2019 subscribers

Восход Люцифера: к вопросу о стеллаформировании Юпитера

475 full reads
842 story viewsUnique page visitors
475 read the story to the endThat's 56% of the total page views
7 minutes — average reading time

В предыдущей статье мы рассматривали, мог бы Юпитер в принципе стать звездой или нет. Вопрос в #Яндекс.Кью явно был навеян "Космической одиссеей" Артура Кларка. Ответ на вопрос понятен: конечно же, это невозможно - иначе бы мы только и видели вокруг массу мелких и мельчайших звёздочек.

Но вопрос не такой простой. Дело в том, что идея "стеллаформирования" Юпитера и правда занимает умы фанатов. Посмотрим, насколько это реалистично и осмысленно.

Но начнём всё же с Кларка: кажется, он исследовал этот вопрос раньше всех.

Восход Люцифера: к вопросу о стеллаформировании Юпитера

Юпитер - "Люцифер" у Артура Кларка

По "Космической Одиссее", премудрые инопланетяне превратили Юпитер в звезду, чтобы снабдить светилом его спутники, на которых существовала жизнь. Земляне прозвали его после этого "Люцифер" (то есть, в буквальном переводе, "Лучезарный"). Яркость Юпитера/Люцифера косвенно указана: на Земле он светит, как 50 полных Лун.

Это довольно много. Интересно, каковы параметры этого светила - если абстрагироваться от его источника энергии?

Считаем:

Раз на расстоянии в 5 а.е. Люцифер светит как 50 полных Лун, то с 1 а.е. (то есть с того расстояния, с которого мы видим Солнце) он имел бы яркость 50 * 5^2 = 1250 полных Лун. Сравним с Солнцем.

465000 / 1250 = 372

Во столько раз Люцифер светит слабее Солнца.

Рассчитаем его параметры, исходя из того, что размер его остался прежним - юпитерианским (это не так, но позже нам пригодится).

"Большой" Люцифер

Диаметр Солнца больше юпитерианского примерно в 10 раз. Значит, площадь поверхности - возводим в квадрат - больше в 100 раз. Значит, один квадратный метр поверхности Люцифера излучает в 372/100 = 3.72 раза меньше энергии, чем квадратный метр поверхности Солнца.

По закону Стефана - Больцмана, излучение абсолютно чёрного тела пропорционально четвёртой степени температуры. То есть поверхность Солнца горячее поверхности стеллаформированного Юпитера в 3.72^(1/4) раз. Получается примерно 1.4 раза.

Значит, абсолютная температура поверхности Люцифера - примерно 6000/1.4 ~ 4300 К, около 4 тыс Цельсия. Как у оранжевых звёзд спектрального класса К.

Возможно ли такое? Останется ли нагретый до таких температур Юпитер стабильным астрофизическим объектом?

Вторая космическая скорость на Юпитере - около 60 км/сек. Средняя скорость движения частиц должна уступать этой величине в несколько раз. Считается, что стабильность атмосферы планеты сохраняется, если скорость движения частиц не превосходит 1/6 второй космической скорости на этой планете.

Скорость движения молекул водорода при нормальных условиях (округлим температуру до 300 K) составляет около 1.9 км/сек. Скорость движения частиц прямо пропорциональна квадратному корню из температуры и обратно пропорциональна квадратному корню из массы частиц.

Температура в результате стеллаформирования у нас выросла в 4300/300 ~ 14.3 раза. Если бы у нас был ещё молекулярный водород, то скорость движения частиц увеличилась бы примерно в 3.8 раза и составила бы 7.2 км/сек. Однако при такой температуре водород не только уже атомарный, но отчасти и ионизированный.

Атом водорода имеет массу в два раз меньше, чем молекула. При ионизации атом водорода делится на протон и электрон, то есть на 2 частицы. Средняя масса их, таким образом, сокращается ещё вдвое.

