Planetos šalia neutronų žvaigždžių gali būti apgyvendintos. • Aleksandras Berezinas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Eksoplanetai, astrofizika.

Planetos netoli neutronų žvaigždžių gali būti apgyvendintos

Pav. 1. Ekspozicijų PSR B1257 + 12 d (Phobetor) kaimynai, kuriuos pateikė menininkas NASA. Nuotrauka iš fotojournal.jpl.nasa.gov

Alessandro Patruno ir Mihkel Kama iš Leideno universiteto (Nyderlandai) bandė išsiaiškinti, ar planetos aplink neutronų žvaigždes, ypač pulsarai, ilgą laiką gali būti gyvenamojoje zonoje. Galų gale neutronų žvaigždės beveik nematė matomos šviesos, tačiau jie savo planetų vandenį maitina stipria kietos spinduliuotės srovė. Mokslininkai priėjo prie išvados, kad tokios žvaigždės virš žvaigždžių vis tiek gali gauti pakankamai šilumos iš jų spinduliuotės ir pulsaro vėjo, kad palaikytų temperatūrą, suderinamą su skysčio vandens egzistavimu milijardus metų. Tuo pačiu metu rentgeno ir gama spinduliuotė nekels pavojaus potencialiam šių planetų gyvenimui. Tarp jau atradusių eksoplanetų astrofizikai nustatė du PSR B1257 + 12 c (Poltergeist) ir PSR B1257 + 12 d (Phobetor), teoriškai galintys palaikyti gyvenimą. Bet jei gyvenimas yra įmanomas, tai nėra toks pat kaip žemiškas gyvenimas.

Neutroninė žvaigždė yra kompaktiškas objektas, kurio skersmuo yra apie 20 kilometrų ir lieka po supernovos sprogimo. Ji kyla katastrofiškai sparčiai besiplečiančioje gravitacinių jėgų veikloje, todėl jos branduolys tampa superdansu.Todėl jis daugiausia susideda iš neutronų ir yra padengtas kilometrų sluoksniu geležies ir sunkesnių elementų atomų branduolių sluoksniu bei plona atmosfera. Pulsaras yra tokia neutronų žvaigždutė, kuri sukasi, turi stiprią magnetinį lauką ir tuo pačiu metu išmeta siaurai nukreiptus spinduliuotės srautus aplink magnetinius polius (rentgeno spindulių ar gama spinduliuotėse, žr. Minkštų kartojančių gama spindulių spindulių šaltinį).

Pav. 2 Pulsar magnetinis laukas "border = 0>

Pav. 2 Manoma, kad pulsaruose yra magnetinio dipolio ašis (jos jėgos linijos yra parodytos mėlyna) pakreiptas sukimosi ašies atžvilgiu (vertikalus raudonas tiesus), todėl jų spinduliavimas pasiekia stebėtoją periodiškų mirksinčių pavidalu. Geltona parodytos spinduliuotės spinduliai iš pulsaro magnetinių polių. Nuotrauka iš nrao.edu

Tyrėjai nustatė sau kiekvieną, kuris rimtai nerado tokio klausimo: ar planetoje egzistuoja gyvenimas aplink neutronų žvaigždes? Nors tokios planetos buvo žinomos ketvirtį amžių (žr. A. Wolszczan ir D. A. Fral, 1992 m. Planetinė sistema apie milisekundės pulsarą PSR1257 + 12), iki šiol niekas nesistengė atlikti tokių skaičiavimų. Priežastys yra paprastos: neutronų žvaigždė spinduliuoja beveik išimtinai rentgeno spindulių diapazone.Kietieji rentgeno spinduliai kenkia tam tikram gyvenimui ir be matomos ir infraraudonosios spinduliuotės (IR) komponento, žvaigždinės spinduliuotės tiesiog negali pakankamai giliai įsiskverbti į atmosferą, kad apšviesti ir pašildytų planetos paviršių šalia neutronų žvaigždės.

