Алмазный мир у нейтронной звезды: Учёные обнаружили экзопланету с углеродной атмосферой

Далекая экзопланета, по-видимому, обладает необычной «сажевой» атмосферой, что ставит в тупик учёных, недавно её обнаруживших.

Эта планета размером с Юпитер, найденная космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), не имеет привычной комбинации гелия и водорода, характерной для атмосфер газовых гигантов нашей Солнечной системы, а также других распространённых молекул, таких как вода, метан или углекислый газ.

Вместо этого кажется, что у планеты есть облака сажи в верхних слоях атмосферы, которые глубже конденсируются в алмазы. Такая атмосфера в целом, состоящая из гелия и углерода, никогда ранее не наблюдалась на других планетах. Что ещё страннее — её родительская звезда и сама не является обычной.

«Это была полная неожиданность, — заявил в пресс-релизе соавтор исследования Питер Гао, научный сотрудник Лаборатории Земли и планет Института Карнеги. — Я помню, как мы получили данные, и нашей общей реакцией было: «Что это, чёрт возьми, такое?» Это радикально отличается от того, что мы ожидали».

Нейтронное солнце

Исследователи изучили странную среду планеты, известной как PSR J2322–2650b, в статье, опубликованной во вторник (16 декабря) в The Astrophysical Journal Letters. Хотя планета была обнаружена в 2017 году в ходе обзора радиотелескопов, потребовалась более острая «зрение» JWST (запущенного в 2021 году), чтобы изучить её окрестности с расстояния 750 световых лет.

PSR J2322–2650b вращается вокруг пульсара. Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, сверхплотные ядра звёзд, взорвавшихся сверхновыми, которые излучают энергию короткими регулярными импульсами. Эти импульсы видны только тогда, когда их подобные маяку лучи электромагнитного излучения направлены прямо на Землю. (И это уже само по себе странно, поскольку ни у одного другого известного пульсара нет планеты-газового гиганта, а вообще планеты у пульсаров — большая редкость.)

Инфракрасные инструменты JWST не могут увидеть сам этот пульсар, потому что он испускает высокоэнергетическое гамма-излучение. Однако эта «слепота» телескопа к пульсару — благо для учёных, так как они могут легко исследовать планету-компаньон PSR J2322–2650b, чтобы понять, какова её атмосфера.

«Эта система уникальна, потому что мы можем наблюдать планету, освещённую своей звездой, но не видеть саму звезду, — сказала в заявлении соавтор исследования Мая Белезнай, докторант по физике Стэнфордского университета. — Мы можем изучить эту систему более детально, чем обычные экзопланеты».

Загадка происхождения

Происхождение PSR J2322–2650b — настоящая загадка. Она находится всего в миллионе миль (1,6 млн км) от своей звезды — почти в 100 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Это кажется ещё более странным, если учесть, что газовые гиганты нашей Солнечной системы находятся гораздо дальше — например, Юпитер в 484 миллионах миль (778 млн км) от Солнца.

Планета обращается вокруг звезды всего за 7,8 часа и имеет форму лимона, потому что гравитационные силы пульсара чрезвычайно сильно действуют на неё. На первый взгляд может показаться, что PSR J2322–2650b могла сформироваться по сценарию, аналогичному системам «чёрной вдовы», где рядом с маленьким пульсаром находится солнцеподобная звезда.

В таких системах пульсар «пожирает» или разрушает близлежащую звезду, подобно мифу о поведении паука-чёрной вдовы, в честь которого это явление и названо. Это происходит потому, что звезда находится так близко к пульсару, что её вещество падает на него. Дополнительное звёздное вещество заставляет пульсар постепенно вращаться быстрее и генерировать мощный «ветер» радиации, который разъедает соседнюю звезду.

Однако ведущий автор исследования Майкл Чжан, постдокторант в области изучения атмосфер экзопланет в Чикагском университете, заявил, что по этому пути трудно понять, как образовалась PSR J2322–2650b. Фактически, формирование планеты на данный момент кажется необъяснимым.

«Эта штука сформировалась как обычная планета? Нет, потому что состав совершенно другой, — сказал Чжан. — Очень трудно представить, как можно получить такой чрезвычайно обогащённый углеродом состав. Кажется, это исключает все известные механизмы образования».

Алмазы в атмосфере

Учёные до сих пор не могут объяснить, как сажа или алмазы присутствуют в атмосфере экзопланеты. Обычно молекулярный углерод не встречается на планетах, очень близких к своим звёздам, из-за экстремальной жары.

Одно из возможных объяснений предложил соавтор исследования Роджер Романи, профессор физики Стэнфордского университета и Института астрофизики частиц и космологии Кавли. Он предположил, что после того, как планета остыла после своего формирования, углерод и кислород в её недрах кристаллизовались.

Но даже это не объясняет всех странных свойств. «Чистые кристаллы углерода всплывают наверх и смешиваются с гелием… но тогда что-то должно удерживать кислород и азот внизу, — пояснил Романи в том же заявлении. — И вот здесь-то и начинается тайна».

Учёные надеются продолжить изучение PSR J2322–2650b. «Приятно, когда знаешь не всё, — сказал Романи. — Я с нетерпением жду, чтобы узнать больше о странностях этой атмосферы. Здорово, когда есть такая головоломка, за которой можно охотиться».

Перспективы исследований

Это открытие бросает вызов фундаментальным представлениям о формировании планет и их атмосфер в экстремальных условиях. Уникальный химический состав PSR J2322–2650b может указывать на совершенно новые, неизвестные науке процессы, происходящие в окрестностях нейтронных звёзд. Учёные предполагают, что дальнейшие наблюдения с помощью JWST и будущих телескопов могут выявить целый класс подобных «алмазных» миров, что перевернёт наши знания о разнообразии планет во Вселенной и границах возможного в планетарной эволюции.