Коричневые карлики: от изучения к загадкам. Коричневые карлики Бурый карлик

Американские астрономы разрушили наше привычное представление о звездах, как о горячих объектах, открыв WD 0806-661 В – звезду, которая имеет комнатную температуру всего 30°С. «Холодная» звезда относится к классу коричневых карликов и удалена от Земли на 63 световых года.

Космический объект был обнаружен при помощи инфракрасного телескопа «Спитцер», который смог зафиксировать свечение коричневого карлика. Ученые классифицируют открытую звезду как планету, так как она в семь раз превышает массу Юпитера и вращается вокруг белого карлика. До обнаружения WD 0806-661 В класс коричневых карликов, к которому относится звезда, определяли как «горячие» звезды, температура которых невероятна высока.

Бурыми или коричневыми карликами являются субзвездные объекты, которые составляют от 13 до 80 масс Юпитера или от 0,012 до 0,0767 массы Солнца.

О том, что скрывает от нас коричневых карликов, астрофизики заговорили еще в 1960-е годы. Выдвигались теории о плотных звездоподобных телах, имеющих сравнительно небольшую массу и формирующихся из разрушающихся облаков газа. Астрофизики предполагали, и предположение оказалось верным, что зафиксировать свечение коричневых карликов возможно только в инфракрасном спектре.

Изначально подобные звезды получили определение черных карликов. Ранее ученые были уверены, что для поддержания стабильной термоядерной реакции масса звезды должна составлять 0,8 массы или превышать массу Юпитера как минимум в 80 раз. А массы темных субзвездных объектов, именно так классифицировались черные карлики, было недостаточно. Однако позже выяснилось, что звезды меньших размеров способны поддерживать термоядерную реакцию, но не способны восстанавливать потерю энергии. Это способствует быстрому охлаждению коричневых карликов и превращению их в объекты планетного типа.

Первым из обнаруженных коричневых карликов был Тейде-1, открытый в 1995 г в скоплении Плеяд. На сегодняшний день астрономам уже известно о существовании более 100 звезд такого типа, многие из которых находятся в районе Млечного Пути. Ученым удалось измерить массу таких коричневых карликов как Глизе-229В и Тейде-1 (57 и 36 масс Юпитера соответственно).

Для классификации коричневых карликов используется так называемый «литиевый тест», предложенный астрофизиком Рафаэлем Реболо. Этот метод основывается на том, что коричневые карлики, в отличие от звезд малой массы, содержат литий. А звезды, способные поддерживать термоядерную реакцию, как правило, быстро его расходуют. Литий также присутствует в атмосфере самых больших и самых молодых звезд. Но это не мешает определению коричневых карликов, так как данные объекты значительно отличаются от них размером.

Правда, по подсчетам ученых, тяжелые коричневые карлики, имеющие массу от 65 до 80 масс Юпитера, могут использовать свой литиевый запас всего за 500 миллионов лет, то есть за начальный период своего существования. Этот факт делает «литиевый тест» некомпетентным критерием для классификации подобных объектов.

Несмотря на существование тестов, всевозможных измерений и вычислений, определить является ли объект коричневым карликом или это обычная планета не так просто. Радиус карликов отличается от радиусов планет всего на 10 – 15% и приблизительно совпадает с радиусом Юпитера. Но отличие все же есть. При относительной схожести показателей радиуса и объема, коричневые карлики отличаются от планет плотностью. Поэтому, если объект превышает массу Юпитера более чем в 10 раз, то он, вероятнее всего, не является планетой. Еще одним критерием классификации коричневых карликов является выделяемые ими в процессе остывания инфракрасные и рентгеновские излучения.

И, наконец, третий критерий, по которому можно отличить коричневого карлика – это температура. Крупные звезды имеют приблизительную минимальную температуру поверхности около 4000К, а температура поверхности коричневых карликов значительно меньше и составляет от 300 до 3000К. На протяжении всего существования они находятся в постоянном процессе остывания, так как не могут поддерживать свою температуру за счет внутреннего термоядерного синтеза. Скорость потери тепла зависит от массы звезды: чем карлик массивнее, тем процесс остывания протекает медленнее.

