один протон; однако возможно, что ядро водорода содержит один протон и один нейтрон. Эта форма водорода называется дейтерием. Соотношение нормального водорода к дейтерию в образце воды действует как «отпечаток пальца» этой воды. Оказывается, содержание дейтерия в кометах, таких как Хейла-Боппа, Галлея и Хякутакэ, примерно вдвое превышает содержание, которое мы наблюдаем в океанах Земли. Если эти три тела типичны для комет Облака Оорта, то трудно понять, как они могли доставить Земле ее океаны. Однако содержание дейтерия в астероидах и планетезималях — небольших объектах, которые были многочисленны в ранней истории Солнечной системы и которые сталкивались и слипались, образуя прото-Землю, — такое же, как мы видим в наших океанах. Земля и планетезимали содержат один и тот же тип воды. Возможно, планетезимали являются более вероятным источником воды, чем кометы?

Рис. 5.5 Старейший фрагмент земной коры: крупинка циркона, извлеченная в 2001 году из песчаника из района Джек-Хиллс в Западной Австралии. Размер крупинки всего около 200 на 400 микрон — примерно с точку в конце этого предложения. Атомы урана в цирконе распадаются на атомы свинца со скоростью, которая известна точно. Если исследователи смогут измерить количество урана и свинца в цирконе, они смогут определить возраст кристалла. Этому 4,404 миллиарда лет. (Фото: Джон Вэлли, Университет Висконсин-Мэдисон)

Вторая проблема заключается в том, что у геологов теперь есть доказательства присутствия воды в очень ранние времена. Хронология ранней Солнечной системы становится все более уточненной. Мы знаем, что первые твердые тела в протопланетном диске, галька и валуны, которые столкнулись, чтобы сформировать Землю, сконденсировались 4,568 миллиарда лет назад. Всего через 164 миллиона лет после этого, во время 4,404 миллиарда лет назад, минерал под названием циркон[311] кристаллизовался в земной коре. Подробный анализ этих цирконов показывает, что они были созданы в присутствии воды. Таким образом, в самые ранние времена истории Земли — за сотни миллионов лет до события кометной бомбардировки и вскоре после удара, сформировавшего Луну — по-видимому, существовали континентальная кора и вода.

Таким образом, вырисовывается картина водосодержащих планетезималей, породивших влажную Землю. Молодая Земля пережила множество гигантских столкновений, но, похоже, эти столкновения не испарили воду в космос. Вода попала в атмосферу, а позже, по мере охлаждения атмосферы, она сконденсировалась, образовав океаны. Цикл кипения и конденсации мог происходить несколько раз. Тем не менее, эта картина является предметом споров и пересмотра, как и большинство интересных вопросов в науке. В 2011 году, например, астрономы использовали космический телескоп Гершель для измерения содержания дейтерия в комете Хартли 2; они обнаружили такое же соотношение дейтерия к водороду, как и в воде здесь, на Земле. В 2013 году они продолжили это аналогичным измерением кометы Хонда-Мркоса-Пайдушаковой; они увидели такое же содержание.[312] Обе эти кометы происходят из пояса Койпера, так что это повышает вероятность того, что именно эти объекты, а не кометы Облака Оорта, принесли воду на Землю (или, что, возможно, более вероятно, доставили некоторую долю воды Земли). Геологи наверняка узнают больше о происхождении наших океанов в ближайшие несколько лет. В настоящее время, однако, можно правдоподобно утверждать, что водные океаны являются естественным результатом процесса формирования каменистых планет. Преждевременно заключать, что Земля уникальна в обладании океанами животворной воды.

Решение 57: Узкие зоны обитаемости

Дай мне больше любви или больше презрения;

жаркую или ледяную зону.

Томас Кэрью, «Посредственность в любви отвергнута»

Даже если каменистые планеты легко образуются вокруг звезд, и даже если эти планеты имеют обильные запасы H2O, можно утверждать, что должно быть выполнено еще одно условие, прежде чем жизнь, какой мы ее знаем, сможет существовать в течение миллиардов лет, необходимых для развития технологической цивилизации: земная планета должна находиться в обитаемой зоне (ОЗ)[313] системы — области вокруг звезды, в которой землеподобная планета могла бы поддерживать жидкую воду. Ее часто называют зоной Златовласки по очевидным причинам. Расположение внутреннего края ОЗ определяется точкой, в которой планета теряет воду из-за высоких температур вблизи звезды; внешний край определяется точкой, в которой вода замерзает. Это определение обитаемой зоны исключает объекты, представляющие законный астробиологический интерес. Например, внутреннее тепло планеты может поддерживать подповерхностную жидкую воду далеко от ОЗ; приливное нагревание может позволить существование жидких океанов на лунах больших планет; «наклоненный» земной мир[314], наклон оси вращения которого колеблется из-за гравитационного влияния его звезды и близлежащих планет-газовых гигантов, может обладать климатом, предотвращающим оледенение даже на больших расстояниях от звезды. Точно так же, как жизнь не ограничена поверхностью Земли, так и жизнь может быть возможна в этих необычных средах. Тем не менее, если нас интересует существование технологически развитых цивилизаций, то, по-видимому, имеет смысл сосредоточиться на традиционной обитаемой зоне. Современное мышление заключается в том, что мы также должны сосредоточиться на планетах, радиус которых менее чем в 1,5 раза превышает радиус Земли. Если планета намного больше этого, она имеет тенденцию накапливать плотную атмосферу из водорода и гелия, что означает, что она напоминает газового гиганта, а не земную планету.

Далеко не просто вычислить точное расположение границ ОЗ: внутренняя граница зависит от безудержного парникового эффекта, в то время как внешняя граница определяется образованием облаков CO2, которые действуют как своего рода «одеяло», блокирующее звездное излучение. Таким образом, расчеты ширины ОЗ, и особенно расчеты расположения внешней границы, требуют использования сложных климатических моделей. Были сделаны различные оценки для ОЗ нашей Солнечной системы; одно недавнее исследование[315] дало диапазон 0,77–0,87 а.е. для внутренней границы и 1,02–1,18 а.е. для внешней границы, но существуют и другие оценки. Если принять эту конкретную оценку, то наша соседка Венера со средним расстоянием 0,723 а.е. от Солнца находится немного за пределами обитаемой зоны; Марс со средним расстоянием 1,524 а.е. от Солнца находится далеко за пределами обитаемой зоны. Только Земля, планета Златовласки, занимает как раз то самое место.[316]

Рис. 5.6 Если планета вращается слишком близко к звезде, то она будет слишком горячей, чтобы обладать жидкой водой. Если планета вращается слишком далеко от звезды, то она будет слишком холодной, чтобы обладать жидкой водой. Планета (с размером не слишком маленьким и не слишком большим) должна находиться в этой «самой подходящей» зоне Златовласки, чтобы иметь шанс сохранить жидкие океаны и, следовательно, иметь шанс обладать жизнью, какой мы ее знаем. (Фото: Petigura/UC Berkeley; Howard/UH-Manoa; Marcy/UC Berkeley)

Но это еще не все. Майкл Харт