Планеты вокруг нейтронных звезд

За пару лет до этого была обнаружена очень необычная планетная система. Ее открыли Александр Вольщан и Дейл Фрейл в 1992 году. Они обнаружили в конечном счете три планеты вокруг радиопульсара, то есть вокруг нейтронной звезды. Это удалось сделать благодаря тому, что радиоастрономы могут с высочайшей точностью измерять период пульсации пульсара — период вращения нейтронной звезды. Если нейтронная звезда имеет даже легкий спутник, то есть двигается вокруг общего центра масс системы, то будут происходить периодические изменения этого периода. Это можно заметить, и поэтому можно обнаружить очень легкие спутники у нейтронных звезд, являющихся радиопульсарами.

В 1992 году подобные объекты были обнаружены впервые, они были достаточно легкие. В системе три тела, и одно из них по массе сравнимо с Луной. Такие легкие экзопланеты другим способом сейчас до сих пор не обнаружены. Люди немедленно бросились придумывать, как же такое может быть, и начали искать другие подобные системы. И в конце концов пришли к удивительному выводу: других подобных систем нет. Это ставит большие проблемы перед теоретиками, потому что теоретикам легко объяснить то, чего не существует в природе, или объяснить какой-то типичный случай. Объяснить ситуацию уникальную, единичную очень трудно.

Как бы то ни было, искать легкие спутники у радиопульсаров просто. Люди на протяжении десятилетий проводили эту работу, и у радиопульсаров были обнаружены другие легкие спутники, но ситуации заведомо отличаются от первой, уникальной и неповторимой системы.

Откуда у нейтронных звезд могут браться спутники планетных масс? Нейтронная звезда в данном случае — это радиопульсар, источник мощного электромагнитного излучения. Звезды очень любят рождаться парами, поэтому совершенно нормальна ситуация, когда у пульсара есть спутник. Пульсар этот спутник, который чаще всего является легкой звездой, начинает испарять. Масса спутника уменьшается, но испарение не происходит до конца, остается небольшой огарок.

Типичная масса такого огарка как раз соответствует планетной массе, которая обычно порядка нескольких масс Юпитера. Обнаружено несколько подобных систем. Есть так называемый миллисекундный радиопульсар, подходящий на роль испарителя. Он может долго облучать своего компаньона. У пульсара обнаружен один легкий спутник — это очень важно, потому что один легко объяснить. Это значит, что когда-то это была двойная система, и параметры этого спутника таковы, что он может являться огарком когда-то нормальной звезды.

Что еще у нас может происходить в двойной системе? Звезды могут сблизиться настолько, что звезда-соседка начнет перетекать на нейтронную звезду. Можно представить себе ситуацию, когда такое перетекание идет не до конца. При перетекании с более легкого объекта сам легкий объект отодвигается от центрального массивного тела, и опять может образоваться остаток. Масса объекта попадает в планетный диапазон, но при этом объект в истинном смысле не является планетой, поскольку история его образования совершенно иная.

Бывают ситуации, когда звезды просто обмениваются своими спутниками. И существует уникальная и интересная, но в первую очередь забавная система, когда есть тесная пара из радиопульсара и белого карлика. Они обращаются вокруг общего центра масс, а снаружи этой пары обращается планета. Создать с нуля такую штуку довольно трудно, но эта троица находится в шаровом скоплении М-4.

Шаровые скопления — это очень тесная группа большого количества звезд, где могут происходить интенсивные взаимодействия между ними. В частности, они могут обмениваться компаньонами. Поэтому достаточно очевидно, что эта планета никогда не была планетой пульсара, не была планетой той звезды, из которой образовался пульсар. Возможно, эта планета обращалась вокруг еще какой-то звезды, не входящей в эту пару, или обращалась вокруг той звезды, которую мы сейчас наблюдаем как белый карлик, но в ходе эволюции была выброшена на такую орбиту, что теперь обращается вокруг пары «пульсар — белый карлик».

Нужно объяснять исходную, первую открытую систему планет у радиопульсаров и надежно идентифицированные первые тела планетных масс. Повторюсь, что других подобных систем не обнаружено, поэтому нам нужно придумать какой-то довольно экзотический механизм, который не всегда работает.

