Что такое планеты-пульсары?

30.01.2023
0
13 мин
1 488
Что такое планеты-пульсары?

Привет, уважаемые друзья!

Хотите узнать что такое пульсары?

Тогда садитесь поудобнее и продолжайте читать и вы все узнаете.

В 2022 году исполнилось 30 лет с момента открытия первых экзопланет, которым довелось вращаться вокруг пульсара — одного из самых необычных мест, где мы могли найти любую планету.

Но что такое планета-пульсар и как они туда попали?

Прошло 30 лет с тех пор, как была открыта первая экзопланета, и эти первые экзопланеты… ну, они были обнаружены на орбите пульсара.

Планета, вращающаяся вокруг пульсара, спросите вы? ДА! это очень странно и редко, так что давайте углубимся.

Пульсары рождаются, когда массивная звезда (обычно в 8-25 раз больше массы нашего Солнца) взрывается в виде сверхновой.

Это чрезвычайно энергичные события, которые разрывают большую часть звезды-прародителя на части.

Но точно так же, как большая часть звезды выбрасывается в космос, внутренняя часть звезды падает сама на себя под действием силы тяжести.

изображение яркой небольшой световой сферы с двумя большими энергетическими лучами, исходящими из нее и следующими за линиями магнитного поля.  На переднем плане вращаются три каменистых мира.

Художественное представление системы «PSR B1257 + 12» — пульсара с тремя экзопланетами, вращающимися вокруг него.

Это приводит к некоторым довольно захватывающим, и в равной степени ужасающим результатам.

Во-первых, примерно в 1,4 раза больше массы Солнца, он смят до диаметра, не превышающего районный город (~20 километров в поперечнике), так что плотность зашкаливает.

Такой плотной, что чайная ложка, наполненная этим материалом, весила бы столько же, сколько все человечество вместе взятые в большой шар каши.

Однако высокая масса и плотность — не единственные примечательные особенности этих компактных остаточных объектов.

Они также демонстрируют чрезвычайно высокую скорость вращения (вращаются быстрее, чем ваш кухонный блендер) и содержат мощные магнитные поля (в триллионы раз сильнее магнита вашего холодильника).

Эти особенности унаследованы от звезды-прародителя, но усиливаются по мере того, как они сжимаются в небольшой объем.

Анимация вращения пульсара с линиями магнитного поля, выходящими из пульсара.

Сложный характер магнитных полей пульсаров. Когда пульсар вращается, лучи энергии от магнитных полюсов проходят мимо Земли, и мы видим его пульсацию. В большинстве моделей мы предполагаем, что пульсар имеет диполь (т. е. ось север-юг), но для некоторых пульсаров, как в этом примере, мы обнаруживаем, что он асимметричен и смещен.

Быстрое вращение и сильное магнитное поле создают идеальные условия для генерации радиоизлучения от магнитных полюсов этого быстро вращающегося массивного объекта, и когда эти лучи проходят мимо нашего поля зрения, мы видим импульс.

Как космический маяк, мерцающий в радиоволнах.

Мы используем радиотелескопы, чтобы обнаружить эти «импульсы» (отсюда и пульсары), и мы обнаруживаем, что они вращаются очень быстро, но также и замедляются на крошечную долю с каждым оборотом (это известно как их производная периода).

Измерения, которые мы проводим, настолько точны, что для некоторых пульсаров мы получаем производную периода вплоть до значений 10-21 или, другими словами, точных значений, которые простираются до 21 знака после запятой, прежде чем мы достигнем предела погрешности.

Это делает регулярное тиканье пульсаров одними из самых точных часов во Вселенной.

То, что они разбросаны по всей Галактике, дает нам возможность проводить с ними чувствительные временные эксперименты в условиях, которые мы никогда не смогли бы воспроизвести на Земле (можете ли вы представить себе попытку воспроизвести такое магнитное поле и такую сильную гравитацию, не разрушив планету в процессе?).

После нескольких десятилетий наблюдений мы теперь знаем, что часть пульсаров живет в двойных системах, и точно так же, как мы делаем с обычными звездами, мы можем измерить пульсирующий сигнал по мере его приближения к нам или удаления от нас, что известно как доплеровский сдвиг.

И благодаря точной природе этих надоедливых импульсов мы можем делать это с очень высокой точностью, что дает нам представление о внутренней природе пульсара, а также о любом бинарном компаньоне, который у него может быть.

график, показывающий сигналы от пульсара, нанесенный на изогнутую линию, которая представляет собой модель планеты-пульсара, вращающейся вокруг пульсара

Данные, собранные в системе «PSR B1257 + 12», представляют изменение наблюдаемого периода пульсара за несколько лет. Сплошная кривая — это модель, предсказанная для системы из двух планет, и точки данных соответствуют модели, доказывая, что планетная система существует.

