Глава 7
Миллиард земель

Ветвящаяся структура планетной аккреции напоминает дерево. Самые маленькие планетезимали – это листья, а более крупные, состоящие из тех, – черенки. Планетные эмбрионы размером с Тейю – это ветви, ведущие к стволу, то есть к планете. Вместо того чтобы рассматривать в деталях конкретные траектории, которые привели нас к нынешнему положению вещей, давайте подумаем о более общих вопросах и прибегнем для этого к дальнейшим аналогиям.

Как бы ни происходила их аккреция, крупные планетные тела менее подвержены катастрофическому разрушению, чем мелкие; это интуитивно понятно. Их гравитация куда выше, и у них куда больше масса, которую нужно отбить. Моделирование последовательности столкновений показывает, что астероиды крупнее примерно 200 км в диаметре, видимо, представляют собой относительно неповрежденные продукты процесса планетообразования: они настолько массивны, что столкновения, энергии которых будет достаточно, чтобы их разрушить, маловероятны. Крупные астероиды, такие как Психея, которую в 2026 г. должен посетить одноименный космический аппарат NASA, застыли во времени и в этом отношении напоминают Луну – это объекты, на которые в течение миллиардов лет обрушивается град небесных тел, но ни одно из них не велико настолько, чтобы полностью их разрушить.

Согласно расчетам, астероиды диаметром менее 100 км, напротив, с огромной вероятностью подвергаются катастрофическому разрушению в результате столкновения. На раннем этапе их было так много, что столкновения с ними происходили часто, а разрушить такие астероиды поменьше куда проще. Таким образом, тут существует переломный момент, определяемый тем, как далеко тело продвинулось в процессе планетообразования: в зависимости от своего размера оно склонно либо становиться больше, добиваясь дальнейшего успеха, либо становиться меньше, подвергаясь эрозии и разлетаясь на части. В наше время Главный пояс астероидов медленно сходит на нет, столкновение за столкновением, но 4,56 млрд лет назад в этом же районе мелкие тела непрерывно росли, поглощая друг друга.

Что касается астероидов диаметром менее 100 км, они считаются результатом ударного измельчения – процесса образования бесчисленных десятиметровых тел, миллиардов стометровых и миллионов километровых в ходе разрушения горных пород. Эту ситуацию можно смоделировать экспериментально, если поместить в дробилку крупные камни и включить ее. Сначала образуется масса пыли – это разрушаются самые мягкие из камней. В конечном итоге пылью станет все, но на промежуточном этапе основная часть материала окажется сосредоточенной в нескольких крупных фрагментах. Сегодня планеты отошли в сторону – «дробилка» работает с куда меньшей мощностью, – и масса Главного пояса сосредоточена в основном в нескольких крупных астероидах, а более мелкие тела медленно разрушают друг друга.

Половина массы сегодняшних астероидов приходится на четыре тела, которые иногда еще называют карликовыми планетами. Это Веста, Церера, Паллада и Гигея, каждая диаметром от 400 до 1000 км. Это не особенно удивительно: скажем, половина суммарной массы землеподобных планет приходится на одно тело – Землю. Как мы уже видели, аккреция создает распределение масс с сильным сдвигом в верхнюю часть диапазона. Веста, Церера и прочие тяжеловесы, как я полагаю, являются первоначальными продуктами аккреции или их непосредственными остатками. Дальше идут десятки астероидов диаметром в несколько сотен километров (некоторые из них могут быть первичными), сотни тел вполовину меньше и так далее. Распределение размеров представляет собой геометрическую прогрессию, где на каждый астероид приходится несколько более мелких, примерно в одну десятую от его массы. Это похоже на то, что происходит с глиняной мишенью для стрельбы: при попадании пули она распадается на несколько узнаваемых кусков, которые можно собрать воедино (в нашем случае это соответствует семейству астероидов), десяток осколков, сотни кусочков, тысячи крошек и, наконец, пыль.

Этой иерархии дробления может соответствовать иерархия поверхностных и околоповерхностных зон, меняющихся в результате взаимодействия со всеми этими притягивающимися друг к другу обломками. Выше всего находится оптическая поверхность – наружный микрон толщины, отражающий и преломляющий солнечный свет в объектив камеры. Именно его показывает нам фотография. Но о том, что находится под этим микронным слоем, камера не знает ничего. Далее следует термическая поверхность – зона, в которой ощущается присутствие солнечного тепла. Она простирается вглубь на сантиметр, если брать масштаб дней, и на несколько метров – в масштабе лет. Под годовым термическим слоем мы устраиваем погреба для картошки и винные подвалы, а под дневным термическим слоем вы прячете на пляже пальцы ног, чтобы отдохнуть от раскаленного песка.

