У мертвой звезды нашли планету с атмосферой принципиально нового типа

Международная группа астрономов с помощью инфракрасного космического телескопа «Джеймс Уэбб» проанализировала спектры планеты, вращающейся вокруг нейтронной звезды PSR J2322–2650. Оказалось, что атмосфера PSR J2322–2650 b содержит молекулярный углерод. Такое не встречалось еще никогда и означает, что химия планеты резко отличается от всего, известного ранее. Как тело с таким составом могло сформироваться — пока неясно. Работу об этом опубликовали в The Astrophysical Journal Letters.

Экзопланету PSR J2322–2650 b открыли в 2017 году, но тогда не было такого мощного инструмента, как «Джеймс Уэбб». Поскольку планета у нейтронной звезды не находится на фоне очень мощного излучения своего светила (нейтронные звезды излучают мало, плюс много меньше своих планет), ее можно наблюдать с большими деталями, чем многие другие объекты.

Однако в этот раз наблюдения вызвали большое недоумение астрономов даже после их перепроверки. В атмосфере этого тела, по массе примерно 0,8 Юпитера при радиусе в 1,25 юпитерианского, обнаружены следы молекулярного углерода С2 и С3. Это исключительно редкая форма углерода (в том числе на Земле), потому что углерод в молекулярной форме легко реагирует с другими элементами — например, кислородом. Особенно эффективно такие реакции идут при повышенных температурах.

Согласно наблюдениям, в атмосфере PSR J2322–2650 b порядка +630 градусов Цельсия на ночной стороне и более +2000 на дневной стороне. Эта планета должна смотреть на свою звезду все время одной стороной, поскольку расстояние между ними лишь 1,6 миллиона километров, в 90 с лишним раз меньше, чем между Землей и Солнцем, отчего происходит приливной захват, как у Луны в системе Земля-Луна.

При таких температурах молекулярный углерод может существовать только в одном сценарии: когда рядом просто нет других элементов, которые могли бы вступить с ним в химическую реакцию. Авторы новой работы подсчитали, что соотношение углерода к кислороду в атмосфере этой планеты выше, чем 100 к одному, а углерода к азоту — больше, чем 1 к 10 000. Это экстремальные соотношения, практически недостижимые для планет, сформировавшихся во всех известных астрономам сценариях. Мало в атмосфере и водорода: это ясно, поскольку исследователям не удалось обнаружить уверенных следов углеводородов.

Основная масса планеты должна состоять из гелия, который практически не реагирует с углеродом. Вероятно, что в нижних слоях атмосферы этого тела молекулярный углерод может конденсироваться до алмазного снега или дымки.

Понятно, что планета не сформировалась подобно Юпитеру или Земле. Нормальные планеты просто не могут иметь такого состава, поскольку зависят от состава родительской звезды, а у звезды главной последовательности не бывает такого соотношения углерода и кислорода/азота.

Сценарий черной вдовы в представлении художника. Малое тело, от полюсов которого бьют пучки излучения — это нейтронная звезда. Несмотря на малый размер, она на порядок и более массивнее находящегося рядом звездного объекта (справа), от которого она отрывает вещество, увеличивая за его счет свою массу / © NASA’s Goddard Space Flight Center

Более вероятен сценарий «черной вдовы». Так называют систему, в которой есть очень быстро вращающаяся вокруг своей оси — за тысячные доли секунды — нейтронная звезда (такие называют миллисекундными пульсарами) и маломассивная обычная звезда-компаньон. Как правило, нейтронная звезда перетягивает своей гравитацией массу с этого компаньона, при этом раскручиваясь за счет энергии падающего на нее вещества соседа. Затем остатки компаньона подвергаются мощному рентгеновскому излучению от нейтронной звезды. Таких систем известно около 50, но в реальности их довольно много, просто наблюдать их с Земли сложно.

Сценарий черной вдовы, пожирающей своего спутника, имеет ту проблему, что все известные планеты у подобных нейтронных звезд совсем не похожи на PSR J2322–2650 b. У той плотность около 1,8 тонн на кубометр, примерно как у Юпитера. А у остальных планет в системах черных вдов — от 20 до 40 тонн на кубометр, то есть в несколько раз выше, чем у Земли. Это логично, поскольку длительный нагрев сорвал с таких тел все внешние, легкие слои, оставив только суперплотное ядро.

Коротка анимация системы нейтронной звезды PSR J2322–2650 и ее планеты PSR J2322–2650 b. Строго говоря, в этой системе могут быть и другие планеты, но если они не проходят между нами и нейтронной звездой, заметить их будет почти нереально / © NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Получается, что планета PSR J2322–2650 b каким-то образом сходное ядро утратила. Затем потоки вещества от нейтронной звезды как-то смогли обогатить ее внешние слои углеродом. Одновременно тело-предшественник PSR J2322–2650 b смогло не потерять гелий, но лишилось практически всего кислорода и азота, а равно и большой доли водорода. Пока трудно себе представить процессы, которые могли бы привести к этому. Никакое моделирование еще не показало подобные сценарии.

Астрономы, открывшие атмосферу столь беспрецедентного состава, воодушевлены новыми данными и надеются, что они существенно продвинут наши представления об эволюции планет у нейтронных звезд и возможных сценариях формирования планет вообще.