Иногда мы замечаем, что тиканье пульсаров доходит до нас раньше или позже, чем мы ожидали, создавая небольшое колебание в данных, которые мы наблюдаем с течением времени.

Это говорит нам о том, что что-то должно притягивать пульсар, и когда мы измеряем это колебание в течение нескольких циклов, мы обнаруживаем, что оно следует регулярной схеме, как будто пульсар движется вокруг центра масс по орбите.

Это похоже на нашу Солнечную систему: Юпитер достаточно велик, чтобы заставить Солнце двигаться вокруг центральной точки, известной как барицентр.

Таким образом, если бы вы могли измерить данные с Солнца из удаленной точки, вы бы увидели, что оно лишь незначительно колеблется в течение цикла около 12 лет (что соответствует длине орбиты Юпитера).

Тщательный анализ данных, которые производят эти колебания, позволяет нам узнать о периоде обращения тела и его массе.

И еще раз, благодаря чувствительности, которая достигается при измерении импульсов пульсара, мы можем сделать вывод о массах компаньона, которые могут быть меньше, чем у Луны Земли, даже на расстоянии стольких световых лет.

Именно это и произошло в 1992 году.

Астрономы наблюдали за пульсаром (PSR B1257 + 12), когда заметили любопытную периодичность в колебании — как будто пульсар притягивала масса.

Вскоре они поняли, что смотрят на планету, вращающуюся вокруг мертвой звезды.

На самом деле они обнаружили не одну, а две планеты, вращающиеся вокруг пульсара!

Они стали первыми планетами, обнаруженными за пределами нашей Солнечной системы, или экзопланетами.

После этих двух было подтверждено более 5000 экзопланет, но из всех них было только девять планет-пульсаров, включая первые две, которые были обнаружены вокруг «PSR B1257 + 12».

Жизнь на планете-пульсаре

Художественная иллюстрация большого кольца обломков из желтого материала с множеством обломков камней, вращающихся вокруг яркого пульсара в центре изображения.

Орбитальное поле обломков вокруг пульсара с материалами, которые могут медленно сливаться, образуя планеты.

Итак, какой будет жизнь на одной из этих планет-пульсаров?

Ну….. МЕРТВАЯ.

Пульсары испускают огромное количество радиации (от радиоволн до гамма-лучей) — настолько сильное, что жизнь (в том виде, в каком мы ее знаем) не могла бы выжить.

Вы бы тоже жили под постоянным стробоскопическим эффектом излучения… некоторые пульсары вращаются со скоростью сотни раз в секунду, так что это было бы неприятно.

Магнитные поля пульсаров также создают «ветер» из релятивистских частиц, что звучит как самая экстремальная форма пескоструйной обработки в истории Вселенной.

В этих условиях атмосфера ни одной планеты не могла сохраниться нетронутой.

Кстати говоря, если бы вы подошли слишком близко, и магнитное поле, и их гравитация действительно нанесли бы некоторый ущерб.

Так как же в таких экстремальных условиях формируется планета-пульсар?

Во-первых, система-прародитель подвергается вспышке сверхновой, что является одним из самых жестоких событий, которые могут произойти в нашей Вселенной.

Массивная звезда, буквально взрывающая сама себя.

Планеты-пульсары не могут быть бывшими планетами из этой старой системы, потому что до взрыва сверхновой массивная звезда должна была расшириться до красного гиганта и поглотить внутренние миры.

Даже миры, расположенные дальше — когда эта звезда взорвется, внезапное изменение массы вызовет большое изменение гравитации в системе, что приведет к ее дестабилизации и принесет много горя всему, что осталось позади.

Так что, возможно, планеты-пульсары выкованы из пепла оставшихся обломков после взрыва сверхновой — измельченных остатков любых бывших планет, смешанных с большим количеством «звездных кишок».

Это может быть вариантом, но диск обломков должен двигаться по орбите с постоянной или достаточно высокой скоростью, чтобы избежать его падения обратно на пульсар (который все еще имеет довольно сильное локализованное гравитационное поле).

Иногда у пульсаров есть звезды-компаньоны, которые со временем сливаются с ними.

Во время этого процесса материал компаньона может оставаться на орбите, а после длительных периодов времени (от миллионов до миллиардов лет) этот обломок может начать сливаться и также становиться маленькими планетами.

В этом сценарии поле обломков должно быть достаточно далеко от пульсара, чтобы его не втянуло внутрь.

Вероятно, именно это произошло с планетами «PSR B1257 + 12» (которых сейчас насчитывается три, еще одна была найдена в 1994 году, снова используя метки от пульсара) — астрономы полагают, что две звезды-белые карлики слились друг с другом, создав пульсар, а диск обломков в конечном итоге объединился, чтобы сформировать планеты.

