Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Большинство спутников в Солнечной системе сформировались не в результате страшного столкновения или захвата — они образовались в газово-пылевом диске, окружавшем молодые газовые гиганты. Такие околопланетные диски похожи на уменьшенную версию протопланетного диска, окружавшего молодое Солнце. Подобно протопланетному диску, околопланетный диск состоит из газа, круговое движение которого уравновешивает гравитационное притяжение планеты-гиганта.

Однако кое-чем эти два типа дисков все-таки различаются. В частности, на пыль в околопланетном диске действует гравитационное поле как планеты, так и звезды. В результате взаимодействия двух сил образуется особая область околопланетного диска, в которой могут формироваться спутники. Если расстояние до планеты будет слишком мало, спутник разорвут приливные силы, создаваемые гравитацией планеты. А при слишком большом расстоянии он окажется во власти притяжения звезды, перейдя на нестабильную орбиту. В качестве четкой внешней границы выступает сфера Хилла планеты, за пределами которой гравитация звезды сильнее гравитации планеты. На практике формирование спутника должно проходит в пределах ближайшей к планете трети сферы Хилла — только в этом случае он останется прочно привязан к своей родительской планете. Внутренняя граница области формирования спутников проходит там, где влияние гравитации планеты оказывается столь сильным, что спутник распадается на части. Это тот самый рубеж, о котором мы говорили в разделе о хтонических горячих юпитерах, атмосферы которых переливаются при приближении к звезде.

Поскольку это основной способ образования спутников, то вероятность появления пригодного для жизни определяется способностью околопланетного диска обеспечить формирование спутника большого размера. Если допустить, что размер околопланетного диска зависит от размера планеты, то юпитероподобные миры, обращающиеся вокруг других звезд, являются многообещающим местом для поиска. Осталось ответить на вопрос о возможности формирования гигантских спутников размером с Марс, способных удержать атмосферу.

Как и в протопланетном диске, ключевым фактором формирования спутника сверхбольшого размера служит наличие твердого льда. Если есть условия для замерзания воды, количества вещества может хватить для появления спутника размером с Марс. Но потребность во льде приводит нас к одной проблеме: при формировании в зоне умеренных температур спутник находится во внутренней части Солнечной системы, не пересекая снеговую линию. Температура во внутренней части слишком высока, чтобы вода могла замерзать, превращаясь в околопланетную пыль. Поэтому сверхбольшой спутник должен формироваться за пределами снеговой линии и затем мигрировать во внутреннюю область или закончить свой путь так, как Тритон, — оказавшись в захвате. Поскольку для захвата требуются особые условия, среди потенциально пригодных для жизни спутников вполне могут быть покрытые водой миры, лед на которых растаял при перемещении в зону умеренных температур. Как мы видели в главе 14, у нас нет оснований полностью исключать возможность появления жизни в таких мирах, но при этом существовать ей придется в условиях, которые очень сильно отличаются от земных.

Разумеется, формирование за снеговой линией не гарантирует образования льда. Вулканически активный спутник Юпитера Ио доказывает, что температура на спутниках может существенно отличаться от температуры на планетах.

В пределах околопланетного диска на протоспутник будут действовать силы притяжения звезды и планеты, также у него будет два источника тепла. Благодаря теплу светила, отражаемому и излучаемому планетой, в диске появляется своя собственная снеговая линия. Если расстояние от объекта в диске до планеты меньше, чем до снеговой линии, он будет получать такое количество тепла, при котором лед не сможет сохранять твердую форму. Формирующиеся в этой области спутники будут сухими, независимо от расстояния от планеты до звезды. Поэтому потенциально пригодный для жизни спутник должен формироваться за пределами двух снеговых линий: он должен быть дальше от звезды, чем протопланетная снеговая линия, и дальше от планеты, чем околопланетная снеговая линия.

Заполучив воду, спутник должен сохранить ее. Примеры галилеевых спутников Энцелада и Титана показывают, что на спутники газовых гигантов большое влияние оказывает приливный разогрев. Таким образом, появляется еще одно внутреннее кольцо вокруг планеты, при пересечении которого спутник на вытянутой орбите рискует потерять свои озера и океаны, если они у него имеются.

Если орбита спутника будет проходить внутри области, ограниченной этой линией, то даже при нахождении в зоне умеренных температур он может оказаться в тисках неконтролируемого парникового эффекта. Применительно к спутникам эта линия выступает в качестве своего рода дополнительной температурной границы[47].