Михаил Никитин
Происхождение жизни. От туманности до клетки
Поздняя тяжелая бомбардировка и миграция планет-гигантов
Поверхность Луны, Меркурия и в меньшей степени Марса покрыта ударными кратерами. Измерение возраста лунных кратеров показало, что большинство из них появились практически одновременно, 3,9 млрд лет назад – примерно через 650 млн лет после начала образования Солнечной системы. На Земле следы этой бомбардировки были стерты последующей геологической активностью. Распределение размеров кратеров показывает, что большая часть массы выпадавших тел приходится на объекты размером от 1 до 50 км, т. е. планетезимального размерного класса. Причины такого резкого повышения количества столкновений через 500 млн лет после окончания формирования планет земной группы и стабилизации пояса астероидов долгое время были непонятны.
Модели формирования планет-гигантов указывают на неизбежность их миграции к Солнцу при быстром накоплении газа. В 2000-е годы уже было понятно, что это не фантазия теоретиков, – были открыты многочисленные «горячие Юпитеры» у других звезд. Температура этих планет может превышать 2000 °C, а период обращения вокруг звезды – измеряться часами.
Миграция планеты-гиганта приводит к рассеиванию планетезималей и не позволяет образоваться планетам земного типа. Впрочем, если миграция происходит в течение менее 10 000 лет, то заметная часть скальных планетезималей остается во внутренней части системы, и к ним добавляются ледяные планетезимали из внешних областей. В этом случае в зоне жизни возможно образование водяных планет с массой от одной до пяти масс Земли и покрытых океаном толщиной в сотни километров. Такие планеты также были обнаружены у других звезд.
Следовательно, модели формирования планет-гигантов верны хотя бы для части планетных систем, а для описания нашей Солнечной системы надо вводить дополнительные механизмы, предотвратившие миграцию планет к Солнцу. Одна из подсказок тоже была получена из исследований экзопланет – «горячие Юпитеры» часто являются единственной гигантской планетой в системе, а у нашего Солнца планет-гигантов четыре. Возможно, дело в их взаимодействии?
Расчеты показали, что несколько планет-гигантов действительно могут удерживать друг друга от падения к Солнцу. Однако для этого необходимо, чтобы их орбиты были гораздо ближе друг к другу, чем в реальности. В этом случае Юпитер и Сатурн в процессе быстрого накопления газа проделывают в газовом диске общее разреженное кольцо. Сатурн не мигрирует внутрь, так как внутри него газ уже поглощен Юпитером, а миграция Юпитера останавливается, когда он оказывается в орбитальном резонансе 3:2 с Сатурном. Для системы из четырех планет-гигантов миграция тоже останавливается, если орбиты планет были близки друг к другу. Моделирование показало наличие шести устойчивых конфигураций, общей чертой которых является орбитальный резонанс 3:2 между Юпитером и Сатурном.
Авторы «модели из Ниццы» начали с попытки объяснить строение пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку и согласовать устойчивые конфигурации планет-гигантов с наблюдаемой в реальности, где Юпитер и Сатурн близки к резонансу 5:2 и все расстояния между планетами-гигантами гораздо больше, чем в устойчивых конфигурациях (рис. 2.3).