Под оптической и термической поверхностями находится подповерхностный слой – зона, которая сообщается с внешней атмосферой или, если таковая отсутствует, с космической радиацией. На планетах с атмосферой в подповерхностном слое происходит адсорбция почвой воды (пара и жидкости) и обмен водой с воздухом. На Земле в нем сосредоточена бóльшая часть биомассы. На безвоздушном теле, таком как комета, подповерхностный слой охватывает те области, где льды из летучих веществ испускают газ в виде реактивных струй и хвостов. На Марсе этот слой включает метры верхнего реголита, которые вбирают в себя попеременно то H₂O, то СО_2, а потом испускают их со сменой сезонов. На спутнике Нептуна Тритоне в подповерхностном слое находятся источники азотных гейзеров, которые зафиксировал во время своего пролета космический аппарат «Вояджер».

Изучая первичные продукты начального этапа планетообразования (например, Психею, Весту или Цереру), а также разрушенные фрагменты (более мелкие астероиды и кометы), мы надеемся воссоздать некоторые из первых «глиняных мишеней». Но теперь представьте, что вам дали случайную коробку, где находится только доля одного процента обломков. Какую историю вы сможете угадать? Какая мишень у вас получится? Вероятно, поначалу астероидов всех размеров было в тысячи раз больше, так что почти все нынешние детали относятся к давно исчезнувшим головоломкам.

Для астероидов диаметром менее 100 км разрушение – это творение. Каждый из них возник в процессе распада более крупного родительского тела, так что их образование происходит иерархически: распад тяжеловеса приводит к каскаду фрагментов. Для тел размером более 1000 км, напротив, творение – это аккреция. Столкновения ведут к слияниям, эмбрионы превращаются в олигархи, а затем – в планеты. Этот процесс тоже является иерархическим, но развивается снизу-вверх, как дерево. Как это организовано на деле, нам непонятно, поэтому так важны грядущие экспедиции NASA к астероидам среднего размера, таким как Психея и Патрокл, которые находятся примерно на грани между этими двумя группами.

Из-за того, что аккреция происходила иерархично, мы не можем определить точное время образования Земли. Можно сказать, сколько время прошло с момента t₀ до отделения земного ядра от мантии, но это нижний предел того, как долго шло формирование Земли, поскольку железо могло отделиться и внутри более мелких эмбрионов, из которых она возникла. А образование Луны, вероятно, произошло примерно через 50 млн лет после этого, что согласуется с тем, что это был один из последних актов аккреции олигарха.

С точки зрения геологии после столкновения с Тейей Земля стала совершенно новой, «с иголочки», планетой, результатом вторичной переработки всех своих старых составляющих, хотя в науке по-прежнему кипят споры по поводу того, насколько хорошо все было перемешано и не осталось ли «где-то внизу», в мантии, больших кусков Тейи, сохранивших свой состав. Это зависит от энергетики столкновения и конкретного сценария образования Луны: гигантское столкновение с большой энергией расплавило бы все вокруг, нажав на кнопку геологической перезагрузки, а плавное слияние могло сохранить остатки Тейи как отдельные слои в глубине Земли.

Как только земная кора затвердела после гигантского столкновения, приведшего к образованию Луны, на планете началась геология. Первое время все менялось слишком быстро, чтобы мы могли это отследить, но затем покрытая корой малоподвижная мантия сгустилась – как овсянка в печи. Крупные тела продолжали сталкиваться с Землей и иногда разрушали эту древнюю кору, так что в ее истории было множество фальстартов. В отличие от массивной Земли, которая оставалась отчасти расплавленной, Луна, согласно данным термального моделирования, полностью затвердела в течение 10 млн лет. Парадоксальным образом чем больше Луна подвергалась бомбардировкам на стадии тонкой коры, тем быстрее она остывала; каждый удар частично вскрывал кору, обнажал океан магмы и перемешивал кашу, ускоряя потерю тепла. В таком случае Луна – за исключением слоя KREEP с его радиоактивным разогревом – могла затвердеть всего за миллион лет.

Геологи не работают с линейной шкалой времени, за исключением тех случаев, когда им приходится это делать, – при условии, что они могут разместить события во времени. Так, с момента появления прорывных работ Юджина Шумейкера мы работали над тем, чтобы скоординировать геологическое время (число, привязанное к каким-либо событиям) по всей Солнечной системе, выискивая для этого доказательства и улики. Очевидное место, с которого стоит начать установление этих связей, находится у нас на заднем дворе, на «седьмом континенте» Луне. Поскольку Луна так быстро утратила способность к изменяющей все геологии, именно там мы можем найти лучше всего сохранившиеся свидетельства злоключений, через которые Земля проходила вскоре после своего формирования.