О том, что возможно существование коричневых карликов с температурой поверхности менее 700К (400°С) ученые говорили давно. Но обнаружение настолько «холодного» карлика, как WD 0806-661 В стало сенсацией для научного мира. На данный момент звезда «комнатной» температуры единственная в данном классе, но можно сказать с долей уверенности, что далеко не последняя.

Как обидно, когда большое количество информации, выложенной на иностранных сайтах и касающейся самых новейших изобретений и научных открытий, попросту ускользает от пользователей русскоязычного интернета по причине незнания языка. А ведь так хочется быть в курсе всего происходящего. Выход есть, нужно только освоить английский язык, в том числе и разговорный английский. Получать информацию быстро, не дожидаясь перевода, что может быть удобнее?

Коричневый карлик в изображении художника

Коричневые или бурые карлики («субзвёзды» или «химические звёзды») - субзвёздные объекты (с массами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 массы , или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы ). Так же как и в звёздах, в них идут термоядерные реакции ядерного синтеза на ядрах лёгких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора), но, в отличие от главной последовательности, вклад в тепловыделение таких звёзд ядерной реакции слияния ядер водорода (протонов) незначителен, и, после исчерпания запасов ядер лёгких элементов, термоядерные реакции в их недрах прекращаются, после чего они относительно быстро остывают, превращаясь в планетоподобные объекты, то есть такие звёзды никогда не находятся на главной последовательности Герцшпрунга - Рассела. В коричневых карликах, в отличие от звёзд главной последовательности, также отсутствуют шаровые слои лучистого переноса энергии - теплоперенос в них осуществляется только за счёт турбулентной конвекции, что обуславливает однородность их химического состава по глубине.

Коричневый карлик (меньший объект) вращающийся вокруг звезды Gliese 229, которая расположена в созвездии Зайца около 19 световых лет от . Коричневый карлик Gliese 229B имеет массу от 20 до 75 масс Юпитера.

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 1960-х годов. 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 близкие из них к Земле - два карлика в системе Луман 16, находящиеся на расстоянии 6,5 световых лет от Солнца в созвездии Паруса, одиночный карлик WISE 1506+7027 в созвездии Малая Медведица (11,1 св. лет), обращающиеся друг вокруг друга компоненты B и C в тройной системе ε Индейца (12 св. лет), коричневый карлик в двойной системе SCR 1845-6357 в созвездии Павлина (12,6 св. лет) и UGPS 0722-05 в созвездии Единорога (13,4 св. лет).

В 2006 году, при наблюдении за зоной интенсивного звёздообразования в Туманности Ориона, впервые удалось непосредственно измерить массы двух коричневых карликов в затменно-переменной двойной системе Гевелий 240, которые оказались равны 5,5 % и 3,5 % от массы Солнца.

Сравнительные размеры коричневых карликов Глизе 229B и Тейде 1 с Юпитером и Солнцем.

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».

В то же время, литий присутствует в составе очень молодых звёзд, не успевших ещё сжечь его. Более тяжёлые звёзды, такие как наше Солнце, содержат литий в верхних слоях атмосферы, которые слишком холодны для реакций с его участием. Но такие звёзды легко отличимы от коричневых карликов по размеру. С другой стороны, тяжёлые коричневые карлики (порядка 65-80 M_J) способны истощить запасы лития в начальные периоды своей жизни, то есть примерно за полмиллиарда лет. Таким образом, «литиевый тест» не совершенен.

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.

Отличительным свойством коричневых карликов является то, что они имеют радиус, приблизительно равный радиусу Юпитера. В массивных коричневых карликах (60-80 M_J) определяющую роль, как и в белых карликах, играет давление вырожденного электронного газа (ферми-газа). Объём лёгких коричневых карликов (1-10 M_J) 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 M_J) - слишком холодны и в них невозможны даже реакции с участием дейтерия, а тяжёлые (более 60 M_J) 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:

Измерение плотности. Все коричневые карлики имеют приблизительно одинаковый радиус и объём. Следовательно, объект с массой более 10 M_J скорее всего не является планетой.

