Астрофизики Алессандро Патруно и Михель Кама из Лейденского университета (Нидерланды) показали, что вокруг нейтронных звезд могут находиться пригодные для жизни планеты. В частности, суперземли PSR B1257+12 c и PSR B1257+12 d, получившие официальные названия Полтергейст и Фобетор соответственно, оказываются при выполнении некоторых условий в зоне обитаемости пульсара PSR B1257+12 (Лич).
В настоящее время известно более трех тысяч нейтронных звезд, из них только у двух достоверно обнаружены планетные системы, у нескольких такие системы возможны. Первые экзопланеты найдены именно у нейтронной звезды — в 1991 году польско-американский радиоастроном Александр Вольщан выявил вблизи PSR 1257+12 две экзопланеты, Полтергейст и Фобетор, каждая примерно в четыре раза тяжелее Земли. Через год это открытие подтвердил канадский астроном Дейл Фрейл.
Позднее там же обнаружили еще одну экзопланету, Драург (PSR B1257+12 b), в 50 раз легче Земли. Она находится слишком близко к нейтронной звезде, чтобы на ней были пригодные даже для самой экстремальной жизни условия. Полтергейст в 4,3 раза тяжелее Земли, температура на его поверхности — от 51 до 652 кельвинов. Планета вращается вокруг PSR B1257+12 с периодом 66 суток на расстоянии 0,36 астрономической единицы. Фобетор немного тяжелее Полтергейста и более удален от пульсара.
Сам PSR B1257+12 расположен на расстоянии 2,3 тысячи световых лет от Земли в созвездии Девы. Этот пульсар примерно в 1,4 раза тяжелее Солнца и в 125 триллионов раз меньше его (радиус PSR B1257+12 — порядка 10 километров). Возраст нейтронной звезды оценивается в миллиард лет (более чем в четыре раза моложе Солнца). Пульсар вращается с периодом 0,006 секунды, от него исходит в окружающее пространство мощное рентгеновское излучение. На первый взгляд, жизнь на Полтергейсте и Фобеторе невозможна, однако Патруно и Кама показали, что это не так.
Нейтронные звезды формируются в результате взрыва сверхновых, после чего нередко на орбите вокруг нового светила остается достаточно материи, чтобы успел образоваться протопланетный диск. Кроме PSR B1257+12, экзопланеты найдены, в частности, вокруг пульсара PSR J1719-1438. Богатый углеродом спутник PSR J1719−1438 b ранее, вероятно, был белым карликом. Вблизи PSR J1937+21 допускается существование пояса астероидов, а ряд астрономических явлений, например, гамма-всплеск GRB 101225A, интерпретируется как столкновение нейтронной звезды с кометой или астероидом.
Сравнение размеров Земли, Полтергейста и Нептуна. Иллюстрация Aldaron / Wikimedia
Среди планет, которые могут находиться около нейтронных звезд, традиционно выделяют три типа. Первый — типичные планеты, побочный продукт рождения звезды, образовавшиеся еще до самой нейтронной звезды, до вспышки сверхновой. Планеты второго типа возникают из материи, оставшейся вокруг нейтронной звезды после взрыва сверхновой. Третий тип — планеты из материи разрушенного компаньона нейтронной звезды, как в случае PSR J1719−1438 b. Этот тип характерен для спутников миллисекундных пульсаров, к которым относятся PSR J1719−1438 и PSR B1257+12.
Ученые полагают, что планеты вокруг пульсаров — скорее исключением, чем правило. В период от миллиона до миллиарда лет высокоэнергетическое рентгеновское и гамма-излучение, а также пульсарный ветер (потоки заряженных частиц от пульсара) уничтожили бы практически любой объект. Однако у небесного тела малых размеров на относительном удалении от светила есть шансы сохраниться на устойчивой орбите в течение длительного промежутка времени. Именно поэтому, несмотря на относительную малую долю пульсаров с планетами, из-за большого числа самих нейтронных звезд в Млечном Пути (порядка миллиарда) количество планетных систем, находящихся вокруг них, огромно (порядка 10 миллионов).
Планетные системы вокруг нейтронных звезд необязательно похожи на миры, обнаруженные вокруг звезд главной последовательности. Например, обитаемость планеты обычно определяется в терминах равновесной температуры поверхности, заданной лучистой энергией, которую она получает от звезды-хозяина. Эта энергия рассчитывается в первом приближении как излучение черного тела, которое достигает максимума в ближнем инфракрасном, оптическом или ультрафиолетовом диапазонах, а типичные обитаемые зоны устанавливаются на расстоянии от долей до нескольких астрономических единиц.
Обитаемая зона значительно меньшего размера, чем вокруг звезд главной последовательности, рассчитана для белых карликов (в такой объект превратится Солнце через восемь миллиардов лет). Когда светило за три миллиарда лет остынет до температуры около 10 тысяч кельвинов, обитаемая зона будет находиться на расстоянии от 0,005 до 0,02 астрономической единицы. В случае нейтронных звезд пик излучения черного тела приходится на рентгеновские лучи, наблюдается изобилие ионизирующих частиц высоких энергий, но почти отсутствует ближние инфракрасное, оптическое и ультрафиолетовое излучение.