Что мы можем себе представить? Начнем с самого простого: планетная система осталась пульсару в наследство от той звезды, из которой пульсар образовался. Это невозможно сразу по нескольким причинам. Во-первых, нейтронные звезды, пульсары, рождаются из массивных звезд, а массивной звезде очень трудно завести планетную систему, потому что эти звезды очень быстро эволюционируют и у планетной системы просто не будет достаточно времени, для того чтобы сформироваться. Во-вторых, эти звезды много излучают, поэтому они очень быстро испаряют протопланетный диск вокруг себя: при образовании звезды формируется газовый диск, в котором могут образовываться планеты. Газ из этого диска довольно быстро улетучивается под действием ультрафиолетового излучения самой звезды — это называется «фотоиспарение». Массивные звезды испаряют газ из диска за весьма короткое время, и вокруг них мы не знаем планетных систем.

Если мы хотим придумать экзотический механизм, представим, что в каком-то случае планетная система все-таки сформировалась. Для того чтобы обычная звезда превратилась в нейтронную, должен произойти взрыв сверхновой. При этом мгновенно сбрасывается более половины звездной массы. Это означает, что все орбиты планет перестанут быть замкнуты. Кроме того, что по планетам ударит волна, по ним ударит и расширяющаяся оболочка. Драматичный эффект состоит в том, что по сравнению с периодом орбитального движения планет быстро уменьшается масса центрального тела и планеты двигаются с той скоростью, которую они имели, поэтому новорожденной нейтронной звезде очень трудно, практически невозможно сохранить планетную систему, тем более удержать планеты на достаточно круговых, невытянутых орбитах. Поэтому мы отвергаем мысль, что планетная система могла достаться пульсару по наследству.

Что еще могло произойти? Произошел взрыв сверхновой, вещество выброшено, но часть этого вещества может упасть обратно на нейтронную звезду. Причем оно не просто упадет обратно, а образует диск вокруг нейтронной звезды. По всей видимости, это не редкая ситуация, такие диски возникают вокруг новорожденных нейтронных звезд. Теоретики обсуждают модели, в которых планеты могут образовываться в этом диске примерно так же, как они образовывались в протопланетном диске вокруг нормальной звезды.

Нельзя сказать, что этот процесс невозможен, но на сегодняшний день детальный анализ показывает, что условия для образования планет в таком диске вокруг новорожденной нейтронной звезды очень плохо подходят для образования планет. Воспроизвести такую планетную систему, какую мы наблюдаем в единственном и неповторимом случае пульсара Вольщана и Фрейла, не получается, поэтому нужен еще какой-то механизм.

Такой механизм есть. Он достаточно экзотичный, но тем не менее расчеты показывают, что если правильно подкрутить параметры, то все получится. Не хотелось бы, чтобы такое происходило часто, потому что высокоточные измерения пульсарных периодов показывают отсутствие других примеров подобных систем. Так что параметры должны быть очень тщательно подогнаны.

Идея такова: звезды любят рождаться парами, поэтому в достаточно большом проценте случаев пульсар имеет вторую звезду-соседку, с которой они образуют двойную систему и обращаются вокруг общего центра масс. Пульсар может облучать звезду, но кроме этого он воздействует на нее гравитационно. Если они сблизились достаточно сильно, может начаться аккреция — перетекание вещества с обычной звезды на нейтронную. Пульсар может своими приливными силами разорвать эту звезду. Тогда вокруг нейтронной звезды снова образуется диск, и в данном случае условия будут очень похожи на протопланетные диски вокруг нормальных звезд.

Протопланетный диск вокруг звезды образуется примерно из того же вещества, из которого сделана звезда, поскольку сначала было газопылевое облако, оно сжималось, образовалась звезда, по ходу образовался протопланетный диск вокруг. В данном случае диск, образующийся в результате приливного разрыва, имеет звездный состав, потому что он сделан из звезды. В такой ситуации могут складываться условия для образования планет, которые будут находиться на круговых орбитах. Можно сделать легкие планеты, как те, которые мы наблюдаем в единственной известной системе данного типа. Таким образом, в рамках этого сценария все хорошо срастается.

Как бы то ни было, вокруг нейтронных звезд существуют объекты планетных масс. Есть несколько механизмов формирования, и некоторые из этих механизмов позволяют сформировать целые планетные системы. Они должны быть очень редкими. Мы знаем всего один такой пример, но, похоже, понимаем, откуда такие системы берутся.