Большинство из тысяч экзопланет, открытых к настоящему времени, были обнаружены при помощи транзитного метода. Далёкая планета, проходя по диску своей звезды, немного затмевает её. Такое изменение яркости — минимальное, но строго периодическое, поэтому хорошо поддаётся измерению. Более того, этот метод работает, прежде всего, при использовании космических телескопов, среди которых наиболее значительный объём данных удалось собрать двум аппаратам — Kepler и TESS, причём Kepler работал с 2009 по 2018 год, а TESS продолжает работу с 2018 года до наших дней. Однако сравнительно малоизвестно, что истоки транзитного метода уходят в начало 1990-х, когда он был впервые опробован при наблюдении за пульсарами. Напомню, что пульсар – это нейтронная звезда (остаток от коллапса более крупной звезды), испускающая периодические радиоимпульсы. Первые пульсары были открыты в 1967 году и настолько удивили астрономическое сообщество, что их импульсы даже приняли за сигналы инопланетян. Тем не менее, откуда вообще у пульсаров могут появиться планеты, и какие условия могут на этих планетах складываться? Под катом поищем ответы на эти вопросы.

В 1991 году первые экзопланеты были открыты именно у пульсара, а именно у PSR B1257+12, расположенного в созвездии Девы на расстоянии около 2,3 тысяч световых лет от Земли. Две экзопланеты обнаружил польский астроном Александр Вольщан (род. 1946), проанализировавший данные, собранные телескопом Аресибо в 1990 году. Вольщан заключил, что эти объекты сопоставимы по размеру с Землёй и находятся на круговых орбитах очень близко к своему «светилу». Он назвал их Драугр и Полтергейст.  Это открытие было совершенно неожиданным. Согласно современным представлениям о звёздной эволюции, скалистые планеты не могут пережить даже расширение родительской звезды до стадии красного гиганта, не говоря уже о взрыве сверхновой. На первый взгляд открытие Вольщана даже показалось ошибочным, но уже в 1991 году М. Бэйлс, Э. Лайн и С. Л. Шемар из Наффилдской радиоастрономической обсерватории при университете Манчестера сообщили об открытии планеты в системе пульсара PSR 1829−10, расположенного в созвездии Щита примерно в 30 000 световых лет от Земли. В тот момент термин «транзитный метод» ещё не закрепился, поэтому они указали, что планета выявляется по доплеровскому эффекту, возникающему при сравнении импульсов, поступающих от вращающейся нейтронной звезды. Они предположили, что планета должна быть примерно вдесятеро тяжелее Земли, совершать полный оборот вокруг пульсара за шесть месяцев и при этом иметь круговую орбиту.   

Не вполне понятно, из какого материала могут образовываться пульсарные планеты — иными словами, как вокруг пульсара формируется протопланетный диск и формируется ли вообще.

Тем не менее, в середине 2000-х существование планет в системе PSR B1257+12 было подтверждено (сам пульсар к тому времени получил и собственное имя — Лич). Кроме Драугра и Полтергейста, открытых Вольщаном, в этой системе есть и третья планета, названная «Фобетор». Здесь приводятся примерные параметры самого пульсара и трёх его планет:

Лич

Масса: 1,4 солнечных

Радиус: 10 км

Температура на поверхности: 28,9 тыс. К

Скорость вращения: 9 650 об/мин

Характеристика планет

Несмотря на то, что планеты у пульсаров обнаруживать сравнительно легко, к настоящему времени установлено, что такие планеты очень редки и образуются, вероятно, в исключительных случаях. В 2022 году группа учёных под руководством Митчелла Микалигера и с участием вышеупомянутого Эндрю Лайна из астрофизического центра Джодрелл-Бэнк в Манчестере проанализировала корпус примерно из 800 пульсаров, чтобы проверить, как часто у нейтронных звёзд встречаются планеты. Они обнаружили всего 10 таких систем-кандидатов, и наиболее интересным сочли пульсар PSR J2007+3120, у которого есть минимум две планеты. Каждая из них в несколько раз больше Земли, и их орбитальные периоды близки к земным — 1,9 и 3,6 года. Орбиты пульсарных планет должны иметь сильный эксцентриситет, тогда как планеты в Солнечной системе обращаются по почти круговым орбитам. Очевидно, механизм формирования планет у пульсара значительно отличается от аналогичного механизма у звёзд-карликов, таких, как Солнце. Поэтому давайте сначала уточним, что представляет собой пульсар.

О пульсарах и их планетах

Пульсар – это нейтронная звезда, обладающая сильнейшим магнитным полем и стремительно обращающаяся вокруг своей оси. Период такого вращения пульсара обычно составляет от 0,5 до 1 секунды, но в 1982 году Чарльз Беккер открыл первый миллисекундный пульсар PSR B1937+21, совершающий 642 оборота в секунду. Как и любой магнит, пульсар имеет два полюса, с каждого из которых он испускает электромагнитные импульсы. Если полюс пульсара направлен к наблюдателю (в нашем случае — к Земле), то пульсар напоминает радиомаяк. Именно из-за этого поразительного сходства пульсары сразу приняли за источники инопланетных сигналов, а я в одной из следующих публикаций на Хабре попробую рассказать, как в настоящее время пытаются отличать пульсары от искусственных маячков. Уже известно, что пульсары излучают не только в радиодиапазоне, но и в видимом, и в рентгеновском, и даже в гамма-спектре. Таким образом, в пределах своей системы пульсар выглядит как тусклый источник света:

Благодаря идеальной периодичности, типичный пульсар работает точнее, чем атомные часы, поэтому искать возле него планеты не составляет труда.

