Коричневый карлик. Бурый карлик. Таинственный спутник Солнца

> Коричневые карлики

Узнайте, что такое коричневые карлики : описание типа звезды с фото, есть ли в Солнечной системе, масса, промежуточный этап между звездами и газовыми гигантами.

Мы уже знаем, что все звезды формируются из молекулярных облаков. Но бывает так, что разрушенное облако просто не может создать привычный нам объект и появляется коричневый карлик . Такие звезды обладают теми же элементами, но их температура и давление находятся на низком уровне и не в состоянии запустить ядерный синтез, поэтому получили прозвище «Коричневые звезды ».

Непредвиденная проблема в изучение коричневых карликов

Эти небесные тела разделяют стартовую точку с остальными звездами на небе, но им не суждено достигнуть главной стадии. Еще до того, как температура успеет подняться к необходимой отметке плотный материал застынет и не сможет больше трансформироваться.

Коричневые карлики считаются пробелом между газовыми гигантами (Юпитер) и красными карликами.

Особенности и классификация коричневых карликов

Все коричневые карлики отличаются по массе и температуре. Могут достигать 13-90 масс (примерно 1/10 солнечной). Классификация строится на спектральном типе или на излучаемой энергии.

М – это не только наиболее красные звезды во Вселенной, но и самые распространенные. Большинство из них превращаются в красных карликов, но некоторые становятся коричневыми. Классы L и T отличаются по элементам, наблюдаемым в спектрах. Y-карлики – самый холодные. Некоторые достигают температуры человеческого организма.

Из-за того, что коричневые карлики выделяют мало света и энергии, их сложно обнаружить. До 1980-х годов вообще считались теоретическими объектами. Но технологии набирали чувствительность и смогли наконец их увидеть.

С самого начала их называли «черными». Но сейчас этот термин используют для обозначения финальной стадии развития звезды главной последовательности и представляет белый карлик, полностью истративший все тепло.

Почему коричневые карлики не считаются планетами?

Из-за небольшой массы коричневые карлики можно спутать с массивными планетами. На это же намекает и отсутствие слияния. У них также есть атмосфера, сияния, облака и даже штормы. Подобно другим звездам, они могут располагать планетами.

Отличие в том, что коричневые карлики продолжают излучать свет, но это рентгеновские лучи и инфракрасный свет. Они вырабатывают их, пока тело не остынет. Поэтому лучше всего искать в инфракрасном диапазоне. Обычно расположены в пределах 100 световых лет.

Но черта между коричневым карликом и планетой тонкая. Некоторые из них настолько холодные, что им удается поддержать атмосферу, как это делают газовые гиганты. Карлик может приютить планеты, а газовый гигант – спутники. Как же точно определить границу?

Международный астрономический союз постановил, что объекты, чья масса меньше 13 масс Юпитера, считаются планетами. Но коричневые карлики вписываются в этот диапазон, поэтому могут быть одновременно и тем, и другим. Как известно, что в Солнечной системе коричневые карлики не наблюдаются и мы располагаем лишь одной звездой - Солнцем.

Коричневый карлик

Инфракрасный телескоп WISE обеспечил астрономам во время активной измерительной фазы в 2010 году обширные данные в четырех инфракрасных длинах волн. В настоящее время исследователи заняты тем, чтобы изучить и интерпретировать материал. При этом астрономами было отмечено, что эти объекты гораздо менее распространены в Пространстве, чем предполагалось ранее.

Исследовательская группа во главе с Дэви Киркпатриком (Davy Kirkpatrick) - Калифорнийский технологический институт - искала коричневые карлики в ближайших окрестностях Солнца на расстоянии нескольких десятков световых лет.

Коричневые карлики являются звездами, массы которых слишком малы, чтобы внутри них мог произойти синтез водорода в гелий - источник энергии большинства звезд. Таким образом, они могут только излучать тепловую энергию, которую они получили, и тепло, образующееся при медленном сжатии в течение миллиардов лет. Поэтому большинство из них слабо светится в инфракрасном диапазоне , некоторые из них имеют температуру всего около 25 градусов по Цельсию. При такой же величине, как Юпитер, массы коричневых карликов, превышают массу Юпитера в 13-75 раз.

