древнейшая планета
Мафусаил - древнейшая планета из известных на данный момент. Она образовалась в шаровом скоплении М4 около 12 миллиардов лет назад. У этой планеты бурная и необычная история. Сейчас она вращается на расстоянии 23 а.е. вокруг пары белый карлик - миллисекундный пульсар, делая один оборот примерно за 100 лет.
Как может выглядеть Мафусаил?
Его масса, определенная по влиянию на пульсар, составляет 2,5 ± 1 масс Юпитера, иначе говоря, это газовый гигант. По всей видимости, его радиус близок к радиусу Юпитера, являющегося естественным пределом для массивных газовых планет (коричневые карлики имеют примерно тот же радиус, радиус самой маломассивной звезды главной последовательности, известной на данный момент, всего на 16% больше радиуса Юпитера). Химический состав звезд, образующих скопление М4, отличается от солнечного. Это очень древние звезды, и тяжелых элементов в них примерно в 20 раз меньше, чем на Солнце. По всей видимости, химический состав Мафусаила тоже резко обеднен тяжелыми элементами, т.е. он состоит почти целиком из водорода и гелия.
Итак, Мафусаил вращается вокруг белого карлика и миллисекундного пульсара. Видимая (с Земли) звездная величина белого карлика +24, что при расстоянии 3800 пк до скопления дает абсолютную звездную величину этой звезды +11,1. Его светимость в 331 раз меньше светимости Солнца.
На расстоянии 23 а.е. его видимая звездная величина будет составлять
M = msol + 2,5 lg 331 + 2,5 lg (23*23) = -26,3 + 6,3 + 6,8 = -13,2!
Белый карлик в небе Мафусаила будет светить всего лишь чуть ярче полной Луны и выглядеть яркой голубовато-белой звездой. Если бы не пульсар, Мафусаил был бы погружен в вечную ночь.
Миллисекундный пульсар - очень старая нейтронная звезда, повторно сильно раскрученная падением вещества звезды-компаньона (белый карлик - остаток этой звезды). Аккреция закончилась примерно 480 млн. лет назад, и теперь светимость пульсара сравнительно невелика. Невелика для пульсаров, но по сравнению со светимостью белого карлика она огромна!
Согласно vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B162...
период этого пульсара 0,011 сек,
замедление периода 79 * 10 сек за сек,
потери энергии 2,3 * 10 эрг/сек или 5,75 светимостей Солнца.
При этом на глубоких снимках М4, где и был обнаружен белый карлик - орбитальный партнер пульсара - самого пульсара нет. Значит, оптическое излучение пульсара как минимум в несколько раз слабее оптического излучения белого карлика. В основном пульсар теряет энергию, излучая пульсарный ветер - мощные потоки заряженных частиц, в основном электронов и позитронов, образующихся в его магнитосфере и ускоренных в ней до релятивистских энергий. В потоках пульсарного ветра генерируются всплески радиоизлучения, регистрируемые на Земле. Там же возникает жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское нетепловое излучение пульсара.
Согласно arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0109/0109452.pd...
миллисекундные пульсары, тормозящиеся с такой скоростью, имеют рентгеновскую светимость порядка 10 эрг/сек, или десятки процентов от светимости Солнца, только в диапазоне 2-10 кэв (рентгеновский диапазон) Это излучение возникает как на поверхности самого пульсара, так и в его магнитосфере.
В предположении изотропного излучения миллисекундного пульсара "пульсарная постоянная" на расстоянии 23 а.е. от него составит 15,2 Вт/кв.м. Однако очевидно, что условие изотропности излучения в данной системе не выполняется. Основная доля энергии излучается в плоскости, обегаемой лучом пульсара. Плоскость орбиты Мафусаила наклонена под углом 55 градусов к лучу зрения и с данной плоскостью не совпадает. Значит, большую часть времени Мафусаил будет облучаться белым карликом и некой "постоянной" (и очень небольшой) долей излучения пульсара, а дважды в течение орбитального периода, там, где плоскость его орбиты пересекает плоскость излучения пульсара, попадать под яростный пульсарный луч.