Нектарский и раннеимбрийский периоды на Луне, от 3,5 до 4 млрд лет назад, совпали с первым цветением жизни на Земле. Гигантские бомбардировки происходили и там, и, хотя возникшие в результате ударные бассейны исчезали и менялись из-за геологических процессов, при их образовании в космос было выброшено огромное количество материала коры. Точно так же, как на Землю падают метеориты, извергнутые с Луны, наш спутник подвергался бомбардировке земными камнями. Там они смешивались с лунным реголитом – и мелкие обломки пород, и песчинки, и огромные валуны. Они прилетали в то время, когда на Земле зарождалась и расцветала жизнь, и у большинства из них относительная скорость составляла щадящие 2–3 км/с, немного выше лунной скорости убегания. Надежды на то, что земные организмы могли прижиться на Луне, мало, но там могли сохраниться следы первоначальной жизни.

Циркон, как вы, возможно, помните, – высокотемпературный силикатный минерал, лабораторный анализ которого позволяет провести радиометрическое датирование и установить давление и температуру в момент его образования. На Земле циркон рассказывает нам о катархее, и в особенности о циклах древнего планетного вулканизма и об условиях того времени, например о концентрации в атмосфере молекулярного кислорода, которая связана с присутствием или отсутствием воды. Цирконы были обнаружены и в лунных образцах, и большинство из них, если судить по их химии, имеют лунное происхождение. Но образец 14321, доставленный «Аполлоном-14», возможно, происходит с Земли. В обломках кварца и полевого шпата из этой породы содержится и циркон, кристаллизовавшийся 4 млрд лет назад при окислительных условиях, температурах и давлениях, очень отличающихся от условий образования других лунных цирконов и более типичных для богатой жидкостью низкотемпературной среды вроде той, что имелась под ранней континентальной корой Земли.

И это только вершина айсберга. Где-то под подошвами астронавтов валялись и более крупные обломки более интересных, лучше сохранившихся катархейских материалов, только и ждущие, пока их найдут – прямо настоящая программа по доставке образцов сквозь пространство и время. Но поиск земных камней на Луне по определению бессистемен. Это задача для робота, который, не ведая скуки, будет годами собирать и сортировать камни. Метеориты могут быть где угодно, как фотографии на антресолях у вашей бабушки, пыльные реликты эпохи, о которой вы ничего не знаете. Но эти коробки нужно начать открывать.

Мы немного отвлеклись от темы разнообразия планет. В связи с ней я люблю цитировать знаменитую фразу Льва Толстого, которой он начинает свой роман «Анна Каренина»: «Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему». Специалисты по статистике слегка расширили это утверждение, назвав его принципом Анны Карениной: если отсутствие любого из нескольких факторов приводит к провалу, успех требует, чтобы все эти факторы имелись в наличии одновременно. Приложив этот принцип к нашей теме, можно сказать: «Все прошедшие аккрецию планеты похожи друг на друга, но каждая не прошедшая аккрецию планета уникальна в том, как именно она не прошла аккрецию». Что такое не прошедшая аккрецию планета? Реальный пример тут – Меркурий; реальные примерчики – невероятно разные астероиды Главного пояса. Все они представляют собой то, что осталось, когда победители – прошедшие аккрецию планеты – забрали себе практически все.

Согласно принципу Анны Карениной, планетный эмбрион может иметь любое количество встреч самого разного типа с более крупными планетами, при условии, что при каждой встрече он избегает аккреции. Альтернативный вариант – он никогда не встретился с более крупной планетой, которая поглотила бы его, либо потому, что сам является самой крупной планетой в округе, либо потому, что его орбита динамически изолирована. Солнце поглотило более 99,8 % массы Солнечной системы, а Юпитер – более 70 % того, что осталось, так что в этом смысле каждой из планет повезло. Любому объекту в зоне землеподобных планет понадобилось еще больше удачи, чтобы не быть поглощенным Землей или Венерой, которые собрали 93 % того, что там было. Марс, Меркурий, Луна и астероиды составляют только 7 % общей массы, так что, когда вы смотрите на эти объекты, вы должны изумляться, как маловероятно то, что они вообще существуют.

В Главном поясе самые крупные астероиды вроде Весты, Цереры и Психеи так не похожи друг на друга, как это только возможно, – каменные миры, ледяные миры, металлические миры. Если они сформировались в одном регионе Солнечной системы и, пожирая планетезимали, доросли до того, что стали самыми большими, не следует ли ожидать, что между ними будет, по крайней мере, что-то общее? Если же каждый из них был просто удачливее других, как несколько уцелевших солдат в аналогии, которую я приводил выше, они будут разными, но тогда подразумевается, что в Главном поясе имелась крупная планета, поглотившая почти все тела, – почти все, кроме этих последних выживших. А где же эта планета? Она исчезла.

Меркурий, возможно, является самым ярким примером уцелевшего солдата, который избежал аккреции Землей или Венерой. Космический аппарат, изучавший тяготение Меркурия, определил, что его железное ядро занимает 4/5 радиуса планеты; силикатная кора и мантия лежат поверх него, словно глазурь на торте. Ядра других землеподобных планет (Земли, Марса и Венеры – Луна является еще одним странным исключением) составляют только половину их радиуса, примерно 30 % массы. Как же Меркурий потерял почти всю свою состоящую из горных пород мантию? Можно предположить разрушение Протомеркурия, как это сделал швейцарский астрофизик Вилли Бенц, один из зачинателей теории гигантских столкновений, но это приводит к проблеме: Меркурий, обращаясь вокруг Солнца, сгребет почти всю свою мантию в ходе быстрой обратной аккреции. К тому же это лишит его всех летучих компонентов.

