Холодный коричневый карлик. Коричневый карлик: звезда или планета? Коричневый карлик в солнечной системе

(#Астрономия@science_newworld)

Коричневый карлик – это астрономический объект, являющийся чем-то средним между планетой и звездой. Масса коричневых карликов обычно меньше 0,075 массы Солнца, или примерно 75-ти масс Юпитера. (Эта максимальная масса немного выше для звёзд, содержащих меньшие количества тяжёлых элементов, чем Солнце.) Многие астрономы проводят границу между коричневыми карликами и планетами примерно по массе, равной 13 юпитерианским массам.

Разница между коричневыми карликами и звёздами состоит в том, что в отличие от звёзд коричневые карлики не могут достигнуть уровня стабильной светимости через осуществление термоядерного синтеза обычного водорода. Как звёзды, так и коричневые карлики производят энергию путём синтеза дейтерия (редкого изотопа водорода) в первые несколько миллионов лет своей жизни. Затем ядра звёзд продолжают сжиматься и разогреваться, по мере того как звёзды синтезируют водород. Однако коричневые карлики избегают дальнейшего сжатия, так как их ядра достаточно плотные, чтобы поддерживать своё существование за счёт давления вырождения электронов. Эти коричневые карлики с массами свыше 60 юпитерианских масс начинают синтезировать водород, но затем они стабилизируются и синтез прекращается.

Цвет коричневых карликов на самом деле не коричневый, а, скорее, от тёмно-красного до пурпурного, в зависимости от их температуры. Объекты с температурами ниже примерно 2200 К содержат в своих атмосферах зёрна минералов. Поверхностные температуры коричневых карликов зависят как от их массы, так и от их возраста. Самые массивные и молодые коричневые карлики разогреваются аж до 2800 К, перекрываясь своим температурным диапазоном со звёздами очень малой массы, или красными карликами. (Для сравнения, температура поверхности Солнца достигает 5800 К.) Все коричневые карлики в конце концов охлаждаются ниже минимальной температуры для звёзд главной последовательности в 1800 К. Самые старые и маленькие могут остыть даже до 300 К.

Коричневые карлики впервые были упомянуты в 1963 г. индийским астрономом Шивом Кумаром, который называл их «чёрными карликами». Американский астроном Джилл Тартер предложил название «коричневый карлик» в 1975 г.; хотя коричневые карлики совсем не коричневые, название прижилось, потому что считалось, что в этих объектах содержится большое количество пыли, и более подходящее название «красный карлик» уже описывало другой тип звёзд.

Поиски коричневых карликов в 1980-е и 1990-е гг. привели к обнаружению нескольких кандидатов; однако ни один из них не был подтверждён как коричневый карлик. Для того чтобы отличить коричневые карлики от звёзд такой же температуры, нужно проверить наличие в их спектре линии лития (который звёзды разрушают, когда переходят к синтезу водорода). Или же можно поискать более тусклые объекты, с температурой ниже, чем у звёзд. В 1995 г. оба метода принесли свои плоды. Астрономы из Калифорнийского университета, Беркли, обнаружили присутствие лития в одном из объектов Плеяд, но этот результат был принят научной общественностью не сразу. Этот объект, тем не менее, впоследствии был подтверждён как первый найденный коричневый карлик.

Астрономы из Паломарской обсерватории и Университета Джона Хопкинса обнаружили компаньона звезды малой массы, обозначенного ими как Глизе 229B. Присутствие линий метана в его спектре показало, что его поверхностные температуры не превышают 1200 К. Крайне низкая светимость возможного коричневого карлика, а также возраст его звёздного компаньона указали на то, что масса объекта составляет около 50 масс Юпитера. Поэтому Глизе 229 B стал первым объектом, признанным большинством учёных как коричневый карлик.

Инфракрасные обзоры неба и другие техники в настоящее время позволили обнаружить сотни коричневых карликов. Некоторые из них являются компаньонами звёзд, другие входят в состав двойных систем из коричневых карликов; многие являются изолированными объектами. Предполагается, что они формируются почти так же, как и звёзды, и что число коричневых карликов во Вселенной может составлять от 1 до 10% от числа звёзд.

