Astrofysiker vid University of Leiden (Nederländerna) Michel Kama och Alessandro Patruno bevisade att planeter som är lämpliga för livet kan existera runt neutronstjärnor. Så i närvaro av vissa förhållanden befinner sig superjordarna PSR B1257 + 12 d och PSR B1257 + 12 c, som fick namnen Fobetor och Poltergeist, i den bebodliga zonen i PSR B1257 + 12-stjärnan, kallad Lich. Studien om detta ämne publicerades av författarna i en av de specialiserade publikationerna.
För närvarande vet forskare om tre tusen neutronstjärnor, men bara två av dem har tillförlitliga planetsystem, och vissa kan ha sådana system. Det bör noteras att de första exoplaneterna upptäcktes exakt nära en neutronstjärna. Det hände 1991. Upptäckten gjordes av den polsk-amerikanska radioastronom A. Wolschan, som upptäckte två exoplaneter nära PSR B1257 + 12 - Fobetor och Poltergeist. Var och en av dem är ungefär fyra gånger tyngre än vår planet. Ett år senare bekräftades denna upptäckt av den kanadensiska astronomen Dale Frail.
Efter en tid upptäcktes en annan exoplanet, PSR B1257 + 12 b, där, som visade sig vara 50 gånger lättare än jorden. Den ligger mycket nära en neutronstjärna, så förhållandena på den är inte lämpliga ens för det mest extrema livet. Vad gäller Poltergeist är denna exoplanet 4,3 gånger tyngre än jorden, på dess yta når temperaturen 51-652 Kelvin. Planeten kretsar kring pulsaren på ett avstånd av 0,36 astronomiska enheter med en period av 66 dagar. Den andra exoplaneten, Phobetor, är längre från pulsaren och något tyngre än Poltergeist.
Stjärnan PSR B1257 + 12 själv ligger i stjärnbilden Virgo, på ett avstånd av 2,3 tusen ljusår från vår planet. Den är ungefär 1,4 gånger tyngre än solen, men cirka 125 biljoner gånger mindre än den (pulsars radie är bara 10 kilometer). Astronomer uppskattar åldern på PSR B1257 + 12 till cirka en miljard år, det vill säga pulsaren är fyra gånger yngre än solen. Stjärnan roterar med en period av 0,06 sekunder, högeffekt röntgenstrålar strålar ut från den in i det omgivande rymden. Man trodde tidigare att livet på dessa två exoplaneter var omöjligt, men Patruno och Kama kunde bevisa att detta inte var fallet.
Bildningen av neutronstjärnor inträffar som ett resultat av en supernovaexplosion, varefter det ofta finns tillräckligt med materie i bana för att bilda en protoplanetärisk skiva. Förutom PSR B1257 + 12 pulsar, upptäcktes också exoplaneter runt PSR J1719-1438. Den kolrika satelliten PSR J1719-1438 b kan mycket väl tidigare ha varit en vit dvärg. Forskare medger också att det finns ett asteroidbälte nära PSR J1937 + 21. Dessutom tolkar forskare vissa astronomiska fenomen, särskilt GRB 101225A gammastrålbrast, som en kollision av en neutronstjärna och en asteroid eller komet.
Forskare har traditionellt identifierat tre typer av planeter som kan vara nära neutronstjärnor. Den första typen inkluderar typiska planeter, som är en biprodukt från stjärnbildningen och som bildades redan före supernovaexplosionen och själva neutronstjärnans utseende. Den andra typen inkluderar planeter som är bildade av materien som lämnades efter en supernovaexplosion nära en neutronstjärna. Planeter av den tredje typen är planeter som bildades av frågan om en förstörd satellit av en neutronstjärna (till exempel PSR J1719-1438 b). Denna typ är typisk för satelliter av millisekundstjärnor, i synnerhet för PSR B1257 + 12 och PSR J1719-1438.