Наличие рентгеновского и инфракрасного излучения. Некоторые коричневые карлики излучают в рентгеновском диапазоне. Все «тёплые» карлики излучают в красном и инфракрасном диапазонах, пока не остынут до температуры, сопоставимой с планетарной (до 1000 K).

Один из механизмов происхождения коричневых карликов схож с планетарным. Коричневый карлик формируется в протопланетном диске на его окраине. На следующем этапе их жизни они под воздействием окружающих звёзд выбрасываются в окружающее пространство их родительской звезды и образуют большую популяцию самостоятельных объектов.

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.

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).

1995 год. Обнаружен первый коричневый карлик. Тейде 1, объект спектрального класса M8 в скоплении Плеяд, был идентифицирован с помощью ПЗС-камеры в Испанской обсерватории Роке-де-лос-Мучачос Канарского института астрофизики. Обнаружен первый метановый карлик Глизе 229B, вращающийся вокруг красного карлика Глизе 229A (20 световых лет от Солнца). Обнаружение было выполнено с использованием адаптивной (самонастраивающейся) оптики, позволяющей улучшить качество снимков, сделанных при помощи полутораметрового рефлектора в Паломарской обсерватории в южной Калифорнии. Последующая инфракрасная спектроскопия, выполненная 5-метровым телескопом Хейла, показала изобилие метана в составе карлика.

1998 год. Обнаружен первый коричневый карлик, излучающий рентгеновские лучи. Cha Halpha 1, объект спектрального класса M8 в тёмном облаке Хамелеон I, классифицирован как источник рентгеновского излучения схожий с конвективными звёздами позднего типа.

15 декабря 1999 года. Зафиксирована первая вспышка коричневого карлика в рентгеновском диапазоне. Группа учёных Университета Калифорнии при помощи телескопа Чандра наблюдала 2-часовую вспышку объекта LP 944-020 (60 M_J, 16 световых лет от Солнца).

27 июля 2000 года. Зафиксировано первое излучение коричневого карлика в радиодиапазоне (дискретное и непрерывное). Наблюдения за объектом LP 944-020 производились группой студентов при помощи Очень большого массива радиотелескопов и их результаты были опубликованы в британском журнале Nature.

Астероидный диск вокруг коричневого карлика. Вид с гипотетической планеты с расстояния около 3 млн километров.

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.

В 2005 году в созвездии Хамелеона в регионе звёздообразования Chameleon I, были обнаружены коричневые карлики, у которых было подтверждено наличие аккреционного диска, что является характерным для молодых звёзд. При помощи данных космического телескопа Спицер, Хаббл и наземного телескопа в этом регионе обнаружен коричневый карлик Cha 110913-773444. Объект расположен на расстоянии в 500 световых лет от Солнца и может находиться в процессе формирования мини-солнечной системы. Астрономы из Университета Пенсильвании обнаружили нечто схожее с диском газа и пыли, сильно напоминающий протопланетный диск, из которого, как считается, образовалась наша . Cha 110913-773444 - самый маленький из известных на сегодняшний день коричневых карликов (8+7−3 M_J). Кроме того, если он на самом деле сформировал планетарную систему, то он будет самым маленьким известным объектом, имеющим подобную систему.

Коричневые карлики, несмотря на то, что неспособны поддерживать термоядерные реакции в течение миллионов или миллиардов лет так, как это делают звёзды, в какой-то момент жизни всё же это делают. Температура поверхности коричневых карликов варьирует в зависимости от массы и возраста коричневого карлика от планетной до температуры звёзд нижнего класса класса M. Поэтому для коричневых карликов были выделены специальные спектральные классы: L и T. В качестве теории выделялся ещё более холодный спектральный класс Y, позднее были обнаружен ряд объектов, соответствующих этому классу. Спектральный класс коричневых карликов постепенно сдвигается в сторону более холодного: коричневые карлики остывают, причём чем более массивен коричневый карлик, тем медленнее он остывает.

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.

Художественное изображение L-карлика.

