Astrophysiker an der Universität Leiden (Niederlande) Michel Kama und Alessandro Patruno haben bewiesen, dass lebensfähige Planeten um Neutronensterne existieren können. Unter bestimmten Bedingungen befinden sich die Supererden PSR B1257 + 12 d und PSR B1257 + 12 c, die die Namen Fobetor und Poltergeist erhielten, in der bewohnbaren Zone des PSR B1257 + 12-Sterns namens Lich. Die Studie zu diesem Thema wurde von den Autoren in einer der Fachpublikationen veröffentlicht.
Derzeit kennen Wissenschaftler etwa dreitausend Neutronensterne, aber nur zwei von ihnen haben zuverlässig Planetensysteme, und einige haben möglicherweise solche Systeme. Es ist zu beachten, dass die ersten Exoplaneten genau in der Nähe eines Neutronensterns entdeckt wurden. Es geschah 1991. Die Entdeckung wurde vom polnisch-amerikanischen Radioastronomen A. Wolschan gemacht, der zwei Exoplaneten in der Nähe von PSR B1257 + 12 entdeckte - Fobetor und Poltergeist. Jeder von ihnen ist ungefähr viermal schwerer als unser Planet. Ein Jahr später wurde diese Entdeckung vom kanadischen Astronomen Dale Frail bestätigt.
Nach einiger Zeit wurde dort ein weiterer Exoplanet entdeckt, PSR B1257 + 12 b, der 50-mal leichter als die Erde war. Es befindet sich sehr nahe an einem Neutronenstern, daher sind die Bedingungen selbst für das extremste Leben nicht geeignet. Was den Poltergeist betrifft, so ist dieser Exoplanet 4,3-mal schwerer als die Erde. Auf seiner Oberfläche erreicht die Temperatur 51-652 Kelvin. Der Planet dreht sich in einer Entfernung von 0,36 astronomischen Einheiten mit einem Zeitraum von 66 Tagen um den Pulsar. Der zweite Exoplanet, Phobetor, ist weiter vom Pulsar entfernt und etwas schwerer als der Poltergeist.
Der Stern PSR B1257 + 12 selbst befindet sich im Sternbild Jungfrau in einer Entfernung von 2,3 Tausend Lichtjahren von unserem Planeten. Es ist ungefähr 1,4-mal schwerer als die Sonne, aber ungefähr 125 Billionen Mal kleiner als sie (der Radius des Pulsars beträgt nur 10 Kilometer). Astronomen schätzen das Alter von PSR B1257 + 12 auf etwa eine Milliarde Jahre, dh der Pulsar ist viermal jünger als die Sonne. Der Stern dreht sich mit einer Zeitspanne von 0,06 Sekunden, von denen Hochleistungsröntgenstrahlen in den umgebenden Raum ausgehen. Früher dachte man, das Leben auf diesen beiden Exoplaneten sei unmöglich, aber Patruno und Kama konnten beweisen, dass dies nicht der Fall war.
Die Bildung von Neutronensternen erfolgt infolge einer Supernova-Explosion, nach der sich häufig genug Materie im Orbit befindet, um eine protoplanetare Scheibe zu bilden. Neben dem Pulsar PSR B1257 + 12 wurden auch Exoplaneten um PSR J1719-1438 entdeckt. Der kohlenstoffreiche Satellit PSR J1719-1438 b war möglicherweise zuvor ein weißer Zwerg. Wissenschaftler geben auch zu, dass in der Nähe von PSR J1937 + 21 ein Asteroidengürtel existieren könnte. Darüber hinaus interpretieren Wissenschaftler einige astronomische Phänomene, insbesondere den Gammastrahlenausbruch GRB 101225A, als Kollision eines Neutronensterns mit einem Asteroiden oder Kometen.
Forscher haben traditionell drei Arten von Planeten identifiziert, die sich in der Nähe von Neutronensternen befinden können. Der erste Typ umfasst typische Planeten, die ein Nebenprodukt der Sternentstehung sind und sich bereits vor der Supernova-Explosion und dem Auftreten des Neutronensterns selbst gebildet haben. Der zweite Typ umfasst Planeten, die aus der Materie gebildet werden, die nach einer Supernova-Explosion in der Nähe eines Neutronensterns übrig geblieben ist. Planeten des dritten Typs sind Planeten, die aus der Materie eines zerstörten Satelliten eines Neutronensterns gebildet wurden (z. B. PSR J1719-1438 b). Dieser Typ ist typisch für Satelliten mit Millisekundensternen, insbesondere für PSR B1257 + 12 und PSR J1719-1438.