Сначала посчитаем суммарный энергетический баланс планеты за орбитальный период. В этом случае можно воспользоваться средним значением "пульсарной постоянной" в 15,2 Вт/кв.м. По-видимому, альбедо планеты в области дальнего ультрафиолета и рентгена близко к нулю (соответствующие кванты не отражаются, а поглощаются атомами в процессе их ионизации). В этом случае средняя температура планеты за период будет равна 128К или -145С (здесь не учитываются внутренние источники тепла, которые, возможно, за 12 миллиардов лет уже иссякли). Если какая-то часть энергии не поглощается, а рассеивается, то средняя температура будет чуть ниже, в районе 100-110К. Вместе с тем слишком низкой она тоже быть не может! Мафусаил находится в шаровом скоплении, и суммарное излучение звезд скопления нагреет его атмосферу до 55-60К.
Согласно vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B162...
температура фона неба за пульсаром составляет 55,5К, это явно следствие излучения звезд М4.
Итак, большую часть своего года Мафусаил нагревается излучением белого карлика, суммарным излучением звезд М4 и имеет температуру 60-80К. При таких температурах планета будет окутана легкими облаками из замерзшего метана, которые (в сочетании с релеевским рассеянием света белого карлика в прозрачной атмосфере) придадут ей глубокий темно-голубой цвет. Глубокая синева и легкие облака сделают ее похожей на планету Нептун.
Однако дважды за орбитальный период, иначе говоря, каждые 50 лет, Мафусаил на несколько месяцев попадает под яростный пульсарный луч. На верхнюю атмосферу планеты обрушивается пульсирующий поток релятивистских электронов и позитронов вместе с жестким (рентгеновским) излучением пульсара. Коротковолновое излучение ионизирует атомы водорода и гелия верхней атмосферы, образуя плотную горячую ионосферу планеты. Метановые облака испаряются и рассеиваются. Температура атмосферы повышается в несколько раз.
При рекомбинации атомы излучают в линиях, в том числе и в оптической области спектра. Водород излучает в линиях Бальмеровской серии, самой мощной из которых будет линия Нальфа (656 нм) в красной части спектра. У гелия довольно много линий в оптической части спектра, но самые интенсивные из них это:
389 нм (фиолетовая) - относительная интенсивность 5,
447 нм (синяя) - относительная интенсивность 2,
502 нм (зеленая) - относительная интенсивность 1,
588 нм (желтая) - относительная интенсивность 5,
668 нм (оранжевая) - относительная интенсивность 1,
707 нм (красная) - относительная интенсивность 2.
Судя по всему, суммарное излучение в линиях гелия вызвало бы у человека ощущение белого цвета или близкое к нему. Так что вклад гелия в окрашивание неба Мафусаила невелик и цвет неба будет определяться бальмеровской (альфа) линией водорода. Верхняя атмосфера Мафусаила будет люменисцировать, как экран телевизора, окрашивая небо в призрачный розовый цвет.
Есть ли у Мафусаила магнитное поле? Я думаю, да. Его недра состоят из жидкого металлического водорода, подобно недрам Юпитера. Жидкий металлический водород - прекрасный проводник. Если планета за 12 миллиардов лет сохранила свое быстрое вращение (а почему бы и нет?), Мафусаил будет окружать мощная магнитосфера. Под влиянием магнитосферы потоки релятивистских электронов и позитронов будут вторгаться в атмосферу планеты лишь в зоне магнитных полюсов, окрашивая небо огненно-ярким полярным сиянием и прогревая ее именно в этих зонах - до сотен (а может, и до тысячи) кельвинов. При взгляде из космоса планета будет окутана розоватой дымкой пылающей ионосферы с яркими кольцами вокруг магнитных полюсов.