SDSS J010448.46+153501.8 (отмечен крестом) и его ближайшие окрестности

Международная группа астрономов благодаря серии наблюдений на Очень большом телескопе (VLT) обнаружила рекордно массивный коричневый карлик - субзвездный объект, массы которого недостаточно для термоядерных реакций слияния протонов. Авторы отмечают необычный состав карлика - он почти целиком (99,99 процента) состоит из водорода и гелия. Находка позволяет уточнить, какие звезды могли образовываться в ранней Вселенной. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Коричневые карлики - особый класс объектов, масса которых гораздо больше, чем у Юпитера (по меньшей мере в 13 раз), но недостаточна для поддержания термоядерного горения водорода, характерного для «больших» звезд. Тем не менее в них протекают термоядерные реакции с участием ядер дейтерия и лития. Из-за того что светимость коричневых карликов постоянно уменьшается их относят к промежуточным объектам между газовыми гигантами и звездами. Типичные температуры на их поверхности не превышают 2000 кельвинов, а иногда составляют всего лишь 500-600 кельвинов (200-300 градусов Цельсия).

Подобно звездам, коричневые карлики образуются в результате гравитационного коллапса облака газа. Ранее считалось, что в условиях ранней Вселенной коллапс газа мог приводить лишь к объектам с массой порядка ста масс Солнца - так называемых звезд . Однако недавно астрофизики сформулировали ряд гипотез о том, как могли возникать и менее массивные светила. Особенность таких звезд - очень малая металличность (содержание элементов тяжелее гелия). В ходе обзоров уже были обнаружены соответствующие бело-желтые и желтые карлики с массами больше половины массы Солнца (500 масс Юпитера).

Авторы работы указали на первого представителя неметалличных коричневых карликов, SDSS J010448.46+153501.8, расположенного в гало Млечного Пути. Эта звезда была известна ранее и уже классифицировалась как коричневый карлик. Ученые обратили внимание на то, что ее спектр несколько отличается от типичных представителей этого класса и провели сеанс наблюдений с помощью Очень большого телескопа - системы из четырех 8,2-метровых телескопов, расположенных в Чили.

Астрономы сопоставили спектр высокого разрешения с моделями и обнаружили, что карлик обладает очень низкой металличностью. Массовая доля элементов тяжелее гелия в нем в 250 раз меньше, чем в Солнце. Возраст карлика составляет примерно 10 миллиардов лет, а масса лишь на два процента меньше требуемой до запуска термоядерного горения водорода - около 90 масс Юпитера.

Ранее астрономы в данных «Кеплера» необычную активность одного из коричневых карликов - время от времени он вспыхивал, становясь ярче Солнца. Объяснить поведение ученым не удалось. Интересно, что как и у обычных звезд, у коричневых карликов иногда экзопланеты. Известен ряд систем, в которых коричневые карлики вокруг массивных объектов и даже двойных звезд.

Владимир Королёв

Обнаружили этот объект, получивший обозначение UGPS 0722-05, с помощью британского инфракрасного телескопа UKIRT, в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях.

Коричневые карлики или "несостоявшиеся звезды" были впервые обнаружены в 1995 году. Это класс объектов массой менее 7% массы Солнца (около 70 масс Юпитера). Обычные звезды, обладающие достаточной массой и плотностью, светят благодаря идущей в их недрах термоядерной реакции - чаще всего, превращения водорода в гелий. Однако коричневые карлики не обладают массой, достаточной для начала реакции, постепенно угасают и охлаждаются. Во многих отношениях коричневые карлики сходны с планетами - газовыми гигантами, такими, как Юпитер и Сатурн.

За последние 15 лет ученые обнаружили около 200 коричневых карликов, относящихся к спектральному классу T, то есть к так называемым "метановым звездам", в спектре которых присутствуют линии метана (CH4), угарного газа (CO) и даже воды. Температура их поверхности составляет 700-1300 кельвинов. В последние несколько лет с помощью телескопа UKIRT было обнаружено несколько еще более холодных коричневых карликов, чья температура равна лишь 600-800 кельвинов.

