Воображаемая жизнь (ЛП)
Когда астрономы используют термин «суперземля», он относится только к массе и не содержит никакой информации о размерах или обитаемости планеты. Суперземля может быть водным миром, подобным тому, что мы назвали Нептунией в главе 8, замёрзшим миром вроде того, который мы назвали Айсхеймом в главе 6, или миром наподобие того, который мы назвали миром Златовласки в главе 9, с океанами на поверхности и сушей. Из-за имеющихся в нашем распоряжении методов измерений каменистая суперземля с разреженной атмосферой, водяная суперземля с ледяным покрытием или без него и планета вроде Нептуна, с толстым внешним слоем газов вполне могут казаться нам одинаковыми. Однако, учитывая наше внимание к живым системам, в этой главе мы ограничим наше внимание типами суперземель, которые могли бы поддерживать жизнь.
Мы можем начать разговор, попытавшись ответить на вопрос, заданный выше: если такие миры настолько обычны в других системах, почему в нашей собственной системе такого нет?
Есть несколько вариантов ответа на этот вопрос. Один из них — просто заметить, что существует ряд систем, в которых суперземель нет, и утверждать, что наша просто случайно является одной из них. Другой подход состоит в изучении компьютерных моделей, описывающих формирование Солнечной системы, и в поиске процессов, которые могли бы уничтожить какие-то суперземли, которые в ней когда-то были. В некоторых моделях, например, движение планет-гигантов смещает суперземли в сторону Солнца. В других случаях гравитационное «перетягивание каната», продолжавшееся во времена образования планет, выбросило суперземли из системы, превратив их в планеты-сироты, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Однако какова бы ни была причина — образовались ли они, а затем были уничтожены, или же вообще никогда не образовывались, — в настоящее время в нашей Солнечной системе суперземель нет.
Это не является нарушением принципа Коперника. В нашей планетной системе действуют те же законы, что и везде, но в особенностях того, как зарождалась наша система, есть нечто, породившее иной результат по сравнению с тем, что мы наблюдаем в других системах. Возможно, распределение массы в облаке туманности нашей системы было немного иным; возможно, проходящая звезда потревожила газы в туманности во время формирования планет. Какова бы ни была та причина, рядом с нами нет суперземли, которую можно изучать.
Очень сильная гравитация
Отсутствие суперземель в Солнечной системе не означает, что мы не можем установить, какие условия могли бы существовать на одной из этих планет. Давайте начнём с наиболее очевидного различия между суперземлёй и нашей Землёй: с гравитации. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила притяжения, действующая на любой объект, прямо пропорциональна его массе — удвойте массу планеты, сохранив при этом её геометрические размеры, и вы удвоите силу тяготения на её поверхности. Закон также гласит, что сила уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния — удвойте радиус планеты, сохранив её массу неизменной, и сила притяжения на её поверхности составит четверть от той, что была.
Эти две характеристики определяют силу тяжести на поверхности любой планеты. Например, прямо сейчас Земля воздействует на вас направленной вниз силой тяготения — вот почему вы не улетаете в космос. Величина силы зависит от массы Земли и вашего расстояния от центра Земли (т. е. радиуса планеты). Фактически, одним из величайших триумфов закона Ньютона является то, что если вы примените его к массе и радиусу Земли, вы получите стандартные 32 фута в секунду в квадрате (9,8 м/сек2), что соответствует ускорению любого объекта, падающего на поверхность Земли.
Таким образом, определение силы тяжести на гипотетической планете предполагает простой ньютоновский расчёт. Рассмотрим, например, суперземлю в восемь раз массивнее Земли, но с той же плотностью. Её радиус был бы в два раза больше земного. Таким образом, при определении силы тяжести на поверхности планеты необходимо было бы учитывать два конкурирующих эффекта: большая масса увеличивает силу, в то время как больший радиус уменьшает её. В результате на этой планете вы будете весить в два раза больше, чем здесь, на Земле.
Вполне возможно, ситуация на настоящей суперземле была бы не такой простой. Увеличенная сила тяжести, скорее всего, сжала бы материалы в теле планеты, так что её радиус превышал бы земной меньше, чем в два раза. Это, в свою очередь, приведёт к увеличению силы тяжести на поверхности и, следовательно, к увеличению вашего веса.
Увеличенная сила тяжести также повлияла бы на состав атмосферы на суперземле. Например, она усложнила бы диссипацию атмосферы, которую мы обсуждали для планеты Златовласки в главе 9. Таким образом, вполне вероятно, что атмосфера суперземли сохранит такие лёгкие газы, как гелий и водород, собственный запас которых Земля большей частью растеряла.
Кроме того, возросшая сила тяжести увеличила бы давление на атмосферу и океаны планеты. Самый простой способ убедиться в этом — вернуться к примеру, который мы использовали в главе 8, где мы говорили о колонне с основанием в виде квадрата со стороной в 1 дюйм (около 2,5 см), которая поднимается от вашей руки до космоса. Давление на этот 1 квадратный дюйм вашей руки будет равно весу воды и воздуха в колонке. Это означает, что если бы в атмосфере суперземли находилась та же масса воздуха и воды, что и на Земле, где давление в колонне составляет 14,7 фунтов (6,5 кг), то давление на 1 квадратный дюйм вашей руки составляло бы около 30 фунтов (14 кг). Это, в свою очередь, означает, что явление, которое мы назвали пределом льда X в главе 8, на суперземлях будет наблюдаться в более мелких океанах, чем на планете вроде той, что мы назвали Нептунией.
Жизнь и выход на сушу
Давайте чисто теоретически рассмотрим суперземлю в восемь раз массивнее, чем Земля, но с той же плотностью — планету того типа, о котором мы говорили в предыдущем разделе. Давайте предположим, что она находится в центре ЗООЗ своей звезды, и на её поверхности есть океаны жидкой воды. Мы назовём эту планету Здоровяком.
Нет никаких причин, по которым на Здоровяке не повторились бы те же самые процессы, которые привели к появлению жизни на Земле. Возможно, там жизнь зародилась бы в первичном бульоне или вокруг гидротермальных источников срединно-океанических хребтов, а затем переселилась бы на поверхность. Возможно, фотосинтез насытил бы атмосферу кислородом, и в океанах распространилась бы многоклеточная жизнь. Увеличенная сила тяжести Здоровяка не оказала бы значительного влияния ни на один из этих процессов.
Однако она имела бы большое значение во время расселения жизни на сушу. Чтобы понять, почему это происходит, нам нужно вернуться к древним грекам. Архимед Сиракузский (ум. 212 г. до н.э.) — первый человек, о котором известно, что он открыл закон плавучести. Представьте себе, если хотите, куб, который ограничивает блок воды на поверхности океана. Вода в кубе имеет определённый вес, и давление, оказываемое снизу вверх на дно куба океаном, находящимся под ним, просто поддерживает этот вес. Это называется выталкивающей силой.
Если мы заменим куб воды кубом, содержащим какой-либо другой материал, существуют два возможных последствия: новый куб весит либо больше, чем старый, либо меньше. Если он весит больше, выталкивающая сила не сможет уравновесить силу тяжести, воздействующую на материал, и объект утонет. С другой стороны, если новый материал весит меньше, чем вытесненная вода, выталкивающая сила будет больше, чем сила тяжести, воздействующая на новый материал, и он будет продолжать плавать на поверхности океана.
Обратите внимание, что здесь имеет значение количество вытесненной воды — в нашем примере это объём куба. Вот почему стальной корабль будет плавать, даже если стальной стержень без воздуха внутри утонет: корабль вытесняет объём воды, равный объёму как самого корпуса, так и воздуха внутри корпуса, который весит значительно меньше, чем вода.