Мир у края возможного: у остатков сверхновой нашли планету с шансом на алмазный дождь

Необычные открытия рядом с нейтронными звёздами давно перестали быть редкостью, но новое наблюдение вывело эту тему на качественно иной уровень. В системе мёртвой звезды астрономы зафиксировали планету с атмосферой, которая не вписывается ни в одну из известных моделей формирования планет. Химический состав её газовой оболочки оказался настолько экзотичным, что в верхних слоях теоретически возможен алмазный снег. Об этом сообщает журнал The Astrophysical Journal Letters.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Слияние нейтронных звезд

Что именно увидел "Джеймс Уэбб"

Международная команда астрономов использовала инфракрасный космический телескоп "Джеймс Уэбб" для детального анализа спектров экзопланеты PSR J2322-2650 b. Она обращается вокруг нейтронной звезды — остатка сверхновой, масса которого сопоставима с солнечной, а диаметр не превышает 20 километров. Несмотря на статус "мёртвой звезды", такие объекты иногда удерживают планеты, и именно это делает их особенно интересными для науки.

В ходе анализа исследователи обнаружили в атмосфере PSR J2322-2650 b молекулярный углерод в формах C₂ и C₃. Для планетарных атмосфер это беспрецедентный случай. Ранее подобные молекулы в устойчивом виде не фиксировались ни у одной экзопланеты, поскольку углерод обычно быстро вступает в реакции с кислородом или азотом, особенно при высоких температурах.

"Мы столкнулись с химией, которая не просто редкая, а фактически неизвестная для планетарных атмосфер", — отмечается в научной публикации.

Температуры, приливной захват и экстремальная химия

PSR J2322-2650 b находится на расстоянии около 1,6 миллиона километров от своей нейтронной звезды — это более чем в 90 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Такое сближение приводит к приливному захвату: планета всегда обращена к звезде одной стороной, как Луна к Земле.

Температурные условия здесь запредельные. На ночной стороне температура достигает примерно +630 градусов Цельсия, а на дневной превышает +2000 градусов. В подобных условиях молекулярный углерод может существовать только при почти полном отсутствии других химически активных элементов.

Расчёты показали, что соотношение углерода к кислороду в атмосфере превышает 100:1, а углерода к азоту — более чем 1:10 000. Это значения, которые практически невозможно получить в рамках стандартных сценариев формирования планет. Следов водорода также крайне мало — углеводороды в спектрах обнаружить не удалось.

Из чего может состоять такая планета

По массе PSR J2322-2650 b сопоставима примерно с 0,8 массы Юпитера, а по радиусу даже превосходит его — около 1,25 юпитерианского. При этом плотность планеты близка к юпитерианской и составляет около 1,8 тонны на кубический метр. Это важная деталь, которая резко отличает её от других известных планет у нейтронных звёзд.

Основную часть атмосферы, по мнению авторов работы, составляет гелий. Этот элемент почти не взаимодействует с углеродом, что и позволяет последнему сохраняться в молекулярной форме. В нижних слоях атмосферы углерод, вероятно, может конденсироваться, образуя алмазную дымку или даже своеобразный "алмазный снег".

Почему стандартные модели не работают

Планета явно не могла сформироваться по классическому сценарию, характерному для газовых гигантов вроде Юпитера или каменистых тел наподобие Земли. Обычные планеты наследуют химический состав родительской звезды, а у звёзд главной последовательности не встречаются столь экстремальные соотношения углерода, кислорода и азота.

Наиболее обсуждаемый альтернативный вариант — сценарий так называемой "чёрной вдовы". Это система, где миллисекундный пульсар активно "пожирает" звезду-компаньона, перетягивая на себя вещество и разрушая спутник мощным рентгеновским излучением. Таких систем известно около полусотни, хотя реальное число, вероятно, значительно больше.

Однако и здесь возникает проблема. Все известные планеты в системах "чёрных вдов" отличаются экстремальной плотностью — от 20 до 40 тонн на кубический метр. Это объясняется тем, что длительный нагрев полностью срывает с них лёгкие оболочки, оставляя лишь сверхплотное ядро. PSR J2322-2650 b, напротив, обладает низкой плотностью и массивной газовой оболочкой.

Загадка без готового ответа

Исследователи предполагают, что планета могла сначала утратить плотное ядро, а затем каким-то образом обогатиться углеродом за счёт потоков вещества от нейтронной звезды. При этом ей удалось сохранить гелий, но почти полностью лишиться кислорода, азота и значительной части водорода. На сегодняшний день ни одно компьютерное моделирование не воспроизводит подобный сценарий.

Тем не менее открытие уже сейчас считается важным шагом к пониманию эволюции планет в экстремальных условиях. Оно показывает, что разнообразие планетных систем может быть гораздо шире, чем предполагалось ранее, и что нейтронные звёзды способны формировать по-настоящему уникальные миры.

Сравнение: обычные экзопланеты и PSR J2322-2650 b

Планеты у звёзд главной последовательности, как правило, формируются из протопланетного диска и наследуют его химический баланс. В их атмосферах доминируют водород, гелий, соединения кислорода и углерода. Даже у горячих юпитеров со сверхвысокими температурами химия остаётся в рамках известных закономерностей.

PSR J2322-2650 b выбивается из этого ряда. Здесь наблюдается крайний дефицит кислорода и азота, почти полное отсутствие водорода и аномально высокая доля молекулярного углерода. Такое сочетание не встречается ни у газовых гигантов, ни у суперземель, ни у экзопланет в двойных системах обычных звёзд.

Плюсы и минусы гипотезы "чёрной вдовы"

Рассматривая возможные сценарии происхождения планеты, астрономы выделяют сильные и слабые стороны гипотезы "чёрной вдовы". Она объясняет наличие нейтронной звезды и потенциальный источник необычного вещества, но не даёт ответа на вопрос о низкой плотности планеты.

К преимуществам гипотезы относят:

• наличие механизма переноса вещества от звезды-компаньона;
• длительное воздействие экстремального излучения;
• возможность радикального изменения химического состава.

К очевидным ограничениям относятся:

• несоответствие плотности планеты известным объектам в таких системах;
• отсутствие моделей, объясняющих сохранение гелия;
• невозможность воспроизвести наблюдаемые соотношения элементов.

Популярные вопросы о планетах у нейтронных звёзд

Как вообще могут существовать планеты рядом с нейтронной звездой?

После взрыва сверхновой часть вещества может остаться на орбите или сформироваться повторно из аккреционного диска. В редких случаях это приводит к образованию планет.

Насколько опасны такие системы для наблюдений?

Нейтронные звёзды излучают относительно слабо по сравнению с обычными звёздами, поэтому наблюдать их планеты иногда даже проще, особенно в инфракрасном диапазоне.

Можно ли считать такие планеты потенциально обитаемыми?

В теории некоторые планеты у нейтронных звёзд обсуждаются как кандидаты на обитаемость, но в случае PSR J2322-2650 b экстремальные температуры и химия делают жизнь в привычном понимании маловероятной.