Однажды в аспирантуре я осваивал код моделирования Бенца и просто для развлечения задал параметры столкновения двух дифференцированных астероидов размером с Весту, происходящего со скоростью, вдвое превышающую их скорость убегания, – несколько сотен метров в секунду. Соударение проходило по типу «оставления места происшествия». Я запомнил, как это было красиво: две планеты, сначала целые, а потом лишающиеся своих разлетающихся по спирали мантий. Позднее, когда я вместе с астрофизиком Робин Кэнап работал над проблемой образования Луны, мы имитировали столкновение Тейи с Землей, и я удивлялся, как многие из наших Тей продолжают свой путь, потрепанные, но вполне узнаваемые. Но эти варианты не давали нам массивного протолунного диска, так что мы на них не задерживались.

Я часто вспоминал обо всех этих утраченных Тейях. Наша наука следует за экспедициями и крупными приборами, так что в 2011 г. планета Меркурий была самой большой загадкой на всех конференциях. Космический аппарат «Мессенджер» слал нам фантастические наборы данных, превращая едва различимую черно-белую планетку в неправдоподобно богатые красками изображения, которые с высоким разрешением отражали на картах самые разные характеристики в красных, зеленых и синих тонах. (В видимом диапазоне Меркурий кажется человеческому глазу серым.) Самой большой загадкой были явные свидетельства наличия на поверхности и внутри Меркурия летучих компонентов: сложные «пустоты» в коре, где имеются огромные уступы с признаками обратной эрозии, подземные льды в постоянно затененных районах, а также обнаружение в его породах гораздо большей, чем на Луне, концентрации полулетучего элемента калия. На этой горячей, лишенной воздуха планете, которая, как считалось, возникла на свет в некоем гигантском столкновении, по общему мнению, не должно было быть ничего летучего.

Но что, если Меркурий появился не в результате гигантского удара чего-то, а из-за того, что сам врезался во что-то, как одна из тех Тей, которые продолжили свой путь? Луна – побочный продукт гигантского столкновения, и в итоге на ней очень мало летучих веществ, но при столкновении с оставлением места происшествия все идет по-другому: сила тяготения более крупной планеты помогает удалить мантию менее крупной, так что я заинтересовался этой возможностью. Содрать с планеты половину мантии – дело непростое. Перед столкновением с чем-то крупным породы в глубине Протомеркурия должны находиться под огромным давлением; после столкновения с оставлением места происшествия внутренние области подвергаются декомпрессии и там могут наблюдаться все варианты вулканической геохимии, дегазирования и сверхбыстрого охлаждения.

С этой теорией имелись проблемы. Прежде всего, это на первый взгляд низкая вероятность такого события. Если вы столкнете Протомеркурий с Протоземлей или Протовенерой (пусть это будет Венера), он, скорее всего, врежется в нее снова. Если бы он в конце концов был поглощен Венерой, что, пожалуй, кажется весьма вероятным, тогда Меркурий исчез бы и мы бы о нем сейчас не говорили. Но если он ударился и продолжил свой путь – столкновение с оставлением места происшествия, – тогда он оказался бы одной из тех акул чуть поменьше, которым снова и снова удавалось убежать. Как бы это ни было маловероятно, Меркурий на месте.

Но на самом деле это не так уж маловероятно – это лишь достаточно неправдоподобно, чтобы объяснить странную геологию Меркурия. Основываясь на наших моделях, столкновения с оставлением места происшествия происходят в половине случаев, когда тело размером с Протомеркурий ударяется о тело размером с Венеру. Так что Меркурию могло повезти раз, два, может быть, даже три, пока он не пришел в себя и не перестал сталкиваться с планетами. (В конце концов, все когда-нибудь стабилизируется.) Это как выбросить решку три раза подряд: вероятность того, что так и будет – ⅛ (½ × ½ × ½). Поскольку Протоземля и Протовенера возникли из восьми (или большего числа) других, менее удачливых Протомеркуриев, только одному из них должно было повезти, так что на самом деле существование одной планеты вроде Меркурия вполне вероятно.

Скопление галактик Abell 2218 так массивно, что его тяготение искривляет свет от более отдаленных галактик, создавая эффект космического линзирования. (Для черно-белой передачи цветного изображения я использовал старомодный прием перевода в негатив, что позволяет лучше рассмотреть определенные детали.)

