Мафусаил

[vika vorobyeva]

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, 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 100 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 = m_sol + 2,5 lg 331 +2,5 lg (23²) = -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 http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B1620-26 (спасибо Сергею Попову за ссылки!)
период пульсара 0,011 сек,
замедление периода 79 * 10^-20 сек за сек,
потери энергии 2,3 * 10³⁴ 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 http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0109/0109452.pdf
миллисекундные пульсары, тормозящиеся с такой скоростью, имеют рентгеновскую светимость порядка 10³³ 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.

Итак, Мафусаил облучается жестким электромагнитным излучением пульсара. Оно ионизирует атомы водорода и гелия верхней атмосферы, образуя плотную горячую ионосферу планеты. 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. Верхняя атмосфера Мафусаила будет люменисцировать, как экран телевизора, окрашивая небо в призрачный розоватый свет.
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.
Сможет ли эта магнитосфера сдержать потоки пульсарного ветра? Если да, то 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. Если нет, релятивистские электроны и позитроны будут свободно влетать в атмосферу, ионизуя ее на большую глубину и заставляя равномерно светиться. Из космоса планета будет окутана розоватой дымкой пылающей ионосферы с яркими кольцами вокруг магнитных полюсов.

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 одну-две сотни километров, но, скорее всего, нет и их.

Что скажете, друзья? Видны ли косяки в этих рассуждениях?

[ctac]

 Знаешь, Вик - когда я читал весь этот рассказ (вернее расчетную задачку) я себе во всех красках представил эту экзотическую систему - она порясающая!

 Хочется верить, что все верно

[byran]

Насколько я помню, прицип импульнсности радиизлучения пульсара объясняли так, на пульсаре есть небольшая область(области, возможно магнитные полюса) обладающие сильным электромагнитным излучение(от гамма- до радиоизлучения), и периодически появляющаеся на одной линией с Землей, в этот момент мы наблюдаем импульсы,в остальное время излучение довольно слабое(если не минимальное).
Наклон орбиты планеты к нам - 55 градусов, следовательно планета не получает самый сильный поток радиации(который и фиксируют радиотелескопы), и поток получаемого ей излучения возмножно намного меньше чем взятая из полной энергопотери для пульсара, тем более что как я понял излучение не наблюдается в оптическом диапозоне.
Кстате, из-за узкоугольности излучения, обнаруженно лишь менее одного процента от их реальново числа в Галактике.

[byran]

Так как плоскость пульсаций и плоскость орбиты планеты имеют между собой большой угол, то 2 раза за период планеты(100 лет) планета оказывается в зоне очень сильного излучения, значительно более сильного, чем в остальное время, и находиться в этой зоне из-за медленного вращения несколько недель или месяцев.

[T101]

Все же интересно представить, как Мафусаил пережил период аккреции в своей звездной системе! Удивительно просто. Кстати, высказывались мнения, что эта система на самом деле не является родной для Мафусаила, а что он туда когда-то "придрейфовал" в порядке своих путешествий по шаровику.

[byran]

Период акреции на такой большой орбите еще не так существенно, гораздо интересней взрыв сверхновой и коллапс, по некоторым теориям планеты при это просто сходят с орбит и улетают в пространство из-за резкого изменения гравитационого поля

[byran]

А статью про Мафусаил и теорию его захвата я видел кажеться на Астронете.

[bob]

Все же интересно представить, как Мафусаил пережил период аккреции в своей звездной системе! Удивительно просто. Кстати, высказывались мнения, что эта система на самом деле не является родной для Мафусаила, а что он туда когда-то "придрейфовал" в порядке своих путешествий по шаровику.

Все гипотезы с "дрейфами" всегда сверхсомнительны. При построении гипотез следует исходить из образования объекта по месту.

[bob]

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, на 16% больше радиуса Юпитера).

Всё очень разумно Вы написали, но предел Кумара всё-же довольно высок. Раза в два побольше Юпитера планета может быть.

[polar]

Все же интересно представить, как Мафусаил пережил период аккреции в своей звездной системе! Удивительно просто. Кстати, высказывались мнения, что эта система на самом деле не является родной для Мафусаила, а что он туда когда-то "придрейфовал" в порядке своих путешествий по шаровику.

Все гипотезы с "дрейфами" всегда сверхсомнительны. При построении гипотез следует исходить из образования объекта по месту.

Не для шаровых.
Там как раз незамысловатые оценки показывают высокую вероятность всяких захватов и обменов.

[bob]

Не для шаровых.
Там как раз незамысловатые оценки показывают высокую вероятность всяких захватов и обменов.

Согласен, но начинать всё равно стоит с "беззахватных объяснений". Для последовательности.

[vika vorobyeva]

А статью про Мафусаил и теорию его захвата я видел кажеться на Астронете.

