Планеты-гиганты

За поясом малых планет, как бы подчеркивая великое разнообразие, на какое способна природа, следуют четыре гиганта Солнечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Наибольшим из них является Юпитер, по объему в 1300, а по массе более чем в 318 раз превосходящий Землю. За ним следует Сатурн, масса которого в 95 раз больше массы Земли. Замыкают группу этих удивительных планет два гиганта-близнеца Уран и Нептун. Поперечник второго всего на 3827 км больше диаметра Урана, а по объему любая из этих планет превосходит Землю в десятки раз.

Самым доступным и самым исследованным из этих гигантов является Юпитер. Это объясняется как его исполинскими размерами, так и сравнительной близостью к Земле. Но изученность эта характеризуется скорее количеством известных фактов; многие из них еще ждут своего объяснения.

Детали на поверхности Юпитера были впервые замечены еще в 1633 г. современником Галилея, астрономом Фонтана. Они имели вид коричневато-серых полос, тянувшихся параллельно экватору планеты. С тех пор (уже четвертый век!) поверхность Юпитера непрерывно изучается, и в наши дни эта гигантская планета считается одним из наиболее доступных и интересных объектов для начинающих любителей астрономии. Действительно, даже в небольшие современные телескопы поверхность Юпитера кажется испещренной полосами и пятнами. Эти детали на редкость непостоянны. Их окраска, интенсивность, размеры, расположение непрерывно меняются. И все же в этом хаосе явлений можно уловить некоторый порядок.

Прежде всего, большие полосы всегда располагаются параллельно экватору Юпитера. Обычно различают две экваториальные и две «умеренные» полосы (лежащие в умеренных широтах), которые в окрестностях полюсов Юпитера граничат с его сероватыми полярными шапками. Оговоримся, что такая классификация достаточно условна. Бывают периоды, когда некоторые из полос становятся невидимыми, тогда как другие приобретают максимальную интенсивность. В иные годы полосы разделяются, дробятся. Их границы почти никогда не бывают ровными, и нередко можно наблюдать, как соседние полосы смыкаются друг с другом сероватыми мостами.

Давно известно, что на видимой поверхности Юпитера мы наблюдаем атмосферные явления - точнее говоря, движение и изменения облаков различных газов, входящих в состав его огромной атмосферы.

С Луны Земля в некоторой степени напоминает Юпитер. Изменчивые полосы земных облаков располагаются, в общем, параллельно земному экватору, хотя большого постоянства в земной облачности мы бы не обнаружили. Тем удивительнее то, пожалуй, единственное постоянное образование, которое наблюдается в атмосфере Юпитера и известно под названием Красного Пятна (размеры наименьшего и наибольшего поперечников 13000 и 40000 км). Красное Пятно было впервые замечено в 1664 г. французским астрономом Каcсини. С тех пор размеры и форма пятна заметно не менялись. Зато его интенсивность и окраска изменяются в значительных пределах. В 1870 г. Красное Пятно стало особенно ярким. Подобно исполинской кляксе красных чернил, оно выделялось на фоне остальной поверхности Юпитера.

Из гипотез, объясняющих природу Красного Пятна и его цвет, наиболее правдоподобной выглядит «химическая» гипотеза, предложенная американскими исследователями. В разрядной камере, содержащей смесь метана и аммиака, они обнаружили цианистый водород и ацетилен. Последний, как известно, может служить исходным веществом для получения полимеров с большой молекулярной массой. В других лабораторных экспериментах, моклирующих условия атмосферы Юпитера, получены некоторые из нитрилов, в том числе пропмонитрил, который является предшественником глицина - простейшей из аминокислот. Американский биохимик С. Поннамиерума из смеси метана и аммиака синтезировал высокомолекулярный полимер рубиново-красного цвета. Возможно, что такого рода полимеры и придают Красному Пятну его характерную окраску. Складывается впечатление, что Красное Пятно Юпитера таит в себе колоссальные запасы органических веществ, которые могли бы послужить своеобразными «строительными блоками» при возникновении жизни.

Бывали случаи, когда в атмосфере Юпитера возникали и другие загадочные образования. В частности, 24 февраля 1956 г. чехословацкие астрономы заметили в южном тропическом поясе Юпитера новое огромное серое пятно, которое внешне напоминает Красное Пятно. Будущие наблюдения покажут, обладает ли новое пятно тем постоянством и теми удивительными свойствами, которые характерны для его красного предшественника.