Wissenschaftler spekulieren, dass Planeten um Neutronensterne eher die Ausnahme als die Regel sind. Hochenergetisches Gamma und Röntgenstrahlen sowie der sogenannte Pulsarwind können jedes Objekt über einen Zeitraum von einer Million bis zu einer Milliarde Jahren zerstören. Gleichzeitig hat ein relativ kleiner Himmelskörper, der weit genug vom Stern entfernt ist, die Chance, eine stabile Umlaufbahn für lange Zeit aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund erreicht die Anzahl der Planetensysteme um sie herum trotz der relativ geringen Anzahl von Pulsaren mit Planeten aufgrund der großen Anzahl von Neutronensternen selbst (etwa eine Milliarde) in der Milchstraße 10 Millionen.
Planetensysteme in der Nähe von Pulsaren müssen denen in der Nähe von Hauptreihensternen nicht ähnlich sein. So wird beispielsweise die Bewohnbarkeit eines Planeten normalerweise durch Begriffe wie die Gleichgewichtsoberflächentemperatur und die gegebene Strahlungsenergie definiert, die vom Wirtsstern empfangen wird. Diese Energie wird in erster Näherung berechnet, wenn die Schwarzkörperstrahlung im optischen, infraroten oder ultravioletten Bereich ihr Maximum erreicht. In diesem Fall werden typische bewohnbare Zonen in einer Entfernung von wenigen Anteilen bis zu astronomischen Einheiten identifiziert.
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Die bewohnbare Zone, die viel kleiner ist als in der Nähe der Sterne der Hauptsequenz, wird für weiße Zwerge berechnet (die Sonne wird in 8 Milliarden Jahren zu einem Objekt dieser Art). Wenn der Stern in 3 Milliarden Jahren auf eine Temperatur von etwa 10 000 Kelvin abkühlt, befindet sich der Standort der bewohnbaren Zone in einer Entfernung von 0,005 bis 0,02 astronomischen Einheiten. Wenn es um Neutronensterne geht, entspricht die hellste Schwarzkörperstrahlung Röntgenstrahlen, wenn viele hochenergetische ionisierende Teilchen beobachtet werden. Gleichzeitig fehlt praktisch ultraviolette, optische und infrarote Strahlung.
Die Autoren der Studie verwendeten eine spezielle Software, die Fotos des PSR B1257 + 12-Systems analysiert, die am 3. Mai 2007 mit dem Chandra-Röntgenraumteleskop aufgenommen wurden. Darüber hinaus verwendeten sie Beobachtungsdaten vom 22. Mai 2005, um ihre Ergebnisse mit denen anderer Wissenschaftler zu vergleichen. Nach vorläufigen Schätzungen erreicht die Oberflächentemperatur des Pulsars 1,1 Millionen Kelvin, und in der Nähe davon kann in einem Abstand von einem Bruchteil astronomischer Einheiten eine Staubscheibe existieren.
Für ein mögliches Leben auf Phobetor und Poltergeist können Röntgenstrahlen die Hauptgefahr und gleichzeitig die Hauptwärmequelle sein, was zu einer erheblichen Erwärmung der Atmosphäre der Planeten führen kann. Gamma- und harte Röntgenstrahlen dringen viel tiefer in die Atmosphäre ein als weiche Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung. Falls die Gashüllen jedoch breit sind, kann gefährliche Strahlung die Oberfläche des Planeten nicht erreichen.
Nach den Annahmen von Kama und Patruno sollten sich die Planeten, die sich um isolierte Pulsare drehen, wie Himmelskörper entwickeln, die sich um die Hauptreihensterne drehen, die zu Beginn ihrer Entwicklung starke Röntgenstrahlen aussenden. Auf unserem Planeten werden Röntgenstrahlen schnell von der Thermosphäre blockiert, in der Gas ionisiert wird, wenn es mit Ultraviolett- und Röntgenstrahlen interagiert. Diese Schicht hat eine ziemlich hohe Temperatur, die Hunderttausende von Kelvin beträgt. Gleichzeitig ist diese Schicht als Wärmequelle unwirksam, weil sie verdünnt ist.
Nach der allgemein anerkannten These ist die bewohnbare Zone das Gebiet um einen Stern, in dem ein erdähnlicher Planet (dh ein Planet mit einer Atmosphäre aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser) eine ausreichende Menge an flüssigem Wasser auf seiner Oberfläche haben kann. Sehr oft eine notwendige, aber unzureichende Bedingung für die Bewohnbarkeit des Planeten, glauben Wissenschaftler, dass der Indikator für seine Gleichgewichtstemperatur nicht unter 270 Kelvin fällt. Kama und Patruno berechneten die bewohnbare Zone um den Pulsar PSR B1257 + 12 anhand von Schätzungen der Strahlung, die Phobetor und Poltergeist erreicht, und stellten die Hypothese auf, dass die Gleichgewichtstemperatur der beiden Supererden 175-275 Kelvin beträgt.