Nepaisant to, tokia mintis gavo astronomai iš Nyderlandų. Norėdami suprasti, ar gyvenimas yra galimas pulsaruose, autoriai nustatė du tikslus sau. Pirmasis paaiškinimas, pasitelkiant pastebėjimus, ar pulskaro sistemoje PSR B1257 + 12 yra nuolaužų diskas (žr. Šiukšlių diskelį), hipotezė, kad "Pavlova" grupė pateikė prieš dešimt metų (žr. GG Pavlov ir kt., 2007 m. Rentgeno spinduliuotės išmetimas iš Planet Pulsar B1257 + 12). Tai buvo tiksliai išsiaiškinti, kaip susikūrė trys planetai, pastebėti aplink šį pulsarą. Antrasis yra nustatyti, ar iš principo planetos tokio tipo neutronų žvaigždėms gali išlaikyti atmosferą, nepaisant galingo rentgeno srauto ir pulsaro vėjo (žr. Toliau).

Trys pulsarinių planetų formavimo scenarijai

Autoriai ieško disko naudodami Chandra rentgeno observatorijos duomenų masyvą. Mes stebėjome pulsaro sritį PSR B1257 + 12, naudodami išplėstinį CCD vaizdo spektrometro įrankį. Anksčiau išanalizuoti duomenys (2005 m. Gauti 21 fotonai) ir iki šiol neišanalizuoti (įvertintos 25 fotonai, kurių energija siekė 0,3 – 8,0 keV, gautas 2007 m.).Iš šių duomenų mokslininkai nustatė, kad bendra objekto radiacijos energija yra apie 3,1 × 1029 erg / s

Remdamiesi tuo, taip pat dėl ​​netolygaus fotonų pasiskirstymo energijos srityje, mokslininkai bandė įvertinti medžiagos kiekį tarp žemės stebėtojo ir šios spinduliuotės šaltinio, kuris iš dalies sugertų jo fotonus. Autoriai panaudojo duomenis apie 25 ir 21 fotonus (2005 ir 2007 m.), Įvedę juos į bbodyrad modelį, šiuo atveju aprašydami neutronų žvaigždės išmetimą. Pagal modelį fotonų energijos pasiskirstymas 0,3-8,0 keV diapazone turėtų būti vienodas, negu praktikoje. Tyrėjai teigia, kad tai yra konkrečių energijos fotonų absorbcija pagal dalykus. Remiantis jų interpretacija, už tai atsakingas klasteris. Beveik visi klausimai tarp neutronų žvaigždės ir stebėtojo yra sutelkti daugiausiai aplink šią žvaigždę, o poilsio dalis yra labai maža. Autoriai parodė, kad ši absorbcija, kuri masė yra panaši į įprastos pagrindinės eilės žvaigždės (apie tūkstantį iš jų šiandien žinoma), gali būti atsakingas už klastinį diską.

Tyrėjai mato tris teoriškai galimus pulsarinių planetų (planetų, sukasi aplink pulsarus) formavimosi scenarijus. Pagal pirmąjį iš jų, jie atsiranda dar prieš supernovos sprogimą, iškart po to, kai susidaro masyvi supernovos pirmtakų žvaigždė iš tos pačios dujų debesies debesies, kaip ji. Pagal šį scenarijų buvo suformuota Žemė ir kitos "įprastos" planetos, nesusijusios su pulsaru.

Tačiau susidaro neutronų žvaigždės po to supernovos sprogimai. Jei supernovos pirmtakų žvaigždė turi "normalių" planetų, jų sprogimai greičiausiai pažeidžiami sprogimo metu arba paprastai išmetami iš jų sistemos. Ir jei jie išliks, tada greičiausiai jie iš dalies išgaruos. Apskritai, pirmasis žinomų pulsarinių planetų susidarymo scenarijus yra mažai tikėtinas.

Labiau tikėtina, kad pulsaro planetų susidarymo medžiaga yra diskai iš sprogimo metu išpūstos supernovos (antrojo scenarijaus) išmetamos medžiagos arba griuvėsiai, susidarę, kai kompanionas, antroji sistemos žvaigždė, buvusi prieš supernovos protrūkį (trečiasis scenarijus), absorbuojamas neutronų žvaigždute. Pastebimai nėra taip lengva atskirti antrąjį scenarijų nuo pirmojo: abiem atvejais gali būti dulkių ir šiukšlių.Remiantis visuotinai pripažintais skaičiavimais, pusė žvaigždžių yra gimę suporuotose sistemose, taigi labiausiai tikėtina, kad yra trečiasis ugdymo kelias. Taip pat jo naudai PSR B1257 + yra 12 milisekundžių pulsaras, o pulsarai tampa milisekundėmis dėl sunaikintos dvynių žvaigždės absorbcijos.

