Экзопланеты могут существовать в самых экстремальных условиях: очень близко к своей родительской звезде или очень далеко от неё, в двойных системах или же вообще находиться в «свободном полёте» без привязки к светилу. А как насчёт нейтронных звёзд? Могут ли экзопланеты находиться рядом с этими уже «мёртвыми» звёздами, образовавшимися в результате взрывов сверхновых? Оказалось, что могут: обнаружено уже шесть таких систем. Но только в одной из них есть планетарные компаньоны, массы которых сравнимы с массой Земли — у пульсара PSR B1257+12. В новом исследовании астрономы проанализировали ещё около 800 пульсаров в попытке найти у них экзопланеты.
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, обладающие сильным магнитным полем. Они испускают мощное излучение вдоль магнитных полюсов. Когда один из пучков излучения пересекает поле нашего зрения, кажется, что нейтронная звезда вспыхивает и гаснет через определённый и очень точный промежуток времени. По периодичности вспышек можно сделать вывод о скорости вращения объекта. Обычные пульсары вращаются со скоростью от 0,1 до 60 раз в секунду, в то время как миллисекундные пульсары — аж до 700 раз в секунду!
Астрономы используют точность интервалов этих вспышек для поиска экзопланет. Даже небольшое отклонение от «графика» указывает на то, что сам пульсар движется по своей маленькой орбите, а значит на него влияют другие небесные тела. В этом заключается метод синхронизации пульсаров при поиске экзопланет. Он ценен тем, что позволяет обнаруживать невероятно маленькие экзопланеты. Для сравнения: самая маленькая экзопланета, найденная транзитным методом, составляет 0,8 размера Земли, в то время как наименьший из трёх планетарных компаньонов пульсара PSR B1257+12 обладает массой всего в 0,02 земной.
Кстати, PSR B1257+12 (или Лич) — это первая планетная система, обнаруженная за пределами Солнечной системы. Произошло это в далёком 1990 году, а открытие было сделано при помощи знаменитого радиотелескопа Аресибо. Пульсар обладает тремя экзопланетами — Драугром, Полтергейстом и Фобетором, которые, скорее всего, сформировались уже после взрыва сверхновой.
Экзопланеты у пульсаров — редкая находка. Это связано с экстремальной и «взрывной» эволюцией этих объектов. Изначально существует гигантская звезда с массой, превышающей 8 масс Солнца. В конце своего жизненного пути она взрывается как сверхновая, порождая за счёт гравитационного коллапса ядра компактный объект — нейтронную звезду или чёрную дыру. Экзопланеты вряд ли выживут в таких условиях. Однако астрономы предположили несколько сценариев, при которых такое всё же возможно.
Первый вариант состоит в том, что экзопланеты, сформированные вокруг обычного светила, могут быть захвачены пролетающей нейтронной звездой. Согласно другой гипотезе, планетарный спутник — результат эволюции двойной системы пульсаров. Один из них разрушает своего компаньона, оставляя от него одно ядро («алмазную планету») или обломки, из которых затем образуется экзопланета.
Самая распространённая модель — формирование экзопланет из вещества вокруг пульсара. В этом случае часть внешней оболочки, выброшенной в результате взрыва сверхновой, не может преодолеть гравитационное воздействие нейтронной звезды и образует околозвёздный диск. Впоследствии в нём могут сформироваться экзопланеты — если не быть слишком близко к звезде и избежать аккреции на неё.
На самом деле вариантов возникновения (или выживания) экзопланет у пульсаров намного больше. Чтобы наложить ограничения на существующие модели, необходимо найти и изучить как можно больше таких систем. Для этого астрономы проанализировали широкую выборку из 800 пульсаров, что составляет почти треть из всех нам известных. В работе учёные использовали архивные данные, полученные радиообсерваторией Джодрелл-Бэнк, которая ведёт наблюдения за пульсарами на протяжении 50 лет.
Сначала астрономы построили модель «пульсар/экзопланета» и наложили на неё ограничения: для периодов обращения экзопланет вокруг пульсаров — от 20 дней до 17 лет, для масс экзопланет — от 0,0001 до 100 масс Земли. Затем они сравнили результаты моделирования с фактическими данными.
Выяснилось, что у большинства пульсаров маловероятно присутствие экзопланет с массами от двух до восьми масс Земли: лишь в 0,5% случаев пульсары могут обладать планетарными компаньонами с массами около четырёх земных. Существование экзопланет с массами свыше десяти масс Земли астрономы и вовсе исключают.
Не всё так просто и с нижними пределами масс экзопланет. Несмотря на то, что минимальное значение в модели принято равным 0,0001 массы Земли, на практике обнаружить экзопланеты массой меньше 0,1 земной крайне проблематично: в 95% случаев такие экзопланеты, даже если они и могут существовать, будут скрыты в шуме или инструментальных артефактах. А иногда такой шум, наоборот, может имитировать присутствие экзопланеты, что ещё более усложняет поиск.
У 15 пульсаров выявили ложные сигналы существования экзопланет. Эти аномалии могли быть вызваны воздействием магнитосферы пульсаров, что привело к нерегулярной периодичности вспышек.
В результате только один из 800 пульсаров вероятнее всего может оказаться хозяином экзопланет — PSR J2007+3120. Характер движения этого пульсара указывает на существование двух экзопланет: у одной из них орбитальный период составляет 723 дня, у другой — 1297. Кроме того, вероятно, они находятся в орбитальном резонансе 2:1, то есть, пока первая экзопланета делает два оборота вокруг пульсара, вторая сделает только один. Такое отношение периодов обращения распространено во внесолнечных планетных системах. Чтобы подтвердить или опровергнуть наличие экзопланет у PSR J2007+3120, нужны дополнительные наблюдения.
Как и следовало ожидать, существование у пульсаров экзопланет (а особенно земной группы) — редкость, но, возможно, у них распространены популяции совсем небольших планетарных компаньонов. Однако обнаружить их с помощью современных технологий пока крайне трудно.
Автор: Алина Нестерова
Источники: phys.org, arxiv.org