Так представляет себе Мафусаил художник Алексей Корецкий
Ночное небо Мафусаила.
М4 - ближайшее к Солнцу шаровое скопление. Расстояние до него составляет 3800 пк, его угловой диаметр около 22`, оно включает в себя несколько сотен тысяч звезд (для определенности будем считать, что их там 300000 штук). На расстоянии 3800 пк угловой диаметр 22` соответствуют 5016000 а.е. или 24,3 пк. Это дает среднюю звездную плотность в скоплении 40,4 звезды на кубический парсек. В центре скопления (где сейчас и находится Мафусаил) звездная плотность в десятки раз выше. Пусть она составляет 1000 звезд на кубический парсек. Тогда среднее расстояние между звездами составит 0,1 пк или 20 тыс. а.е. В сияющем ночном небе Мафусаила будет множество звезд, ярчайшие из которых будут достигать -6, -7 звездной величины (в несколько раз ярче Венеры!) Получается, что ночное небо Мафусаила не так уж сильно отличается от его дневного неба. Конечно, белый карлик - крохотное местное солнышко - будет заметно ярче других звезд (видимая звездная величина -13,2), но разница между ним и ярчайшими ночными звездами будет совсем не так велика, как между Луной и Солнцем или между Луной и Венерой в небе Земли. Учитывая, что ярких и неярких звезд в небе Мафусаила очень много, а белый карлик один, освещенность на дневной и ночной стороне планеты будет различаться всего в несколько раз.
Есть ли у Мафусаила спутники? Я думаю, нет, во всяком случае, крупных. Сформированная из вещества, бедного тяжелыми элементами, планета могла иметь ледяные спутники на заре своего существования. Но многочисленные вспышки сверхновых в М4 и мощное излучение аккрецирующего пульсара давно испарили все льды. Могло остаться несколько каменных спутников размером в одну-две сотни километров, но, скорее всего, нет и их.
Мафусаил - древнейшая планета из известных на данный момент. Она образовалась в шаровом скоплении М4 около 12 миллиардов лет назад. У этой планеты бурная и необычная история. Сейчас она вращается на расстоянии 23 а.е. вокруг пары белый карлик - миллисекундный пульсар, делая один оборот примерно за 100 лет.
Как может выглядеть Мафусаил?
Его масса, определенная по влиянию на пульсар, составляет 2,5 ± 1 масс Юпитера, иначе говоря, это газовый гигант. По всей видимости, его радиус близок к радиусу Юпитера, являющегося естественным пределом для массивных газовых планет (коричневые карлики имеют примерно тот же радиус, радиус самой маломассивной звезды главной последовательности, известной на данный момент, всего на 16% больше радиуса Юпитера). Химический состав звезд, образующих скопление М4, отличается от солнечного. Это очень древние звезды, и тяжелых элементов в них примерно в 20 раз меньше, чем на Солнце. По всей видимости, химический состав Мафусаила тоже резко обеднен тяжелыми элементами, т.е. он состоит почти целиком из водорода и гелия.
Итак, Мафусаил вращается вокруг белого карлика и миллисекундного пульсара. Видимая (с Земли) звездная величина белого карлика +24, что при расстоянии 3800 пк до скопления дает абсолютную звездную величину этой звезды +11,1. Его светимость в 331 раз меньше светимости Солнца.
На расстоянии 23 а.е. его видимая звездная величина будет составлять
M = msol + 2,5 lg 331 + 2,5 lg (23*23) = -26,3 + 6,3 + 6,8 = -13,2!
Белый карлик в небе Мафусаила будет светить всего лишь чуть ярче полной Луны и выглядеть яркой голубовато-белой звездой. Если бы не пульсар, Мафусаил был бы погружен в вечную ночь.