Однако теперь ученые заявляют об обнаружении еще более холодного и тусклого объекта, который примерно на пять тысяч градусов холоднее Солнца. "Наша оценка температуры для обнаруженного коричневого карлика, получившего название UGPS 0722-05, - от 480 до 560 градусов Кельвина (207-287 градусов Цельсия), он холоднее, чем другие известные звезды. Температура низкая, и действительно трудно ожидать от настолько холодного объекта термоядерных реакций, по крайней мере, в его атмосфере. Скорее, можно ожидать водяные облака при температурах ниже 200 градусов Цельсия", - сказал РИА Новости один из авторов работы Сергей Юрченко из Технического университета Дрездена.

До сих пор самыми холодными считались коричневые карлики спектрального класса T9. Рекорд самой низкой температуры принадлежал звезде SDSS J1416+13B, одному из компонентов двойной системы SDSS J1416+13AB. Однако звезда UGPS 0722-05, как полагают авторы исследования, еще холоднее. "Мы надеемся, что он станет первым объектом нового, пока официально не существующего, спектрального типа T10", - сказал Юрченко.

Кроме того, эта звезда оказалась самым близким к Земле изолированным коричневым карликом, не входящим в двойную звездную систему. Расстояние до него оценивается в 4,1 парсека (13,4 световых года). До сих пор изолированные карлики находили на расстояниях не ближе 4,9-5 парсеков от Солнечной системы.

Все-таки звезда?

Масса карлика, согласно оценкам астрономов, укладывается в диапазон от 5 до 15 масс Юпитера, притом, что многие планеты, обнаруженные у других звезд, имеют массы, превышающие массу Юпитера до 18-20 раз. До недавнего времени нижним пределом массы для звезды считалось значение в 70 масс Юпитера. Однако ученые считают, что "звездный статус" астрономического объекта следует определять, исходя не столько из массы, сколько из его истории.

"Вопрос о том, насколько этот объект можно считать звездой, скорее понятийный, ведь за критерий "звездности" можно выбирать не только температурный или массовый признаки, но и происхождение объекта: считается, что коричневые карлики формируются так же, как и нормальные звезды, то есть путем гравитационного коллапса молекулярных облаков", - сказал Юрченко.

"В случае "нашего" карлика все скорее указывает на признаки звезды, чем планеты. Возможно, что термоядерные реакции (скажем, с участием дейтерия) давно прекратились с остыванием звезды, и ей ничего не остается, как остывать дальше", - добавил он.

Ученый отметил, что оценка звездной величины карлика хорошо укладывается в последовательность соответствующих оценок для других метановых карликов (спектральные типы T6.5 - T9).

Несмотря на свое название, коричневый карлик не совсем коричневый. Эти объекты имеют массы в 12 раз большие, чем у . И могут достигать половины массы Солнца. Они излучают свет сами по себе. Но обычно не очень сильно. Самые большие и самые молодые из них довольно горячи, и излучают много света и тепла. Издалека эти объекты неотличимы своих звездных сородичей — красных карликов. Самые маленькие и самые старые из них, напротив, едва заметны. Они излучают только в инфракрасной части спектра.

Коричневый карлик — откуда энергия?

В среднем средний коричневый карлик слабо светится тусклыми пурпурными оттенками. Это делает эти объекты довольно интересными в семье космических тел.

Но в отличие от звезд, коричневые карлики светятся не от тепла термоядерных реакций, бушующих в их недрах. Их свет и тепло — это просто остатки энергии их первоначального формирования. Эти объекты были рождены из коллапсирующих облаков газа и пыли. Также, как и звезды, только имеют меньшие размеры. Гравитационный коллапс высвободил огромное количество энергии. Но энергия попала в падающий материал, и оказалась заперта внутри на десятки миллионов лет. И теперь она медленно уходит в космос в виде теплого света.

По мере того, как это тепло уходит, коричневый карлик продолжает тускнеть. Он превращается из ярко — красного в пятнистый и пурпурный объект, видимый только в инфракрасном диапазоне. Чем больше была масса подобного объекта при его рождении, тем больше тепла он смог заманить в свою ловушку. И тем дольше он может имитировать настоящую звезду. Но конечная судьба одинакова для каждого коричневого карлика, независимо от его родословной.

