Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Так, в 2020 году стартовали две новые марсианские исследовательские программы: NASA запустило более совершенную версию Curiosity – Perseverance, с мини-вертолетом на борту, а Китайское национальное космическое управление – Tianwen-1, станцию, состоящую из орбитального аппарата и небольшого марсохода. В 2022 году к Марсу отправится марсоход «Розалинд Франклин» – это совместная миссия Европейского космического агентства и корпорации «Роскосмос» (ранее запуск планировался на 2020 год). Главная цель Perseverance и «Розалинд Франклин» состоит в поиске следов существования жизни на Красной планете в прошлом и настоящем. Tianwen-1, хоть это и не основная ее цель, тоже будет заниматься исследованием марсианского льда и грунта в поисках органических молекул.

Так в чем же причина некогда постигшей Марс катастрофы? Основная проблема – это отсутствие плотной атмосферы, обеспечивающей планету парниковым эффектом[43] и условиями, подходящими для привычной нам, жителям Земли, жизни. На раннем этапе существования Марса его атмосфера, очевидно, была сопоставима с земной – иначе не смогли бы образоваться жидкие водоемы. Причина потери значительной части атмосферы в некоторой степени кроется в массе Марса. При радиусе, равном 0,5 R_⊕, она составляет всего ¹/₁₀ M_⊕. Вероятно, при такой массе гравитация, создаваемая планетой, оказалась не способна удержать массивную атмосферу, и та улетучилась. Еще одним фактором, влияющим на исчезновение плотной атмосферы, стало практически полное отсутствие у Марса магнитного поля. При своих размерах самостоятельно он может генерировать только очень слабое магнитное поле, в 500 раз слабее магнитного поля Земли. Будь у Марса более сильное магнитное поле, оно было бы способно поддерживать целостность его атмосферы.

Чтобы покинуть атмосферу планеты, скорость молекул должна быть больше (или равна) некой пороговой скорости, зависящей от массы планеты. Эту скорость называют второй космической. В любой атмосфере есть как нейтральные атомы, так и обладающие зарядом ионы. Нейтральные атомы никак не взаимодействуют с магнитным полем, и они действительно могут улететь в открытый космос в случае, если в результате столкновения с другими молекулами случайно приобретут ту самую вторую космическую скорость. Этот процесс называется диссипацией, но его влияние на атмосферу не очень велико, так как нейтральных частиц в верхних слоях атмосферы меньшинство. С ионами ситуация другая. Магнитное поле взаимодействует с ними, поскольку ионы, в отличие от молекул, обладают электрическим зарядом, и возвращает большинство из них обратно в атмосферу. Обратите внимание: это происходит даже в том случае, если скорость ионов больше второй космической. У Марса магнитного поля нет, и под действием солнечного ветра его атмосфера беспрепятственно диссипирует вот уже миллиарды лет. Сегодня марсианская атмосфера истончается со скоростью около 9 т/сут.

Вопрос, почему Марс так мал, является одним из открытых в астрономии. Здравый смысл говорит, что планета должна быть больше. Логика здесь простая: чем дальше планета от своей звезды, тем меньше сила, с которой родительская звезда действует на планету, – следовательно, тем больше область пространства, в которой космические «булыжники» протопланетного диска вместо того, чтобы продолжать двигаться по орбите вокруг звезды, захватываются гравитацией планеты[44]. Таким образом, более далекая от Солнца планета легче аккумулирует и концентрирует вокруг себя вещество и быстрее растет, чем планета более близкая. Чем дальше планета находится от Солнца, тем больше должен быть ее размер. В Солнечной системе это правило действует вплоть до Юпитера (Марс – исключение!). А начиная с Юпитера, размер планет уменьшается. И этому тоже есть объяснение. Выше я писал о предположении, что все планеты имеют доступ к одинаковому количеству вещества. Но это не так. Плотность вещества в протопланетном диске постепенно падает по мере удаления его от звезды, и отдаленным планетам просто не хватает материи в окружающем их пространстве, чтобы набрать массу. Так что размеры газовых гигантов за Юпитером вопросов у астрономов не вызывают.