Науки о Земле

«Сложные системы эволюционируют и по детерминистскому, и по вероятностному пути»

В поисках Земли, идентичной натуральной

Альпина Нон-фикшн/Michelle Kunimoto/NASA/Indicator/Ru

Какова вероятность формирования всех земных минералов при тех же физических условиях, как химия влияет на движение литосферных плит и насколько «землеподобные планеты» похожи на нашу, читайте в главе «Реприза. Миры углерода» из книги геофизика и музыканта Роберта Хейзена «Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего».

Минералогия Земли уникальна. Что может углеродная минералогия рассказать нам о нашем земном доме? Особенные ли мы? В нашей собственной Солнечной системе Земля определенно отличается от других планет земной группы и каменистых спутников. На Марсе, некогда теплом и влажном, есть только небольшие и рассредоточенные слои предполагаемых карбонатов. Метеориты тоже бедны углеродсодержащими минералами, да и на Луне, сколь бы тщательно ее ни изучали, обнаружены только микроскопические зерна графита и карбида железа, но ни единого карбонатного минерала. А что насчет более удаленных планет, вращающихся вокруг других звезд?

Одним из множества полезных результатов математических исследований минеральных редкостей, проведенных Гретой Хистад, стало ранжирование всех минеральных видов в соответствии с их вероятностью нахождения на Земле. Поэтому мы задались таким вопросом: если бы мы могли взять другую планету, идентичную Земле во всем (того же размера и массы, того же состава и структуры, с океанами, атмосферой и движением плит), и «воспроизвести» 4,5 млрд лет ее истории и если бы в случае редкостного везения мы бы обнаружили на той далекой планете 5000 минералов, какова вероятность того, что они оказались бы теми же 5000 минеральных видов, которые мы видим сегодня на Земле?

Я подозреваю, что большинство минералогов, если бы им задали этот вопрос, подобно мне ответили бы, что минералогия планеты оказалась бы в основном такой же. Безусловно, присутствовали бы в изобилии все породообразующие минералы — кварц, полевой шпат, пироксен, слюда... Сотни других, менее распространенных минералов, к примеру алмаз, золото, топаз и бирюза, также неизбежно имели бы место. Продолжая рассуждение, я бы предположил, что и почти все редкие минералы тоже встречались бы в любом мире, подобном Земле. Они, конечно, точно так же были бы редкими, но в конечном счете и их бы нашли.

А вот и нет. По расчетам Хистад, это не так. Если заново «проиграть ту же пленку», то на всех планетах, химические и физические характеристики которых подобны земным, вероятно, порядка половины видов — более 2500 минералов — окажутся точно такими же, как на нашей. Еще у 1500 чуть менее распространенных минералов также есть хороший шанс — от 25 до 50% — совпасть с земными. Но более 1000 самых редких минеральных видов, скорее всего, будут отличаться, причем для многих минералов вероятность появиться в других землеподобных мирах не превышает 10%.

Вычислить по этим оценкам вероятность того, что две планеты будут иметь идентичную минералогию, было несложно: требовалось просто перемножить индивидуальные вероятности всех 5000 минеральных видов. Результат нас ошарашил. Вероятность несовпадения оказалась буквально астрономической — более 10320 (т. е. единица с 320 нулями)! Сравните это непостижимое число с оценкой количества планет в космосе. Во Вселенной сотня триллионов галактик, в каждой в среднем 100 млрд звезд, поэтому — с учетом невероятного допущения, что у каждой звезды есть планета, подобная Земле, — при самом благоприятном сценарии получится, что в лучшем случае существует лишь 1025 таких же планет, как наша. Доведем рассуждения до абсурда: вам нужно будет изучить каждую планету в почти 10300 таких вселенных, как наша, чтобы найти ту одну-единственную, которая бы точно повторяла минеральный состав Земли.

Поразительное заключение Хистад было опубликовано в 2015 г. в одном из выпусков журнала Earth and Planetary Science Letters. Оно гласит: «Несмотря на жестко определенные физические, химические и биологические факторы, которые обусловливают бóльшую часть минерального разнообразия нашей планеты, минералогия Земли уникальна для космоса».

