|
Планеты у нейтронных звезд обитаемы
|
|
|
|
Алессандро Патруно (Alessandro Patruno) и Михкель Кама (Mihkel Kama) из Лейденского университета (Нидерланды) попытались выяснить, могут ли планеты вокруг нейтронных звезд, и в частности пульсаров, длительное время находиться в зоне обитаемости. Ведь нейтронные звезды почти не дают видимого света, зато поливают свои планеты мощным потоком жесткого излучения.
|
|
|
| Ученые пришли к выводу, что суперземли около таких звезд всё же могут
получать от их излучения и пульсарного ветра достаточно тепла, чтобы миллиарды
лет подряд поддерживать температуры, совместимые с существованием жидкой
воды. При этом рентгеновское и гамма-излучение не будут угрожать потенциальной
обитаемости этих планет. Среди уже открытых экзопланет астрофизики нашли
две — PSR B1257+12 c (Полтергейст) и PSR B1257+12 d (Фобетор) — теоретически
способные поддерживать жизнь. Но если жизнь там и возможна, она совсем не
похожа на земную. |
 |
|
Нейтронная звезда — это остающийся после взрыва сверхновой компактный объект диаметром около 20 километров. Возникает она в ходе катастрофически быстрого сжатия под действием гравитационных сил, отчего ее сердцевина становится сверхплотной. Поэтому она состоит в основном из нейтронов и покрыта километровым слоем ядер атомов железа и более тяжелых элементов, а также тонкой атмосферой. Пульсар — это такая нейтронная звезда, которая вращается, имеет сильное магнитное поле и при этом испускает узконаправленные потоки излучения в районе магнитных полюсов (в рентгеновском или гамма-диапазоне; см. Источник мягких повторяющихся гамма-всплесков).
|
|
|
|
Исследователи поставили перед собой никем ранее всерьез не поднимавшийся вопрос: возможна ли жизнь на планетах вокруг нейтронных звезд? Хотя такие планеты известны уже четверть века (см. A. Wolszczan & D. A. Fral, 1992. A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+12), до сих пор никто и не пытался провести подобные расчеты. Причины просты: нейтронная звезда излучает почти исключительно в рентгеновском диапазоне. Жесткий рентген губителен для известной жизни, а без видимого и инфракрасного (ИК) компонента звездное излучение просто не сможет проникнуть достаточно глубоко в атмосферу, чтобы осветить и согреть поверхность планеты у нейтронной звезды.
|
|
|
|
И тем не менее астрофизикам из Нидерландов такая мысль в голову пришла. Чтобы понять, возможна ли жизнь у пульсаров, авторы поставили перед собой две задачи. Первая — уточнить с помощью наблюдений, есть ли в системе пульсара PSR B1257+12 обломочный диск (см. Debris disk), гипотезу о существовании которого десять лет назад выдвинула группа Павлова (см. G. G. Pavlov et al., 2007. X-Ray Emission from the Planet Pulsar B1257+12). Это должно было прояснить, как именно сформировались три планеты, наблюдаемые вокруг этого пульсара. Вторая — установить, могут ли в принципе планеты у нейтронных звезд такого типа сохранять свою атмосферу несмотря на мощный поток рентгеновского излучения и пульсарный ветер (см. ниже).
|
|
Три сценария формирования пульсарных планет
|
|
|
|
Поиск диска авторы вели с использованием массива данных космической рентгеновской обсерватории «Чандра». Брались наблюдения района пульсара PSR B1257+12 с помощью инструмента Advanced CCD Imaging Spectrometer. Учитывались как данные, проанализированные ранее (21 фотон, полученный в 2005 году), так и до сих пор не анализировавшиеся (полученные в 2007 году 25 фотонов с энергиями 0,3–8,0 кэВ). По этим данным ученые определили, что общая энергия излучения объекта составляет около 3,1?1029 эрг/с.
|
|
|
|
Исходя из этого, а также из неравномерности распределения фотонов по энергиям, исследователи попробовали оценить количество вещества между земным наблюдателем и источником данного излучения, которое бы частично поглощало его фотоны. Авторы использовали данные по 25 и 21 фотону (2005 и 2007 годы), введя их в модель bbodyrad, в данном случае описывающую излучение нейтронной звезды. Согласно модели, распределение энергии фотонов в диапазоне 0,3–8,0 кЭв должно было быть более равномерным, чем это наблюдалось на практике. Исследователи предполагают, что причина этого — поглощение фотонов определенных энергий веществом. По их интерпретации, за это отвечает обломочный диск. Почти всё вещество между нейтронной звездой и наблюдателем сконцентрировано главным образом вокруг этой звезды, а доля остального чрезвычайно мала. Авторы показали, что за это поглощение может отвечать обломочный диск, по массе сходный с аналогичными дисками обычной звезды главной последовательности (на сегодня их известно около тысячи).
|
|
|
|
Исследователи видят три теоретически возможных сценария формирования пульсарных планет (планет, которые обращаются вокруг пульсаров). По первому из них, они возникают еще до взрыва сверхновой, сразу после образования массивной звезды-предшественника сверхновой из того же газопылевого облака, что и она. Именно по такому сценарию образовалась Земля и другие «обычные» планеты, не относящиеся к пульсарным.
|
|
|
|
Однако нейтронные звезды образуются после взрывов сверхновых. Если у звезды-предшественника сверхновой были «нормальные» планеты, то их орбиты из-за взрыва наверняка нарушаются или они вообще оказываются выброшенными из своей системы. А если они остаются в ней, то, скорее всего, частично испаряются. В общем, первый сценарий образования известных пульсарных планет маловероятен.
|
|
|
|
Более вероятно, что материалом для образования пульсарных планет служат диски из вещества, выброшенного сверхновой при взрыве (второй сценарий), или обломочные диски, формирующиеся при поглощении нейтронной звездой своего компаньона — второй звезды системы, существовавшей до вспышки сверхновой (третий сценарий). Наблюдениями не так просто отделить второй сценарий от первого: пыль и обломки могут быть в обоих случаях. По общепринятым оценкам, половина звезд рождается в парных системах, поэтому третий путь формирования выглядит наиболее вероятным. В его пользу говорит и то, что PSR B1257+12 — миллисекундный пульсар, а пульсары становятся миллисекундными за счет поглощения вещества уничтоженной звезды-«близнеца».
|
|
Что нужно планете, чтобы быть обитаемой?
|
|
|
|
Самая большая угроза обитаемости — потеря жидкой воды и газовой оболочки. Пульсар излучает в рентгеновском диапазоне, то есть агрессивнее обычной звезды «обдирает» со своих планет и то, и другое. Водород из атмосферы слишком быстро уходит в космос, а значит, важнее всего то, сколько у планеты останется более тяжелых газов (о механизмах, из-за которых это происходит, например, на Земле, см. Диссипация атмосферы Земли, а также David C. Catling, Kevin J. Zahnle. The Planetary Air Leak).
|
|
|
|
Здесь у пульсарных планет всё неплохо. При втором и третьем (то есть наиболее вероятных) сценариях их формирования они образуются из материала, существенно обогащенного тяжелыми элементами (так в астрономии называют все элементы тяжелее гелия). Именно в сверхновых и нарабатывается основная масса тяжелых элементов во Вселенной, включая те, что составляют наш организм. На обычные планеты они попадают непрямым путем — из тех взрывов далеких сверхновых, что некогда обогатили газопылевое облако, из которого возникли эти планеты. Но в диски, из которых возникают пульсарные планеты, тяжелые элементы будут приходить напрямую, «из первоисточника». Звезда-компаньон в двойной системе из третьего сценария получит значительное количество таких элементов из выброшенного при взрыве сверхновой вещества. После уничтожения компаньона они высвободятся и будут использованы при формировании планет. Так что там будет довольно много кислорода и воды. Сходная ситуация будет и во втором сценарии, хотя из-за отсутствия звезды-компаньона, которая «поймала» бы на свою поверхность часть материала сверхновой, тяжелых элементов у пульсарных планет будет несколько меньше.