На поверхности других гигантских планет деталей видно значительно меньше. Правда, на Сатурне неоднократно наблюдались полосы и пятна, сходные с теми, которые видны на Юпитере. Но обнаружить их труднее, видны они хуже.

В 1933 г. на поверхности Сатурна неожиданно возникло колоссальное Белое Пятно, растянувшееся через год в белую экваториальную полосу. По-видимому, атмосферные явления на Юпитере и на Сатурне различаются лишь по масштабам, но не по существу.

То же можно сказать и о еще более далеких Уране и Нептуне. На поверхности Урана уже давно были замечены слабые полосы, параллельные его экватору. Что же касается Нептуна, то на его видимой поверхности долгое время не удавалось различить каких-либо деталей. Только сравнительно недавно удалось отчетливо рассмотреть сероватые полосы, тянущиеся параллельно экватору наиболее далекой из гигантских планет.

Астрономы, изучающие большие планеты, находятся в незавидном положении. Они вынуждены выступать пока главным образом в роли регистраторов фактов, коллекционеров разнообразных, подчас загадочных явлений. Теории, которая бы полностью объясняла все странности планет-гигантов, пока еще, к сожалению, не существует.

Еще в прошлом веке сложилось мнение, что планеты-гиганты представляют собой неостывшие тела. Иначе было трудно понять, почему в их атмосферах происходят необычайно сложные процессы. Воображение рисовало огненно-жидкую поверхность неостывшей планеты или, скорее, полусолнца, над которой в стремительном вихре мчатся облака раскаленных газов. Эта экзотическая картина была хладнокровно разрушена в 1914 г., когда непосредственные измерения температуры атмосферы Юпитера показали, что она близка к -140 °С. Дальнейшие измерения только подтвердили это заключение. Представление о планетах-гигантах как об «огнедышащих» планетах отошло в область истории. Факты надо было объяснять как-то иначе.

С тех пор предпринимались неоднократные попытки построить теоретические схемы или модели больших планет. Внутреннее строение планеты можно узнать, если известны величина ее сплюснутости (т. е. ее форма) и скорость вращения вокруг оси. Эти данные, как и массу планеты, можно сравнительно легко получить из наблюдений.

Оказывается, чем однороднее планета, тем более сплющенной она должна быть. Иначе говоря, наблюдения могут указать на степень неоднородности данной планеты. Кроме того, наблюдая, каким образом атмосфера Юпитера при движении по небу планеты постепенно закрывает какую-нибудь из звезд, можно вычислить среднюю молекулярную массу газов этой атмосферы.

С помощью спектрального анализа уже давно установлено, что в атмосферах больших планет присутствуют метан и аммиак. Значит, большие планеты очень богаты водородом, который должен существовать там не только в соединениях с другими химическими элементами, но и в свободном состоянии. Действительно, в спектрах Урана и Нептуна удалось обнаружить полосы свободного водорода. В спектрах Юпитера и Сатурна этих полос долгое время не находили, что объясняли маскирующим действием гелия. Как показывают опыты, если к водороду примешать гелий в количестве, втрое большем, то характерные для водорода полосы з его спектре очень сильно ослабевают и становятся труднодоступными для наблюдения.

Средняя плотность планет-гигантов, получаемая делением массы планеты на ее объем, оказывается очень небольшой. У Юпитера она равна 1,34, у Сатурна - 0,71, у Урана - 1,47 и у Нептуна - 1,58 (за единицу принимается плотность воды). Иначе говоря, средняя плотность этих странных планет близка к плотности воды, а у Сатурна она даже меньше единицы. Если бы существовал исполинский водный бассейн, куда можно было бы бросить Сатурн, то эта наименее плотная из планет не пошла бы ко дну, а стала бы плавать, как наполненный воздухом резиновый мяч!

Таким образом, информация, получаемая нами из самых разных источников, приводит к единому выводу: планеты-гиганты должны в основном состоять из наиболее легкого химического элемента - водорода.

