их недавнем происхождении. Судя по всему, им всего несколько десятков миллионов лет – то есть по геологическим меркам они образовались буквально вчера. Но каким образом? Астрономы считают наиболее вероятным, что эти полости и впадины появились, когда летучие вещества покидали поверхность Меркурия, а грунт проваливался под собственным весом68. Этот процесс не мог завершиться слишком быстро, следовательно, он может продолжаться и сегодня.

Не менее неожиданным стало обнаружение на Меркурии льда в постоянно затененных кратерах69. Это обычный водяной лед с примесью органических веществ. Лед на Меркурии, где дневная температура достигает 400 °C? Звучит довольно абсурдно. Но он там есть! В укромных уголках полярных кратеров температура может опускаться до –200 °C – этого более чем достаточно, чтобы вода замерзла. Возможно, Меркурий – целая фабрика по производству льда!70 Например, рассматривается такой сценарий: солнечный ветер, взаимодействуя с минералами на поверхности Меркурия, способствует образованию молекул водорода и воды. Водород быстро покидает планету, а вода, перемещаясь по планете, оседает в полярных кратерах, где и предстает перед недоуменными взорами ученых.

Много шума наделали изображения кратера Дега, названного в честь французского импрессиониста. Кратер окрашен в странные темно-сине-фиолетовые тона, окружен острыми горами, а в его центре высится самая настоящая пирамида. Уфологи заговорили о следах инопланетян, но ученые, к сожалению, не поддержали их энтузиазм. О том, какое именно вещество вызвало столь необычный цвет кратера, ведутся дискуссии, но судя по тому, что сине-фиолетовые регионы встречаются на Меркурии довольно часто – таким цветом обладает не только кратер Дега, – этот оттенок вызван некой породой, в изобилии имеющейся в мантии и коре Меркурия. Что же касается пиков в центре ударных кратеров, их часто можно обнаружить на фотографиях Луны и поверхностей других каменистых тел. Эти пики образуются в результате «отскока» расплавленных горных пород во время резкого ударного сжатия, вызванного падением метеорита, а по мере увеличения размера кратера превращаются в кольцеобразные структуры71.

Теперь заглянем вглубь Меркурия. Ядра планет земной группы состоят в основном из самых тяжелых металлов – железа и никеля. Благодаря «Месенджеру», измерившему микроскопические колебания сил тяжести на Меркурии и составившему гравитационную карту, стало возможным произвести расчет радиуса ядра Меркурия. Оказалось, что он составляет почти 82 % от радиуса всей планеты72 – это сравнимо по размеру с нашей Луной (радиус земного ядра, к примеру, составляет всего 45 % от радиуса Земли)! Огромное ядро Меркурия остается одной из самых главных его загадок. Как будто неизвестная и могучая сила когда-то давным-давно снесла всю мантию с этой планеты, оставив лишь прослойку из расплавленной породы между ядром и корой толщиной всего в 400 км – это почти в 13 раз тоньше земной мантии. В мантии Меркурия в значительно бо́льшей концентрации, чем в мантиях других планет земной группы, содержатся такие элементы, как сера, калий и некоторые другие73.

 

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[49].

Магнитное поле всегда возникает там, где есть движение проводящей среды. У геологически активной планеты, у которой есть железное ядро и под корой которой течет расплавленная магма, не может не возникнуть магнитное поле. Наличие магнитного поля – один из факторов, сделавших нашу планету пригодной для жизни: оно защищает нас от мощного солнечного ветра.