Марс мог выжить другим способом. Вместо оставления места происшествия при повторяющихся столкновениях с более крупной планетой, Марс, возможно, имел опасные сближения, но ни разу не столкнулся с таким тяжеловесом, соударяясь только с телами меньшего размера. Не исключено, что он был динамически изолирован, а может, ему повезло. Тут есть искушение приукрасить эту историю дополнительными деталями – мол, именно поэтому Венера так отличается от Земли и так далее. Однако хаос и осторожность учат нас что этого не стоит делать, пока в нашем распоряжении не будет образцов с Венеры. Но эта гипотеза позволяет сделать предсказания, которые в конце концов могут быть проверены: самые крупные планеты в системе должны расти, пока в итоге не будут иметь примерно одинаковый химический состав, тогда как следующие по размеру планеты должны в результате сильно отличаться по составу. Если вы копнете грунт на Венере и на Земле, взяв по пробирке и там и там, вам будет трудно разобраться, где какой образец. Но с Меркурием, Марсом и Луной такой проблемы возникнуть не должно, как и с Вестой, Церерой и Психеей.

Коллаж фотографий прохождения Венеры, полученных в дальней ультрафиолетовой области спектра космическим аппаратом «Обсерватория солнечной динамики» NASA 5 июня 2012 г. Такие прохождения могут фиксироваться астрономами, живущими на расстоянии нескольких сотен световых лет, при условии, что их телескопы располагаются в плоскости солнечной эклиптики.

Мы привыкли слышать, что Солнце – средняя звезда. Но это не совсем верно: самые распространенные звезды – красные карлики – гораздо меньше. Они достаточно велики (в десятки раз больше Юпитера по массе), чтобы поддерживать термоядерный синтез в своем ядре, но достаточно малы, чтобы не давать так много света и тепла. Поэтому их и трудно обнаружить. На самом деле вполне вероятно, что ближайшая к нам звезда – это вовсе не Проксима Центавра, а какой-то неизвестный нам пока красный карлик.

Характеристики семи известных экзопланет системы TRAPPIST-1 (обозначенных буквами от b до h) по сравнению с землеподобными планетами (Меркурием, Венерой, Землей и Марсом). Предполагаемая объемная плотность каждой (то есть ее состав – металлы, горные породы или вода) нанесена на график в зависимости от количества света, которую планета получает от материнской звезды. Относительные размеры планет обозначены радиусом кругов. Массы и плотности планет системы TRAPPIST-1 были оценены по небольшим вариациям в периодичности их обращения при продолжительных наблюдениях с помощью космических телескопов NASA «Спитцер» и «Кеплер» в сочетании с данными, полученными от космического телескопа «Хаббл» и ряда наземных телескопов, с последующим сравнением результатов этих замеров с теоретическими моделями. Оценки предполагают, что планеты с более низкой плотностью могут быть богатыми водой.

Если бы вы были планетой, которая хочет породить жизнь, обращаясь вокруг такой звезды, вам стоило бы находиться поближе к огню, то есть обращаться на расстоянии нескольких сотых астрономической единицы. Это делает красные карлики отличными местами для охоты за обитаемыми планетами: таких звезд много, а пригодные для жизни планеты обращаются к ним так близко, что при правильных геометрических условиях мы можем увидеть, как они то и дело затмевают свет звезды. Все, что нам нужно, – смотреть, смотреть и смотреть на множество таких звезд, потому что нам должно повезти находиться в плоскости эклиптики звездной системы, чтобы зафиксировать на звезде тень, едва уловимое уменьшение силы ее света, когда перед ней пролетает планета. Такое явление мы называем прохождением или транзитом.

Несколько лет назад команда бельгийских и китайских астрономов направила скромный 61-сантиметровый телескоп на несколько близких «ультрахолодных красных карликов» в надежде обнаружить систему планет. Охота была очень успешной. Первая из их находок, планетная система, которую астрономы назвали TRAPPIST-1, – это настоящая сокровищница с семью планетами. По количеству света, которое каждая планета задерживает во время прохождения, мы знаем, что по размеру все они сравнимы с Землей. Пять из этих планет примерно земного типа обращаются в пределах вероятной зоны обитаемости своей звезды, то есть на их поверхности может иметься жидкая вода. Таким образом, эта система теперь занимает верхнюю строчку в списке объектов, где нам стоит искать инопланетную жизнь.

Данные, собранные по системе TRAPPIST-1, представляют собой просто набор точек, так что позвольте мне объяснить, что они означают. Мы не можем напрямую наблюдать эти планеты даже в самые мощные телескопы, но их планетная система обращена к нам ребром, так что каждая из планет проходит для нас перед своим солнцем один раз за свой год. Для самой дальней планеты такой год составляет всего 12 земных дней, а для самой ближней к звезде – полтора земных дня, потому что их орбиты расположены очень близко к маленькому светилу. Когда они проходят перед звездой, ее свет на несколько часов тускнеет на несколько процентов. По мере того как эти годы длиной около недели сменяют друг друга, астрономы получают все больше и больше информации, улучшая свои модели благодаря очищению сигнала (того, что реально) от шума, сопровождающего любое наблюдение.