Главной особенностью спектрального класса M, самого холодного спектрального класса звёзд главной последовательности, является наличие полос поглощения таких соединений, как оксид титана (II) и оксид ванадия (II). Тем не менее после обнаружения коричневого карлика GD 165 B, который, в свою очередь, вращается вокруг белого карлика GD 165 A, было установлено, что спектр его не имеет в себе линий поглощения данных соединений. Последующие исследования спектра дали возможность выделить новый спектральный класс L. В плане спектральных линий он совсем не похож на M. В красном оптическом спектре линии оксидов титана и ванадия всё ещё были сильны, но также были и сильные линии гидридов металлов, например FeH, CrH, MgH, CaH. Также были сильные линии щелочных металлов и йода.

По данным на апрель 2005 года, было обнаружено уже свыше 400 карликов класса L.

Художественное изображение T-карлика

GD 165 B является прототипом L-карликов. Аналогично, коричневый карлик Глизе 229 B 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 229 B 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.

Эти различия позволили ввести отдельный спектральный класс T, в первую очередь на основе линий метана. Из-за наличия метана в составе звезды этот класс также называют иногда «метановыми карликами».

Согласно теории, L-карликами могут являться очень маломассивные звёзды и массивные коричневые карлики. T-карликами могут являться только сравнительно маломассивные коричневые карлики. Масса T-карлика обычно не превышает 7 % от массы Солнца или 70 масс Юпитера. По своим свойствам карлики класса T схожи с газовыми планетами-гигантами. Температура их поверхности составляет порядка 700-1300 К. На ноябрь 2010 года обнаружено порядка 200 коричневых карликов спектрального класса T.

Благодаря влиянию спектра молекулярных соединений и спектров натрия и калия, которые сильно выделяют также зелёную часть спектра T-карликов, наблюдатель бы увидел такой объект не бурым, а скорее розовато-синим. В ноябре 2010 года была впервые обнаружена двойная система, состоящая из «метанового карлика» ULAS 1459+0857 и белого карлика LSPM 1459+0857.

Художественное изображение Y-карлика WISE 1828+2650.

Спектральный класс Y – этот спектральный класс долгое время существовал только в теории. Он был смоделирован для ультра-холодных коричневых карликов. Температура поверхности коричневых карликов теоретически должна была быть ниже 700 K (или 400 °C), что делало такие коричневые карлики невидимыми в оптическом диапазоне, а также существенно более холодными, чем «горячие юпитеры».

В 2011 году группа американских учёных заявила об обнаружении коричневого карлика с температурой поверхности 97±40 °C. Но данные о CFBDSIR 1458+10 B пока не напечатаны в рецензируемом журнале.

Другие холодные коричневые карлики: (CFBDS J005910.90-011401.3, ULAS J133553.45+113005.2 и ULAS J003402.77−005206.7) имеют температуру поверхности 500-600 К (200-300 °C) и относятся к спектральному классу Т9. Спектр их поглощения - на уровне длины волны в 1,55 мкм (инфракрасная область).

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 ~ 25 °C, а коричневый карлик WISE 1541-2250, находящийся в 9 световых годах от Солнца (2,8+1,3−0,6 парсек), может отодвинуть красный карлик Ross 154 с седьмого на восьмое место в списке ближайших с Солнцу звёздных систем.

Основным критерием, который отделяет спектральный класс Т от Y, считается наличие полос поглощения аммиака в спектре. Однако сложно идентифицировать, есть ли там эти полосы или нет, так как поглощать могут также такие вещества как метан и вода.

2M1207 - первый из обнаруженных коричневых карликов

OTS 44 - самый маленький коричневый карлик, являющийся центром газопылевого облака (более лёгкие газовые объекты уже относятся к классу планемо или экзопланет).

WISE 1828+2650 - самый холодный из известных коричневых карликов. Его температура - всего 25 °C.

(#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.

Коричневые карлики — космические тела с массой 1−8% солнечной. Они слишком массивны для планет, гравитационное сжатие делает возможным термоядерные реакции с участием« легкогорючих» элементов. Но для« зажигания» водорода их масса недостаточна, и поэтому, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго.