Гелий — 3

Коричневый карлик вполне может быть классифицирован как просто странная разновидность очень больших . В конце концов, планеты тоже постоянно охлаждаются, поскольку стареют. И у них нет новых источников энергии, которые будут подогревать их в течение миллиардов или триллионов лет.

Но большинство коричневых карликов играют в особую игру. Требуется определенный порог по массе (примерно в 80 раз больше, чем у Юпитера), чтобы достичь огромных температур и давлений в ядре объекта, которые необходимы для слияния водорода в гелий. Именно это необходимо для того, чтобы космический объект мог считать себя звездой. Но есть гораздо более низкий порог, примерно в 13 раз больший массы Юпитера, при котором может происходить другой вид синтеза.

В этой гораздо более прохладной обстановке дейтерий (который представляет собой один протон и один нейтрон, склеенные вместе в ядре) может ударить свободный протон. Эта реакция превратит дейтерий в гелий-3, и высвободит немного энергии. Обычные звезды проходят краткую фазу горения дейтерия, после которой они достаточно нагреваются. Но коричневые карлики могут поддерживать этот процесс достаточно длительное время. Но так никогда и не переключаются на полномасштабный термоядерный синтез.

Все очень быстро

Однако это не длится вечно. Самые большие коричневые карлики расходуют весь свой дейтерий за несколько миллионов лет. Причина этого в том, что подобные тела не разделены на отдельные слои.

В звездах, подобных , есть плотное ядро, состоящее из водорода и гелия. Оно окружено слоем плазмы, в котором преобладают лучистые энергии. И этот слой окружен неким «кипящим супом». Но у самых маленьких звезд и коричневых карликов ядра, как такового, нет. У них есть только одна конвекционная оболочка, простирающаяся от поверхности до центра, способная транспортировать материал внутрь и наружу. Из самых внутренних областей до поверхности объекта и обратно.

Таким образом, любой дейтерий, который имеет коричневый карлик, в конечном итоге окажется втянутым в его в центр. Где и превратится в гелий-3. (В объекте со слоями некоторое количество дейтерия может оставаться в каких — то местах без изменения).

Что же происходит с маленькими коричневыми карликами? Они просто постепенно остывают. Их внутренняя температура находится ниже порога, необходимого для поддержания реакции. Энергия дейтериевых реакций им недоступна.

Определение размеров

Коричневые карлики рождаются как звезды, некоторое время излучают тепло, а иногда даже синтезируют элементы в своих недрах. Итак, есть ли причина назвать их звездами?

Коричневый карлик — объект маленький. Очень маленький для звезды. Конечно, эти объекты больше Юпитера. Но к настоящему дню в космосе обнаружено уже много объектов, которые больше Юпитера. Красный карлик не намного крупнее обычной — гиганта.

Звездам присуще одна особенность — это реакция термоядерного синтеза, происходящие в их ядрах. Высвобождаемые энергии постоянно конкурируют с внутренней гравитацией, пытаясь расширить внешние слои звезды.

Но, как мы знаем, коричневые карлики не имеют таких свойств. И в отличие от планет, у них нет скалистых ядер или ледяных мантий. Все, что у них осталось, — это экзотическая квантовая сила, известная как давление вырождения . Она определяет, сколько частиц может поместиться в определенном объеме. Коричневые карлики полностью поддерживаются давлением вырождения, поэтому они имеют минимально возможный размер для своей массы.

Граница между большими планетами и маленькими звездами не просто размыта. Существует совершенно отдельный класс объектов. Они обладают одновременно свойствами как планет, так и звезд. Но при этом не являются ни тем, ни другим.

Можно сказать, что коричневые карлики — это подростки небесного царства.

В 60-х годах прошлого века астрономы выдвинули предположение о возможном существовании гипотетических тел субзвёздной массы, которые нельзя было отнести к какому-либо известному классу.

В литературе их называли как черные, бурые либо коричневые карлики. Постепенно последнее название прижилось и стало официальным. Долгое время все разговоры о них носили лишь теоретические рассуждения, пока, наконец, в 1995 году случилось первое подтверждённое открытие. Ввод в строй космических телескопов способствовал новым открытиям, и на данный момент число открытых объектов превысило сотню и продолжает ускоренно расти.