Во всех этих конфигурациях радиус орбиты внешней планеты-гиганта не превышает 17 а. е. (астрономических единиц, 1 а. е. = 150 млн км – радиус орбиты Земли). Для сравнения: современная орбита Нептуна проходит в районе 30 а. е. от Солнца. Причиной изменения орбит планет в «модели из Ниццы» является обширный, плотный древний пояс Койпера, состоящий из ледяных планетезималей общей массой примерно 35 масс Земли. Близкие проходы планетезималей около Урана и Нептуна переводят планетезимали на более близкие к Солнцу и более вытянутые орбиты, а орбиты планет, напротив, отдаляются от Солнца. Заброшенные внутрь планетезимали далее проходят вблизи Сатурна, расширяя и его орбиту. Близкие встречи с Юпитером приводят к другим последствиям – планетезимали оказываются выброшенными из Солнечной системы либо переходят на очень вытянутые эллиптические орбиты с огромными периодами обращения, переходя в облако Оорта. Часть планетезималей попадает на орбиты, проходящие близко к Солнцу, где сталкивается с планетами земной группы. Обмен импульсом между Юпитером и выброшенными планетезималями приводит к тому, что Юпитер, в отличие от других планет-гигантов, немного приближается к Солнцу. Наконец, примерно через 500–600 млн лет смещение Сатурна наружу и Юпитера внутрь приводит к тому, что они попадают в дестабилизирующий резонанс 1:2. Орбиты Юпитера и Сатурна становятся эллиптическими и приводят к близким проходам Сатурна и двух внешних планет. Их орбиты, в свою очередь, тоже вытягиваются. Нептун быстро начинает проходить в густонаселенной части пояса Койпера, и поток планетезималей во внутренние области Солнечной системы возрастает тысячекратно. На планетах земной группы в это время происходит поздняя тяжелая бомбардировка. Динамическое трение Нептуна в поясе Койпера приводит к тому, что его орбита опять скругляется, но на гораздо большем расстоянии от Солнца. Радиус орбиты Сатурна тоже растет, и он уходит от резонанса 1:2. Пояс Койпера разрушается, его ледяные объекты частью выброшены из Солнечной системы, частью столкнулись с планетами и спутниками, частью перешли на вытянутые кометные орбиты или в облако Оорта. В поясе Койпера остается около 1 % его первоначальной массы. В процессе миграции Юпитера внутрь и во время резонанса 2:1 с Сатурном пояс астероидов опять дестабилизируется, астероиды рассеиваются ближе и дальше к Солнцу и тоже вносят вклад в позднюю тяжелую бомбардировку внутренних планет. Это вторая стадия обеднения пояса астероидов, в процессе которого его масса падает примерно с 1 до 0,1 % массы Земли.
«Модель из Ниццы» предсказывает, что Нептун до момента поздней тяжелой бомбардировки с большой вероятностью был ближе к Солнцу, чем Уран, что согласуется и с большей массой Нептуна. Предсказываемые близкие прохождения планет-гигантов объясняют происхождение нерегулярных спутников – это были пролетавшие мимо планетезимали, которые были захвачены на орбиты спутников при прохождении около двух планет. Еще одна странная деталь Солнечной системы, получающая объяснение в рамках этой модели, – астероиды-троянцы. Это мелкие объекты, которые движутся по орбите Юпитера на 60 градусов окружности впереди и позади планеты, в так называемых Лагранжевых точках L4 и L5. В настоящее время они находятся в устойчивом равновесии: троянцы не могут покинуть свои орбиты под воздействием других планет, но и новые тела не могут попасть в их ряды. Однако в момент резонанса 1:2 Сатурна и Юпитера объекты в точках L4 и L5 были неустойчивы. Мигрирующие планетезимали могли входить и выходить в эти точки, но после выхода Юпитера из резонанса с Сатурном оставшиеся астероиды были заперты там на миллиарды лет.
Прыгающий Юпитер
При всех достоинствах «модели из Ниццы», объясняющей очень многие свойства Солнечной системы, в ней есть к чему придраться. Прежде всего, в процессе миграции Юпитера он проходит орбитальные резонансы с Марсом. Хотя это не очень опасные резонансы, такие как 1:7, но их достаточно, чтобы орбита Марса вытянулась и стала заходить в пояс астероидов. Ничего подобного в Солнечной системе мы не видим. Второй недостаток относится к судьбе нерегулярных спутников. Модель хорошо предсказывает захват планетезималей на орбиты нерегулярных спутников Сатурна, Урана и Нептуна, но система нерегулярных спутников Юпитера устроена точно так же и, видимо, должна иметь такое же происхождение – путем захвата планетезималей при близких проходах двух планет-гигантов. В классической «модели из Ниццы» близких встреч Юпитера с другими планетами не было. Однако в 10–20 % запусков моделирования происходили близкие проходы Урана или Нептуна мимо Юпитера, отчего его орбита изменялась скачкообразно, пропуская опасный резонанс с Марсом, а ледяной гигант (т. е. Уран или Нептун) попадал на удаленную от Солнца орбиту или оказывался выброшенным из системы. В дальнейшем авторы «модели из Ниццы», изучая структуру орбит астероидов, показали, что «прыгающий Юпитер» лучше соответствует реальности, чем плавное изменение орбит в исходной модели (Morbidelli et al., 2010). Более того, сценарий, в котором ледяной гигант выбрасывается из Солнечной системы, тоже возможен: не исключено, что исходно в ней был еще один ледяной гигант, подобный Урану и Нептуну. Такие выброшенные планеты, свободно плавающие в межзвездном пространстве, в последние годы были обнаружены астрономами.