Ką planetai reikia gyventi?

Didžiausia grėsmė gyventojams yra skysčio vandens ir dujų paketo praradimas. Pulsaras spinduliuoja rentgeno spindulių diapazone, ty jis yra labiau agresyvus, nei įprasta žvaigždė, kad ji "išstumtų" nuo savo planetų. Vandenilis iš atmosferos pernelyg greitai patenka į erdvę, o tai reiškia, kad svarbiausias dalykas yra tai, kiek planetoje bus daugiau sunkiųjų dujų (dėl mechanizmų, pavyzdžiui, Žemės, žr. Kotlingas, Kevinas J. Zahnle. Planetos oro nutekėjimas).

Čia pulsarinėse planetose viskas nėra blogai. Antroje ir trečioje (tai yra labiausiai tikėtini) jų formavimo scenarijai, jie yra formuojami iš medžiagos, iš esmės praturtintos sunkiaisiais elementais (astronomija vadina visus elementus, sunkesnes už helio). Supernovoje yra sukaupta dauguma sunkiųjų elementų visatoje, įskaitant tuos, kurie sudaro mūsų kūną.Jie netiesiogiai atvyksta į įprastas planetą – nuo tolių supernovų sprogimų, kurie vieną kartą praturtina dujų ir dulkių debesį, iš kurio atsirado šios planetos. Tačiau diskuose, iš kurių atsiranda pulsarinės planetos, sunkūs elementai ateis tiesiai "iš originalaus šaltinio". Trečios scenarijaus binarinėje sistemoje esanti kompanioninė žvaigždė gaus daug tokių elementų iš supernovos medžiagos, išsiskiriančios sprogimo metu. Po komunijos sunaikinimo jie bus paleisti ir bus naudojami planetų formavimui. Taigi bus pakankamai daug deguonies ir vandens. Panaši situacija įvyks antrojo scenarijaus atveju, nors dėl to, kad nėra jo draugo žvaigždės, kuri "sugautų" dalį ant viršaus esančios viršnios medžiagos, pulsaro planetos bus šiek tiek mažesnės.

PSR B1257 + 12 atveju jo dviejų planetų atmosfera ir hidrosfera gali būti ypač stori. Galų gale PSR B1257 + 12 c (Poltergeist) ir PSR B1257 + 12 d (Fobetor) yra superžeminės, jos yra 3,9-4,3 karto masyvesnės už musu. Kai auga planetos masė, jos atmosfera auga eksponentiškai. Kūnuose kelis kartus sunkesnės už Žemę, dujų paketas turi būti šimtai tūkstančių ar net milijonus kartų daugiau masyvių nei žemė.Didžiulė pulsarinės planetos atmosferos masė ir jos storis yra labai svarbūs vertinant jų galimą gyvenamąją vietą.

Kaip minėta pirmiau, pulsarai rentgeno spindulių srityje gali būti gana ryškūs, tačiau jie beveik neišskiria optinėse. Pavyzdžiui, PSR B1257 + 12 turi šviesumą (visa elektromagnetinių bangų išsiskleidžianti energija visose juostose) yra 7,2 karto didesnė nei Saulės, bet ne daugiau kaip 0,003% jo gaunama iš matomos šviesos ir beveik infraraudonosios spinduliuotės. Didžioji dalis energijos, kurią pulsarinė planeta gauna iš savo žvaigždės, yra rentgeno spinduliai ir pulsaro vėjas (pulsaro vėjui žr. JG Kirk, Y. Lyubarsky ir J. Petri, 2009. Teorija apie pulsaro vėjas ir nebulą) .

Pulsarinis vėjas susideda iš įkraunamų dalelių, kurias pagreitina galingas magnetinis laukas iš sukimosi neutronų žvaigždės į reliatyvizmo greitį (žr.: Reliacinis greitis). Kai jie patenka į planetos atmosferą, jie susiduria su dalelėmis, taip pat jonizuojasi. Kartu atsiranda gama spindulių fotonai, skleisti visomis kryptimis ir palaipsniui perduoti savo energiją į kaimynines daleles. (Žemėje aptinkami nuotoliniu būdu panašūs procesai plačių oro dujomis, žrErdvus lietus). Rentgeno fotonai taip pat atlieka panašų vaidmenį. Įplaukę į viršutinę pulsarinės planetos atmosferą, jie turi jonizuoti savo atomus. Viena vertus, abu procesai šildo planetos pulsaro atmosferą, o tai padidina jo apgyvendinamumo tikimybę. Kita vertus, dalelių jonizacija atmosferoje reiškia, kad daugelis iš jų įgis antrąjį kosminį greitį ir paliks tokį kūną amžinai.