Новый этап в изучении планет-гигантов наступил в 1973-1974 гг., когда по соседству с Юпитером побывали американские космические станции «Пионер-10» и «Пионер-11». Много нового сообщили о гигантских планетах и наземные высокоточные спектральные исследования. Точно установлено, что в атмосфере Юпитера содержится 60% молекулярного водорода, 36% гелия и 3% неона. Что касается метана и аммиака, то они выступают в роли незначительных примесей в верхних слоях атмосферы. Метан в атмосфере Юпитера, по-видимому, не конденсируется в твердую фазу, чего нельзя сказать об аммиаке - он присутствует там и в форме капелек, и в форме кристаллов.

Примечательно, что в спектре Сатурна полосы аммиака едва заметны, а в спектрах Урана и Нептуна они и вовсе отсутствуют. Зато полосы метана в спектрах этих двух планет весьма интенсивны и отличаются значительной шириной.

Среди недавно обнаруженных примесей в атмосфере Юпитера зафиксированы такие вещества, как этан С2Н6, ацетилен С2Н2, цианистый водород HCN и соединение германия с водородом GeH4. Возможно, что цвет облаков Юпитера хотя бы отчасти объясняется тем, что в их состав входит фосфин РН3. Есть в атмосфере Юпитера в незначительном количестве и водяные пары и оксид углерода СО. Некоторые из молекул содержат дейтерий, как, например, дейтерсме-тан CH3D. К главным составляющим атмосферы Юпитера (Н2, Не, СН4, NH3) ныне добавилось около полутора десятка новых, не известных ранее молекул. Таким образом, атмосфера величайшей из планет отличается химическим разнообразием.

Давно известно, что Юпитер и другие планеты-гиганты хранят какие-то внутренние запасы энергии, причем поступления тепла изнутри сравнимы с той энергией, которую эти планеты получают от Солнца. Возможно, что источником энергии планет-гигантов служит их постепенное сжатие за счет гравитации. Подсчеты показывают, что ежегодного уменьшения поперечника всего на 1 мм достаточно, чтобы объяснить, откуда берется внутреннее тепло Юпитера. Не исключено, что отчасти выделение энергии происходит при каких-то пока нам не известных химических реакциях в атмосферах гигантских планет.

Как бы ни было, внутреннее тепло стимулирует бурные процессы в атмосфере Юпитера. В этой атмосфере, по-видимому, постоянно возникают грозы и мощнейшие молнии, хотя бы отчасти порождающие сильное радиоизлучение Юпитера. Динамика его атмосферы совсем не похожа на то, что происходит в атмосфере Земли. На Юпитере мы не видим меридиональных атмосферных потоков, но зато там явственно представлены широтные перемещения атмосферных масс. По современным представлениям, Красное Пятно - это исполинский циклон, который, в отличие от земных циклонов, может существовать многие века. Сходную природу имели, вероятно, Белое Пятно Сатурна и другие аналогичные атмосферные образования.

Магнитное поле Юпитера в 10 раз сильнее земного, и не удивительно, что величайшая из планет окружена очень мощными радиационными поясами, состоящими в основном из протонов и электронов. Эти частицы из «солнечного ветра» непрерывно захватываются магнитным полем Юпитера.

Совсем необычно внутреннее строение Юпитера. По наиболее достоверной современной модели, под видимым в телескопы слоем метаноаммиачных облаков находится облачный слой из гидросульфида аммония NH4HS. Еще ниже идут облака из кристалликов водяного льда, а под ними - обычные облака из капелек воды, напоминающие земные.

Уже на глубине 200-300 км поглощение солнечного света становится полным, и там господствует вечная ночь. Ниже, однако, атмосфера Юпитера безоблачная, плотная, очень горячая. На этих глубинах свет начинает проникать не сверху, от Солнца, а снизу, от раскаленных недр Юпитера.

Водородогелиевая атмосфера Юпитера имеет толщину около 4000 км, и на ее дне давление достигает 2 000 000 атмосфер. Здесь, при температуре около 2000 К, начинается своеобразная «поверхность» Юпитера. Термин этот можно употреблять лишь условно, так как «поверхность» Юпитера представляет собой смесь всех трех фаз (газовой, жидкой и твердой), и напоминает эта смесь что-то вроде крупнопористого водородогелиевого океана. Ничего похожего в нашем земном опыте мы, конечно, не знаем.