Солнечная система – норма или исключение?
На сегодня ученым известны тысячи различных экзопланет, и можно попытаться сравнить их с планетами Солнечной системы и оценить, насколько устройство нашей системы типично в галактике. Большинство открытых на сегодня экзопланет обнаружены либо методом лучевых скоростей, либо методом транзитов. Чем ближе планета к звезде, тем больше шансов ее обнаружения этими методами, потому что и затмение, и изменение скорости звезды происходит с периодичностью в один оборот планеты.
Кроме того, массивные планеты при любом способе поиска найти легче, чем малые. Поэтому не удивительно, что в начале поиска экзопланет было открыто множество «горячих Юпитеров», очень близких к звезде. С появлением более чувствительных приборов были открыты также легкие экзопланеты с массой порядка земной и даже меньше. Но в целом наши знания о других звездных системах очень отрывочны. Например, если бы мы наблюдали Солнечную систему с расстояния в 100 световых лет нашими современными приборами, то обнаружили бы только Венеру и Землю.
Даже по таким отрывочным данным понятно, что в галактике есть множество звездных систем, не похожих на Солнечную. Например, в системе HD 80606 планета-гигант обращается по сильно вытянутой эллиптической орбите, и расстояние от нее до звезды меняется в 30 раз. Есть системы, в которых одна из планет обращается вокруг звезды не в ту сторону, что остальные. Эти и другие ситуации, кстати, наблюдались во время некоторых запусков «модели из Ниццы». В период нестабильности очень малые отличия начальных условий могут привести к совершенно разным результатам, так что судьба нашей Солнечной системы могла быть совсем другой.
В Солнечной системе есть четкое разделение планет по массам: самая тяжелая силикатно-железная планета (Земля) и самая легкая из гигантов (Уран) отличаются по массе в 14 раз. Среди экзопланет очень многие имеют массу в промежутке между массами Земли и Урана. Ученым удалось измерить диаметр и рассчитать плотность части таких планет. Оказалось, что среди них есть и «мини-Нептуны» с малой плотностью, и «суперземли» с плотностью примерно как у Земли.
Например, в системе Кеплер-11 обнаружено пять планет с массами в диапазоне от двух до восьми масс Земли, а также более массивная шестая, чуть больше Нептуна. Плотность их всех, судя по видимому размеру, невелика – от 0,6 до 1,7 г/см³. Все они расположены очень близко к звезде: орбиты пяти меньших планет меньше, чем у Меркурия, орбита шестой планеты помещается внутри орбиты Венеры. При этом сама звезда Кеплер-11 по массе, спектральному классу и светимости очень похожа на Солнце, но старше – ей около 8 млрд лет (рис. 2.4).
Планеты Кеплер-11 из-за близости к звезде весьма горячи, поэтому у них очень толстые атмосферы с высокими облаками. Судя по массе и видимому диаметру, три планеты (Кеплер-11 d, e, f) могут иметь состав, близкий к нашему Урану и Нептуну, а две ближайшие к звезде (b и c) – меньше водорода и гелия. Мы пока не знаем, из чего на самом деле состоят атмосферы этих планет и тем более сами планеты, но очевидно, что они богаты легкими веществами (водород, гелий, вода) (Lissauer et al, 2011).
Если мы знаем, что «горячие Юпитеры» могут возникать путем миграции планеты-гиганта, захватывающей газ, то происхождение планет системы Кеплер-11 неизвестно. Они слишком близки друг к другу, и небольшое изменение орбиты одной из планет легко может нарушить стабильность всей системы. Кроме того, они слишком малы, чтобы мигрировать за счет захвата газа.