|
|
|
|
В случае системы PSR B1257+12 атмосфера и гидросфера двух ее планет может быть особенно толстой. Ведь PSR B1257+12 c (Полтергейст) и PSR B1257+12 d (Фобетор) — суперземли, они в 3,9–4,3 раза массивнее нашей. По мере роста массы планеты ее атмосфера набирает массу экспоненциально. На телах в несколько раз тяжелее Земли газовая оболочка должна быть в сотни тысяч или даже миллионы раз массивнее земной. Большая масса атмосферы пульсарных планет и ее толщина чрезвычайно важны при оценке их потенциальной обитаемости.
|
|
|
|
Как уже говорилось выше, пульсары могут быть весьма яркими в рентгеновском диапазоне, но при этом почти не излучают в оптическом. Скажем, PSR B1257+12 имеет светимость (полную энергию, излучаемую телом в виде электромагнитных волн во всех диапазонах) в 7,2 раза больше, чем у Солнца, но не более 0,003% от нее приходится на видимый свет и ближнее ИК-излучение. Основная часть энергии, которую пульсарная планета получает от своей звезды, приходит к ней в виде рентгеновского излучения и пульсарного ветра (о пульсарном ветре см. J. G. Kirk, Y. Lyubarsky, and J. Petri. 2009. The theory of pulsar winds and nebul?).
|
|
|
|
Пульсарный ветер состоит из заряженных частиц, разогнанных мощным магнитным полем вращающейся нейтронной звезды до релятивистских скоростей (см.: Relativistic speed). При попадании в атмосферу планеты они сталкиваются с ее частицами, тоже ионизируя их. Попутно возникают фотоны гамма-излучения, распространяющиеся во все стороны и постепенно передающие свою энергию соседним частицам. (Отдаленно похожие процессы в виде широких атмосферных ливней происходят и на Земле, см. Космические дожди.) Сходную роль играют и фотоны рентгеновского излучения. Попадая в верхние слои атмосферы пульсарной планеты, они должны ионизировать ее атомы. С одной стороны, оба процесса нагревают атмосферу пульсарной планеты, что повышает вероятность ее обитаемости. С другой — ионизация частиц в атмосфере означает, что многие из них наберут вторую космическую скорость и навсегда покинут подобное тело.
|
|
Когда кончатся воздух и вода?
|
|
|
|
Чем больше воды и газов изначально имеет планета, тем выше ее шансы остаться с какой-то атмосферой после длительного пребывания у нейтронной звезды. Исследователи построили модель взаимодействия излучения пульсаров с атмосферами суперземель. Они рассмотрели самый пессимистичный сценарий, при котором у планет вообще нет никакого магнитного поля. Оказалось, что для объекта с массой и атмосферой Земли без магнитного поля, вращающегося вокруг нейтронной звезды, все закончится довольно скоро. Газовая оболочка будет потеряна через 1–10 миллионов лет, в зависимости от удаления от пульсара и исходной доли атмосферы в массе планеты. Конечно, с магнитным полем процесс замедлится — но насколько именно, оценить пока сложно.
|
|
|
|
В то же время более массивные суперземли с мощными атмосферами сохранят основную часть своих газовых оболочек и через триллион лет. Последняя цифра, впрочем, не имеет практического смысла, потому что за это время поток излучения и пульсарного ветра от нейтронной звезды упадет так сильно, что планеты рядом с ней станут слишком холодными. Тем не менее, из этих расчетов получается, что пульсарные планеты могут находиться в зоне обитаемости миллиарды лет. И для Полтергейста с Фобетором это может быть именно так.