Пульсары, как и все нейтронные звёзды — это компактные сверхплотные объекты, образующиеся в результате взрыва крупных звёзд, имевших при жизни массу от 10 до 25 солнечных.  Нейтронная звезда является остатком от взрыва и коллапса сверхновой и состоит из вырожденной материи. Верхний слой такой звезды (толщиной до нескольких сотен метров) сложен коркой из нейтронов, а глубже, вероятно, находятся нейтроны, протоны и мюоны в сверхтекучем состоянии. Следующая схема взята из знаменитой книги Сергея Попова «Суперобъекты. Звёзды размером с город» (если вам интересно подробнее почитать о внутренней организации нейтронных звёзд — глава об этом выложена здесь).

Происхождение пульсаров как остатков сверхновых не вызывает сомнений, поскольку типичный пульсар остался после взрыва сверхновой 1054 года, на месте которой сейчас находится Крабовидная туманность. Поэтому можно предположить, что вокруг пульсара может образовываться вторичный аккреционный диск, формирующийся из газопылевого содержимого такой туманности примерно по той же модели, что и протопланетный диск.

Как известно, при поиске экзопланет у обычных звёзд транзитный метод работает тем лучше, чем сильнее планета затмевает звезду. Поэтому его использование даёт неравномерную выборку: первоначально транзитный метод позволял обнаруживать преимущественно «горячие юпитеры» — газовые гиганты, расположенные поблизости от своей звезды.

В случае с пульсарным методом ситуация принципиально иная, так как разрешающая способность радиотелескопа выше, чем у оптического, периодичность сигнала у пульсара хорошо известна, а сами планеты находятся достаточно близко к пульсару, чтобы перекрывать этот импульс. Как указано выше, масса Драугра составляет всего 0,02 от земной, тогда как транзитный метод позволил обнаружить лишь считанные планеты, которые могут быть сопоставимы по массе с Землёй или немного ей уступать. Планеты такого типа называются «субземлями», одна из первых субземель находится в системе красного карлика Kepler-42 в созвездии Лебедя на расстоянии около 131 светового года от Земли.   

Сценарии образования пульсарных планет

Итак, в природе существует механизм, приводящий к редкому, но регулярному образованию планет в системах нейтронных звёзд. При этом нет однозначного понимания, может ли планета возникнуть в результате взрыва сверхновой. Известно, что многие сверхновые возникают в системах двойных звёзд. В такой системе взрыв сверхновой может произойти либо из-за слияния двух звёзд, образующих пару, либо из-за избыточного накопления звёздного вещества на белом карлике, перетягивающем плазму с расположенного рядом гиганта (во втором случае речь идёт о сверхновых типа Ia, описанных здесь.

Таким образом, при реализации первого сценария планеты, которые находились на дальних орбитах у звезды-гиганта, могут уцелеть после взрыва, а затем перестроиться, заняв более близкие орбиты у остатка сверхновой (то есть, у пульсара). В таком случае орбиты у планет будут отличаться высоким эксцентриситетом. Сценарий кажется маловероятным, но по данным манчестерской группы у пульсаров (например, PSR J1947+1957) действительно встречаются признаки планет на орбитах с высоким эксцентриситетом.

Второй сценарий, наиболее вероятный, уже был описан выше: часть туманности, остающейся от взрыва сверхновой, оказывается в зоне притяжения нейтронной звезды и превращается во вторичный аккреционный диск, в котором, как в протопланетном облаке, могут образоваться планеты. Они должны быть небольшими и обращаться вокруг пульсара по почти круговым орбитам, что и наблюдается в системе Лича.

В третьем сценарии одиночная планета в системе нейтронной звезды сама является остатком нейтронной звезды, которая частично испарилась в результате столкновения. Оставшееся от неё ядро превращается в планету. Во втором и третьем сценарии планеты получаются очень массивными, поскольку как в облаке от взрыва сверхновой типа Ia, так и в остатках от выгорания нейтронной звезды должна быть повышена концентрация тяжёлых металлов и почти не должно быть сравнительно лёгких кремния и кислорода, на которые приходится примерно половина массы земной коры. Таким образом, пульсарные планеты должны быть в большинстве своём очень плотными, тяжёлыми и настолько мелкими, что многие из них необнаружимы при помощи современных телескопов. Вероятно, нижний предел размера пульсарной планеты составляет около 1/100 от массы Луны.