Миллисекундный пульсар - очень старая нейтронная звезда, повторно сильно раскрученная падением вещества звезды-компаньона (белый карлик - остаток этой звезды). Аккреция закончилась примерно 480 млн. лет назад, и теперь светимость пульсара сравнительно невелика. Невелика для пульсаров, но по сравнению со светимостью белого карлика она огромна!
Согласно vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B162...
период этого пульсара 0,011 сек,
замедление периода 79 * 10 сек за сек,
потери энергии 2,3 * 10 эрг/сек или 5,75 светимостей Солнца.
При этом на глубоких снимках М4, где и был обнаружен белый карлик - орбитальный партнер пульсара - самого пульсара нет. Значит, оптическое излучение пульсара как минимум в несколько раз слабее оптического излучения белого карлика. В основном пульсар теряет энергию, излучая пульсарный ветер - мощные потоки заряженных частиц, в основном электронов и позитронов, образующихся в его магнитосфере и ускоренных в ней до релятивистских энергий. В потоках пульсарного ветра генерируются всплески радиоизлучения, регистрируемые на Земле. Там же возникает жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское нетепловое излучение пульсара.
Согласно arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0109/0109452.pd...
миллисекундные пульсары, тормозящиеся с такой скоростью, имеют рентгеновскую светимость порядка 10 эрг/сек, или десятки процентов от светимости Солнца, только в диапазоне 2-10 кэв (рентгеновский диапазон) Это излучение возникает как на поверхности самого пульсара, так и в его магнитосфере.
В предположении изотропного излучения миллисекундного пульсара "пульсарная постоянная" на расстоянии 23 а.е. от него составит 15,2 Вт/кв.м. Однако очевидно, что условие изотропности излучения в данной системе не выполняется. Основная доля энергии излучается в плоскости, обегаемой лучом пульсара. Плоскость орбиты Мафусаила наклонена под углом 55 градусов к лучу зрения и с данной плоскостью не совпадает. Значит, большую часть времени Мафусаил будет облучаться белым карликом и некой "постоянной" (и очень небольшой) долей излучения пульсара, а дважды в течение орбитального периода, там, где плоскость его орбиты пересекает плоскость излучения пульсара, попадать под яростный пульсарный луч.
Сначала посчитаем суммарный энергетический баланс планеты за орбитальный период. В этом случае можно воспользоваться средним значением "пульсарной постоянной" в 15,2 Вт/кв.м. По-видимому, альбедо планеты в области дальнего ультрафиолета и рентгена близко к нулю (соответствующие кванты не отражаются, а поглощаются атомами в процессе их ионизации). В этом случае средняя температура планеты за период будет равна 128К или -145С (здесь не учитываются внутренние источники тепла, которые, возможно, за 12 миллиардов лет уже иссякли). Если какая-то часть энергии не поглощается, а рассеивается, то средняя температура будет чуть ниже, в районе 100-110К. Вместе с тем слишком низкой она тоже быть не может! Мафусаил находится в шаровом скоплении, и суммарное излучение звезд скопления нагреет его атмосферу до 55-60К.
Согласно vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B162...
температура фона неба за пульсаром составляет 55,5К, это явно следствие излучения звезд М4.
Итак, большую часть своего года Мафусаил нагревается излучением белого карлика, суммарным излучением звезд М4 и имеет температуру 60-80К. При таких температурах планета будет окутана легкими облаками из замерзшего метана, которые (в сочетании с релеевским рассеянием света белого карлика в прозрачной атмосфере) придадут ей глубокий темно-голубой цвет. Глубокая синева и легкие облака сделают ее похожей на планету Нептун.
Однако дважды за орбитальный период, иначе говоря, каждые 50 лет, Мафусаил на несколько месяцев попадает под яростный пульсарный луч. На верхнюю атмосферу планеты обрушивается пульсирующий поток релятивистских электронов и позитронов вместе с жестким (рентгеновским) излучением пульсара. Коротковолновое излучение ионизирует атомы водорода и гелия верхней атмосферы, образуя плотную горячую ионосферу планеты. Метановые облака испаряются и рассеиваются. Температура атмосферы повышается в несколько раз.