Авторы исследования воспользовались специальным программным обеспечением, которое анализирует снимки системы PSR B1257+12, сделанные 3 мая 2007 года космическим рентгеновским телескопом Chandra, а также данные наблюдений за 22 мая 2005 года (для сравнения результатов с работами других ученых). По оценкам, температура поверхности PSR B1257+12 составляет 1,1 миллиона кельвинов, а вокруг нее на расстоянии от долей до нескольких астрономических единиц может находиться пылевой диск.
Основную опасность (одновременно и источник тепла) для возможной жизни на Полтергейсте и Фобеторе представляет рентгеновское излучение, способное привести к существенному нагреву атмосферы планет. Жесткое рентгеновское и гамма-излучение проникает гораздо глубже в атмосферу, чем ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение. Но если газовые оболочки достаточно широкие, то опасное излучение не достигает поверхности планеты.
Патруно и Кама полагают, что планеты, вращающиеся вокруг изолированных нейтронных звезд, должны эволюционировать так же, как и небесные тела вокруг звезд главной последовательности, испускающих на раннем этапе своего развития интенсивное рентгеновское излучение. На Земле поток рентгеновских лучей быстро блокируется верхней атмосферой (термосферой), газ в которой ионизируется при взаимодействии с рентгеновскими лучами и ультрафиолетовым излучением. У этого слоя относительно высокая температура — от сотен до тысяч кельвинов, но он разрежен и потому неэффективен в качестве источника тепла.
Зона обитаемости, согласно общепринятому определению, представляет собой область вокруг звезды, где планета земного типа (с атмосферой, содержащей углекислый газ, воду и азот) может иметь на поверхности много жидкой воды. Необходимым (но не достаточным) условием обитаемости планеты часто считается то, что ее равновесная температура не опускается ниже 270 кельвинов. Авторы исследования рассчитали границы обитаемости вокруг PSR B1257+12, используя оценки излучения, которое достигает Полтергейста и Фобетора, в предположении, что равновесная температура пары суперземель равняется 175-275 кельвинам.
Это возможно, поскольку в атмосфере крупных планет более высокий градиент температуры, чем на Земле, чья атмосфера достаточно однородна. Ученые заключают, что если основным источником энергии для планет служит рентгеновское излучение, то на трех планетах системы PSR B1257+12 слишком холодно, чтобы там была жизнь. Если же учитывать гамма-излучение, возникающее в атмосфере планет из-за пульсарного ветра, границы зоны обитаемости смещаются на расстояние от двух до пяти астрономических единиц.
Между этими крайними сценариями есть пространство параметров, где Полтергейст и Фобетор находятся в пределах зоны обитаемости. Также авторы работы показали, что планета вокруг PSR B1620-26, древнейшая из известных человеку, не может быть обитаемой даже в самом оптимистичном случае. Что касается PSR J1719-1438, то там пока недостаточно данных о рентгеновском излучении, и никаких выводов сделать нельзя. Ученые отмечают, что рентгеновская светимость большинства изолированных нейтронных звезд с аккрецией Бонди-Хойла (истечение материи с компаньона, например, белого карлика, на нейтронную звезду) больше, чем у PSR B1257+12, которая в этом смысле нетипична.
Это означает, что для скалистых планет, напоминающих Землю, зона обитаемости вокруг пульсара существует недолго. Для сверхземель с плотной атмосферой — гораздо дольше. Авторы исследования рассчитали, что если бы Земля располагалась на расстоянии от 1 до 10 астрономических единиц от PSR B1257+12, а на ее атмосферу приходилось бы порядка 1 процента массы всей планеты (в реальности — в 10 тысяч раз меньше), то газовая оболочка была бы утрачена максимум за 10 миллионов лет. Зато суперземли с экстремально толстыми атмосферами потеряли бы газовую оболочку за триллионы лет.
Однако наибольшую опасность для атмосферы представляют не рентгеновские лучи, а пульсарные ветры. Они действуют в ограниченный период времени — существует так называемая линия смерти, определяющая момент, когда пульсар прекращает производить ветер. Для молодых пульсаров это порядка миллиона лет, для миллисекундных пульсаров — миллиарды лет. Тем не менее, отмечают авторы, это отключает источник энергии планеты, после чего температура небесного тела резко падает, исключая таким образом любую возможность определения пригодной для обитания зоны. Однако и в этом случае остается процесс аккреции Бонди-Хойла, способный генерировать достаточно рентгеновского излучения и нагревать планету. Температура также может поддерживаться приливным разогревом.
Пульсарный ветер вообще может не достигать планеты — когда магнитная ось и ось вращения пульсара сильно расходятся. В этом случае в экваториальной плоскости, где обычно располагаются планеты, пульсарного ветра нет, есть только рентгеновское излучение. Для такого случая авторы работы рассчитали, что за 850 миллионов лет атмосфера Полтергейста и Фобетора потеряла примерно по 0,0005 массы Земли (или около 0,0001 своей массы) — ничтожно мало, особенно если на атмосферу у PSR B1257+12 c и PSR B1257+12 d приходится, согласно принятому допущению, порядка процента от массы планеты.