Именно по третьему сценарию, вероятно, образовалась планета b (вторая) в системе пульсара PSR J1719−1438, расположенного на расстоянии около 4 000 световых лет от Земли. Она совершает оборот вокруг пульсара чуть более чем за два часа. Плотность этой планеты настолько высока, что, по некоторым версиям, этот объект в основном состоит из алмаза. Вероятно, этот объект является остатком от белого карлика, оказавшегося в двойной системе с пульсаром. Пульсар успел перетянуть на себя большую часть массы этого ядра, но и сейчас оно должно быть примерно вдвое меньше Юпитера, а орбита этой планеты должна пролегать в 600 000 километрах от звезды, примерно в полтора раза дальше, чем Луна отстоит от Земли. Согласно любым допущениям, подобный мир должен быть совершенно безжизненным.

Условия для жизнепригодности планет в системе пульсара

Вернёмся к Драугру и Полтергейсту в системе Лича. Эти планеты, будучи в 3-4 раза тяжелее Земли, отлично вписываются в категорию суперземель или мининептунов, при условии, что по составу они не слишком отличаются от известных ныне скалистых планет. Ранее в статье «Суперземля как иллюзия» я упоминал о том, что граница между суперземлёй и мининептуном весьма условна, и мы вряд ли научимся отличать планеты двух этих классов друг от друга, пока не станем изучать их напрямую, а не по данным транзитного метода. Тем не менее, суперземля должна обладать мощной атмосферой, которая могла бы гасить поток жёсткого излучения и электромагнитные всплески. Исходя из этого допущения, в 2017 году Алессандро Патруно и Михкель Кама, коллеги по Лейденскому университету, решили смоделировать, может ли у пульсара быть «зона обитаемости», и может ли такая звезда иметь жизнепригодные планеты. Они сосредоточились именно на изучении планет Лича (PSR B1257+12) и сочли, что в случае, если планета расположена на расстоянии примерно 1 а.е. от пульсара, то на её поверхности может существовать жидкая вода.

Излучение пульсара принципиально не отличается от излучения ярких звёзд главной последовательности, просто энергия приходится на невидимую часть электромагнитного спектра. Поэтому и «зона обитаемости» пульсара связана с удалённостью планеты от светила. Если планета находится слишком близко, то на ней будет течь свинец, если слишком далеко — то она замёрзнет. Но в настоящее время невозможно уверенно оценивать полную светимость пульсаров, так как для этого нет подходящих инструментов.   

Суровые условия на поверхности пульсарных планет должны складываться не только из-за такой температурной неопределённости, но и из-за сильнейшего солнечного ветра, который должен продувать планетную систему. Как известно на примере Марса, под действием солнечного ветра атмосфера быстро истончается, при условии, что сама планета лишена собственного магнитного поля. В случае с пульсаром мощным магнитным полем обладает сама звезда, поэтому атмосфера, сопоставимая по толщине с земной (примерно 1% массы планеты), продержалась бы в течение считанных миллионов лет.

С другой стороны, если бы атмосфера была более похожа на суперземную или мининептуновую, и на неё приходилось бы до 30% массы планеты, то она могла бы существовать и в течение миллиардов лет, чего теоретически достаточно для развития автохтонной жизни. В любом случае, она была бы крайне непохожа на земную, так как развивалась бы в практически полной темноте (слабый свет пульсара не проникал бы сквозь толстую атмосферу). На поверхности такой планеты или в толще её атмосферы вполне возможен хемотрофный метаболизм или радиотрофный аналог фотосинтеза. Хемотрофные бактерии на Земле широко распространены (в особенности в экосистемах глубоководных горячих источников), а радиотрофные грибы довольно экзотичны, но всё-таки комфортно себя чувствуют в зоне сильного радиоактивного загрязнения в районе Чернобыльской АЭС.

Поскольку пульсарные планеты должны быть сложены тяжёлыми элементами, а их атмосферы (если таковые существуют) должны быть сильно ионизированы, предполагается, что электромагнитные поля таких планет будут активно взаимодействовать с электромагнитным полем самого пульсара. Таким образом, в верхних слоях атмосферы пульсарной планеты должно быть достаточно светло не столько от видимого излучения пульсара, сколько от мощных электрических дуг и атмосферных сияний, напоминающих земные полярные сияния, но охватывающих всю атмосферу целиком. Кроме того, в такой атмосфере складываются условия для существования долговременных грозовых вихрей.  

Таким образом, пульсар едва ли успевает обзавестись собственными планетами, которые были бы устроены сложнее обычных астероидов или хотя бы не уступали по массе и сложности Луне. Но немногочисленные примеры уже известных пульсарных планетных систем позволяют предположить, что такая звезда изредка захватывает планеты, существовавшие в системе звезды-компаньона, после чего эти миры получают опустошительные (по земным меркам), но стабильные потоки электромагнитной энергии. Пока остаётся лишь строить предположения о геофизике пульсарных планет, но в будущем они определённо будут представлять огромную научную ценность как естественные полигоны для проверки экстремальных гипотез. Пока ждём реалистичных моделей или симуляций той удивительной физики, которая может твориться в окрестностях пульсара.