Конечно
Прекрасная статья, всем рекомендую:
http://www.astronet.ru/db/msg/1195169

[vika vorobyeva]

Еще пара слов о цвете неба на Мафусаиле.
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.

[vika vorobyeva]

Продолжаем мучить Мафусаил

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 с данной плоскостью не совпадает. Значит, большую часть времени Мафусаил будет облучаться некой «постоянной» (и очень небольшой) долей излучения пульсара, а дважды в течение орбитального периода попадать под бешеный рентгеновский прожектор. Интересно, насколько сильно сколлимирован пульсарный ветер? И насколько сильно отличается светимость пульсара вдоль луча и поперек его?
Сначала посчитаем суммарный энергетический баланс планеты за орбитальный период. В этом случае можно воспользоваться средним значением «пульсарной постоянной» в 15,2 Вт. Насколько я понимаю, альбедо планеты в области дальнего ультрафиолета и рентгена близко к нулю (соответствующие кванты не отражаются, а поглощаются атомами в процессе их ионизации). Тогда средняя температура планеты за период будет равна 128К (я не учитывала внутренние источники тепла, которые, возможно, за 12 миллиардов лет уже иссякли). Если какая-то часть энергии не поглощается, а рассеивается, то температура будет ниже, в районе 100К.
Вместе с тем слишком низкой она тоже не может быть! Мафусаил находится в шаровом скоплении звезд, и суммарное излучение звезд скопления нагреет его атмосферу до 55-60К. Согласно
http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-S?PSR%20B1620-26
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) придадут ей глубокий темно-голубой цвет. Но дважды в год, когда орбита планеты пересекает плоскость излучения пульсара, Мафусаил попадает под пульсарный луч. На верхнюю атмосферу обрушивается поток релятивистских электронов и позитронов вместе с жестким (рентгеновским) излучением. Метановые облака рассеиваются, вокруг планеты розовым сияющим облаком вспыхивает ионосфера. Температура атмосферы повышается в несколько раз. Насколько? Зависит от степени сколлимированности пульсарного луча.
Отклоненные магнитным полем к магнитным полюсам планеты, в атмосферу вторгается ливень релятивистских частиц. В области магнитных полюсов температура может подняться до сотен (может, и до тысячи) кельвинов! Мощные полярные сияния охватят всю планету. Небо Мафусаила – причем не только дневное, но и ночное – будет ярко светиться в линиях водорода и гелия. Метеорологию планеты я описать не берусь (особенно если учесть, что положение магнитных полюсов может и не совпадать с положением полюсов географических, и наиболее нагретыми могут оказаться средние широты планеты).

Роем дальше?

[byran]

Осталось эту красоту зарисовать.  Глаз Соурана направленный на планету, и яркие разноцветные полярные сияния пляшущие в околопланетном пространстве, и восторженные радиострономы на Земле, регистрирующие ослабление сигнала с последующим определение диаметра(! первое радиозатмение) 
Вика у Вас редкий дар из ничего сделать произведение исскуства 

[byran]

А какое там небо, все усеянное тусклыми красными звездами. Учитывая, что среднее расстояние может достигать нескольких световых месяцев, то они могут быть достаточно яркие. Ну и конечно куча экзотики - черные и нейтроные дыры в относительной близости. Настоящее раздолье для тамошних астрономов   

[T101]

... если они там есть в таких-то условиях

Меня вот гложат сомнения относительно метановых облаков - учитывая древность планетки, она наверняка должна быть почти целиком водородно-гелиевой...

[Mihail Sedyh]

А как далеко М4 находится от плоскости галактической эклиптики и какое расстояние между компонентами системы?

[bob]

... если они там есть в таких-то условиях

Меня вот гложат сомнения относительно метановых облаков - учитывая древность планетки, она наверняка должна быть почти целиком водородно-гелиевой...

Облака - ничтожно малый слой. С такого объёма можно даже и сотые доли процента кислорода наскрести и получится довольно мощная по земным понятиям толща. А метана везде хватает, где есть водород.

[vika vorobyeva]

Немного порылась в Гугле о шаровом скоплении М4.
Вроде бы это ближайшее к Солнцу шаровое скопление. Расстояние до него составляет 3800 пк, согласно Н.Александровичу (http://hea.iki.rssi.ru/~nick/ast_f1_k.htm) его угловой диаметр 22`, оно включает в себя несколько сотен тысяч звезд (для определенности будем считать, что их там 3 * 10<sup>5</sup> 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 (я не очень наврала, так бывает?) Тогда среднее расстояние между звездами составит 0,1 пк или 20 тыс. а.е. В 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 (может, в несколько десятков) раз.
Заметим, что цвет этих звезд не обязан быть тускло-красным. Там должно быть много красных и желтых гигантов, звезд главной последовательности спектрального класса G и приличное количество звезд на горизонтальной ветви (а они бывают и белые). Конечно, желто-оранжевых звезд будет заметно больше, чем в небе Земли.