Dies ist durchaus möglich, da die Atmosphäre großer Planeten einen höheren Temperaturgradienten aufweist als auf der Erde, deren Atmosphäre ziemlich homogen ist. Auf dieser Grundlage gelangten die Forscher zu dem Schluss, dass alle drei Planeten des PSR B1257 + 12-Systems für das Leben ungeeignet sind, wenn Röntgenstrahlen die Hauptenergiequelle für die Planeten sind, da es dort zu kalt ist. Berücksichtigt man jedoch die Gammastrahlung, die durch den Pulsarwind in der Atmosphäre der Planeten entsteht, so verschieben sich die Grenzen der bewohnbaren Zone um 2-5 astronomische Einheiten.
Zwischen diesen beiden möglichen Szenarien gibt es eine Reihe von Parametern, in denen Fobetor und Poltergeist in die bewohnbare Zone fallen. Darüber hinaus haben die Autoren der Studie bewiesen, dass der älteste dem Menschen bekannte Planet - PSR B1620-26 - selbst im optimistischsten Fall nicht bewohnbar sein kann. In Bezug auf den Pulsar PSR J1719-1438 liegen den Wissenschaftlern derzeit zu wenig Daten zur Röntgenstrahlung vor, sodass keine eindeutigen Schlussfolgerungen gezogen werden können. Laut Wissenschaftlern ist die Röntgenhelligkeit der meisten isolierten Pulsare mit dem Abfluss von Materie in einen Begleiter auf einen Neutronenstern (die sogenannte Bondi-Hoyle-Akkretion) viel höher als die von PSR B1257 + 12, was in diesem Sinne atypisch ist.
Mit anderen Worten, für erdähnliche Planeten existiert die bewohnbare Zone um einen Neutronenstern für eine relativ kurze Zeit. Und für Superländer mit einer dichten Atmosphäre dauert die bewohnbare Zone viel länger. Wissenschaftler errechneten, dass wenn unser Planet 1-10 astronomische Einheiten von PSR B1257 + 12 wäre, während wenn seine Atmosphäre etwa ein Prozent der Masse des gesamten Planeten ausmachen würde, die Erde ihre Gashülle in etwa verlieren würde 10 Millionen Jahre. Unter den gleichen Bedingungen hätten Supererden mit dicken Atmosphären in etwa einer Billion Jahren ihre Gashülle verloren.
Wie die Forscher feststellen, besteht die größte Gefahr für die Atmosphäre nicht in Röntgenstrahlen, sondern in Pulsarwinden. Sie wirken zu einer bestimmten Zeit - es gibt eine Art Todeslinie, die den Moment bestimmt, in dem der Neutronenstern aufhört, Wind zu produzieren. Bei jungen Pulsaren geschieht dies in etwa einer Million Jahren und bei Millisekundensternen in Milliarden von Jahren. Laut Wissenschaftlern wird dadurch jedoch die Energiequelle des Planeten eliminiert, wodurch seine Temperatur stark sinkt und jede Möglichkeit zur Bestimmung der bewohnbaren Zone ausgeschlossen wird. In diesem Fall bleibt jedoch die Bondi-Hoyle-Akkretion bestehen, die genügend Röntgenstrahlung erzeugen und so den Planeten erwärmen kann. Zusätzlich kann die Temperatur durch Gezeitenerwärmung aufrechterhalten werden.
Falls die Rotationsachse des Neutronensterns und die Magnetachse stark voneinander abweichen, erreicht der Pulsarwind möglicherweise überhaupt nicht die Oberfläche des Planeten. In der Äquatorialebene, in der sich die Planeten häufig befinden, gibt es keinen Pulsarwind, sondern nur Röntgenstrahlung. Wissenschaftler für einen solchen Fall errechneten, dass die Atmosphäre von Phobetor und Poltergeist über 850 Millionen Jahre ungefähr 0,0005 Erdmassen verloren hat, was ungefähr 0,0001 seiner eigenen Masse entspricht. Dies ist sehr gering, insbesondere wenn die Atmosphäre PSR B1257 + 12 d und PSR B1257 + 12 c nach allgemein anerkannter Annahme etwa ein Prozent der Masse der Planeten ausmachen.
Diese Studie bietet keine Gelegenheit, eindeutige Schlussfolgerungen zu ziehen, dass sich Supererden in der Nähe von PSR B1257 + 12 in der bewohnbaren Zone befinden. Derzeit ist seine Bestimmung für Pulsare, einschließlich des Neutronensterns PSR B1257 + 12, nicht möglich. Gleichzeitig zeigte die Studie, dass diese Planeten theoretisch für das Leben geeignet sein können, wenn Phobetor und Poltergeist eine starke und dichte Atmosphäre haben.