Таким образом, средняя скорость движения частиц атомарного водорода в сравнении с молекулярным увеличивается ~1.4 раза (квадратный корень из двух), то есть составит ~10.2 км/сек, а ионизированного - вдвое, и составит 14.2 км/сек. И если для атомарного водорода параметры ещё на грани приемлемого, то для ионизированного - уже нет: вторая космическая оказывается лишь в 4 с небольшим раза выше.

Это означает, что при таком положении вещей Люцифер будет терять массу. Сложно сказать, насколько быстро, но явно намного быстрее, чем атмосфера Марса диссипировала в космос. Конечно, и этот срок измеряется тысячами лет. Но в окрестностях микрозвезды находиться было бы опасно из-за постоянно исходящего от неё потока плазмы.

Но это заведомо неправильно! В тексте у Кларка сказано, что Юпитер резко сжался - под воздействием инопланетных технологий. Однозначных данных о том, какого размера в итоге стал Люцифер, у нас, в общем-то, нет.

Я глянул по верхам первоисточник, нашёл два упоминания.

В "Космической одиссее - 2010":

Свет перестал быть столь ярким – Саша опустил солнцезащитные фильтры. Появилась возможность взглянуть на источник света: это была просто звезда немыслимой звездной величины. Вряд ли она имела отношение к Юпитеру – когда Флойд всего несколько минут назад смотрел на планету, она вчетверо превышала по размерам это отдаленное компактное солнце.

Второе - уже в следующей книге:

Каждые семь дней Европа проходила между Ганимедом и сверкающим мини-солнцем, которое раньше было Юпитером. При этом возникали затмения, продолжавшиеся до двенадцати минут. В точке, ближайшей к Ганимеду, Европа казалась чуть меньше Луны, наблюдаемой с Земли, но на противоположной стороне орбиты, на максимальном удалении, уменьшалась вчетверо...

Значит, в первом случае упомянуто, что Юпитер в процессе стеллаформирования уменьшился минимум вчетверо (очевидно, имеются в виду линейные размеры). Во втором сказано не особенно внятно. Если "мини-солнце" и правда "затмевалось", то оно, очевидно, по видимому с Ганимеда диаметру не превосходило Европу - которая, в свою очередь, уступала Луне, вилимой с Земли.

Хм... Ну ладно, просчитаем оба варианта. Массой сброшенной Юпитером при сжатии оболочки пренебрежём - она, очевидно, не особенно велика.

"Средний" Люцифер

Первый вариант: Юпитер сжался по линейным размерам вчетверо. Как изменится на нём вторая космическая скорость?

Добавьте описание
Добавьте описание

Масса не изменилась, радиус уменьшился в 4 раза. Из формулы очевидно, что вторая космическая изменится обратно пропорционально квадратному корню из радиуса. То есть - вырастет вдвое, составив около 120 км/сек.

А скорость движения частиц? Площадь поверхности уменьшилась в 4^2 = 16 раз. При том, что и прежде она составляла 1% солнечной. 0,01/16 = 0.000625, или в 1600 раз меньше, чем у Солнца. Светимость же слабее солнечной всего в 372 раза. Значит, квадратный метр поверхности Люцифера излучает больше, чем квадратный метр поверхности Солнца, в 1600/372 = 4.3 раза.

Значит, температура Люцифера выше солнечной в 4.3^(1/4) = 1.44 раза, то есть составляет в этом варианте 6000 * 1.44 = 8640 К, как у звезды спектрального класса А. Это в ~29 раз больше, чем условные 300 К, составляющие "нормальные условия". Значит, средняя скорость движения частиц ионизованного водорода составляет примерно 20.4 км/сек (считаем так же, как в предыдущем случае "большого" Люцифера). Что составляет почти ровно одну шестую от второй космической скорости.

То есть такой Люцифер - более компактный - куда более реалистичен. По крайней мере, в горизонте миллиарда лет он гравитационно устойчив.

"Малый" Люцифер

Третий вариант - сверхкомпактный Люцифер, который заслонила даже Европа. Из диаметра Европы - около 3100 км - и того факта, что она примерно в 1.5 раза ближе к Юпитеру/Люциферу, чем Ганимед, очевидно, что последний, находящийся на втрое большем расстоянии от Ганимеда, для того, чтобы Европа его заслоняла, должен иметь размер никак не более 10 тысяч километров.

То есть по линейным размерам он уменьшился в 14 раз, масса же, опять же, осталась прежней. Проводим аналогичный предыдущему случаю расчёт.

Вторая космическая - 14^(1/2) * 60 ~ 225 км/сек.

Площадь поверхности оказывается в 19600 раз меньше, чем у Солнца: 1 / (0.01/14^2) = 19600

Квадратный метр поверхности излучает в 52.7 раза больше энергии, чем Солнце: 19600/372 ~ 52.7

Температура равна 6000 * 52.7^(1/4) ~ 16200 К. Это уровень бело-голубых звёзд спектрального класса B.

Довольно круто: помимо света, такие звёзды излучают и более жёсткую радиацию - не только в ультрафиолетовом, но и в рентгеновском диапазоне. Впрочем, для планет с мощными атмосферами это не очень опасно.

Средняя скорость движения частиц ионизованного водорода же составит около 28 км/сек. Это в 8 раз меньше второй космической, так что объект гравитационно оказывается абсолютно устойчивым.

То есть А. Кларк хорошо всё рассчитал.

Но, разумеется, это всё невозможно. Плотность Люцифера в разных вариантах оказывается от десятков до тысяч раз большей, чем плотность воды. В последнем случае вообще на память уже белые карлики приходят. Но гравитации Юпитера не хватит для того, чтобы перевести вещество в такое состояние, как на белых карликах.

В фантастическом романе всё просто: планету искусственно перевели в сверхплотное состояние с помощью инопланетных технологий. Но у нас их нет...

НАСА: проект "Люцифер"

Но это у нас - нет. А если верить забавной конспирологической теории, у НАСА они есть!

Проект Люцифер был ...озвучен Уильямом Купером в 1991 году, в его книге «Узри коня бледного». Купер высказал предположение, что по завершении миссии Галилео, он будет направлен на Юпитер, где его плутониевое топливо взорвётся и положит начало цепной реакции, которая ознаменует появление новой звезды — Люцифера. Новое Солнце согреет свои луны, делая их доступными для колонизации. Купер утверждает, что видел документы по этому проекту ещё в 1970х, когда служил в штабе разведки Тихоокеанского флота. Высказывания Купера приняли всерьёз, когда в 1991 году, НАСА объявила что рассматривает два варианта утилизации Галилео – отправить его в открытый космос или сбросить на Юпитер.
Она действительно была ликвидирована в атмосфере данной планеты в 2003 году.

Теория вызвала некоторый шум тогда.

Суть идеи в том, что изотопный источник энергии на плутонии-238, имевшийся на "Галилео", был воспринят как ядерный детонатор. Предполагалось, что плутоний, хотя и в докритическом состоянии, утонет в юпитерианском квазиокеане и рано или поздно достигнет уровня, где будут такие температура и давление, что он перейдёт в закритическое состояние и произойдёт ядерный взрыв. От него и зажжётся термоядерная реакция!

Ну, конечно, авторы теории перепутали плутоний-238 с плутонием-239, но не суть. Вряд ли есть основания сомневаться, что за миллиардолетнюю историю Юпитера он испытывал и куда более мощные взрывы - в результате столкновений с астероидами и целыми планетезималями, а то и небольшими планетами. Но что-то это его в звезду не превратило.

В любом случае, условия недр Юпитера явно не позволяют идти термоядерному синтезу: сжатие и температура недостаточны. И уж тем более один короткий "вспышечный" нагрев ситуацию изменить не сможет.

В общем, бредовая, но забавная конспирологическая теория...

Но можно ли - теоретически - сделать нечто в этом роде?

