Планети у нейтронних зірок можуть бути населеними

Ріс. 1. Околиці екзопланети PSR B1257 + 12 d (Фобетора) у представленні художника NASA. Малюнок з сайту photojournal.jpl.nasa.gov

Алессандро Патруно (Alessandro Patruno) і Міхкель Кама (Mihkel Kama) з Лейденського університету (Нідерланди) спробували з’ясувати, чи можуть планети навколо нейтронних зірок, і зокрема пульсарів, тривалий час перебувати в зоні населеності. Адже нейтронні зірки майже не дають видимого світла, зате поливають свої планети потужним потоком жорсткого випромінювання. Вчені дійшли висновку, що суперземлі біля таких зірок все ж можуть отримувати від їх випромінювання і пульсарного вітру достатньо тепла, щоб мільярди років поспіль підтримувати температури, сумісні з існуванням рідкої води. При цьому рентгенівське і гамма-випромінювання не загрожуватимуть потенційній населеності цих планет. Серед уже відкритих екзопланет астрофізики знайшли дві — PSR B1257 + 12 c (Полтергейст) і PSR B1257 + 12 d (Фобетор) — теоретично здатні підтримувати життя. Але якщо життя там і можливе, воно зовсім не схоже на земне.

Нейтронна зірка — це надновий компактний об’єкт діаметром близько 20 кілометрів. Виникає вона в ході катастрофічно швидкого стиснення під дією гравітаційних сил, чому її серцевина стає надщільною. Тому вона складається в основному з нейтронів і покрита кілометровим шаром ядер атомів заліза і більш важких елементів, а також тонкою атмосферою. Пульсар — це така нейтронна зірка, яка обертається, має сильне магнітне поле і при цьому випускає вузькоспрямовані потоки випромінювання в районі магнітних полюсів (в рентгенівському або гамма-діапазоні; Див. джерело м’яких гамма-сплесків).

Ріс. 2. Вважається, що у пульсарів вісь магнітного діполя (його силові лінії показані блакитним) нахилена щодо осі обертання (вертикальна червона пряма), тому їх випромінювання доходить до спостерігача у вигляді періодичних спалахів. Жовтим показані пучки випромінювання, які б’ють з магнітних полюсів пульсара. Малюнок з сайту nrao.edu

Дослідники поставили перед собою ніким раніше серйозно не піднімалося питання: чи можливе життя на планетах навколо нейтронних зірок? Хоча такі планети відомі вже чверть століття (див. A. Wolszczan & D. A. Fral, 1992. A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12), досі ніхто і не намагався провести подібні розрахунки. Причини прості: нейтронна зірка випромінює майже виключно в рентгенівському діапазоні. Жорсткий рентген згубний для відомого життя, а без видимого та інфрачервоного (ВК) компонента зоряне випромінювання просто не зможе проникнути досить глибоко в атмосферу, щоб висвітлити і зігріти поверхню планети у нейтронної зірки.

Проте астрофізикам з Нідерландів така думка в голову прийшла. Щоб зрозуміти, чи можливе життя у пульсарів, автори поставили перед собою два завдання. Перша — уточнити за допомогою спостережень, чи є в системі пульсара PSR B1257 + 12 уламковий диск (див. Debris disk), гіпотезу про існування якого десять років тому висунула група Павлова (див. G. G. Pavlov et al., 2007. X-Ray Emission from the Planet Pulsar B1257+12). Це повинно було прояснити, як саме сформувалися три планети, що спостерігаються навколо цього пульсара. Друга — встановити, чи можуть в принципі планети у нейтронних зірок такого типу зберігати свою атмосферу незважаючи на потужний потік рентгенівського випромінювання і пульсарний вітер (див. нижче).

Три сценарії формування пульсарних планет

Пошук диска автори вели з використанням масиву даних космічної рентгенівської обсерваторії «Чандра». Бралися спостереження району пульсара PSR B1257 + 12 за допомогою інструменту Advanced CCD Imaging Spectrometer. Враховувалися як дані, проаналізовані раніше (21 фотон, отриманий в 2005 році), так і досі не аналізувалися (отримані в 2007 році 25 фотонів з енергіями 0,3-8,0 кЕв). За цими даними вчені визначили, що загальна енергія випромінювання об’єкта становить близько 3,1 1029 ерг/с.