Прохождения – самый мощный исследовательский прием для определения характеристик далеких планет, но мы можем их наблюдать, только если находимся в орбитальной плоскости той планетной системы. В ином случае тень ускользает от нас так же, как в случае с Луной, которая отбрасывает тень постоянно, но лишь изредка – на Землю. Обратное тоже верно: инопланетным астрономам необходимо находиться в одной плоскости с орбитой Земли (в плоскости эклиптики), если они хотят узнать какие-то подробности о нашей планете. Подавляющее большинство инопланетных астрономов, проживающих на планетах, обращающихся вокруг своих звезд к северу и к югу от нашей эклиптики, едва ли знают о существовании Земли. Но для астрономов, находящихся на плоскости эклиптики, особенно для тех, кого от нас отделяет не более нескольких сотен световых лет, Земля регулярно проходит перед сияющим сквозь космос Солнцем, и это может дать им достаточно информации, чтобы установить: наша атмосфера на одну пятую состоит из кислорода. Из этого они могут сделать вывод о наличии тут жизни.

Масса звезды системы TRAPPIST-1 выводится из закона Кеплера, примененного к движению ее планет; она в 84 раза тяжелее Юпитера и в восемь раз легче Солнца. По длительностям прохождений мы узнали, что звезда на 50 % больше Юпитера – то есть она сжата до средней плотности, в десять раз превышающей плотность железа. Ее плотность так велика, потому что внутренний жар в ней относительно слаб, в результате чего она не раздувается от тепловой энергии, как это происходит с крупными активными звездами. Размеры планет TRAPPIST-1 также известны из данных о прохождениях; а их массы, в свою очередь, можно оценить при точной аппроксимации орбит, поскольку звезда и планеты воздействуют друг на друга. Отсюда астрономы могут вычислить их плотность и сделать обоснованные предположения об их составе.

Погрешность этих измерений со временем будет уменьшаться. При некоторой доле удачи когда-нибудь мы узнаем, есть ли на этих планетах океаны. С появлением гигантских космических телескопов мы попробуем вычесть фоновый свет звезды, чтобы выделить только тот свет, который отражается от поверхности планет, и определить их цвет и состав. Это позволит нам кое-что выяснить об их атмосфере, а также узнать, есть ли там облака, континенты и спутники. Я предполагаю, что это случится через 30 лет, и эта оценка кажется разумной: 30 лет назад мы еще не имели данных об экзопланетах, так что, если начистоту, кто знает, что ждет нас впереди?

Система TRAPPIST-1 имеет геометрическое сходство с галилеевыми спутниками Юпитера. И как и в том случае, похоже, что орбитальный резонанс держит эти планеты в вечном общем порядке, навсегда увязав их судьбы. Двигаясь изнутри наружу, орбитальные периоды планет системы TRAPPIST-1 подчиняются примерно целочисленным соотношениям 8/5, 5/3, 3/2, 3/2, 4/3 и 3/2. Как и у галилеевых спутников, при сдвиге одного тела должна прийти в движение вся цепочка, что придает этой группе огромную динамическую стабильность. Это похоже на связь Плутона с Нептуном, если не учитывать, что именно она стала причиной, по которой Международный астрономический союз больше не считает Плутон планетой. Может, и напоминающие Землю планеты системы TRAPPIST-1 – тоже не планеты?

Ультрахолодный красный карлик горит медленно, как слой тлеющих углей из твердой древесины. Атомная физика предсказывает, что он не потухнет триллионы лет, в сто раз дольше, чем на сегодняшний день существует Вселенная. Динамическая стабильность его планет гарантирована на сотни миллиардов лет; главный риск для них – это появление какого-то чужака извне (бродячей планеты), который прилетит и столкнется с одной из них. Если что-то разбивает состоящую из множества резонансов цепочку Лапласа, то вся система может быстро развалиться, так что такое событие станет катастрофой библейского размаха, но оно вероятно только на временных промежутках в триллионы лет.

Если на одном из этих миров существует жизнь, у нее, судя по всему, есть шанс пройти в тысячу раз больше этапов развития, чем у жизни на Земле. Если она все еще не зародилась, ей некуда торопиться. Может, к моменту гибели Вселенной она достигнет там в некотором роде совершенства. Пять миллиардов лет спустя, подняв головы к своему ночному небу, жители этого мира увидят, как наше Солнце превращается в красный гигант, а потом выбрасывает красивую туманность; позже про него забудут, и оно станет еще одной потерянной звездой в их исчезающих созвездиях. Система TRAPPIST-1 и другие системы, обращающиеся вокруг красных карликов, продолжат жить, пока более яркие звезды, такие как Солнце, будут одна за другой вспыхивать ослепительным светом и гаснуть навсегда. Через 100 млрд лет в состарившейся и опустевшей Вселенной, возможно, все еще будет биться пульс жизни – чрезвычайно развитой жизни, обитающей около этих выносливых маленьких звезд.