Ранее астрономы предполагали, что на каждую настоящую звезду с реакцией ядерного синтеза внутри приходится один коричневый карлик . Теперь в непосредственном окружении Солнца выявлено, что это соотношение равно: один карлик к шести звёздам. До сих пор исследователи смогли найти в данных WISE, в общей сложности, 200 коричневых карликов, в том числе 13 самого холодного класса Y, температура поверхности которых ниже 170 градусов по Цельсию. После определения, каково их расстояние от Солнца, методом параллакса, исследовательская группа отметила, что существует 33 коричневых карлика на расстоянии 26 световых лет от нашего светила. В этом же объеме сейчас известно 211 звезд, в результате чего на каждого коричневого карлика приходится 6,4 звезды.

Сколько коричневых карликов в окрестностях Солнца вычислили астрономы Фото: NASA/JPL-Caltech

На этой карте показаны ближайшие космические окрестности нашего Солнца на расстоянии 30 световых лет. Она основана на данных измерений и представляет ряд звезд и коричневых карликов на верном удалении друг от друга и от Солнца. Каждая звезда коричневый карлик , находящаяся от Солнечной системы на расстоянии 26 световых лет, отмечена кружком. Синие кружки представляют известные ранее коричневые карлики, красные - открытые с помощью WISE. Красными точками обозначены красные карлики, наименее массивные звезды, в которых есть синтез атомов водорода в гелий. Ни один коричневый карлик в солнечной системе , конечно же не обнаружен.

Астрономы предполагают, что этот результат следует рассматривать как предварительный. Они считают, что в данных WISE ещё, возможно, найдутся коричневые карлики, которые могут привести соотношение к 5:1 или 4:1. Однако паритет исследователи полностью исключают. До сих пор не найдены коричневые карлики, которые находились бы к нам ближе, чем ближайшая к солнечной системе звезда Проксима Центавра, от которой нас отделяют 4,2 светового года. Ближе могут находиться свободно передвигающиеся планеты с массами в несколько масс Юпитера, которые испускают настолько малое инфракрасное излучение, что их не смог уловить, как пишет

Случалось ли Вам смотреть в телескоп в инфракрасном диапазоне? Видели ли Вы тела, которые, родившись звездой, не смогли стать ей? Их судьба – остывать миллионы лет, пережив своих ярко сияющих соседей. Имя им – коричневые карлики.

Обделенные теплом, размерами, они изучаемы астрономами всего мира. И есть уникальная возможность заглянуть в эти исследования.

Измерения массы и температуры, карта поверхности – все это впереди. А сейчас – туда, откуда началась их история.
А история началась в 1962 году, с молодого американского ученого Шива Кумара. Ему удалось теоретически доказать существование коричневых карликов. Самое интересное, что он абсолютно точно описал все свойства и процессы, протекающие в их недрах. В 23 года!
Изучая звезды массой не более 0,1 массы Солнца (100 масс Юпитера), ему удалось рассчитать минимальную массу, при которой возможно рождение полноценной звезды. Эта отметка называется «предел Кумара». Ниже него термоядерный синтез не происходит.

Рождение звезды

Изображение туманности M42 получено с использованием фильтров серы (красный цвет), водорода (зеленый цвет) и кислорода (синий цвет).

Звезды, как и многие коричневые карлики, рождаются в результате коллапса газовых облаков. Основной химический элемент, содержащийся в этих облаках – молекулярный водород. Долгое время теорией возникновения в космосе «холодных звезд» была именно эта. Новые открытия субзвезд внесли свои коррективы.

Звезда является таковой тогда, когда в ее недрах протекает термоядерный синтез, т.е. горение водорода. Необходимая температура для «старта» – 3 млн градусов. Достигается она сжатием под воздействием гравитации – сжимаясь, увеличивается плотность газового шара. Выше плотность – выше температура. Когда плотность достигает своего предела, происходит воспламенение водорода, т.е. термоядерный синтез.