Предположим, что у Янсена есть и ядро, и жидкая магма. А значит, имеется и магнитное поле. Давайте пофантазируем, к каким последствиям может привести наличие сильного планетарного магнитного поля у Янсена. Оно выполняет две функции. Во-первых, сдерживает напор солнечного ветра, направляя потоки заряженных частиц вдоль силовых линий к полюсам планеты. Так возникают невероятные по красоте и интенсивности полярные сияния. (Я использую слово «полярные» только для того, чтобы обозначить само явление – на Янсене эти сияния совсем не полярные. Поток звездного ветра так силен, что полярные сияния полыхают в атмосфере по всей планете, даже рядом с экватором – вы могли бы читать там эту книгу при естественном свете и ночью.) Во-вторых, магнитное поле поддерживает целостность атмосферы Янсена. В любой атмосфере есть как нейтральные атомы, так и обладающие зарядом ионы. Нейтральные атомы могут вырваться из оков земного притяжения и улететь в открытый космос только в том случае, если в результате столкновения с другими частицами они случайно приобретут вторую космическую скорость. С ионами ситуация иная. Магнитное поле не оказывает никакого влияния на нейтральные частицы, но взаимодействует с заряженными: оно препятствует убеганию заряженных частиц из атмосферы.

В 2016 году в журнале Nature вышла статья81, в которой сообщалось о новых наблюдениях 55 Рака е, но уже в инфракрасном диапазоне. Астрономы с помощью телескопа «Спитцер» впервые в истории смогли получить температурный профиль экзопланеты. Наблюдения проводились в общей сложности 80 ч., и за это время на 55 Рака е прошло больше четырех лет.

Новые данные были получены не с помощью новой аппаратуры («Спитцер» отправился в космос еще в 2003 году), а благодаря более точной калибровке датчиков телескопа. Когда стоимость каждого проекта приближается к миллиарду долларов, приходится выжимать максимум даже из старых приборов. Результаты, которые получили ученые, озадачивают. Оказалось, что инфракрасное излучение «проседает» два раза за период: когда планета заслоняет от нас звезду и когда звезда заслоняет от нас планету. Более того, выяснилось, что самая горячая точка на дневной стороне поверхности планеты смещена от того места, где она должна быть, – прямо под звездой. Такое возможно, если на планете присутствуют собственные источники тепла! Так возникло предположение, что Янсен – лавовый мир. Также ученые вычислили суточную разницу температур – 1 400 К. Это значит, что поверхность планеты на дневной стороне представляет собой сплошь лавовые моря и реки. На ночной же стороне лава охлаждается и затвердевает. Но ставить точку в исследованиях было пока рано.

В 2017 году двое ученых из Лаборатории реактивного движения NASA снова обратились к тем же фотометрическим фазовым кривым, полученным телескопом «Спитцер», для более детального анализа82 и перевернули все с ног на голову. Используя улучшенные физические модели перераспределения тепла, они обнаружили, что температура ночной стороны 55 Рака е чуть выше, чем было установлено в предыдущем исследовании, а температура дневной чуть ниже. В итоге разница температур оказалась не такой большой – всего 900 К. Главный же вывод исследования состоял в том, что у планеты должна существовать атмосфера, обеспечивающая давление в 1,4 раза больше земного. И если атмосфера у Янсена действительно есть, то в ней преобладает азот или окись углерода с незначительными примесями других веществ, в том числе углекислого газа и воды (что делает атмосферу планеты немного похожей на земную, а также не исключает данные о составе атмосферы, полученные в 2012 году).

Однако исследование 2017 года привело ученых к новому парадоксу: с одной стороны, фотометрические фазовые кривые лучше всего объясняются наличием на планете атмосферы, а с другой – наши представления о мире говорят нам, что на таком расстоянии от звезды никакая сила не сможет удержать атмосферу возле планеты.

Как видите, наш взгляд на 55 Рака е  постоянно меняется. На что похожа эта планета в действительности? На черную углеродную пустыню, лавовый ад или же на планету с плотной атмосферой? Янсен полон сюрпризов. Данные, которые будут получены в ходе новых исследований, вполне возможно, заставят нас вновь пересмотреть имеющиеся представления об этой экзопланете.

Меркурий и Янсен могут служить прекрасными примерами планет, в составе которых преобладает один из «металлов». Для Меркурия это железо, а для Янсена – углерод. Не исключено, что когда-то мы найдем планеты, в составе которых преобладает магний или натрий, сера или кальций. Нет никаких веских оснований предполагать, что таких планет не существует. Интересно, как выглядят их пейзажи?