В основе открытия Хистад лежит глубокий философский аспект — вывод, связанный с вековым спором об относительных ролях случая и неизбежности. Сложные системы, будь то минералы или живые организмы, эволюционируют и по детерминистскому, и по вероятностному пути. С одной стороны, многие проявления природы неизбежны, продиктованы законами физики и химии. Уроните камень — и он упадет, зажгите лист бумаги в насыщенной кислородом атмосфере Земли — и он сгорит. С другой стороны, все сложные системы переживают одиночные события — «замороженные случаи», которыми также определяются эволюционные пути. Противостояние между случаем и неизбежностью усиливается, поскольку в большинстве природных систем не всегда легко различить, что есть что. Почему один редкий минерал образуется, а другой нет? Почему у Земли такой большой спутник? Почему на Земле появилась разумная жизнь? Было это случайностью или неизбежностью?

В минералогии мы теперь можем до поразительно высокой степени снять это противостояние количественным путем. Мы пришли к выводу, что, хотя многие аспекты минералогии Земли детерминированы, случай также играет существенную роль. Наши редкие минералы образуются в результате практически невероятной последовательности химических, физических и биологических процессов. Следовательно, Земля абсолютно и однозначно уникальна в космическом пространстве. Возможно, это и хорошо.

Землеподобные планеты

В науке не много тем, привлекающих столько же внимания, сколько открытие и описание планет за пределами Солнечной системы — невидимых миров, расположенных на расстоянии нескольких световых лет от нашего Солнца. В стремлении человечества узнать, одиноки ли мы во Вселенной, астрономы отслеживают едва заметные колебания и периодические уменьшения силы света той или иной далекой звезды, то есть, признаки того, что на ее орбите находится планета, пусть и слишком слабая, чтобы ее можно было увидеть непосредственно в телескоп.

Первыми были открыты далекие гиганты массивнее Юпитера, которые с бешеными скоростями проносятся по орбитам вокруг своих ближайших звезд в течение несколько дней, таким образом вызывая максимально возможные звездные возмущения. Но, когда мы отмечали 20-ю годовщину обнаружения первой планеты вне нашей Солнечной системы, фокус внимания сместился с громадин на миры, более похожие на Землю.

Термин «землеподобные» имеет различный смысл для разных людей. Астрономы фокусируются на трех характеристиках, которые они могут уверенно измерить: это радиус, масса и орбита. Радиусы землеподобия вычисляются на основании максимального уменьшения силы света звезды, когда планета затемняет крошечную ее часть, а массы — исходя из степени звездного колебания, вызываемого гравитационными эффектами. Но этого недостаточно: чтобы планета получила звание землеподобной, ее орбитальные параметры должны соответствовать нахождению в обитаемой зоне — сплющенном в форме пончика пространстве, где жидкая вода может удерживаться на поверхности планеты или рядом с ней. Все больше открытых планет — Kepler-186 f, Kepler-438 b, Kepler-452 b (их определили по данным космического телескопа «Кеплер») — укладывается в рамки этих астрономических ограничений. Как и минимум три из семи планет, вращающихся вокруг небольшой звезды TRAPPIST-1, что всего в 40 световых годах от Солнца. Почти каждый месяц заголовки в СМИ возвещают об обнаружении «самой землеподобной планеты». Но обычно в этих легкомысленных статьях даже не упоминается, что одни только радиус, масса и орбита довольно плохие индикаторы потенциальных планетарных близнецов Земли. Чего здесь не хватает, так это химии. Видимые световые спектры далеких звезд — сведения, которые легко получить посредством современных телескопов, — показывают, что звезды сильно различаются по своему химическому составу. В некоторых звездах намного больше или намного меньше магния, или железа, или углерода, чем в нашем Солнце. И вероятно, эти важные различия в составе звезд в значительной степени отражаются и на составе их компаньонов-планет, потому что они формируются из тех же протопланетных дисков.

Химический состав планет имеет значение. Недавние исследования минералогов и геохимиков указывают на то, что даже небольшие отклонения в нем могут сделать планету непригодной для жизни. Если будет слишком много магния, не запустится движение плит — главный локомотив круговорота необходимых для жизни питательных веществ. Если не хватит железа — не сформируется магнитное поле, защищающее жизнь от смертоносных космических лучей. При недостаточном количестве воды, или углерода, или азота, или фосфора не зародится жизнь в той форме, которую мы знаем.

Так что — каковы наши шансы найти другую Землю? Поскольку ключевых химических элементов набирается более десятка да плюс еще множество менее значимых, вероятность воспроизвести все основные параметры химического состава мала: разве что одна из 100 или, может быть, даже из 1000 землеподобных планет будет похожа по составу на Землю. Тем не менее при осторожной оценке количества подобных Земле по радиусу, массе и орбите планет в 10 20 , должно существовать бесчисленное множество таких миров, как наш.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.