У нейтронной звезды: экзопланеты вокруг мертвых светил

Система пульсара (нейтронной звезды, «пульсирующей» в радиодиапазоне) Лич, а также ее планетной системы — в представлении художника. Иллюстрация: Pablo Carlos Budassi, wikipedia.org

Первые планеты у другой звезды: Полтергейст и Драугр

До 1992 года земляне не знали наверняка, есть ли во Вселенной другие планетные системы. Еще ученые далекого прошлого предполагали, что где-то должны быть миры, подобные тем, которые обращаются вокруг Солнца, но обнаружить такие объекты удалось лишь 30 лет назад. Первыми подтвержденными экзопланетами (так называются планеты, открытые на орбитах «чужих» солнц) стали два объекта вокруг звезды PSR B1257+12, расположенной в 2300 световых лет от Земли. Эта планетарная система оказалась совершенно не похожей на нашу, и о ее космической экзотичности можно догадаться уже по именам, которые ученые подобрали для новых «знакомых».

Схематическое изображение пульсара. Сфера в центре изображения — нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы — потоки излучения пульсара Иллюстрация: Brandon User:Mysid, wikipedia.org

Начнем с того, что во главе этой системы находится «мертвое» светило – пульсар PSR B1257+12, получивший неофициальное имя Лич в честь фэнтезийного мага-некроманта, переродившегося в нежить. Пульсары – это разновидность нейтронных звезд, образующихся в результате взрыва сверхновой. Они получили свое имя за регулярно повторяющееся, «пульсирующее» излучение, что от них исходит.

Нейтронная звезда – это объект диаметром 25 километров и массой, по крайней мере, в 1,4 раза превышающей массу нашего Солнца. Далеко не все из них пульсары, но PSR B1257+12 – именно такая. Пульсар испускает два луча радиоволн из районов у своих северного и южного полюсов. Это происходит потому, что у него сильное магнитное поле и, одновременно, очень быстрое вращение. При вращении пульсара луч от его полюса для земного наблюдателя становится то видимым, то невидимым с интервалом в несколько тысячных секунды (миллисекунды) – за такую особенность эту разновидность мертвых звезд часто называют «космическими маяками».

Лич делает полный оборот вокруг своей оси каждые 6,22 миллисекунды (то есть 161 раз в секунду!), обдавая ближайшие объекты интенсивным смертоносным излучением. Если до Земли доходят в основном радиоволны от этого объекта, то вблизи него еще очень много рентгеновского излучения. Его уровень так высок, что, окажись там МКС, ее экипаж погиб бы в кратчайшие сроки.
Составное изображение Крабовидной туманности, показывающее ее снимки в видимом диапазоне (красным) и рентгеновском (синим). Размер излучающей зоны в рентгеновском диапазоне меньше, поскольку излучающие в нем электроны теряют свою энергию быстрее, чем те, что излучают в оптическом, — ведь их температура выше. Фото: NASA, hubblesite.org

Сначала ученые открыли на орбите близ Лича планету PSR B1257+12 c (Полтергейст), затем – PSR B1257+12 d (Фобетор). А уже через два года была обнаружена PSR B1257+12 b (Драугр). Три планеты, вращающиеся вокруг Лича, имеют размеры, схожие со скалистыми мирами Солнечной системы. Две из них являются суперземлями с массой в четыре-пять раз больше нашей планеты, третья – немного больше Луны и считается самой маленькой известной планетой.

Эти объекты находятся достаточно близко к пульсару, чтобы нагреться, и температура на их поверхности даже может быть подходящей для наличия жидкой воды. Но, чтобы сохранить ее, им нужно иметь очень плотную атмосферу, которую ученые пока не смогли «разглядеть». Впрочем, это и неудивительно: расстояние до Лича уж слишком большое.

Учитывая то, что место «обитания» этих планет – космическое «кладбище», оставшееся после взрыва сверхновой, неформальные имена, данные трем планетам, также имеют зловещий оттенок – Полтергейст (от немецкого «шумный призрак»), Фобетор («пугающий» – один из богов сновидений в «Метаморфозах» Овидия) и Драугр (оживший мертвец из скандинавской мифологии).

Как образуются пульсарные планеты

Глядя на условия, в которых приходится существовать Полтергейсту, Фобетору и Драугру, нельзя не задаться вопросом: как они вообще возникли по соседству со своей агрессивной звездой? Похоже, что на самом деле планеты редко «решаются» на то, чтобы обосноваться на орбитах вокруг мертвых солнц. За 30 лет, прошедших с открытия первых экзопланет, вокруг разных светил было обнаружено почти 5000 миров. Из этого числа считанные единицы находятся на орбитах пульсаров.

Планеты нейтронных звезд могут быть первого, второго или третьего поколения. Небесные тела первого поколения формируются привычным нам образом – по соседству со звездой главной последовательности – «живой» и яркой. Такие миры, вероятно, погибают одновременно со своей звездой-хозяйкой или оказываются «сброшенными» с орбит в далекий космос в результате взрыва сверхновой. Объекты второго поколения формируются на «кладбище» – в обломочном диске, образовавшемся после взрыва, уже вокруг пульсара из фрагментов его бывших планет или астероидов первого поколения.