Виходячи з цього, а також з нерівномірності розподілу фотонів по енергіях, дослідники спробували оцінити кількість речовини між земним спостерігачем і джерелом даного випромінювання, яке б частково поглинало його фотони. Автори використовували дані по 25 і 21 фотону (2005 і 2007 роки), ввівши їх в модель bbodyrad, в даному випадку описує випромінювання нейтронної зірки. Згідно з моделлю, розподіл енергії фотонів в діапазоні 0,3-8,0 кЕв мав бути більш рівномірним, ніж це спостерігалося на практиці. Дослідники припускають, що причина цього — поглинання фотонів певних енергій речовиною. За їхньою інтерпретацією, за це відповідає уламковий диск. Майже вся речовина між нейтронною зіркою і спостерігачем сконцентрована головним чином навколо цієї зірки, а частка решти надзвичайно мала. Автори показали, що за це поглинання може відповідати уламковий диск, по масі схожий з аналогічними дисками звичайної зірки головної послідовності (на сьогодні їх відомо близько тисячі).

Дослідники бачать три теоретично можливі сценарії формування пульсарних планет (планет, які звертаються навколо пульсарів). За першим з них, вони виникають ще до вибуху наднової, відразу після утворення масивної зірки-попередника наднової з тієї ж газопилової хмари, що й вона. Саме за таким сценарієм утворилася Земля та інші «звичайні» планети, що не належать до пульсарних.

Однак нейтронні зірки утворюються після вибухів наднових. Якщо у зірки-попередника наднової були «нормальні» планети, то їхні орбіти через вибух напевно порушуються або вони взагалі виявляються викинутими зі своєї системи. А якщо вони залишаються в ній, то, швидше за все, частково випаровуються. Загалом, перший сценарій утворення відомих пульсарних планет малоймовірний.

Більш ймовірно, що матеріалом для утворення пульсарних планет служать диски з речовини, викинутої надновою при вибуху (другий сценарій), або уламкові диски, що формуються при поглинанні нейтронною зіркою свого компаньйона — другої зірки системи, що існувала до спалаху надновий (третій сценарій). Спостереженнями не так просто відокремити другий сценарій від першого: пил і уламки можуть бути в обох випадках. За загальноприйнятими оцінками, половина зірок народжується в парних системах, тому третій шлях формування виглядає найбільш вірогідним. На його користь говорить і те, що PSR B1257 + 12 — мілісекундний пульсар, а пульсари стають мілісекундними за рахунок поглинання речовини знищеної зірки- «близнюка».

Що потрібно планеті, щоб бути населеною?

Найбільша загроза населеності — втрата рідкої води і газової оболонки. Пульсар випромінює в рентгенівському діапазоні, тобто агресивніше звичайної зірки «обдирає» зі своїх планет і те, і інше. Водень з атмосфери занадто швидко йде в космос, а значить, найважливіше те, скільки у планети залишиться більш важких газів (про механізми, через які це відбувається, наприклад, на Землі, див. дисипація атмосфери Землі, а також David C. Catling, Kevin J. Zahnle. The Planetary Air Leak).

Тут у пульсарних планет все непогано. При другому і третьому (тобто найбільш вірогідних) сценаріях їх формування вони утворюються з матеріалу, істотно збагаченого важкими елементами (так в астрономії називають всі елементи важче гелію). Саме в наднових і напрацьовується основна маса важких елементів у Всесвіті, включаючи ті, що складають наш організм. На звичайні планети вони потрапляють непрямим шляхом — з тих вибухів далеких наднових, що колись збагатили газопилову хмару, з якої виникли ці планети. Але в диски, з яких виникають пульсарні планети, важкі елементи будуть приходити безпосередньо, «з першоджерела». Зірка-компаньйон у подвійній системі з третього сценарію отримає значну кількість таких елементів з викинутої при вибуху наднової речовини. Після знищення компаньйона вони вивільняться і будуть використані при формуванні планет. Так що там буде досить багато кисню і води. Схожа ситуація буде і в другому сценарії, хоча через відсутність зірки-компаньйона, яка «зловила» б на свою поверхню частину матеріалу надновою, важких елементів у пульсарних планет буде дещо менше.