С глубины в 18000 км и ниже, где давление превышает 1 млн. атмосфер, водород и гелий переходят в металлическое состояние. Наглядно представить себе это вещество, обладающее свойствами обычных металлов, конечно, нелегко. Металлическая водородогелиевая оболочка обволакивает жидкое ядро из силикатов (в металлической фазе), железа, никеля и оксида магния. Давление здесь близко к 20-100 млн. атмосфер, а температура - к 25 000 градусов!

Чтобы еще раз представить себе масштабы крупнейшей из планет, сообщим, что из водорода, входящего в состав Юпитера, можно было бы образовать шар тяжелее Земли в 225 раз. Примерно 70 земных масс приходится на запасы гелия в Юпитере и 20 - на остальные более тяжелые элементы.

Как и Юпитер, остальные планеты-гиганты также состоят в основном из водорода и гелия. Удаленность от Солнца Урана и Нептуна проявляется, в частности, в том, что аммиак в атмосферах этих планет находится только в твердом состоянии; этим и объясняется отсутствие полос аммиака в спектрах Урана и Нептуна.

Самая дальняя из известных планет - Плутон -отнюдь не принадлежит к планетам-гигантам. Скорее всего, это даже не планета, а бывший спутник Нептуна, потерянный им при каком-то космическом катаклизме (например, при близком прохождении от другого спутника Нептуна - Тритона). По размерам Плутон сравним с Тритоном. Его поперечник близок к 3000 км, а масса в десять раз меньше массы Земли. Эти скудные данные, впрочем, нуждаются в дальнейшем уточнении.

Заметим в заключение, что Плутон обладает сильно вытянутой эллиптической орбитой и потому с 1969 по 2009 год он будет находиться к Солнцу ближе, чем Нептун, - факт, может быть, также говорящий о его «непланетной» природе.

Весьма интересны проводимые в последние десятилетия и у нас и за рубежом эксперименты по моделированию физических и химических условий на других планетах. Слабая сторона этих опытов - неполные, а иногда и искаженные представления о том, что делается на планетах. В таких случаях убедительность эксперимента несколько теряет свою силу.

Еще в 1965 г. в Институте микробиологии АН СССР под руководством академика А. А. Имшенецкого была создана экспериментальная установка «Искусственный Марс». В камере, куда помещались микроорганизмы, создавались условия, близкие к марсианским. Так, например, температура в ней менялась в пределах от -60 до + 25°С. Через специальное «окно» в камеру посылались ультрафиолетовые лучи от ксеноновой газоразрядной лампы. Атмосферное давление в камере поддерживалось на уровне 0,01 атм. Состав же этой искусственной атмосферы соответствовал тогдашним знаниям о Марсе: 99% азота, а остальное - примесь из СО2 и аргона. Общий вывод из проведенных опытов таков: многие микроорганизмы сохраняют жизнеспособность после длительного пребывания в «Искусственном Марсе».

Другие исследователи сконструировали камеры, внутри которых имитировались пылевые бури Марса, суточные колебания температуры и светового режима в марсианских условиях. И опять последовал оптимистический вывод: некоторые земные микроорганизмы (особенно ксерофитные бактерии земных пустынь) могли бы жить и размножаться на Марсе.

В 1972 г. в модельных экспериментах удалось выделить шесть анаэробных микроорганизмов, которые выживали в атмосфере, насыщенной аммиаком. Три года спустя американские исследователи обнаружили в Калифорнии источник с высокой концентрацией аммиака. И здесь им удалось найти спорообразующую анаэробную бактерию! Эти факты показывают, что даже в богатой аммиаком атмосфере Юпитера могут существовать белковые формы жизни.

Условия на поверхности Венеры, по-видимому, исключают всякую жизнь. Но в облаках Венеры, как показали некоторые модельные эксперименты, существование микроорганизмов, в принципе, не исключено. [Подробнее об этом можно прочитать в книге Л. И. Рубенчика «Поиск микроорганизмов в Космосе» (Киев, Наукова Думка, 1979).]

Все эти рассуждения относятся лишь к белковым формам жизни. Если жизнь может быть представлена другими формами, то диапазон возможных условии для ее существования значительно расширяется. Соответственно, число космических тел, на которых возможна жизнь, должно быть существенно больше. Этот вопрос нельзя считать окончательно решенным, и лишь будущие исследования внесут в него ясность.