PSR 1257+12 в сравнении с Землей: А – Драугр, B – Полтергейст, C – Фобетор. Иллюстрация: -Luyten-, wikipedia.org

Планеты третьего поколения тоже рождаются после катастрофы – на месте бинарной системы. Они формируются в аккреционном диске из материала «пострадавшей» звезды-компаньона — считается, что миллисекундные пульсары вращаются так быстро, потому что их вращение разогнали. У нейтронной звезды очень сильная гравитация, поэтому она легко «перетягивает» на себя материал светила, не пережившего взрыв своей звезды-соседки и частично разрушенного этим взрывом. При падении газа на нейтронную звезду та получает увеличенный момент вращения, отчего крутится вокруг своей оси все быстрее и быстрее.

Возможны и другие сценарии появления планет на орбитах пульсаров. Например, это может происходить и после столкновения двух звезд, в результате которого нейтронная звезда «уводит» за собой планету, сформировавшуюся в более комфортных условиях под «присмотром» нормального светила.

Иллюстрация: NASA/JPL-Caltech, nasa.gov

Астрономы считают, что Полтергейст, Фобетор и Драугр не были «уроженцами» первоначальной планетарной системы на орбите вокруг массивной звезды-предшественницы пульсара. Скорее всего, тогда бы они не пережили взрыв сверхновой. Более вероятно, что они сформировались в системе уже после катастрофических событий.

Что касается других объектов из числа известных «компаньонов» пульсаров, то четыре из них – углеродные белые карлики сверхмалой массы, или «алмазные планеты», «проживающие» на орбитах вокруг нейтронных звезд-пульсаров J1719-1438, J0636+5128, J1311-3430 и J2322-2650.

А вот пульсар B1620-26 является частью тройной системы, включающей супер-Юпитер (газовый гигант в 2,5 раза массивнее самой большой планеты Солнечной системы). В данном случае расположение этой системы в шаровом скоплении M4 предполагает, что планета была захвачена у звезды-соседа, а не образовалась «под присмотром» пульсара.

Крупнейшее из когда-либо проводившихся исследований пульсаров и их компаньонов показало, что объекты, похожие на Землю, редко сопровождают такие звезды. Ученые пришли к такому выводу, изучив 800 пульсаров. В результате выяснилось, что на орбитах только одного из двухсот космических «маяков» могут быть планеты с массой, подобной земной. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Выходит, что Лич и его компания – уникальный пример планетарной системы, в которой ужились и пульсар, и землеподобные миры. Загадку его уникальности астрономам, похоже, еще предстоит разрешить.

Жизнь по соседству с мертвой звездой

Теоретически возможно, что пригодные для жизни миры существуют на орбитах вокруг пульсаров. Такие планеты, купающиеся в сильнейшем рентгеновском излучении родной звезды, должны иметь внушительную атмосферу (в миллион раз толще земной), которая могла бы преобразовывать смертоносные рентгеновские лучи и высокоэнергетические частицы в тепло. В таком случае вода на поверхности сможет оставаться в жидком состоянии даже несмотря на тот факт, что нейтронная звезда почти не излучает в видимом диапазоне.

Землеподобная планета вращается вокруг нейтронной звезды, окрестности которой поливают планету смертоносным излучением (в представлении художника). Фото: NASA, JPL-Caltech and R. Hurt space.com

Также для подобных миров важно дорасти до статуса суперземли с массой в 1–10 раз больше массы нашей планеты. При несоблюдении этого условия экзопланета потеряет свою атмосферу в течение нескольких тысяч лет – ее попросту «сдуют» пульсарное излучение и поток заряженных частиц от нейтронной звезды. А вот планета с массой в десять раз больше земной должна иметь достаточно сильное тяготение, чтобы удерживать атмосферу в течение примерно миллиарда лет, что повышает шансы зарождения жизни (помимо жидкой воды, тепла и питательных веществ, которые, как мы знаем, нужны жизни, ей также требуется и запас времени).

Редкие экземпляры

Млечный Путь содержит около миллиарда нейтронных звезд, из которых около 200 000 – пульсары. На сегодняшний день изучено 3000 пульсаров и найдено только пять пульсарных планет. Получается, большинство из них существует именно в системе Лича. Редкость этого планетного трио вполне может быть следствием экстремальных условий, в которых формируются пульсары.

В случае если доля систем нейтронных звезд, образующих планеты, столь же мала, как и доля обнаруженных на сегодняшний день, то большое число нейтронных звезд в нашей галактике гарантирует существование относительно большого числа пульсарных планетарных систем – по предварительным данным речь может идти о 107 подобных системах и более.

Но нельзя исключать, что планеты возле мертвых звезд находятся с трудом из-за ошибок наблюдений. Ведь нейтронные звезды в норме расположены намного дальше от Солнца, чем звезды обычные, – а значит, и наблюдать их системы сложнее. Также вероятно и то, что орбиты вокруг пульсаров населены крошечными объектами (<0,1 массы Земли), которые сложнее обнаружить на большой дистанции.

Быстрый прогресс астрономической техники дает надежду: дальнейшие наблюдения вскоре покажут, действительно ли планеты у нейтронных звезд так редки, как кажется. Или же и у агрессивных светил может быть много планет-компаньонов, и мы пока просто не научилисьих находить?