У разі системи PSR B1257 + 12 атмосфера і гідросфера двох її планет може бути особливо товстою. Адже PSR B1257 + 12 c (Полтергейст) і PSR B1257 + 12 d (Фобетор) — суперземлі, вони в 3,9-4,3 рази масивніші за нашу. У міру зростання маси планети її атмосфера набирає масу експоненціально. На тілах у кілька разів важча Землі газова оболонка повинна бути в сотні тисяч або навіть мільйони разів масивнішою від земної. Велика маса атмосфери пульсарних планет і її товщина надзвичайно важливі при оцінці їх потенційної населеності.

Як вже говорилося вище, пульсари можуть бути досить яскравими в рентгенівському діапазоні, але при цьому майже не випромінюють в оптичному. Скажімо, PSR B1257 + 12 має світність (повну енергію, випромінювану тілом у вигляді електромагнітних хвиль у всіх діапазонах) в 7,2 рази більше, ніж у Сонця, але не більше 0,003% від неї припадає на видиме світло і ближнє ВК-випромінювання. Основна частина енергії, яку пульсарна планета отримує від своєї зірки, приходить до неї у вигляді рентгенівського випромінювання і пульсарного вітру (про пульсарний вітер див. j. G. Kirk, Y. Lyubarsky, and J. Petri. 2009. The theory of pulsar winds and nebulæ).

Пульсарний вітер складається із заряджених частинок, розігнаних потужним магнітним полем нейтронної зірки до релятивістських швидкостей (див.: Relativistic speed). При потраплянні в атмосферу планети вони стикаються з її частинками, теж іонізуючи їх. Попутно виникають фотони гамма-випромінювання, що поширюються в усі сторони і поступово передають свою енергію сусіднім частинкам. (Віддалено схожі процеси у вигляді широких атмосферних злив відбуваються і на Землі, див. космічні дощі.) Подібну роль відіграють і фотони рентгенівського випромінювання. Потрапляючи у верхні шари атмосфери пульсарної планети, вони повинні іонізувати її атоми. З одного боку, обидва процеси нагрівають атмосферу пульсарної планети, що підвищує ймовірність її населеності. З іншого — іонізація частинок в атмосфері означає, що багато з них наберуть другу космічну швидкість і назавжди покинуть подібне тіло.

Коли закінчаться повітря і вода?

Чим більше води і газів спочатку має планета, тим вище її шанси залишитися з якоюсь атмосферою після тривалого перебування у нейтронної зірки. Дослідники побудували модель взаємодії випромінювання пульсарів з атмосферами суперземель. Вони розглянули найбільш песимістичний сценарій, при якому у планет взагалі немає ніякого магнітного поля. Виявилося, що для об’єкта з масою і атмосферою Землі без магнітного поля, що обертається навколо нейтронної зірки, все закінчиться досить скоро. Газова оболонка буде втрачена через 1-10 мільйонів років, залежно від видалення від пульсара і вихідної частки атмосфери в масі планети. Звичайно, з магнітним полем процес сповільниться — але наскільки саме, оцінити поки складно.

Водночас більш масивні суперземлі з потужними атмосферами збережуть основну частину своїх газових оболонок і через трильйон років. Остання цифра, втім, не має практичного сенсу, тому що за цей час потік випромінювання і пульсарного вітру від нейтронної зірки впаде так сильно, що планети поруч з нею стануть занадто холодними. Тим не менш, з цих розрахунків виходить, що пульсарні планети можуть перебувати в зоні населеності мільярди років. І для Полтергейста з Фобетором це може бути саме так.

У своїх оцінках автори вважали, що енергія пульсарного вітру PSR B1257 + 12 дорівнює 4 ^ст.1 1032 ерг/с, хоча точне її значення поки невідоме. Зі спостережень пульсарного вітру — в інших пульсарів, де є плеріони, формовані таким вітром, — важко вирахувати його повну енергію. Однак за його впливом на плеріони відомо, що вона на порядки перевершує світність нейтронної зірки. Якщо енергія вітру дорівнює або перевищує ⁴ 1032 ерг/с, то тривале збереження пульсарною планетою її атмосфери нереально. В іншому випадку газова оболонка пульсарної планети може бути досить довговічна (рис. 3). Але якщо вплив пульсарного вітру занадто мало, то температура газової оболонки планети може впасти нижче сумісної з існуванням рідкої води на поверхні. Одного рентгенівського випромінювання для її розігріву не вистачить.

