Astrofysici aan de Universiteit van Leiden (Nederland) Michel Kama en Alessandro Patruno hebben bewezen dat er planeten kunnen bestaan die geschikt zijn voor leven rond neutronensterren. Dus, in aanwezigheid van bepaalde omstandigheden, bevinden de superaarde PSR B1257 + 12 d en PSR B1257 + 12 c, die de namen Fobetor en Poltergeist kregen, zich in de bewoonbare zone van de PSR B1257 + 12 ster, genaamd Lich. De studie over dit onderwerp is door de auteurs gepubliceerd in een van de gespecialiseerde publicaties.
Op dit moment kennen wetenschappers ongeveer drieduizend neutronensterren, maar slechts twee van hen hebben op betrouwbare wijze planetaire systemen, en sommige hebben mogelijk dergelijke systemen. Opgemerkt moet worden dat de eerste exoplaneten precies in de buurt van een neutronenster werden ontdekt. Het gebeurde in 1991. De ontdekking werd gedaan door de Pools-Amerikaanse radioastronoom A. Wolschan, die twee exoplaneten ontdekte nabij PSR B1257 + 12 - Fobetor en Poltergeist. Elk van hen is ongeveer vier keer zwaarder dan onze planeet. Een jaar later werd deze ontdekking bevestigd door de Canadese astronoom Dale Frail.
Na enige tijd werd daar een andere exoplaneet, PSR B1257 + 12 b, ontdekt, die 50 keer lichter bleek te zijn dan de aarde. Het bevindt zich heel dicht bij een neutronenster, dus de omstandigheden erop zijn zelfs niet geschikt voor het meest extreme leven. Wat de Poltergeist betreft, deze exoplaneet is 4,3 keer zwaarder dan de aarde, op het oppervlak bereikt de temperatuur 51-652 Kelvin. De planeet draait rond de pulsar op een afstand van 0,36 astronomische eenheden met een periode van 66 dagen. De tweede exoplaneet, Phobetor, is verder van de pulsar verwijderd en iets zwaarder dan de Poltergeist.
De ster PSR B1257 + 12 zelf bevindt zich in het sterrenbeeld Maagd, op een afstand van 2,3 duizend lichtjaar van onze planeet. Het is ongeveer 1,4 keer zwaarder dan de zon, maar ongeveer 125 biljoen keer kleiner (de straal van de pulsar is slechts 10 kilometer). Astronomen schatten de leeftijd van PSR B1257 + 12 op ongeveer een miljard jaar, dat wil zeggen dat de pulsar vier keer jonger is dan de zon. De ster roteert met een periode van 0,06 seconden, er komen krachtige röntgenstralen uit de omringende ruimte in. Eerder werd gedacht dat leven op deze twee exoplaneten onmogelijk was, maar Patruno en Kama konden bewijzen dat dit niet het geval was.
De vorming van neutronensterren vindt plaats als gevolg van een supernova-explosie, waarna er vaak genoeg materie in een baan om de aarde is om een protoplanetaire schijf te vormen. Naast de PSR B1257 + 12 pulsar werden rond PSR J1719-1438 ook exoplaneten ontdekt. De koolstofrijke satelliet PSR J1719-1438 b was mogelijk eerder een witte dwerg. Wetenschappers geven ook toe dat er een asteroïdengordel kan bestaan nabij PSR J1937 + 21. Bovendien interpreteren wetenschappers sommige astronomische verschijnselen, met name de GRB 101225A gammastraaluitbarsting, als een botsing van een neutronenster en een asteroïde of komeet.
Onderzoekers hebben traditioneel drie soorten planeten geïdentificeerd die zich mogelijk in de buurt van neutronensterren bevinden. Het eerste type omvat typische planeten, die een bijproduct zijn van stervorming en die al vóór de supernova-explosie en het verschijnen van de neutronenster zelf werden gevormd. Het tweede type omvat planeten die zijn gevormd uit de materie die is achtergebleven na een supernova-explosie nabij een neutronenster. Planeten van het derde type zijn planeten die zijn gevormd uit de materie van een vernietigde satelliet van een neutronenster (bijvoorbeeld PSR J1719-1438 b). Dit type is typisch voor satellieten van milliseconde sterren, in het bijzonder voor PSR B1257 + 12 en PSR J1719-1438.