|
|
|
|
В своих оценках авторы считали, что энергия пульсарного ветра PSR B1257+12 равна 4?1032 эрг/с, хотя точное ее значение пока неизвестно. Из наблюдений пульсарного ветра — у других пульсаров, где есть плерионы, формируемые таким ветром, — трудно вычислить его полную энергию. Однако по его воздействию на плерионы известно, что она на порядки превосходит светимость нейтронной звезды. Если энергия ветра равна или превышает 4?1032 эрг/с, то длительное сохранение пульсарной планетой ее атмосферы нереально. В противном случае газовая оболочка пульсарной планеты может быть весьма долговечна (рис. 3). Но если воздействие пульсарного ветра слишком мало, то температура газовой оболочки планеты может упасть ниже совместимой с существованием жидкой воды на поверхности. Одного рентгеновского излучения для ее разогрева не хватит.
|
|
|
|
Источники энергии для подогрева атмосферы
|
|
|
|
Раз нейтронная звезда «греет» свою планету рентгеновским и гамма-излучением, возникает вопрос, а не погибнет ли жизнь на поверхности планеты от таких лучей. Авторы попробовали определить, на какой высоте происходит поглощение самых энергичных рентгеновских фотонов. У них получилось, что даже на Земле с ее сравнительно тонкой атмосферой подобные частицы были бы поглощены в 50–70 километрах от поверхности. Как уже отмечалось, пульсарные планеты исходно должны быть куда богаче кислородом и другими газами, поэтому атмосфера с гидросферой на них могут быть значительно толще нашей. В столь легком поглощении довольно опасного излучения на самом деле нет ничего странного, так как чем выше энергия фотона, тем быстрее он поглощается.
|
|
|
|
Хватит ли энергии от рентгеновского излучения и пульсарного ветра, чтобы прогреть атмосферу суперземель сверху вниз? Авторы не обсуждают эту проблему. Это связано с тем, что у рассматриваемых ими планет должна быть очень толстая атмосфера. И из расчетов, и из наблюдений известно, что при плотной газовой оболочке поступающая в нее снаружи энергия в конечном счете эффективно передается сверху вниз. Например, Титан и Венера в Солнечной системе имеют атмосферу намного плотнее земной, поэтому у них во всех точках поверхности колебания температур слабее, чем на Земле. И это несмотря на то, что почти всё входящее излучение там поглощается высоко в атмосфере, а не достигает поверхности планеты, как на Земле в безоблачных районах.
|
|
|
|
Итак, жизнь на планетах нейтронных звезд возможна, и весьма вероятно, что две из них уже известны. Но это не значит, что речь может идти о привычном для нас растительном и животном мире. Все пульсарные планеты, чтобы быть обитаемыми долгое время, должны иметь толстую атмосферу, полностью поглощающую излучение нейтронной звезды. То есть на их поверхности очень темно, а давление больше земного. Из-за высокого давления температура в приповерхностном слое будет везде одинаковой. Местная жизнь, как и первые земные организмы, могут быть хемоавтотрофами или использовать фоновое ИК-излучение от нагретой излучением пульсара атмосферы (см.: Древний фермент подтверждает гипотезу о зарождении жизни в горячих источниках, «Элементы», 02.04.2010, и J. Thomas Beatty et al., 2005. An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent).
|
|
|
|
В своем блоге Алессандро Патруно, один из авторов работы, предполагает, что жизнь в таких условиях может развиваться подобно земной в Марианской впадине и сходных местах. Согласно его представлениям, местные организмы могут быть сходны с ксенофиофорами, типичными для глубин морей. По мнению ученого, не исключены и более сложные организмы. Следует отметить, что и на Земле многоклеточные, возможно, возникли при огромном давлении (см.: В вулканических породах возрастом 2,4 млрд лет найдены следы древнейших грибов, «Элементы», 11.05.2017), в километрах под морским дном. Так что возможность возникновения сложной жизни на еще одной планете только из-за повышенного давления или отсутствия света исключать не стоит.
|
|
|
|
Источник: A. Patruno, M. Kama. Neutron Star Planets: Atmospheric processes and habitability // Статья направлена на публикацию в Astronomy & Astrophysics и доступна как препринт arXiv:1705.07688 [astro-ph.EP].
|
|
|
|
Источник
|