Forskare spekulerar i att planeter runt neutronstjärnor är undantaget snarare än regeln. Högenergigamma och röntgenstrålar, såväl som den så kallade pulsarvinden, kan förstöra alla objekt under en period från en miljon till en miljard år. Samtidigt har en relativt liten himmelkropp, som är tillräckligt långt ifrån stjärnan, en chans att upprätthålla en stabil bana under lång tid. Av detta skäl, trots det relativt lilla antalet pulsars med planeter, på grund av det stora antalet neutronstjärnor själva (ungefär en miljard) inom Vintergatan, når antalet planetsystem runt dem 10 miljoner.
Planetsystem nära pulsars behöver inte vara liknande de som finns i närheten av huvudsekvensstjärnor. Så, till exempel, definieras vanligtvis en planets brukbarhet av termer som jämviktsytemperaturen, den givna strålningsenergin som mottas från värdstjärnan. Denna energi beräknas vid en första approximation då svartkroppsstrålning når sitt maximum inom det optiska, infraröda eller ultravioletta området. I detta fall identifieras typiska bebörliga zoner på ett avstånd som sträcker sig från några få delar till astronomiska enheter.
Kampanjvideo:
Den bebodda zonen, som är mycket mindre i storlek än nära stjärnorna i huvudsekvensen, beräknas för vita dvärgar (solen kommer att förvandlas till ett sådant objekt på 8 miljarder år). När stjärnan på 3 miljarder år svalnar till en temperatur på cirka 10 tusen kelvin, kommer platsen för den bebodda zonen att ligga på ett avstånd av 0,005-0,02 astronomiska enheter. När det gäller neutronstjärnor motsvarar den ljusaste svartkroppsstrålningen röntgenstrålar när många joniserande partiklar med hög energi observeras. Samtidigt är ultraviolett, optisk och infraröd strålning praktiskt taget frånvarande.
Studiens författare använde speciell programvara som analyserar fotografier av PSR B1257 + 12-systemet, som erhölls 3 maj 2007 med hjälp av Chandra röntgenteleskop. Dessutom använde de observationsdata från 22 maj 2005 för att jämföra sina resultat med andra forskares resultat. Enligt preliminära uppskattningar når pulsars yttemperatur 1,1 miljoner kelvin, och nära den, på ett avstånd av en bråkdel av astronomiska enheter, kan en dammskiva existera.
För möjlig liv på Phobetor och Poltergeist, den största faran och samtidigt kan den främsta värmekällan vara röntgenstrålar, vilket kan provocera en betydande uppvärmning av planets atmosfär. Gamma och hårda röntgenstrålar penetrerar atmosfären mycket djupare än mjuka röntgenstrålar och ultraviolett strålning. I händelse av att gashöljet är brett kan farlig strålning dock inte nå planetens yta.
Enligt antagandena från Kama och Patruno bör planeterna som kretsar kring isolerade pulsarer utvecklas som himmelkroppar som kretsar kring huvudsekvensstjärnorna, som avger starka röntgenstrålar tidigt i sin utveckling. På vår planet blockeras röntgenstrålar snabbt av termosfären, i vilken gas joniseras när den interagerar med ultraviolett och röntgenstrålar. Detta lager har en relativt hög temperatur, vilket är hundratusentals Kelvin. Samtidigt är detta lager ineffektivt som värmekälla eftersom det är ovanligt.
Enligt den allmänt accepterade avhandlingen är den bebodda zonen området runt en stjärna där en jordliknande planet (det vill säga en planet som har en atmosfär av koldioxid, kväve och vatten) kan ha en tillräcklig mängd flytande vatten på ytan. Mycket ofta ett nödvändigt, men otillräckligt villkor för planeten, är att forskare tror att indikatorn för dess jämviktstemperatur inte faller under 270 kelvin. Kama och Patruno beräknade den bebodda zonen runt pulsaren PSR B1257 + 12 med hjälp av uppskattningar av strålningen som når Phobetor och Poltergeist, och antagit att jämviktstemperaturen för de två superjordarna är 175-275 Kelvin.