Wetenschappers speculeren dat planeten rond neutronensterren eerder uitzondering dan regel zijn. Hoogenergetische gamma- en röntgenstralen, evenals de zogenaamde pulsarwind, kunnen elk object vernietigen over een periode van een miljoen tot een miljard jaar. Tegelijkertijd heeft een relatief klein hemellichaam, dat ver genoeg van de ster verwijderd is, de kans om lange tijd een stabiele baan te behouden. Om deze reden, ondanks het relatief kleine aantal pulsars met planeten, als gevolg van het grote aantal neutronensterren zelf (ongeveer een miljard) in de Melkweg, bereikt het aantal planetaire systemen om hen heen 10 miljoen.
Planetaire systemen in de buurt van pulsars hoeven niet vergelijkbaar te zijn met die in de buurt van hoofdreekssterren. De bewoonbaarheid van een planeet wordt bijvoorbeeld meestal gedefinieerd door termen als de evenwichtsoppervlaktetemperatuur, de gegeven stralingsenergie die wordt ontvangen van de gastster. Deze energie wordt bij een eerste benadering berekend als straling van het zwarte lichaam die zijn maximum bereikt in het optische, infrarode of ultraviolette gebied. In dit geval worden typische bewoonbare zones geïdentificeerd op een afstand variërend van enkele aandelen tot astronomische eenheden.
Promotie video:
De bewoonbare zone, die veel kleiner is dan bij de sterren van de hoofdreeks, wordt berekend voor witte dwergen (de zon zal in 8 miljard jaar in een dergelijk object veranderen). Wanneer de ster over 3 miljard jaar afkoelt tot een temperatuur van ongeveer 10 duizend Kelvin, zal de locatie van de bewoonbare zone zich op een afstand van 0,005-0,02 astronomische eenheden bevinden. Als het om neutronensterren gaat, komt de helderste straling van zwarte lichamen overeen met röntgenstraling, wanneer veel hoogenergetische ioniserende deeltjes worden waargenomen. Tegelijkertijd is ultraviolette, optische en infrarode straling praktisch afwezig.
De auteurs van de studie gebruikten speciale software die foto's analyseert van het PSR B1257 + 12-systeem, die op 3 mei 2007 werden verkregen met behulp van de Chandra X-ray ruimtetelescoop. Bovendien gebruikten ze observatiegegevens van 22 mei 2005 om hun bevindingen te vergelijken met die van andere wetenschappers. Volgens voorlopige schattingen bereikt de oppervlaktetemperatuur van de pulsar 1,1 miljoen kelvin, en vlakbij, op een afstand van een fractie van astronomische eenheden, kan een stofschijf bestaan.
Voor mogelijk leven op Phobetor en Poltergeist kan het grootste gevaar en tegelijkertijd de belangrijkste warmtebron röntgenstralen zijn, die een aanzienlijke verwarming van de atmosfeer van de planeten kunnen veroorzaken. Gamma- en harde röntgenstralen dringen de atmosfeer veel dieper binnen dan zachte röntgenstralen en ultraviolette straling. In het geval dat de gasomhullingen echter breed zijn, kan gevaarlijke straling het oppervlak van de planeet niet bereiken.
Volgens de aannames van Kama en Patruno zouden de planeten die rond geïsoleerde pulsars draaien, moeten evolueren als hemellichamen die rond de hoofdreekssterren draaien, die al vroeg in hun evolutie sterke röntgenstralen uitzenden. Op onze planeet worden röntgenstralen snel geblokkeerd door de thermosfeer, waarin gas wordt geïoniseerd wanneer het in wisselwerking staat met ultraviolet en röntgenstraling. Deze laag heeft een vrij hoge temperatuur, namelijk honderdduizenden Kelvin. Tegelijkertijd is deze laag ineffectief als warmtebron omdat hij ijl is.
Volgens de algemeen aanvaarde stelling is de bewoonbare zone het gebied rond een ster waarin een aardachtige planeet (dat wil zeggen een planeet met een atmosfeer van kooldioxide, stikstof en water) voldoende vloeibaar water op zijn oppervlak kan hebben. Heel vaak een noodzakelijke maar onvoldoende voorwaarde voor de bewoonbaarheid van de planeet, geloven wetenschappers dat de indicator van de evenwichtstemperatuur niet onder 270 kelvin daalt. Kama en Patruno berekenden de bewoonbare zone rond de pulsar PSR B1257 + 12 met behulp van schattingen van de straling die Phobetor en Poltergeist bereikte, met de hypothese dat de evenwichtstemperatuur van de twee superaardes 175-275 Kelvin is.