При рекомбинации атомы излучают в линиях, в том числе и в оптической области спектра. Водород излучает в линиях Бальмеровской серии, самой мощной из которых будет линия Нальфа (656 нм) в красной части спектра. У гелия довольно много линий в оптической части спектра, но самые интенсивные из них это:
389 нм (фиолетовая) - относительная интенсивность 5,
447 нм (синяя) - относительная интенсивность 2,
502 нм (зеленая) - относительная интенсивность 1,
588 нм (желтая) - относительная интенсивность 5,
668 нм (оранжевая) - относительная интенсивность 1,
707 нм (красная) - относительная интенсивность 2.
Судя по всему, суммарное излучение в линиях гелия вызвало бы у человека ощущение белого цвета или близкое к нему. Так что вклад гелия в окрашивание неба Мафусаила невелик и цвет неба будет определяться бальмеровской (альфа) линией водорода. Верхняя атмосфера Мафусаила будет люменисцировать, как экран телевизора, окрашивая небо в призрачный розовый цвет.
Есть ли у Мафусаила магнитное поле? Я думаю, да. Его недра состоят из жидкого металлического водорода, подобно недрам Юпитера. Жидкий металлический водород - прекрасный проводник. Если планета за 12 миллиардов лет сохранила свое быстрое вращение (а почему бы и нет?), Мафусаил будет окружать мощная магнитосфера. Под влиянием магнитосферы потоки релятивистских электронов и позитронов будут вторгаться в атмосферу планеты лишь в зоне магнитных полюсов, окрашивая небо огненно-ярким полярным сиянием и прогревая ее именно в этих зонах - до сотен (а может, и до тысячи) кельвинов. При взгляде из космоса планета будет окутана розоватой дымкой пылающей ионосферы с яркими кольцами вокруг магнитных полюсов.
Так представляет себе Мафусаил художник Алексей Корецкий
Ночное небо Мафусаила.
М4 - ближайшее к Солнцу шаровое скопление. Расстояние до него составляет 3800 пк, его угловой диаметр около 22`, оно включает в себя несколько сотен тысяч звезд (для определенности будем считать, что их там 300000 штук). На расстоянии 3800 пк угловой диаметр 22` соответствуют 5016000 а.е. или 24,3 пк. Это дает среднюю звездную плотность в скоплении 40,4 звезды на кубический парсек. В центре скопления (где сейчас и находится Мафусаил) звездная плотность в десятки раз выше. Пусть она составляет 1000 звезд на кубический парсек. Тогда среднее расстояние между звездами составит 0,1 пк или 20 тыс. а.е. В сияющем ночном небе Мафусаила будет множество звезд, ярчайшие из которых будут достигать -6, -7 звездной величины (в несколько раз ярче Венеры!) Получается, что ночное небо Мафусаила не так уж сильно отличается от его дневного неба. Конечно, белый карлик - крохотное местное солнышко - будет заметно ярче других звезд (видимая звездная величина -13,2), но разница между ним и ярчайшими ночными звездами будет совсем не так велика, как между Луной и Солнцем или между Луной и Венерой в небе Земли. Учитывая, что ярких и неярких звезд в небе Мафусаила очень много, а белый карлик один, освещенность на дневной и ночной стороне планеты будет различаться всего в несколько раз.
Есть ли у Мафусаила спутники? Я думаю, нет, во всяком случае, крупных. Сформированная из вещества, бедного тяжелыми элементами, планета могла иметь ледяные спутники на заре своего существования. Но многочисленные вспышки сверхновых в М4 и мощное излучение аккрецирующего пульсара давно испарили все льды. Могло остаться несколько каменных спутников размером в одну-две сотни километров, но, скорее всего, нет и их.
@темы: Астрономия