Ріс. 3. Вгорі: час виживання атмосфер суперземель у нейтронних зірок без пульсарного вітру під дією одного рентгенівського випромінювання. Внизу: той же час з урахуванням пульсарного вітру потужністю 4 пр. ¹⁰32 ерг/с. По горизонталі — маси пульсарних планет, по вертикалі — відстань від них до зірки. Колірні шкали праворуч від графіків показують час втрати планетою атмосфери в мільярдах років (Gyr). Сірі точки відповідають (зліва направо) планетам PSR B1257 + 12 c, PSR B1257 + 12 d, PSR 1719-1438 b і PSR B1620-26 b. Якщо на цих суперземлях маса атмосфери близько 30% від загальної (що більше, ніж у «звичайних» суперземель, через вплив наднової), то навіть при потужному пульсарному вітрі вони збережуть її сотні мільйонів років (ліві графіки). У разі більш помірного пульсарного вітру — набагато довше. Малюнок з обговорюваної статті

Джерела енергії для підігріву атмосфери

Раз нейтронна зірка «гріє» свою планету рентгенівським і гамма-випромінюванням, виникає питання, а чи не загине життя на поверхні планети від таких променів. Автори спробували визначити, на якій висоті відбувається поглинання найбільш енергійних рентгенівських фотонів. У них вийшло, що навіть на Землі з її порівняно тонкою атмосферою подібні частинки були б поглинені в 50-70 кілометрах від поверхні. Як вже зазначалося, пульсарні планети вихідно повинні бути куди багатшими киснем та іншими газами, тому атмосфера з гідросферою на них можуть бути значно товщою нашою. У такому легкому поглинанні досить небезпечного випромінювання насправді немає нічого дивного, так як чим вище енергія фотона, тим швидше він поглинається.

Чи вистачить енергії від рентгенівського випромінювання і пульсарного вітру, щоб прогріти атмосферу суперземель зверху вниз? Автори не обговорюють цю проблему. Це пов’язано з тим, що у розглянутих ними планет повинна бути дуже товста атмосфера. І з розрахунків, і зі спостережень відомо, що при щільній газовій оболонці енергія, що надходить до неї зовні, в кінцевому рахунку ефективно передається зверху вниз. Наприклад, Титан і Венера в Сонячній системі мають атмосферу набагато щільніше земної, тому у них у всіх точках поверхні коливання температур слабше, ніж на Землі. І це незважаючи на те, що майже все вхідне випромінювання там поглинається високо в атмосфері, а не досягає поверхні планети, як на Землі в безхмарних районах.

Отже, життя на планетах нейтронних зірок можливе, і досить ймовірно, що дві з них вже відомі. Але це не означає, що мова може йти про звичний для нас рослинний і тваринний світ. Всі пульсарні планети, щоб бути населеними довгий час, повинні мати товсту атмосферу, що повністю поглинає випромінювання нейтронної зірки. Тобто на їх поверхні дуже темно, а тиск більше земного. Через високий тиск температура в приповерхневому шарі буде скрізь однаковою. Місцеве життя, як і перші земні організми, можуть бути хемоавтотрофами або використовувати фонове ВК-випромінювання від нагрітої випромінюванням пульсара атмосфери (див.:Стародавній фермент підтверджує гіпотезу про зародження життя в гарячих джерелах, «Елементи», 02.04.2010, і J. Thomas Beatty et al., 2005. An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent).

У своєму блозі Алессандро Патруно, один з авторів роботи, передбачає, що життя в таких умовах може розвиватися подібно до земного в Маріанській западині і схожих місцях. Згідно з його уявленнями, місцеві організми можуть бути схожі з ксенофіофорами, типовими для глибин морів. На думку вченого, не виключені і більш складні організми. Слід зазначити, що і на Землі багатоклітинні, можливо, виникли при величезному тиску (див.:У вулканічних породах віком 2,4 млрд років знайдено сліди найдавніших грибів, «Елементи», 11.05.2017), за кілометри під морським дном. Тож можливість виникнення складного життя на ще одній планеті тільки через підвищений тиск або відсутність світла виключати не варто.

Джерело: A. Patruno, M. Kama. Neutron Star Planets: Atmospheric processes and habitability//Стаття спрямована на публікацію в Astronomy & Astrophysics і доступна як препринт arXiv:1705.07688 [astro-ph.EP].

Олександр Березін