Коричневые карлики – космические тела с массой 1–8% солнечной. Они слишком массивны для планет, гравитационное сжатие делает возможным термоядерные реакции с участием "легкогорючих" элементов. Но для "зажигания" водорода их масса недостаточна, и поэтому, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго

Алексей Левин

Астрономы не ставят экспериментов — они получают информацию с помощью наблюдений. Как сказал один из представителей этой профессии, не существует настолько длинных приборов, чтобы ими можно было дотянуться до звезд. Однако в распоряжении астрономов имеются физические законы, которые позволяют не только объяснять свойства уже известных объектов, но и предсказывать существование еще не наблюдавшихся.

Предвидение Шива Кумара

Про нейтронные звезды, черные дыры, темную материю и иные космические экзоты, вычисленные теоретиками, наслышаны многие. Однако во Вселенной немало и других диковинок, открытых тем же способом. К их числу относятся тела, занимающие промежуточное положение между звездами и газовыми планетами. В 1962 году их предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астроном индийского происхождения, только что защитивший докторскую диссертацию в Мичиганском университете. Кумар назвал эти объекты черными карликами. Позднее в литературе фигурировали такие имена, как черные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, однако в конце концов победило словосочетание «коричневые карлики» (brown dwarfs), предложенное в 1974 году аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

Четыре года международная команда астрономов «взвешивала» ультрахолодный карлик класса L (6,6% солнечной массы) с помощью телескопа «Хаббл», VLT и телескопа им. Кека.

Кумар шел к своему открытию четыре года. В те времена основы динамики рождения звезд уже были известны, но в деталях оставались изрядные пробелы. Однако Кумар в целом столь верно описал свойства своих «черных карликов», что впоследствии с его заключениями согласились даже суперкомпьютеры. Все-таки человеческий мозг как был, так и остается лучшим научным инструментом.

Рождение недозвезд

Звезды возникают в результате гравитационного коллапса космических газовых облаков, которые в основном состоят из молекулярного водорода. Кроме того, там имеется гелий (один атом на 12 атомов водорода) и следовые количества более тяжелых элементов. Коллапс завершается рождением протозвезды, которая становится полноправным светилом, когда ее ядро разогревается до такой степени, что там начинается устойчивое термоядерное горение водорода (гелий в этом не участвует, поскольку для его поджога нужны температуры в десятки раз выше). Минимальная температура, необходимая для воспламенения водорода, составляет около 3 млн градусов.

Кумара интересовали самые легкие протозвезды с массой не выше одной десятой массы нашего Солнца. Он понял, что для запуска термоядерного горения водорода они должны сгуститься до большей плотности, нежели предшественники звезд солнечного типа. Центр протозвезды заполняется плазмой из электронов, протонов (ядер водорода), альфа-частиц (ядер гелия) и ядер более тяжелых элементов. Случается, что еще до достижения температуры поджога водорода электроны дают начало особому газу, свойства которого определяются законами квантовой механики. Этот газ успешно сопротивляется сжатию протозвезды и тем препятствует разогреву ее центральной зоны. Поэтому водород либо вообще не зажигается, либо гаснет задолго до полного выгорания. В таких случаях вместо несостоявшейся звезды формируется коричневый карлик.

Возможность вырожденного ферми-газа к сопротивлению гравитационному сжатию отнюдь не беспредельна, и это легко показать на пальцах. По мере того как электроны заполняют все более высокие уровни энергии, их скорости возрастают и в конце концов приближаются к световой. В этой ситуации сила тяготения одерживает верх и гравитационный коллапс возобновляется. Математическое доказательство сложнее, но вывод аналогичен. Так и получается, что квантовое давление электронного газа останавливает гравитационный коллапс, лишь если масса коллапсирующей системы остается ниже определенной границы, соответствующей 1,41 массы солнца. Она называется пределом чандрасекара — в честь выдающегося индийского астрофизика и космолога, который вычислил ее в 1930 году. Предел чандрасекара задает максимальную массу белых карликов, о чем нашим читателям наверняка известно. Однако предшественники коричневых карликов в десятки раз легче и о пределе чандрасекара могут не беспокоиться.