Цепочка резонансов планет системы TRAPPIST-1 может наделить ее обитателей очень интересным календарем и подарить им немало впечатляющих и никогда не повторяющихся зрелищ. Расстояние между соседними планетами там в несколько раз больше расстояния между Землей и Луной, а сами планеты в несколько раз больше Луны, так что при максимальном сближении они будут видны на небе как полные луны, имеющие разные цвета и отметины. Иногда они будут гоняться по небу друг за другом, иногда – отставать, закладывая повороты на реальных и кажущихся траекториях, пока пары планет движутся вокруг своей звезды. Соединения соседних планет – то есть полных лун – будут происходить каждый планетный год, иначе говоря, каждые несколько земных недель. И конечно, у самих планет тоже будут спутники, а у некоторых могут быть и кольца. Думаю, вполне можно признать, что каким бы впечатляющим ни было ночное небо на Земле, эту красоту нам просто нечем крыть.

Но в условиях около ультрахолодных красных карликов есть один существенный недостаток. Более внимательно проанализировав данные прохождений в системе TRAPPIST-1, мы видим у этой звезды не только минимумы яркости, когда планета загораживает ее свет. Есть тут и пики, соответствующие ее мощным вспышкам. Мы фиксируем только видимый свет, но с каждой такой вспышкой, возникающей из-за нестабильности термоядерных реакций внутри еле горящих звезд, будут связаны все виды ионизирующего излучения. Жизнь вокруг звезды TRAPPIST-1 и в других подобных системах, если она существует, могла быть вынуждена укрыться под поверхностью планеты или в океане, чтобы справиться с разрушительным воздействием радиации на живую материю. Жить под землей не так уж плохо, если ты бактерия; считается, что на Марсе, Европе, Титане и даже на Меркурии есть подповерхностные районы, потенциально пригодные для земных организмов. А уж жить в океане совсем нетрудно. В любом случае эти вспышки также могут обеспечить искру, необходимую для зарождения жизни, – потоки ионизирующего излучения, которое может запустить как раз нужные протобиохимические реакции.

Я не уверен, что мы сможем количественно оценить вероятность существования жизни на других планетах, пока не обнаружим ее где-то еще. Это напоминает мне «правильный метод философии», заявленный австрийским философом Людвигом Витгенштейном: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Тем не менее инопланетная жизнь – это то, о чем мы думаем и говорим, и в значительной степени это то, ради чего ведутся исследования других планет. Уверен, нет никакого вреда в том, чтобы постараться сформулировать верный вопрос. Более глубоко оценивая проблему в своей книге «Редкая Земля» (Rare Earth), палеонтолог Питер Уорд и астроном Дон Браунли 20 лет назад пришли к заключению, что сложная жизнь во Вселенной встречается чрезвычайно редко, потому что для ее существования должно совпасть слишком много факторов. А в 1950 г. физик Энрико Ферми заметил, что при наличии в Млечном Пути сотен миллиардов звезд инопланетяне уже должны были вступить с нами в контакт, если только сложная жизнь не представляет собой исключительно редкое явление («парадокс Ферми»). Возможно, так оно и есть.

Давайте постулируем, что зарождение жизни является детерминированным – то есть, если вы обеспечите верные первоначальные условия, жизнь возникнет. (Если же для этого нужна искра Господня, то я не вижу причин, по которым жизни не может быть и в подземном рассоле на Ганимеде, невзирая на отсутствие тектоники плит, Солнца, Луны и всего остального.) Если жизнь детерминирована, тогда все сводится к тому, насколько конкретны ее требования. Давайте предположим, что для каждого такого условия есть некий конечный разрешенный диапазон (назовем его эпсилон – греческая буква ε, которая в математике означает «что-то очень маленькое»), так что, если вы создадите планету, попадающую в это ε-пространство параметров, жизнь там с большой вероятностью возникнет. Это опасная игра, потому что мы склонны воспринимать наш собственный опыт как нормальный, но давайте все же сыграем.

Наша Галактика, как она выглядела из Веллингтона, Новая Зеландия, 25 октября 2013 г.