Другой вариант заключается в том, что пульсар может украсть планету у двойной системы или ее спутника.

Когда вторичная звезда и ее планеты сближаются, пульсар выбрасывает звездный объект, но захватывает планетарное тело, принимая его как свое собственное.

Добро пожаловать в ад, планетарный друг.

И, наконец, планеты-пульсары могут быть всем, что осталось от звезды-компаньона, которая отклонилась слишком близко к пульсару.

Все это излучение, этот релятивистский ветер и энергия могут медленно испарять спутник на близкой орбите, пока не останется только его маленькое, похожее на планету ядро.

Во всех этих сценариях жизнь (какой мы ее знаем) действительно боролась бы за то, чтобы найти способ жить, учитывая интенсивное количество продолжающегося излучения, которое бомбардирует их от пульсара.

анимация вращения пульсара, лучи которого охватывают поле зрения.  Лучи пересекаются с находящимся на орбите планетоподобным объектом, в результате чего он загорается, медленно испаряясь, оставляя за собой след из обломков.

Спутники пульсаров, подошедшие слишком близко, могут быть уничтожены огромным количеством излучения, излучаемого пульсаром. В конце концов, небольшой объект планетарной массы может остаться позади, а в некоторых случаях даже он полностью испарится.

В настоящее время существует лишь несколько планет-пульсаров.

Мы думаем, что это потому, что эти системы чрезвычайно редко формируются при всех различных моделях формирования, описанных выше.

Некоторые из них в несколько раз больше массы Юпитера, а самые маленькие всего в два раза массивнее нашей Луны.

Пульсары также являются крошечными объектами, всего около 20 километров в поперечнике.

Это делает их невозможными для непосредственного наблюдения в видимом свете, хотя нейтронные звезды (которые являются пульсарами) наблюдались в рентгеновском свете, потому что их поверхности очень горячие и медленно остывают — это продукт сверхновой и бывшее ядро очень горячей звезды.

Часто единственный способ узнать, что они там (и что это пульсары) — это то, что нам повезло, что их радиолучи направлены в нашу сторону, когда они вращаются, что позволяет нам измерять их тиканье.

И с помощью этих тиков мы можем измерять колебания.

А с колебаниями мы можем найти планеты-пульсары.

Но среди галактического населения пульсаров есть много таких, чьи лучи никогда не светят в нашу сторону, и поэтому мы даже не знаем об их существовании.

Даже если бы мы смогли заметить их в рентгеновских диапазонах из-за их горячих поверхностей, мы не можем видеть, как они тикают, и поэтому мы не можем проводить наши чувствительные эксперименты по синхронизации, такие как измерение того, насколько сильно крошечная планета заставляет их колебаться.

Итак, может быть, существует множество планет-пульсаров, и мы просто не можем измерить их влияние на родительские пульсары?

Что ж, группа ученых недавно посмотрела на это и определила, что даже если мы учтем эту погрешность наблюдений, планеты-пульсары все еще довольно редки.

Настоящие выжившие: планеты-пульсары

Инфографика, показывающая эволюцию PSR B1620-26b и то, как она стала планетой, вращающейся вокруг пульсара и белого карлика.

Долгий путь, который прошел «PSR B1620-26b». Теперь это планета-пульсар, вращающаяся вокруг центральной системы, в которой есть пульсар и белый карлик.

Из очень небольшой популяции планет-пульсаров, о которых мы знаем, есть несколько случаев, когда непонятно, как эти объекты выжили так долго, что мы их наблюдаем.

Одним из таких случаев является случай с планетой «PSR B1620-26b», которая вращается вокруг пульсара и белого карлика.

Другими словами, два массивных объекта (пульсар и белый карлик) вращаются вокруг друг друга в тесной конфигурации в центре системы, в то время как планета-пульсар вращается намного дальше и вокруг обеих внутренних звезд.

Теория гласит, что эта планета-пульсар прошла довольно долгий путь.

Первоначально он вращался вокруг обычной солнцеподобной звезды, которая жила внутри шарового скопления — это очень плотные города звезд, которые вращаются вокруг Млечного Пути и других галактик.

У них есть большие популяции звезд, удерживаемых вместе их взаимной гравитацией в небольших шарообразных конфигурациях.

Когда эта звезда и планета бродили по плотной области шарового скопления, они столкнулись с нейтронной звездой и ее компаньоном.

Это вмешательство выбросило первоначальный компаньон нейтронной звезды, оставив только нейтронную звезду и эту новую звезду вместе с ее планетой.

В конце концов, новая звезда, спустя миллиарды лет, прекратила производство водородного синтеза и превратилась в красного гиганта, у которого оппортунистическая нейтронная звезда начала красть материю.

Это заставило нейтронную звезду раскрутиться до миллисекундного пульсара, а первоначальная звезда осталась не чем иным, как белым карликом.