Другая многопланетная система, Кеплер-90, более похожа на Солнечную (рис. 2.5). Звезда Кеплер-90 достаточно близка к нашему Солнцу по массе, светимости и возрасту. Вокруг нее обращаются как минимум семь планет, среди которых есть газовые гиганты снаружи и планеты земного типа вблизи звезды. Однако все их орбиты гораздо меньше, чем в Солнечной системе. Орбиты двух газовых гигантов почти совпадают с орбитами Земли и Венеры у нас. Две планеты земного типа (соответственно в 1,7 и 2,2 раза тяжелее Земли) очень близки к звезде и делают оборот вокруг нее всего за 7 и 8,7 суток, т. е. находятся в орбитальном резонансе 5:4. Температура их поверхности должна быть выше 1000 °C. Наконец, между скальными и газовыми планетами, примерно в районе орбиты Меркурия, обращаются три «мини-Нептуна» с массами 3, 8 и 11 масс Земли. Их орбиты близки к друг другу, и между ними существует орбитальный резонанс 4:3:2. Жизнь, похожая на земную, в этой системе может быть только на спутниках планет-гигантов.
Хотя удаленные от звезд экзопланеты наблюдать очень сложно, все же иногда их находят. Например, в системе HR 8799 при помощи инфракрасного телескопа KeckII удалось обнаружить четыре планеты-гиганта, которые по своим расстояниям от звезды напоминают наши Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, только все орбиты пропорционально увеличены примерно в 2 раза. Массы этих планет очень велики и оцениваются в пределах 2–10 масс Юпитера. Снаружи и внутри от этих планет вокруг звезды обращаются пылевые кольца, соответствующие поясу астероидов и поясу Койпера. Система HR 8799 очень молода, ей около 100 млн лет, и планеты, несмотря на удаленность от звезды, очень горячи (до 1000 °C) за счет гравитационной энергии, выделившейся при их образовании. Поэтому в инфракрасном диапазоне они хорошо заметны даже рядом со звездой (рис. 2.6).
Звезда HR 8799 вдвое тяжелее Солнца, поэтому могла обладать более протяженным и массивным протопланетным диском. Расположение планет в ней напоминает современную Солнечную систему, прошедшую через период орбитальной нестабильности, а не древние сближенные орбиты. Период нестабильности в Солнечной системе случился через 600 млн лет от начала, но в системе HR 8977 из-за большей массы звезды и планет аналогичная нестабильность могла начаться и пройти гораздо быстрее – в пределах 100 млн лет.
К сожалению, для прямого наблюдения планет возможностей существующих приборов почти всегда недостаточно. Астрономы с нетерпением ждут начала работы нового орбитального телескопа имени Джеймса Уэбба в 2019 году. Он намного превзойдет «Хаббл» и наземные телескопы по разрешающей способности и позволит прямо наблюдать аналоги Юпитера и Сатурна у звезд в пределах 100 световых лет от Солнца.
Астрономы попытались статистически оценить уникальность Солнечной системы (Martin, Livio, 2015). Сравнивая наши планеты с чужими, они убедились, что по массе и плотности (и, видимо, по химическому составу) Земля с Венерой, Юпитер, Сатурн и Уран с Нептуном имеют близкие аналоги у других звезд. Аналоги Марса и Меркурия просто невидимы современными приборами. С другой стороны, в Солнечной системе нет суперземель и мини-Нептунов – планет с массой 1–10 масс Земли. Судя по известным экзопланетным системам, 50–80 % всех звезд могут иметь суперземлю или мини-Нептун, но наше Солнце здесь является исключением. По параметрам орбит все планеты Солнечной системы достаточно типичны и имеют много близких аналогов. Но в Солнечной системе нет очень близких к звезде горячих планет. Меркурий делает оборот вокруг Солнца за 88 суток, а во многих экзопланетных системах есть планеты с периодами обращения менее 20 суток. Конечно, такие близкие к звезде планеты проще всего обнаружить современными методами, но даже с поправкой на это получается, что они есть в 90 % экзопланетных систем (рис. 2.7).
В целом понятно, что в Солнечной системе нет ничего сверхуникального. Она может быть необычна тем, что в ней отсутствуют такие распространенные в Галактике разновидности планет, как суперземли и мини-Нептуны, а также близкие горячие планеты. Но в любом случае Солнечная система, скорее, «одна на тысячу», чем «одна на миллиард».