Ну я бы не стал говорить заранее, что это невозможно. Теоретически, если рассматривать фантастические, но правдоподобные технологии... Скажем, можно попробовать сделать так.

Направляем в недра Юпитера поток слабо взаимодействующих с веществом частиц - чего-то вроде нейтрино. Под углом к этому потоку направляем туда же другой поток - из соответствующих античастиц.

Они аннигилируют внутри ядра планеты, нагревая его . В определённый момент начнётся и термоядерный синтез. Понятно, что Юпитер будет быстро терять энергию, но не мгновенно же. Дейтериевая реакция может стать устойчивой... наверное. Зависит от скорости конвекции - перемешивания слоёв вещества на микрозвезде.

В итоге "Люцифер взойдёт": планета станет самосветящейся. Теперь надо установить что-то проде очень больших солнечных батарей, которые будут снабжать энергией аннигиляционные установки.

Что характерно, так уж сильно сиять "Лучезарному" не нужно. Одна десятитысячная солнечной светимости даёт земной уровень освещённости на расстоянии 1.5 млн км от фотосферы - а из Галилеевых спутников Юпитера только Каллисто будет на большем расстоянии. И температура микрозвезды окажется на уровне всего около 2000 К (это даже не красные, а коричневые карлики...)...

Это гарантирует стабильность Люцифера: водород при такой температуре в основном нейтрален, а скорость движения частиц атомарного водорода не превосходит 7 км/сек, что почти в 9 раз ниже второй космической скорости.

И в любом случае, на заре существования Юпитер уже был самосветящимся объектом - примерно таких же параметров. пережил же он как-то тот период?..

Почему этого не будет?

Всё просто. Стеллаформирование Юпитера попросту бесполезно. В нём нет никакого смысла.

Возле него, по сути, 4 объекта, ради которых вообще имеет смысл стараться: это его Галилеевы спутники. Из них Ио - чрезвычайно тектонически активный объект, по поверхности его текут реки расплавленной серы, а гейзеры и вулканы выбрасывают вещество на высоту в десятки километров. Вряд ли он нам особенно интересен.

Европа покрыта слоем льда, под которым имеется океан глубиной около 50 км. "Восход Люцифера" приведёт , очевидно, к таянию льдов. Суша в таком глубоком океане возникнет вряд ли. Впрочем, так как Европа даже меньше Луны, она будет быстро терять воду. То есть сначала у неё не будет суши, а потом вода улетучится полностью. Это, что характерно, может, по некоторым расчётам, произойти быстро - за срок, измеряемый веками - первыми тысячелетиями, а не миллионами лет. Точно ли овчинка стоит выделки?

На Ганимеде при таянии льдов возникнет океан глубиной уже в тысячи километров. И вот оттуда вода будет улетучиваться гораздо медленнее: Ганимед значительно массивнее Европы.

Метки: #освоение космоса , #восход люцифера , #космическая одиссея , #астрофизика , #конспирология , #s-ответы , #научная фантастика , #люцифер , #артур кларк

С Каллисто же - ещё интереснее. Сейчас она, хотя теоретически состоит из примерно того же количества льда и камня, что и Ганимед, устроена иначе. Если у Ганимеда есть каменное ядро, водяная мантия и ледяная кора, то на Каллисто камень и лёд просто бессистемно перемешаны. Как следствие, на Ганимеде построить что-либо можно только из того же самого льда. Каллисто же - куда более перспективный объект для освоения: там имеется материал на любой вкус.

А при таянии льдов камни и песок на Каллисто просто утонут - и всё...

Одним словом, никакой пользы, кроме вреда, от подобного проекта не будет. Если потребуется разместить где-то избыточное население (пока что перспектива перенаселения Земле отнюдь не светит), проще будет построить космические станции: дешевле выйдет, причём на порядки. И быстрее - тоже на порядки

Ну вот где-то так.

См. также

Навигатор по каналу "Море Ясности"