Книга Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог

NASA/JPL

Одно из самых очевидных мест, о которых нам следует подумать в этой связи, – это Ганимед, спутник Юпитера диаметром 5000 км, самое массивное покрытое льдом тело в Солнечной системе. Это самый большой из известных нам спутников, пока мы не обнаружим еще более крупные спутники, обращающиеся вокруг планет у других звезд. Глубоко внутри Ганимеда расположен океан, о котором мы знаем по замерам магнитного поля во время экспедиции космического зонда NASA «Галилео» (о ней мы поговорим ниже) и из того простого факта, что лед тает от тепла и давления. Глубина и протяженность океана на Ганимеде неизвестна. О его химических и минералогических характеристиках можно только строить предположения, а геологические процессы, происходящие под слоем льда, являются предметом одних лишь безосновательных догадок. Мы знаем, что океан покрыт сплошным ледяным панцирем толщиной от 50 до 100 км и что никакого взаимодействия между океаном и поверхностью не было с момента последнего крупного столкновения, которое произошло миллиарды лет назад. Доставить робота в толщу странных морей Ганимеда – куда более трудная задача, чем отправить автоматический зонд к ближайшей звезде, но, пока этого не случилось, ничто не мешает нам смотреть, думать и изучать.

Океан Ганимеда подогревается несколькими разными способами. Во-первых, это гравитационная энергия слияния, оставшаяся с момента образования спутника; ее было достаточно, чтобы полностью растопить это тело во время аккреции. Эта аккреция происходила относительно быстро, но для выхода наружу внутреннему теплу могут потребоваться сотни миллионов лет. Далее, тепло образуется в результате распада урана и других радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах Ганимеда. Распад некоторых атомов происходит быстро, но среди них есть и долгоживущие изотопы калия, тория и урана, которые производят энергию миллиарды лет и вносят основной вклад во внутренний разогрев Ганимеда. Кроме того, существует приливный разогрев, который также играет значительную роль. Для некоторых планетных систем он очень устойчив и, вероятно, способен производить тепло хоть триллион лет.

Чтобы понять, как происходит приливный разогрев, давайте вначале рассмотрим Луну, которая находится в состоянии приливного захвата с Землей и всегда обращена к ней видимой стороной. Если бы орбита нашего спутника была идеально круглой, с любой точки видимой стороны Земля казалась бы неподвижно висящей в небе, тогда как Солнце и звезды всходили бы и заходили каждый месяц, который аналогичен лунным суткам. Но орбита Луны не является идеальной окружностью; это эллипс с эксцентриситетом в 5 %. Согласно закону Кеплера, Луна движется немного быстрее, когда находится ближе к Земле, в перигее, и медленнее, когда она дальше от Земли, в апогее. Поскольку вращение Луны вокруг своей оси остается постоянным, в перигее она обращается вокруг Земли быстрее, чем вокруг оси, а в апогее, наоборот, медленнее. Поэтому, если вы отдыхаете на лунной даче около Моря Восточного, на 90° западной долготы, Земля всегда будет находиться на восточном горизонте, каждый месяц немного приподымаясь и потом опускаясь, – очень красивый вид. Двигаясь таким образом, Земля вызывает внутри Луны периодические приливы, которые становятся причиной приливного трения, что приводит к выработке тепла, примерно так же, как если вы будете постоянно сгибать и разгибать скрепку.

Сейчас Луна представляет собой твердое и эластичное тело, Земля находится далеко, а вызванные эксцентриситетом колебания невелики, поэтому приливное трение создает лишь едва достаточно тепла для того, чтобы поддерживать температуру вероятно существующей полужидкой области, окружающей маленькое железное ядро. Но раньше, когда Луна была гораздо ближе к Земле, приливный разогрев был огромен. Если смотреть на Юпитер с поверхности Ганимеда, он также описывает в небе небольшие круги, но гораздо чаще (каждые семь дней); кроме того, Юпитер создает более мощную приливную силу, что приводит к выделению значительно большего количества тепла. Кашеобразная океаническая мантия спутника сдвигается взад-вперед, и, хотя сейчас тепла было бы недостаточно, чтобы растопить Ганимед, если бы он замерз полностью, его хватает, чтобы не дать затвердеть океану рассола.

Ничто не дается даром, и приливное трение забирает энергию у орбитального движения спутника, снижая со временем эксцентриситет его орбиты[169], но в случае с Луной это происходит так медленно, что мы можем заключить, что она – плотное упругое тело[170]. В отсутствие других факторов приливный разогрев Ганимеда в конце концов прекратился бы, Юпитер светил бы в его небе неподвижно, а приливный бугор стал бы постоянным. Но Ганимед – не единственный спутник Юпитера; он вовлечен в орбитальный резонанс с двумя другими галилеевыми спутниками – Ио и Европой. Как мы увидим далее, это означает, что орбита Ганимеда имеет вынужденный эксцентриситет, обусловленный взаимными гравитационными взаимодействиями с другими спутниками. Такое положение может поддерживаться многие миллиарды лет, так что приливный разогрев не ослабевает.

Из доступных нам данных об экзопланетах мы знаем о существовании во Вселенной суперземель с открытыми океанами глубиной в десятки километров, площадь которых в пять-десять раз превышает площадь Земли. Можно только вообразить себе их течения, штормы и цунами, возникающие в результате суперземлетрясений. Могут ли горы и вулканы подняться со дна такого водного мира, чтобы стать островами и континентами? Думаю, нет. Горы могут подниматься только до тех пор, пока они не осядут под собственным весом, и это правило действует как на суше, так и в воде, особенно на массивной планете с большой силой тяжести. Более серьезную сложность представляет то, что при высоком давлении вода переходит в твердое состояние под названием лед VI. Океаны Земли недостаточно глубоки, чтобы в них образовывался лед VI, но океаны Ганимеда простираются на глубину в сотни километров и вполне могут затвердеть[171]. Суперземля с океанами глубиной более 30–40 км будет (если экстраполировать лабораторные данные) иметь морское дно, состоящее изо льда VI, пробитого вулканическими извержениями.

Вода не полностью прозрачна для света, поэтому первичная биосфера солнечного водного мира, если она вообще возникает, будет сосредоточена в верхних 10 м, изобилующих планктоном или колонизированных гигантскими микробными матами. На дне такого океана, над корой изо льда VI, жизнь может теплиться в полной темноте вокруг обширных вулканических регионов, питаясь тем, что поступает из гидротермальных источников (черных курильщиков), или разлагающимися организмами, опускающимися на дно с поверхности и формирующими при высоком давлении некий специфический илистый слой. Все это, конечно, лишь предположения, но мы живем в мире, полном вопросов «кто знает?». Уже обнаруженные нами водные миры находятся достаточно близко к своим звездам, скорее всего, окутаны паром и, таким образом, менее интересны с точки зрения наличия жизни. Но более далекие от звезд планеты обнаружить труднее, так что «водные миры Златовласки» вероятно существуют и, возможно, уже открыты. Наконец, находящиеся еще дальше водные миры представляют собой миры ледяные, однако, если они имеют размер суперземель, их криосфера будет геологически активной благодаря значительному количеству внутреннего тепла, которому нужно вырваться наружу: на охлаждение настолько массивной планеты потребуются миллиарды лет[172]. Попробуйте только вообразить себе геологию такого небесного тела!