Kada oras ir vanduo pasibaigs?

Kuo daugiau vandens ir dujų iš pradžių planetoje yra, tuo didesnės jos galimybės pasilikti tam tikroje atmosferoje po ilgo buvimo neutronų žvaigždute. Tyrėjai sukūrė pulsaro radiacijos sąveikos modelį su superzemelių atmosfera. Jie laikė labiausiai pesimistinį scenarijų, kuriame planetos paprastai neturi magnetinio lauko. Pasirodo, kad objektas, kurio masė ir atmosfera yra Žemės be magnetinio lauko, skriejančio neutroninę žvaigždę, viskas baigsis gana greitai. Dujų paketas bus prarastas po 1-10 milijonų metų, priklausomai nuo atstumo nuo pulsaro ir pradinės atmosferos dalies masės planetoje. Žinoma, magnetinio lauko procesas sulėtės, bet kaip tiksliai, jį vis dar sunku įvertinti.

Tuo pačiu metu, dar didesnės masyvios superžemės su stipriomis atmosferomis, didžioji dalis jų dujų korpusų išliks net tris milijonus metų. Tačiau pastarasis skaičius neturi praktinės reikšmės, nes per tą laiką spinduliuotės srautas ir pulsarinis vėjas nuo neutroninės žvaigždės nukris tiek, kad šalia jo užplūsta planetos taps per šalta. Nepaisant to, iš šių skaičiavimų paaiškėja, kad pulsarinės planetos gali būti gyvenamojoje zonoje milijardus metų. Ir Poltergeistui su Phobetor tai gali būti.

Savo vertinimu autoriai manė, kad pulsaro vėjo PSR B1257 + 12 energija yra 4 × 1032 erg / s, nors jos tiksli vertė dar nėra žinoma. Iš pulsarinio vėjo stebėjimų – kituose pulsaruose, kuriuose yra tokio vėjo susidarantys plerijonai, sunku apskaičiuoti visą jo energiją. Tačiau, atsižvelgiant į jo poveikį plerijonams, žinoma, kad jis viršija neutronų žvaigždės šviesumą pagal dydžio eilutes. Jei vėjo energija yra lygi arba viršija 4 × 1032 erg / s, tada ilgalaikis jos atmosferos išsaugojimas planetos pulsaru yra nerealus. Priešingu atveju, pulsarinės planetos dujos gali būti labai patvarios (3 pav.). Bet jei pulsarinio vėjo poveikis yra per mažastada planetos dujų korpuso temperatūra gali nukristi žemiau, kad būtų suderinta su skysčio vandens buvimu ant paviršiaus. Vien tik rentgeno spinduliuotės nepakanka šildyti.

Pav. 3 Aukščiau: neutronų žvaigždžių be pulsaro vėjo, esant vienkartinei rentgeno spinduliuotei, superžeminės atmosferos išlikimo laikas. Žemyn žemyn: tuo pačiu metu su 4 × 10 pulsaro vėju32 erg / s Horizontaliai – pulsarinių planetų masės, vertikaliai – atstumas nuo jų iki žvaigždės. Spalvos skalės iš dešimties diagramų rodo laiką, kai planeta prarado atmosferą milijardais metų (Gyr). Pilki taškai atitinka (iš kairės į dešinę) planetos PSR B1257 + 12 c, PSR B1257 + 12 d, PSR 1719-1438 b ir PSR B1620-26 b. Jei ant šių superžemių atmosferos masė yra apie 30% visos (tai yra daugiau nei "normalioji" superžemė dėl supernovos įtakos), tada net ir su galingu pulsaro vėju jie sutaupys jį šimtus milijonų metų (kairieji diagramos) Tuo atveju, kai vidutinio sunkumo pulsarinis vėjas – daug ilgiau. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio

Energijos šaltiniai atmosferos šildymui

Kadangi neutronų žvaigždė "sušildo" savo planetą rentgeno ir gama spinduliais, kyla klausimas, ar įmanoma, kad gyvenimas planetos paviršiuje mirs nuo tokių spindulių.Autoriai bandė nustatyti, kokiu aukščiu atsiranda energingiausių rentgeno fotonų absorbcija. Pasirodo, kad net ir Žemėje, kurioje santykinai plona atmosfera, tokios dalelės būtų absorbuotos 50-70 kilometrų atstumu nuo paviršiaus. Kaip jau minėta, pulsarinės planetos iš pradžių turėtų būti daug turtingesnės deguonies ir kitose dujose, taigi atmosfera su jomis gali būti daug storesni nei mūsų. Tokioje šviesoje absorbuojama gana pavojinga spinduliuotė, iš tikrųjų nėra nieko keisto, nes kuo aukštesnė fotonų energija, tuo greičiau ji sugeria.

Ar yra pakankamai energijos iš rentgeno spindulių ir pulsaro vėjo, kad šiltų virš žemės superpus žeme atmosfera nuo viršaus iki apačios? Autoriai neaptarė šio klausimo. Taip yra dėl to, kad nagrinėjamos planetos turi būti labai storos atmosferos. Ir iš skaičiavimų, ir iš stebėjimų žinoma, kad su tankiu dujiniu voku energijos, kuri į ją įvesta iš išorės, galiausiai yra veiksmingai perduodama iš viršaus į apačią. Pavyzdžiui, Saulės sistemoje "Titanas" ir "Venus" turi daugybę tankesnes atmosferą nei Žemės, todėl jų temperatūros svyravimai visuose taškuose ant paviršiaus yra silpnesni nei Žemėje.Ir tai yra nepaisant to, kad beveik visa gaunama spinduliuotė yra absorbuojama aukštai atmosferoje ir nepasiekia planetos paviršiaus, kaip ir Žemėje be debesuotuose regionuose.

Taigi, gyvenimas neutronų žvaigždžių planetose yra įmanomas, ir labai tikėtina, kad du iš jų jau žinomi. Bet tai nereiškia, kad galime kalbėti apie mums žinomą augalų ir gyvūnų pasaulį. Norint ilgai gyventi, visos planetos pulsarai turi turėti storą atmosferą, kuri visiškai absorbuoja neutronų žvaigždės spinduliavimą. Tai yra, jų paviršius yra labai tamsus, o slėgis yra didesnis nei žemė. Dėl aukšto slėgio, šalutinio paviršiaus sluoksnio temperatūra visur bus vienoda. Vietinis gyvenimas, kaip ir pirmieji sausumos organizmai, gali būti chemoautotrofas arba naudoti foninę IR spinduliuotę iš atmosferos, kurią sukelia pulsarinė spinduliuotė (žr.: Senovės fermentas patvirtina hipotezę apie karštųjų šaltinių gyvenimo kilmę, "Elements", 2010 04 02, ir J. Thomas Beatty ir kt., 2005 m. Privalomas fotosintezinis bakterijų anaerobas iš giliavandenių hidroterminių angas).

Savo dienoraštyje vienas iš darbo autorių Alessandro Patruno teigia, kad gyvenimas tokiomis sąlygomis gali vystytis kaip Marianos Tranšėjų ir panašių vietų žemė. Remiantis jo idėjomis, vietiniai organizmai gali būti panašūs į jenos gelmėms būdingus ksenoforus.Pasak mokslininko, neatmetama sudėtingesnių organizmų. Reikėtų pažymėti, kad daugiaženkliai ant Žemės galėjo kilti didžiulis spaudimas (žr.: 2,4 milijardo metų amžiaus vulkaninėse uolose buvo rastos seniausių grybų pėdsakai, Elements, 2012 11 05), kilometrai po jūros dugnu. Todėl negalima atmesti galimybės, kad sudėtingas gyvenimas atsiras kitoje planetoje tik dėl didelio spaudimo ar šviesos stokos.

Šaltinis: A. Patruno, M. Kama. Neutronų žvaigždžių planetos: atmosferos procesai ir gyvenamumas // Straipsnis skirtas publikuoti Astronomija ir astrofizika ir prieinama kaip preprint arXiv: 1705.07688 [astro-ph.EP].

Aleksandras Berezinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: