Коричневый карлик
Кори́чневые ка́рлики — субзвёздные объекты (с массами в диапазоне 5—90 масс Юпитера), в недрах которых не происходит реакция термоядерного синтеза из водорода в гелий и более тяжелые элементы, как в звёздах, находящихся на главной последовательности. Коричневые карлики имеют полностью конвективную поверхность и внутреннюю часть, с отсутствием каких-либо химических различий по глубине. Остается открытым вопрос о том, имеют ли место термоядерные реакции в какой-либо момент жизни коричневых карликов. Но в любом случае, установлено, что коричневые карлики тяжелее 13 масс Юпитера (
) способны поддерживать синтез ядер гелия из ядер дейтерия.
Содержание
История
Коричневые карлики были первоначально названы чёрными карликами, и классифицировались как темные субзвёздные объекты, свободно плавающие в космическом пространстве и имеющие слишком малую массу, чтобы поддерживать стабильную термоядерную реакцию. В настоящее время понятие чёрный карлик имеет совсем другое значение.
В ранних моделях строения звёзд считалось, что для протекания термоядерных реакций масса звезды должна быть хотя бы в 80 раз больше массы Юпитера (или 0,08 массы Солнца). Гипотеза о существовании плотных звездоподобных объектов с массой меньше указанной (коричневые карлики) была выдвинута в начале 60-х годов 20-го века. Считалось, что образование их протекает во многом подобно образованию обычных звезд, но обнаружить их очень сложно, так как они практически не испускают видимого света. Наиболее сильное излучение коричневых карликов наблюдается в инфракрасном диапазоне.
Но на протяжении нескольких десятилетий наземные телескопы, работающие в этом диапазоне, имели слишком низкую точность и поэтому были неспособны обнаружить коричневые карлики. Позднее было выдвинуто предположение, что в зависимости от компонентов, участвующих в формировании звезды, критическая масса, необходимая для протекания такого же как и в обычной звезде термоядерного синтеза гелия с участием водорода, составляет 90 масс Юпитера. Субзвёздные объекты, достаточно быстро сформировавшиеся сжатием туманности, могут иметь массу меньше 13 масс Юпитера. В них вообще исключено протекание каких-либо термоядерных реакций.
С 1995 года, когда было впервые подтверждено существование коричневого карлика, было найдено более сотни подобных объектов. Считается, что они составляют большинство космических объектов во Млечном Пути. Самые ближайшие из них к Земле — компоненты кратной звезды ε Индейца Ba и Bb, пара карликов, расположенных на расстоянии 12 световых лет от Солнца.
В 2006 удалось впервые непосредственно измерить массы двух коричневых карликов (в двойной системе), которые оказались равны 57 и 36 масс Юпитера ([1]).
Теория
Различия между тяжёлыми коричневыми карликами и легкими звёздами
Литий: Коричневые карлики, в отличие от звёзд с малой массой, содержат литий. Это происходит из-за того, что звёзды, имеющие достаточную для термоядерных реакций температуру, быстро исчерпывают свои первоначальные запасы лития. При столкновении ядра лития-7 и свободного протона образуются два ядра гелия-4. Температура, необходимая для этой реакции, немного ниже, чем температура, при которой возможен термоядерный синтез с участием водорода. Конвекция в звёздах является причиной полного истощения запасов лития, который из холодных наружных слоёв постепенно попадает в горячие внутренние и там сгорает. Следовательно, наличие литиевых линий в спектрах кандидатов на коричневые карлики является хорошим признаком их субзвёздной структуры. Такой подход к различению коричневых карликов и звёзд с малой массой впервые был предложен Рафаэлем Реболо и его коллегами и получил название «литиевый тест».
Яркость: Звёзды главной последовательности, остывая, в конечном итоге достигают минимальной яркости, которую они могут поддерживать стабильными термоядерными реакциями. Это значение яркости в среднем составляет минимум 0,01 % яркости Солнца. Коричневые карлики остывают и тускнеют постепенно на протяжении своего жизненного цикла. Достаточно старые карлики становятся слишком тусклыми, чтобы считаться звёздами.
Различия между малыми коричневыми карликами и большими планетами
Отличительным свойством коричневых карликов является то, что они имеют радиус, приблизительно равный радиусу Юпитера. В массивных коричневых карликах (60-90 ) определяющую роль, как и в белых карликах, играет давление вырожденного электронного газа (ферми-газа). Объем лёгких коричневых карликов (1-10 ) определяется действием закона Кулона. Результатом всего этого является то, что радиусы коричневых карликов различаются всего на 10-15 % для всего диапазона масс. Из-за этого отличить их от планет достаточно трудно.
Кроме того, многие коричневые карлики не способны поддерживать термоядерные реакции. Легкие (до 13 ) — слишком холодны и в них невозможны даже реакции с участием дейтерия, а тяжелые (более 60 ) остывают слишком быстро (приблизительно за 10 миллионов лет) и тем самым теряют способность к термоядерному синтезу. Но всё же существуют способы отличить коричневый карлик от планеты:
Практика
В отличие от звёзд главной последовательности, минимальная температура поверхности которых составляет порядка 4000 К, температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3000 К. В отличие от звёзд, которые сами себя разогревают за счёт внутреннего синтеза, коричневые карлики на протяжении своей жизни постоянно остывают, при этом чем крупнее карлик, тем медленнее он остывает.
Свойства коричневых карликов, переходных между планетами и звёздами по массам, вызывают особый интерес астрономов. Год спустя после открытия первого объекта этого класса в атмосферах коричневых карликов были обнаружены погодные явления. Выяснилось, что коричневые карлики также могут иметь собственные спутники.
Технологии наблюдения
Широкопольные искатели позволяют обнаруживать одиночные тусклые объекты, такие как Kelu-1 (расстояние — 30 световых лет).
Основные вехи
Последние достижения
Последние наблюдения за известными коричневыми карликами выявили некоторые закономерности в усилении и ослаблении излучения в инфракрасном диапазоне. Это наталкивает на мысль о том, что коричневые карлики затянуты относительно холодными, непрозрачными облаками, скрывающими горячую внутреннюю область. Считается, что эти облака находятся в постоянном движении из-за сильных ветров, гораздо более сильных, чем известные штормы на Юпитере.
Рентгеновские вспышки, зафиксированные в 1999 г. свидетельствуют о наличии у коричневых карликов изменяющихся магнитных полей, схожих с магнитными полями легких звёзд.
Самые известные коричневые карлики
Образ в литературе
В романе Карла Шрёдера «Неизменность» (K. Schroeder, «Permanence») коричневый карлик использован как фон для научно-фантастического произведения.
Коричневый карлик излучает достаточно энергии в инфракрасном диапазоне, чтобы на планете, находящейся на низкой орбите, могла возникнуть жизнь.
В романе описан мир без Солнца, на небе которого присутствуют только звёзды и неимоверных размеров тёмный диск, в 20 раз превосходящий по размерам Луну. Диск раскалён докрасна и закрывает собой большую часть неба, но не испускает видимого света, а только тепло. Такой мир может достаточно хорошо обогреваться для появления жидкой воды и человеческой колонизации, но это будет мир вечной темноты. Осевое вращение планеты, по-видимому, будет заторможено приливными силами, так что тёмное «светило» должно быть неподвижным на небе.
Ссылки
История
Детали
Звёзды
См. также
Выделить Коричневый карлик и найти в:
Коричневый карлик
Содержание
История
Коричневые карлики были первоначально названы чёрными карликами, и классифицировались как тёмные субзвёздные объекты, свободно плавающие в космическом пространстве и имеющие слишком малую массу, чтобы поддерживать стабильную термоядерную реакцию. В настоящее время понятие чёрный карлик имеет совсем другое значение.
В ранних моделях строения звёзд считалось, что для протекания термоядерных реакций масса звезды должна быть хотя бы в 80 раз больше массы Юпитера (или 0,08 массы Солнца). Гипотеза о существовании плотных звездоподобных объектов с массой меньше указанной (коричневые карлики) была выдвинута в начале 60-х годов XX-го века. Считалось, что образование их протекает во многом подобно образованию обычных звёзд, но обнаружить их очень сложно, так как они практически не испускают видимого света. Наиболее сильное излучение коричневых карликов наблюдается в инфракрасном диапазоне.
Но на протяжении нескольких десятилетий наземные телескопы, работающие в этом диапазоне, имели слишком низкую чувствительность и, поэтому, были неспособны обнаружить коричневые карлики. Позднее было выдвинуто предположение, что в зависимости от компонентов, участвующих в формировании звезды, критическая масса, необходимая для протекания такого же как и в обычной звезде термоядерного синтеза гелия с участием водорода, составляет 75 масс Юпитера. Субзвёздные объекты, достаточно быстро сформировавшиеся сжатием туманности, могут иметь массу меньше 13 масс Юпитера. В них вообще исключено протекание каких-либо термоядерных реакций.
С 1995 года, когда было впервые подтверждено существование коричневого карлика, было найдено более сотни подобных объектов. Считается, что они составляют большинство космических объектов в Млечном Пути. Самые ближайшие из них к Земле — UGPS J072227.51-054031.2 в созвездии Единорога и компоненты кратной звезды ε Индейца Ba и Bb, пара карликов, расположенных на расстоянии 9,5 и 12 световых лет от Солнца соответственно.
Теория
Различия между тяжёлыми коричневыми карликами и лёгкими звёздами
Метан: В отличие от звёзд, некоторые коричневые карлики на заключительном периоде своего существования достаточно холодны, чтобы за долгое время накопить в своей атмосфере обозримое количество метана. Примером может служить Gliese 229.
Яркость: Звёзды главной последовательности, остывая, в конечном итоге достигают минимальной яркости, которую они могут поддерживать стабильными термоядерными реакциями. Это значение яркости в среднем составляет минимум 0,01 % яркости Солнца. Коричневые карлики остывают и тускнеют постепенно на протяжении своего жизненного цикла. Достаточно старые карлики становятся слишком тусклыми, чтобы считаться звёздами.
Различия между малыми коричневыми карликами и большими планетами
Отличительным свойством коричневых карликов является то, что они имеют радиус, приблизительно равный радиусу Юпитера. В массивных коричневых карликах (60-80 
) определяющую роль, как и в белых карликах, играет давление вырожденного электронного газа (ферми-газа). Объём лёгких коричневых карликов (1-10 ) определяется действием закона Кулона. Результатом всего этого является то, что радиусы коричневых карликов различаются всего на 10-15 % для всего диапазона масс. Из-за этого отличить их от планет достаточно трудно.
Кроме того, многие коричневые карлики не способны поддерживать термоядерные реакции. Лёгкие (до 13 ) — слишком холодны и в них невозможны даже реакции с участием дейтерия, а тяжёлые (более 60 ) остывают слишком быстро (приблизительно за 10 миллионов лет) и тем самым теряют способность к термоядерному синтезу. Но всё же существуют способы отличить коричневый карлик от планеты:
Практика
В отличие от звёзд главной последовательности, минимальная температура поверхности которых составляет порядка 4000 К, температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3000 К. В отличие от звёзд, которые сами себя разогревают за счёт внутреннего синтеза, коричневые карлики на протяжении своей жизни постоянно остывают, при этом чем крупнее карлик, тем медленнее он остывает.
Свойства коричневых карликов, переходных между планетами и звёздами по массам, вызывают особый интерес астрономов. Год спустя после открытия первого объекта этого класса в атмосферах коричневых карликов были обнаружены погодные явления. Выяснилось, что коричневые карлики также могут иметь собственные спутники.
Технологии наблюдения
Коронографы. Часто используются для обнаружения наиболее тусклых объектов на фоне ярких видимых звёзд, включая Gliese 229B.
Сенсорные телескопы, оснащённые ПЗС-матрицей, используются для поиска тусклых объектов в удалённых звёздных скоплениях, таких как Teide 1.
Широкопольные искатели позволяют обнаруживать одиночные тусклые объекты, такие как Kelu-1 (расстояние — 30 световых лет).
Основные вехи
Последние достижения
Последние наблюдения за известными коричневыми карликами выявили некоторые закономерности в усилении и ослаблении излучения в инфракрасном диапазоне. Это наталкивает на мысль о том, что коричневые карлики затянуты относительно холодными, непрозрачными облаками, скрывающими горячую внутреннюю область. Считается, что эти облака находятся в постоянном движении из-за сильных ветров, гораздо более сильных, чем известные штормы на Юпитере.
Рентгеновские вспышки, зафиксированные в 1999 году свидетельствуют о наличии у коричневых карликов изменяющихся магнитных полей, схожих с магнитными полями лёгких звёзд.
Очередной коричневый карлик был обнаружен в марте 2006 году группой астрономов с помощью телескопа Южно-европейской обсерватории. Объект был найден у звезды SCR, находящейся на расстоянии 12,7 световых лет. Неожиданно открытая звезда обращается вокруг ранее известной звезды на расстоянии, примерно в четыре раза превышающем расстояние от Земли до Солнца, и характеризуется рекордно низкой температурой поверхности — 750 градусов по Цельсию.
Спектральные классы коричневых карликов
Спектральный класс M
Массивные коричневые карлики, близкие к красным карликам, на ранних стадиях после формирования могут иметь спектральный класс, начиная с M6.5 и позднее. Постепенно, как правило, они остывают, переходя в класс L.
Спектральный класс L
По данным на апрель 2005 года, было обнаружено уже свыше 400 карликов класса L.
Спектральный класс T
GD 165B является прототипом L-карликов. Аналогично, коричневый карлик Глизе 229B является прототипом второго нового спектрального класса, который назвали T-карликом. В то время как в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне спектра L-карликов преобладают полосы поглощения воды и монооксида углерода (CO), в БИК-спектре Глизе 229B доминируют полосы метана (CH4). Подобные характеристики до этого вне Земли были обнаружены только у газовых гигантов Солнечной системы и спутника Сатурна Титана. В красной части спектра вместо полос FeH и CrH, характерных для L-карликов, наблюдаются спектры щелочных металлов — натрия и калия.
Спектральный класс Y
В августе 2011 года американские астрономы сообщили об открытии семи ультрахолодных коричневых карликов, эффективные температуры которых лежат в диапазоне 300—500 К: WISE J014807.25−720258.8, WISE J041022.71+150248.5, WISE J140518.40+553421.5, WISE J154151.65−225025.2, WISE J173835.52+273258.9, WISE J1828+2650 и WISE J205628.90+145953.3. Из них только WISE J0148−7202, был отнесён к классу Т9.5, а остальные — Y классу. Температура WISE J1828+2650
Самые известные коричневые карлики
Образ в литературе
В романе «Туманность Андромеды» И.Ефремова земной корабль «Тантра» попадает на подобную систему всего в 2 световых годах от Солнца и встречает там нормально-агрессивную жизнь.
В романе Карла Шрёдера «Неизменность» (K. Schroeder, «Permanence») коричневый карлик использован как фон для научно-фантастического произведения.
В романе Айзека Азимова «Немезида» коричневый карлик Мегас входит в двойную систему красного карлика Немезиды и Мегаса. На спутнике Мегаса Эритро существует азотно-кислородная атмосфера и жизнь. Коричневый карлик излучает достаточно энергии в инфракрасном диапазоне, чтобы на планете, находящейся на низкой орбите, могла возникнуть жизнь.
В романе Питера Уоттса «Ложная слепота» блуждающий коричневый карлик «Большой Бен», находящийся за орбитой Плутона, является средой обитания для внеземной формы жизни, называющей себя «Роршах».
Коричневые карлики: самые холодные звёзды или самые горячие планеты?
Это звучит как очень плохая загадка: “Я больше, чем планета, но не звезда. И я меньше, чем звезда, но не планета. Так кто же я?”
На самом деле эта головоломка, как точка входа в исследование того, как астрономы классифицируют экзотические объекты нашей Вселенной. Также это возможность понять некоторых из самых странных граждан Млечного Пути.
Кстати, ответ на эту загадку звучит так: “Я коричневый карлик”.
Что такого в этом названии?
Несмотря на название коричневые карлики не очень коричневые. Эти объекты, масса которых колеблется от 12 масс Юпитера и до половины массы Солнца, излучают свет в небольшом количестве. Самые крупные и молодые из них довольно горячие и испускают постоянный поток тёплого света. На расстоянии эти звёзды неотличимы от своих собратьев – красных карликов. Напротив, самые маленькие и старые из них едва различимы, они неизменно испускают свет в инфракрасной части спектра. Вы даже не заметите их присутствия без помощи очков ночного видения.
Коричневый карлик SDSS J0104+1535 в представлении художника. Авторы и права: John Pinfield.
Однако по большей части коричневые карлики находятся где-то посередине и тускло светят пурпурными оттенками. Это делает их уникальными объектами нашей галактики.
Но, в отличие от звёзд, коричневые карлики светятся не из-за происходящего внутри них ядерного нуклеосинтеза. Вместо этого их свет и тепло – это остатки от начального образования из газа и пыли (как и звёзды, но в меньшем количестве) и гравитационного коллапса, высвобождавшего огромное количество энергии. Но энергия, попав в потенциальную ловушку, была заперта внутри на десятки миллионов лет. Однако тепло медленно излучалось в космос в виде тёплого света.
По мере того как это тепло улетучивается, коричневый карлик продолжает тускнеть, переходя от огненно-красного к невидимому инфракрасному излучению. Чем больше масса при рождении этого объекта, тем больше тепла он может удерживать и тем дольше он может имитировать настоящую звезду. Но окончательная судьба одинакова для каждого коричневого карлика, независимо от его начальных характеристик.
Липкие центры
Таким образом, может возникнуть соблазн классифицировать коричневые карлики, как необычную разновидность газовых гигантов. В конце концов, планеты тоже постепенно остывают, поскольку они стареют, и у них нет новых источников энергии, чтобы поддерживать тепло в течение миллиардов или триллионов лет.
Но большинство коричневых карликов играют в особую игру. Требуется определённый порог массы (около 80 масс Юпитера), чтобы достичь бешеных температур и давлений в ядре, необходимых для превращения водорода в гелий, что и делает объект звездой. Но есть гораздо более низкий порог, примерно в 13 масс Юпитера, где может происходить другой вид слияния.
Два коричневых карлика в представлении художника. Авторы и права: Roberto Molar Candanosa & Sergio Dieterich, Carnegie Institution for Science.
В этой гораздо более холодной обстановке дейтерий (который представляет из себя один протон и один нейтрон, склеенные вместе в ядре) может быть поражён случайным протоном, преобразуя дейтерий в гелий-3 и высвобождая крошечную часть энергии. Настоящие звёзды проходят через эту фазу за короткое время, когда они нагреваются, но коричневые карлики могут переживать этот процесс гораздо дольше, так как они никогда не переключаются на полноценный синтез водорода.
Но длится это не вечно. Самые крупные коричневые карлики расходуют весь свой дейтерий за несколько миллионов лет. Причина этого в том, что внутренности этих объектов нечётко разделены на отдельные слои.
В звёздах, подобных нашему Солнцу, имеется плотное ядро из водорода и гелия, окружённое слоем плазмы, в котором преобладает лучистый перенос энергии, и этот слой окружён кипящим супом из частиц. Но в самых маленьких звёздах и в коричневых карликах нет ядра как такового, только одна конвективная оболочка, способная переносить материал внутрь и наружу из самых внутренних областей к краю объекта и снова обратно.
Изображение Солнца. Авторы и права: SDO / NASA.
Таким образом, любой дейтерий в любой точке большого коричневого карлика в конечном итоге будет преобразован в гелий-3, что истощит запасы этого элемента в объекте. (Если бы у коричневого карлика была слоистая структура, то часть дейтерия могла оставаться в другом месте, не будучи поглощённой).
А что происходит с маленькими коричневыми карликами? Они просто быстро остывают, понижая свою внутреннюю температуру ниже порога, необходимого для поддержания реакции. Так что, в любом случае, эти объекты недолго испускают “дейтериевый” свет.
Итоги
Коричневые карлики рождаются подобно звёздам, излучают некоторое время тепло и даже иногда плавят элементы в своих ядрах. Итак, есть ли какая-то причина, чтобы не ставить эти объекты в один ряд со звёздами?
Они имеют довольно небольшой размер. Можно подумать, что объект в 50 раз массивнее, чем Юпитер, должен быть намного больше его размера, но вместо этого, коричневые карлики отказываются быть крупнее типичной газовой планеты.
Звёзды умудряются не допустить слишком сильного сжатия, благодаря силам отталкивания и притяжения между частицами в их ядрах. Высвобождаемая энергия постоянно конкурирует с гравитационным давлением, пытаясь расширить внешние слои звезды.
Коричневый карлик с облачной атмосферой в представлении художника. Авторы и права: NASA / JPL-Caltech.
Но, как известно, коричневые карлики не имеют такой особенности (по крайней мере, не в долгосрочной перспективе). И, в отличие от планет, у них нет скалистых ядер или ледяных мантий, чтобы поддерживать себя. Вместо этого остаётся только квантовая сила, известная как давление вырождения, которая делает его таким, что карлик может содержать громадное количество частиц в малом объёме. В этом случае коричневые карлики полностью поддерживаются давлением вырождения, поэтому они имеют минимальный размер для своей массы.
Граница между большими планетами и малыми звёздами не просто размыта, это совершенно новый класс объектов, которые действуют как планеты и звёзды, и одновременно с этим ни как те, ни как другие. Другими словами, коричневые карлики – это подростки небесного царства.