Рождение коричневого карлика

Ниже предела Кумара водород не воспламеняется. Максимум – дейтерий, изотоп водорода. Но его энергии недостаточно для термоядерного процесса. Согласно квантовой механике, в недрах субзвезд в определенный момент образуется электронный, или вырожденный, газ. Он возникает вследствие гравитации, но препятствует дальнейшему ее воздействию еще до того, как сжатие «запустит» горение водорода.

В 1995 году описанные процессы нашли свое подтверждение. Американские ученые обнаружили в созвездии Плеяды объект массой 0,06 массы Солнца. Чтобы окончательно подтвердить свое открытие, им предстояло проделать немало специализированных тестов.

Идентификация

Чтобы подтвердить свои предположения, американские ученые применили литиевый тест, сформулированный испанским астрофизиком Рафаэлем Реболо. Суть его проста. Звезды главной последовательности, сжигая водород, достигают крайне высоких температур. Атомы лития, в малом количестве присутствующие в их недрах, сгорают быстро и бесследно. А у коричневых субзвезд, даже с горящим дейтерием, его испарение растягивается на миллионы лет. Поэтому верный способ удостовериться, что обнаружен коричневый карлик – литиевая проба.

Малые размеры субзвезд, их низкая температура, соответствуют средним планетарным показателям. Отличия заключаются в плотности объекта и в наличии у некоторых карликов Х-излучения. Большинство их излучают в инфракрасном диапазоне. Отсюда и название – коричневые.

Существует градация самих коричневых карликов, подразделяющая их на три группы. Вашему вниманию предлагается блиц-осмотр каждого спектрального класса:

• Класс L – от 1300К до 2000К. Тела этого класса являются самыми теплыми и самыми крупными.
• Класс Т – от 700К до 1300К.
• Класс Y. Объекты этого класса являются самыми холодными и самыми «карликовыми». Долгое время они существовали лишь в гипотетических соображениях ученых.

Новые загадки

Коричневый карлик (вверху)

Астрономы XXI века ведут охоту на коричневых карликов. Сканируя небо в инфракрасном диапазоне, обнаружение «холодных» светил увеличилось в разы. Измеряются их температуры, массы, изучаются атмосферы, составляются карты поверхностей. Новые данные не только помогают ученым понять природу небесных тел. Иногда они опровергают устоявшиеся модели, знания. Парадокс. Чем больше открываешь, тем больше предстоит открыть.

Примером этому служит исследование, проведенное учеными Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Открыв 623 неизвестных коричневых карлика, спектроскопическому анализу подверглись четыре. Полученная информация противоречит представлению о том, что карлики и соседние звезды главной последовательности формируются одновременно в процессе коллапса. Оказалось, что субзвезды образовались существенно позднее звезд, находящихся с ними в одной системе. Пришлось формулировать новую теорию об одиночном формировании исследуемых объектов.

Новые открытия

Самыми активными в изучении коричневых карликов являются сотрудники NASA. Им удалось найти остывающий газовый шар с температурой всего 29 о С. Также они смогли описать агрессивную атмосферу, с бушующими штормами, с возможными дождями из раскаленных камней и расплавленного металла на поверхности субзвезд.

Американцам удалось составить карту поверхности коричневого карлика. Выбор пал на объект, находящийся в третьей по близости к Земле системе «морозных» тел.

Ближайшими к нам коричневыми карликами являются компаньон маленькой красной звезды SCR-1845-6357, вращающейся вокруг Солнца, и компаньоны звезды Эпсилон Индейца. Расстояние от нас до них – 12,7 и 11,8 световых лет соответственно. Такая близость дает возможность полномасштабного изучения этих тел.

Рождение новой планеты

Важным открытием стало формирование протопланетного диска вокруг одного из инфракрасных тел.

Были обнаружены даже пылинки, которых при холодных температурах подобных объектов быть не должно. Атомы вещества, даже в неблагоприятной среде, тянутся друг к другу, образуя твердые космические тела. Это открытие наводит на мысль о дополнении, если не о пересмотре, представлений о планеторождении.

Заключение

Исследования в этой области сегодня достаточно интенсивны. Значит, новые открытия еще впереди. Чтобы не пропустить ничего занимательного, оформляйте подписку на обновления блога.

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

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.