Detta är mycket möjligt eftersom atmosfären på stora planeter har en högre temperaturgradient än på jorden, vars atmosfär är ganska homogen. Baserat på detta drog forskarna slutsatsen att om röntgenstrålar är den största energikällan för planeterna, så är alla tre planeterna i PSR B1257 + 12-systemet olämpliga för livet, eftersom det är för kallt där. Men om vi tar hänsyn till gammastrålningen som inträffar på grund av pulsarvinden i planetens atmosfär, förskjuts gränserna för den bebodliga zonen med ett avstånd på 2-5 astronomiska enheter.
Mellan dessa två möjliga scenarier finns det ett utrymme av parametrar där Fobetor och Poltergeist faller in i den bebodliga zonen. Dessutom bevisade författarna till studien att den äldsta planeten som man känner till - PSR B1620-26 - även i det mest optimistiska fallet, inte kan vara beboelig. När det gäller pulsaren PSR J1719-1438 har forskare för närvarande för lite data om röntgenstrålning, så inga definitiva slutsatser kan dras. Enligt forskare är röntgenstrålningens ljusstyrka hos de flesta isolerade pulsars med utflödet av materia till en följeslagare till en neutronstjärna (den så kallade Bondi-Hoyle-ackretionen) mycket högre än PSR B1257 + 12, som är atypisk i denna mening.
Med andra ord, för planeter som Jorden har den bebodda zonen runt en neutronstjärna en relativt kort historia. Och för superländer med en tät atmosfär håller den bebodda zonen mycket längre. Forskare beräknade att om vår planet var 1-10 astronomiska enheter från PSR B1257 + 12, medan om dess atmosfär stod för ungefär en procent av massan på hela planeten, så skulle jorden förlora sitt gasskal i cirka 10 miljoner år. Under samma förhållanden skulle superjordar med tjocka atmosfärer ha förlorat sitt gashölje på ungefär en biljon år.
Som forskarna noterar är den största faran för atmosfären inte röntgenstrålar, utan pulsarvindar. De agerar vid en viss tidpunkt - det finns en slags dödslinje som avgör ögonblicket när neutronstjärnan slutar producera vind. I unga pulsars händer detta på ungefär en miljon år, och i millisekundstjärnor, miljarder år. Enligt forskare eliminerar detta emellertid källan till planetens energi, varför dess temperatur sjunker kraftigt, och alla möjligheter att bestämma den bebodda zonen utesluts. I detta fall kvarstår dock Bondi-Hoyle-ackretionen, vilket kan generera tillräckligt med röntgenstrålning och därmed värma upp planeten. Dessutom kan temperaturen bibehållas genom tidvattenuppvärmning.
I händelse av att rotationsaxeln för neutronstjärnan och magnetaxeln kraftigt avviker, kanske pulsarvinden inte når planetens yta alls. I ekvatorialplanet, där planeterna ofta finns, finns det ingen pulsarvind, det finns bara röntgenstrålning. Forskare för ett sådant fall beräknade att atmosfären hos Phobetor och Poltergeist under 850 miljoner år har förlorat cirka 0,0005 jordmassor, vilket är ungefär 0,0001 av sin egen massa. Detta är mycket litet, särskilt om atmosfären PSR B1257 + 12 d och PSR B1257 + 12 c står för, enligt det allmänt accepterade antagandet, cirka en procent av planetens massa.
Denna studie ger inte en möjlighet att dra otvetydiga slutsatser om att superjordar nära PSR B1257 + 12 ligger inom den bebodda zonen. Just nu är dess bestämning omöjlig för pulsars, inklusive neutronstjärnan PSR B1257 + 12. Samtidigt visade studien att om Phobetor och Poltergeist har en kraftfull och tät atmosfär, så kan dessa planeter teoretiskt vara lämpliga för livet.