Dit is heel goed mogelijk, aangezien de atmosfeer van grote planeten een hogere temperatuurgradiënt heeft dan op aarde, waarvan de atmosfeer vrij homogeen is. Op basis hiervan concludeerden de onderzoekers dat als röntgenstraling de belangrijkste energiebron is voor de planeten, alle drie de planeten van het PSR B1257 + 12-systeem ongeschikt zijn voor leven, omdat het daar te koud is. Maar als we rekening houden met de gammastraling die optreedt als gevolg van de pulsarwind in de atmosfeer van de planeten, dan worden de grenzen van de bewoonbare zone verschoven met een afstand van 2-5 astronomische eenheden.
Tussen deze twee mogelijke scenario's is er een ruimte van parameters waarin Fobetor en Poltergeist in de bewoonbare zone vallen. Bovendien hebben de auteurs van de studie bewezen dat de oudste planeet die de mens kent - PSR B1620-26 - zelfs in het meest optimistische geval niet bewoonbaar kan zijn. Met betrekking tot de pulsar PSR J1719-1438 hebben wetenschappers momenteel te weinig gegevens over röntgenstraling, zodat er geen definitieve conclusies kunnen worden getrokken. Volgens wetenschappers is de röntgenstraalhelderheid van de meeste geïsoleerde pulsars met de uitstroom van materie in een metgezel op een neutronenster (de zogenaamde Bondi-Hoyle-aanwas) veel hoger dan die van PSR B1257 + 12, wat in die zin atypisch is.
Met andere woorden, voor aardachtige planeten bestaat de bewoonbare zone rond een neutronenster relatief kort. En voor superlanden met een dichte atmosfeer duurt de bewoonbare zone veel langer. Wetenschappers berekenden dat als onze planeet 1-10 astronomische eenheden was van PSR B1257 + 12, terwijl als de atmosfeer ongeveer één procent van de massa van de hele planeet uitmaakte, de aarde zijn gasomhulsel na ongeveer 10 miljoen jaar. Onder dezelfde omstandigheden zouden superaarde met een dikke atmosfeer binnen ongeveer een biljoen jaar hun gasomhulsel hebben verloren.
Zoals de onderzoekers opmerken, is het grootste gevaar voor de atmosfeer niet röntgenstraling, maar pulsarwinden. Ze handelen op een bepaald moment - er is een soort doodslijn die het moment bepaalt waarop de neutronenster stopt met het produceren van wind. Bij jonge pulsars gebeurt dit in ongeveer een miljoen jaar, en in milliseconde sterren, miljarden jaren. Volgens wetenschappers elimineert dit echter de bron van de energie van de planeet, waardoor de temperatuur sterk daalt en elke mogelijkheid om de bewoonbare zone te bepalen is uitgesloten. In dit geval blijft er echter Bondi-Hoyle-aangroei over, die voldoende röntgenstraling kan genereren, waardoor de planeet wordt verwarmd. Bovendien kan de temperatuur worden gehandhaafd door getijdenverwarming.
In het geval dat de rotatieas van de neutronenster en de magnetische as sterk divergeren, kan de pulsarwind het aardoppervlak helemaal niet bereiken. In het equatoriale vlak, waarin de planeten zich vaak bevinden, is er geen pulsarwind, er is alleen röntgenstraling. Wetenschappers hebben voor een dergelijk geval berekend dat de atmosfeer van Phobetor en Poltergeist gedurende 850 miljoen jaar ongeveer 0.0005 aardmassa's heeft verloren, wat ongeveer 0.0001 van zijn eigen massa is. Dit is erg klein, vooral als de atmosfeer PSR B1257 + 12 d en PSR B1257 + 12 c volgens de algemeen aanvaarde aanname ongeveer één procent van de massa van de planeten uitmaken.
Deze studie biedt geen mogelijkheid om ondubbelzinnige conclusies te trekken dat superaardes nabij PSR B1257 + 12 zich binnen de bewoonbare zone bevinden. Op dit moment is de bepaling ervan onmogelijk voor pulsars, inclusief de neutronenster PSR B1257 + 12. Tegelijkertijd toonde de studie aan dat als Phobetor en Poltergeist een krachtige en dichte atmosfeer hebben, deze planeten theoretisch geschikt kunnen zijn voor leven.