Коричневые карлики нельзя отнести к маломассивным звёздам, так как их недра не поддерживают устойчивые термоядерные реакции, что в свою очередь приводит к недостаточному разогреву поверхности и невысокой температуре. С другой стороны, они слишком массивны, чтобы классифицироваться как обычные планеты. Основное количество таких небесных тел имеет от 13 до 75 масс Юпитера, что ставит их в промежуточное положение между звёздами и планетами.

Ученые подметили важную особенность, которая присуща всем субзвёздным объектам, и помогает их выявлению с высокой точностью — наличие лития в спектре излучения. В полновесных звёздах, протекающие реакции термоядерного синтеза целиком сжигают этот легкий элемент, тогда как в коричневых карликах он сохраняется в неизменном виде.

Температура поверхности как правило колеблется от 700 до 2000К, что с учётом больших дистанций затрудняет поиск их в оптическом диапазоне. Решением проблемы стало наблюдение в инфракрасном спектре, где отмечается наиболее высокая светимость. Стоит отметить, что в отличие от звёзд главной последовательности, черпающих основную энергию на протяжении всего существования за счёт внутреннего синтеза, коричневые карлики получают тепло исключительно с момента зарождения.

После этого, на протяжении своей жизни карлик медленно остывает, излучая тепло в окружающее пространство. Чем больше исходной массы скопилось в момент зарождения, тем медленнее длится процесс остывания.

На сегодня самый близкий коричневый карлик обнаружен в 2006 году двойным 8-ми метровым телескопом Европейской обсерватории в Чили. Проведённые измерения показали рекордно низкое расстояние — до него всего 12 световых лет! Объект вращается вокруг тусклой звезды на удалении составляющем только 3 а. е. Анализ спектра выявил присутствие значительного количества метана в составе атмосферы, что стало возможным благодаря невысокой температуре.

Большое число открытых карликов позволило классифицировать их спектры в несколько главных категорий: L, T и Y. Прямую зависимость к принадлежности играет соотношение исходной массы к текущей температуре. Самые массивные своими параметрами вплотную приближаются к легким красным карликам спектрального класса M, а затем, по мере остывания, постепенно смещаются в категорию L и так далее. Совсем недавно были открыты ультрахолодные объекты, температура которых не превышает 400 градусов по Цельсию. Предполагается, что в Галактике может быть множество холодных и практически невидимых коричневых карликов, которые могли быть ответственными за дефицит скрытой массы во Вселенной.

Субзвёздные объекты поставили перед астрономами много различных задач. Оказалось, что холодную атмосферу несостоявшейся звезды довольно сложно наблюдать. Присутствие в атмосфере большого количества пыли ставит трудную проблему, так как взвесь осажденных частиц не только подменяет состав наличных элементов, но и препятствует прямому теплообмену, затрудняя тем самым точное анализирование.

Компьютерное моделирование с учетом взвешенной пыли предсказали мощный парниковый эффект. За счёт поглощения испускаемого излучения происходит разогрев верхних слоёв атмосферы и после конденсации пылинки начинают тонуть. Возможно, данный механизм влияет на формирование густых облаков, способствуя возникновению сверхмощных циклонов. Подобный шторм можно наблюдать на примере Юпитера – Большое Красное Пятно как раз представляет собой долгоживущий циклон, наблюдаемый на протяжении уже трех столетий.

Сперва эта теория не нашла понимания в научных кругах. Однако три года назад эту идею возродили уже на космическом уровне. Теперь доказано, что ускоренный гравитационный коллапс межзвездного газа с низким содержанием пыли при определенных условиях способен зарождать самофокусирующиеся ударные волны, образующие в зонах столкновения волновых фронтов резкий локальный нагрев среды.

Астрофизический журнал опубликовал работу, где показывается, что этот механизм способен обеспечить в недрах небольшого объекта до 400–500 тысяч К, что хватит для кратковременного запуска термоядерного синтеза. Если это объяснение найдёт подтверждение другими независимыми источниками, то существование ультрахолодных карликов станет окончательным фактом.