Все это время беспомощная планета оставалась на орбите на внешних краях этой системы, медленно кружась вокруг и вокруг, наблюдая, как вся драма разворачивается в центре системы.

И из-за возраста звезд шарового скопления и времени, которое требуется обычной звезде, подобной Солнцу, чтобы прожить всю свою жизнь, пока она не перестанет сжигать водород в своем ядре, астрономы пришли к выводу, что эта система старая — очень старая.

Фактически, «PSR B1620-26b» является самой старой из известных экзопланет, возраст которой составляет около 12,6 миллиардов лет, что примерно в три раза превышает возраст Земли.

То, что видела и пережила эта планета-пульсар…..

Часто задаваемые вопросы о пульсарах

Что заставляет пульсар формироваться?

Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды размером менее 10 миль, вращающиеся с периодом менее 1 секунды, состоящие из нейтронов (плюс некоторые другие вещества).

Нейтронная звезда, по-видимому, является продуктом взрыва сверхновой.

Это оставшееся ядро звезды, которая стала сверхновой.

Ядро разрушилось и закрутилось (как фигуристка, втягивающая руки).

Что заставляет пульсар излучать радиочастотные импульсы?

Это не совсем понятно, но считается, что этот процесс связан с большим магнитным полем на поверхности нейтронной звезды.

Радиоимпульсы (а иногда наблюдаются импульсы и в других частях спектра, как, например, видимый свет), по-видимому, возникают вблизи полярной шапки магнитного поля и излучаются, как сигнальный огонь маяка.

Когда сигнальный огонь пролетает над нашей позицией, мы обнаруживаем «импульс».

Являются ли пульсары радиоактивными?

Если вы имеете в виду радиоактивные элементы вроде урана — нет.

Каковы основные характеристики пульсара?

Помимо того, что они являются нейтронными звездами (маленький размер, солнечная масса материала, в основном нейтронов, большая плотность — как у атомного ядра, сильное магнитное поле и быстрое вращение), можно добавить, что пульсары замедляют скорость вращения, поскольку они стареют.

Энергия вращения теряется в окружающей среде (пульсар возмущает окружающую среду посредством электромагнитного воздействия).

Однако пульсары, как правило, замедляются с очень низкой скоростью — поэтому они являются очень точными часами!

Как долго обычно длится каждый импульс?

Время между импульсами для данного пульсара может составлять около 1 секунды.

У других время меньше.

Наименьший подход около 1 миллисекунды.

С другой стороны, фактические импульсы имеют меньшую длину, чем время между импульсами.

Умирает ли когда-нибудь пульсар, как звезда?

В конце концов он замедляется, и в результате импульсы затухают.

Связаны ли пульсары с квазарами?

И да и нет.

Нейтронные звезды почти достаточно плотны, чтобы стать черными дырами, и считается, что сверхмассивная черная дыра находится в центре квазара и является источником энергии для него.

Также возможно, что структура и вращение магнитного поля вокруг вращающейся черной дыры в центре квазара аналогичны вращению вокруг пульсара и, следовательно, ответственны за некоторые эффекты, наблюдаемые для квазаров.

Опасны ли пульсары для нас на Земле?

Нет.

Они могут быть ответственны за некоторые космические лучи, которые мы наблюдаем на Земле, но их влияние на любого человека невелико.

Когда был открыт первый пульсар?

В 1967 году он был обнаружен «случайно» во время программы радиоастрономических наблюдений, предназначенной для поиска «мерцающих» радиоисточников.

Я читал что-то о миллисекундном пульсаре и хотел бы знать, что это такое на самом деле

Это всего лишь пульсар с миллисекундным периодом пульсации — время между импульсами примерно такое же короткое.

На сегодняшний день известно довольно много.

По-видимому, они находятся в двойных звездных системах, и падение вещества с ближайшей звезды на вращающуюся нейтронную звезду могло раскрутить нейтронную звезду, придав ей миллисекундный период вращения.

Пульсар: красно-синие туманные детали с голубовато-белыми кольцами вокруг очень яркой звезды в центре.

Космический телескоп Хаббл сфотографировал центр Крабовидной туманности в 2016 году. В центре туманности находится быстро вращающаяся нейтронная звезда, известная как пульсар. Это самая правая из двух звезд рядом с центром изображения. Голубоватый свет — это излучение, испускаемое электронами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, вдоль мощного магнитного поля нейтронной звезды. Ученые считают, что тонкие круглые элементы удаляются от пульсара из-за ударной волны, которая накапливает высокоэнергетические частицы, исходящие от высокоскоростных ветров, исходящих от нейтронной звезды.

Вывод: пульсар — это нейтронная звезда, полюса которой направлены к Земле, поэтому мы можем видеть световые импульсы, возникающие в результате сильного излучения звезды, когда она быстро вращается.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 5