Для начала сузим ε-пространство так, чтобы оно включало только планеты, где есть океаны и тектоника плит – их мы обычно называем «землеподобными». Возможно, это одна планета из десятка тысяч (точно мы не знаем). Скажем, что планете необходимо иметь крупный спутник, который управляет приливами древних океанов, обеспечивая сложное взаимодействие суши и моря. Возможно, это одна планета из десяти (в конце концов, нам известны системы Земля – Луна и Плутон – Харон, так что это явление не необычно). Также предположим, что требуется наличие одной или нескольких планет-гигантов на более отдаленных орбитах: они служат фильтром, не допускающим поздних бомбардировок астероидами и кометами, удары которых могут уничтожить жизнь как только она зародится. Это, вероятно, одна планета из десяти тысяч, принимая во внимание то, что наша Солнечная система кажется уникальной среди тысяч известных нам систем. Так что теперь мы имеем одну планету на миллиард. Давайте даже предположим, что нам необходима такая соседняя планета, как Марс, где жизнь может зародиться раньше, пока обитаемая в долгой перспективе планета (Земля) остывает от своего перегрева. Думаю, это будет одна планета из десяти. Еще допустим, что вокруг должно быть достаточное количество астероидов и комет (но не слишком много!), так, чтобы небольшое космическое тело в конце концов перебросило жизнь с аналога Марса на аналог Земли. Возможно, это снова одна планета из десяти, так что теперь у нас остаются примерно две такие планеты во всем Млечном Пути. Центральная звезда должна быть относительно стабильной и иметь ожидаемую продолжительность жизни в несколько миллиардов лет; может потребоваться, чтобы она была похожа на Солнце, так что, скажем, такая попадается один раз на сотню. Теперь таких планет куда меньше одной во всей Галактике. Также может потребоваться поздняя доставка с других тел системы биогенных молекул, например фосфорных или углеродных соединений, с помощью астероидов. Думаю, выполнение этого условия мы получаем бесплатно в нагрузку к баллистической панспермии, но добавим для полной уверенности еще один порядок. Далее, предположим, что планета должна находиться в правильной части галактики, чтобы жизнь не уничтожили вспышки гамма-лучей и прочая звездная активность. Пусть это будет еще одна из ста. Наконец, чтобы мало не показалось, пусть у нас должно произойти позднее столкновение К/Т-типа, массовое вымирание, которое позволит видам-аутсайдерам (в нашем случае – млекопитающим) выбраться из своих нор и захватить планету. Это еще одна из ста. Теперь у нас остался один шанс на миллиард триллионов. Такая величина ε подразумевает, что во Вселенной есть по меньшей мере сотня тысяч очень близких копий Земли – если, конечно, каждый отдельный дротик летит в мишень случайным образом!

Аргументы такого рода – если вы бросите в мишень сто тысяч миллиардов триллионов дротиков, то, скорее всего, сотню тысяч раз попадете в яблочко, – имеют ограниченную практическую ценность с точки зрения возможности что-либо предсказать, но могут послужить некой основой. Например, что, если каждая из планет не является уникальной, а вместо сотни миллиардов триллионов случайных экспериментов существует по сотне триллионов почти точных копий всего нескольких миллиардов типов планет? Тогда вероятность обнаружить что-либо внутри ε-пространства может оказаться близкой к нулю. Если образование планет похоже на создание дождевых капель, то вы можете наделать их бесконечное число, и у каждой из них будут свои отличительные характеристики – соленость, диаметр, температура, – но все они будут дождевыми каплями.

Вышесказанному противоречат свидетельства в пользу значительного планетного разнообразия; полагаю, неэффективная аккреция максимизирует это разнообразие, так что вместо бесчисленных дождевых капель мы получаем ледяные шары, каменные шары, водные миры, металлические миры и любые другие промежуточные варианты. Возможно, какой бы маленькой ни была заданная вами величина ε, это разнообразие все равно гарантирует, что где-то, когда-то вы попадете в яблочко и создадите жизнь.

Что, если человечество действительно уникально и является единственной искрой развитого сознания, которое стоит на пороге распространения в космос? Я вспоминаю, как много раз разводил костер, а пламя гасло, стоило только мне отвернуться, после чего я полчаса, дрожа от холода, пытался разжечь его снова, поскольку уже извел все сухие ветки. Не произойдет ли так и с нами? Если мы действительно одиноки в нашей Галактике и если мы не позаботимся о настоящем – если мы позволим нашему крепкому дому рухнуть, – все наши лучшие творения, все цивилизации человеческой истории исчезнут навсегда и по сути окажутся бессмысленными, а Вселенная продолжит существовать, как будто всего этого никогда не было.

Если же сложные разумные организмы вроде нас распространены в Галактике – маленькие уютные костерки тут и там – и мы бездарно позволим нашему огню погаснуть, тогда свидетельства того, что мы тут натворили, смогут стать загадкой, которую предстоит решить будущим инопланетным геологам, скачками на графике распределения изотопов углерода и кислорода, кернами осадочных отложений, которые содержат синтетические молекулы, указывающие на то, что когда-то здесь жили существа с развитой промышленностью. Слой, соответствующий переходу от голоцена к антропоцену, закладывается прямо сейчас: новые осадочные и вулканические породы формируются вокруг мириадов фрагментов пластика, карбонаты и кораллы растворяются в более теплом и кислом океане, а сезонный сток воды нарастает из-за все более сильных штормов. Через миллионы лет Земля, в таком случае, будет ярким, хотя, возможно, и удручающе типичным для нашей Галактики примером творчески одаренной, развитой цивилизации, которая сорвалась вниз как раз в тот момент, когда наконец научилась видеть.