脉冲星周边行星的大气过程与宜居性问题
脉冲星是大质量恒星濒死时分爆发后留下的致密残骸。按照一般人的直觉，超新星的猛烈程度足以摧毁周边的一切，在脉冲星周围寻找可能的行星并探讨其是否适合生命存在，无异于天方夜谭。但是第一批已知的系外行星就是20世纪90年代在毫秒脉冲星PSR B1257+12周围发现的，其中更有一颗质量只及地球50分之一的小家伙，至今仍保持着最小质量行星的桂冠。自那以后，人们又在多颗脉冲星（甚至包括著名的杰敏卡）周围发现了行星的踪影，其中有的已经得到了证实，有的身份可疑，还有待进一步验证。
PSR B1257+12及其行星系统。（图片提供：NASA/JPL-Caltech）
这些生活在极端环境下的系外行星可能的来源有三，包括脉冲星前身星周围被烧蚀过的“初代”行星、超新星爆发后回落物质在脉冲星旁边新形成的“二代”行星，再有就是像B1257+12系统这样借助被吸积的伴星物质形成的“三代”行星。行星的存在意味着生命出现的可能性，那么在脉冲星周围沐浴在强辐射场以及高能粒子云之中的行星可否宜居？近来的一篇论文就从行星大气过程的角度探讨了这个问题。
对于普通恒星周围的行星来说，考察宜居性的第一步是要看一看它与主星的距离。一般认为，只有行星与恒星相距不近不远，能容许星球表面存在液态水，才好进一步讨论生命的存在性。这个恰到好处的宜居带的范围自然就取决于恒星的性质，表面温度和光度越低，同主星的距离也就越近。但是对于脉冲星这样的致密天体来说，事情没有那么简单。
不同中子星的辐射环境性质差异较大，需要分门别类看待。这类天体大致可以分为4种：由星体自转能驱动的年轻孤立中子星、通过吸积而加速到毫秒级自转周期的年老“回收”脉冲星、正在吸积伴星物质的脉冲星，再有就是以热辐射为主的孤立暗弱中子星。这其中的前3种都会通过自转减慢过程释放相对论性粒子流（所谓脉冲星风是也）；同时星体的强磁场在距离星球表面较远的区域（光速圆柱之外）以环形分布，随距离的增加而减小。只有不与任何超新星遗迹或伴星成协，且并不伴随射电辐射的孤立中子星发出的辐射源自表面的热辐射，但它们因为是直接暴露在星际介质中的，所以也会伴以Bondi-Hoyle吸积过程，并在此期间产生额外的辐射。这样看来，所有中子星都身处高能光子和带电粒子的环绕之中，要想讨论其附近的宜居性，就不能回避这个因素。
PSR B1257+12的X射线影像。（图片提供：Patruno & Kama 2017）
所以探讨脉冲星系统中行星的大气条件，就要考虑主星辐射与高能粒子两方面因素的作用。假设大气具有等温的性质，也就是气体处在流体静力学平衡状态，同一海拔高度的温度相同，且气压随高度增加而呈指数衰减。这样的大气层由气体压力而非行星磁场主导。首先说主星辐射所能产生的效应。X射线能够加热气体是显而易见的，而且在现有认知中会对生命存在构成严重威胁的硬X射线光子的穿透力也远较紫外或软X射线为强。只有行星大气较厚重，才能有效阻挡高能光子的侵入。而在脉冲星周边行星的大气中，脉冲星风在特定的高度上与气压取得平衡，这意味着激波的形成，激波也有加热气体的功效。
另外由于中子星表面重力极强，如果周围的行星过于靠近主星，就会在强大的潮汐力影响下难逃解体的命运。中子星质量越大、行星质量越小且半径越大，相应的安全距离就要拉大。而且潮汐作用也会加热行星，让地表升温，影响宜居性。根据估算，中子星的潮汐加热过程不可小觑，在特定条件下甚至能与地球接收到的太阳辐射能比肩。
要较为严格地定义行星的宜居性，就要具体求算星球表面平衡温度——不得高于270开尔文，也不要低于175开尔文（需要注意的是，平衡温度不等于行星地表的真实温度）。只考虑高能光子的话，中子星系统中的行星平衡温度可以表述为与主星光度LNS和距离D相关的形式：
式中的σ表示斯忒藩—玻尔兹曼常数，而对应温度Teq介于175 - 270 K之间的距离就定义了宜居带的范围。这里的最大不确定度来自η，也就是X射线或伽玛射线光子中有多大的比例能够穿透足够深的大气层，并导致释放能量热化。这个参数取决于光子的能量分布，还有大气的理化性质。对于PSR B1257+12这个系统来说，哪怕将η取到极限值（也就是1），Teq也还是过低的，其他已知的脉冲星行星系也都难称宜居。
已知脉冲星行星系的位置与只考虑脉冲星高能光子辐射后求出的宜居带范围的比较。（图片提供：Patruno & Kama 2017）
但是脉冲星风激波加热以及Bondi-Hoyle吸积加热会让情况变得复杂起来。一方面，这两种过程都会产生足够的热量，让行星大气保持适宜温度；另一方面，它们也都在提供热量的同时侵蚀大气的，尤以后者为甚，这样中子星周围的宜居带可能并不会长期存在下去。对于距离脉冲星1到10天文单位的地球级行星来说，如果大气主要由氢、氦以外的重元素主导，在典型条件下的大气损失时标在百万年到千万年之间；超级地球的时标则更长。当然，如果行星本身存在能够有效屏蔽带电粒子的磁场，大气的寿命会大大加长。而且在实际脉冲星周围，星风并不是各向同性分布的，甚至还有可能完全躲过周边行星，这时行星大气的维系就更不是问题了。
在光度分别为每秒4×1032尔格（上）与1034尔格的各向同性脉冲星风侵蚀下，占行星质量30%（左）与1%（右）的大气的侵蚀时标。各图中的灰色圆点从左到右依次表示PSR B1257+12b、PSR B1257+12c、PSR J1719–1438b，以及PSR B1620-26 b。（图片提供：Patruno & Kama 2017）
综合种种因素，距离中子星0.01到1天文单位之间的行星只要具备大气，都有可能适宜生命的存在。但银河系那么辽阔，为什么偏偏要去脉冲星周围寻找生命？这一来是这类天体庞大的数量。根据估计，银河系内的脉冲星总数可能达到数十万颗甚至更多（当然，只有辐射束扫过地球的那些才能被我们察觉到），就算其中只有百分之一拥有行星系，算下来也不是一个小数目。二来……谁知道地外生物能有怎样奇异的形态呢！对于人类来说恶劣而又危险的环境，说不定就是其他种族的乐土。所以多多关注这些致密的星骸，说不定就会有意料之外的新发现。