Глава 3
Геологическое строение Земли, Марса и Венеры
Чтобы обсуждать происхождение и эволюцию Земли как планеты, стоит напомнить ее современное устройство. Я постараюсь сделать это кратко, а желающим знать подробности рекомендую обратиться к замечательным книгам «Удивительная палеонтология: История Земли и жизни на ней» (М., 2007) К. Еськова и «Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед» (СПб., 2001) Дж. Макдугалла.
В основе современного представления об устройстве Земли лежит теория дрейфа континентов. Согласно ей земная кора, покрывающая мантию, состоит из отдельных плит, которые движутся относительно друг друга. Кора делится на два типа: материковую и океаническую. Они отличаются толщиной (у материковой она составляет в среднем 30 км, у океанической – 7–8 км), составом и историей. При столкновении плит кора сминается в складки, которые образуют горные системы.
Когда теория дрейфа континентов была впервые предложена Альфредом Вегенером в 1912 году, она получила некоторое признание за то, что объясняла давно известное сходство береговых линий континентов по обе стороны Атлантики, общие ископаемые фауны и следы древнего оледенения на всех материках Южного полушария. Однако в те времена не удалось найти силу, которая бы двигала материки, и теорию Вегенера позабыли. Настоящее признание она получила в 1960-е годы, когда было изучено дно океанов и обнаружены срединно-океанические хребты. Эти крупнейшие горные системы общей длиной около 70 000 км (на суше нет ничего даже близко сопоставимого) проходят примерно по средним линиям Атлантического, Южного (окружающего Антарктиду) и Индийского океанов. В Тихом океане хребет сильно смещен к берегам Америки. Вдоль каждого хребта по его середине проходит узкое ущелье – рифт. В районе рифтов постоянно выделяется подземное тепло, вызывающее конвекцию океанской воды, бьют горячие источники и происходят мелкофокусные землетрясения. Когда удалось измерить (радиоизотопным методом и по ископаемым остаткам) возраст океанской коры, оказалось, что во всех океанах он меняется от практически современного у рифта до 100–200 млн лет у берегов. Ни в одном океане нет коры древнее 200 млн лет. Таким образом, океанская кора похожа на полотно, которое ткется в рифтовой зоне срединно-океанического хребта, расходится в стороны и ныряет в мантию под материки в глубоководных желобах (рис. 3.1).
Схема дрейфа плит земной коры
В наше время погружение океанской коры идет в основном под берегами Тихого океана, тогда как Атлантика и Индийский океан расширяются. Скорости этих движений коры измеряются сантиметрами в год. Причиной движения плит являются течения в мантии. Источник энергии для этих течений – сила тяжести: дифференциация Земли на железное ядро и силикатную мантию еще не завершена. Железо продолжает тонуть, а силикаты по-прежнему всплывают на поверхность. За счет этого в мантии происходят конвективные течения, как в кастрюле с супом на плите. В этой аналогии плиты земной коры подобны скоплениям пенки на поверхности супа (рис. 3.2).
Пенка в кастрюле скапливается там, где происходит опускание жидкости, – около стенок. В мантии Земли над областями опускания скапливаются материки, а над зоной поднятия вырастают срединно-океанические хребты. В современном состоянии Земли наиболее активная зона поднятия почти полностью окружает цепочку из Антарктиды и обеих Америк. В другие эпохи все материки собирались в единую массу (Пангея, Мегагея, Родиния), опускание мантии происходило под серединой сверхматерика, поднятие – под серединой единого океана.
В то время как океанская кора постоянно обновляется и ее возраст не превышает 200 млн лет, материковая кора накапливалась миллиарды лет. В составе современных материков есть крупные блоки возрастом до 3–3,5 млрд лет. Химический состав двух типов коры также различен: океанская кора сложена базальтами (затвердевшей лавой с 50–55 % SiO2 и высоким содержанием оксидов магния и железа), а в континентальной коре преобладают граниты – тоже изверженные породы, но содержание SiO2 в них достигает 72 %, а из металлов преобладают алюминий, натрий и кальций. Граниты менее плотны, чем базальты, благодаря чему континентальная кора плавает на поверхности жидкой базальтовой магмы и при столкновениях с океанской корой обычно оказывается сверху.