Кумар вычислил, что минимальная масса нарождающейся звезды равна 0,07 массы Солнца, если речь идет о сравнительно молодых светилах популяции I, которым дают начало облака с повышенным содержанием элементов тяжелее гелия. Для звезд популяции II, возникших более 10 млрд лет назад, во времена, когда гелия и более тяжелых элементов в космическом пространстве было гораздо меньше, она равна 0,09 солнечной массы. Кумар нашел также, что формирование типичного коричневого карлика занимает около миллиарда лет, а его радиус не превышает 10% радиуса Солнца. Наша Галактика, как и другие звездные скопления, должна содержать великое множество таких тел, но их трудно обнаружить из-за слабой светимости.

Как они зажигаются

Со временем эти оценки не особенно изменились. Сейчас считают, что временное возгорание водорода у протозвезды, родившейся из относительно молодых молекулярных облаков, происходит в диапазоне 0,07−0,075 солнечной массы и длится от 1 до 10 млрд лет (для сравнения, красные карлики, самые легкие из настоящих звезд, способны светить десятки миллиардов лет!). Как отметил в беседе с «ПМ» профессор астрофизики Принстонского университета Адам Барроуз, термоядерный синтез компенсирует не более половины потери лучистой энергии с поверхности коричневого карлика, в то время как у настоящих звезд главной последовательности степень компенсации составляет 100%. Поэтому несостоявшаяся звезда охлаждается даже при работающей «водородной топке» и тем более продолжает остывать после ее заглушки.

Протозвезда с массой менее 0,07 солнечной поджечь водород вообще не способна. Правда, в ее недрах может вспыхнуть дейтерий, поскольку его ядра сливаются с протонами уже при температурах в 600−700 тысяч градусов, порождая гелий-3 и гамма-кванты. Но дейтерия в космосе немного (на 200 000 атомов водорода приходится всего один атом дейтерия), и его запасов хватает всего на несколько миллионов лет. Ядра газовых сгустков, не достигших 0,012 массы Солнца (что составляет 13 масс Юпитера) не разогреваются даже до этого порога и поэтому не способны ни к каким термоядерным реакциям. Как подчеркнул профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего Адам Бургассер, многие астрономы полагают, что именно здесь и проходит граница между коричневым карликом и планетой. По мнению представителей другого лагеря, коричневым карликом можно считать и газовый сгусток полегче, если он возник в результате коллапса первичного облака космического газа, а не родился из газо-пылевого диска, окружающего только что вспыхнувшую нормальную звезду. Впрочем, любые подобные определения — дело вкуса.

Еще одно уточнение связано с литием-7, который, как и дейтерий, образовался в первые минуты после Большого взрыва. Литий вступает в термоядерный синтез при несколько меньшем нагреве, нежели водород, и потому загорается, если масса протозвезды превышает 0,055−0,065 солнечной. Однако лития в космосе в 2500 раз меньше, чем дейтерия, и поэтому с энергетической точки зрения его вклад совершенно ничтожен.

Что у них внутри

Что же происходит в недрах протозвезды, если гравитационный коллапс не завершился термоядерным поджогом водорода, а электроны объединились вединую квантовую систему, так называемый вырожденный ферми-газ? Доля электронов в этом состоянии увеличивается постепенно, а не подскакивает за единый миг от нуля до 100%. Однако для простоты будем считать, что этот процесс уже завершен.

Принцип Паули утверждает, что два электрона, входящие в одну и ту же систему, не могут пребывать в одинаковом квантовом состоянии. В ферми-газе состояние электрона определяется его импульсом, положением и спином, который принимает всего два значения. Это означает, что в одном и том же месте может находиться не более пары электронов с одинаковыми импульсами (и, естественно, противоположными спинами). А поскольку в ходе гравитационного коллапса электроны пакуются во все уменьшающийся объем, они занимают состояния с возрастающими импульсами и, соответственно, энергиями. Значит, по мере сжатия протозвезды растет внутренняя энергия электронного газа. Эта энергия определяется чисто квантовыми эффектами и не связана с тепловым движением, поэтому в первом приближении не зависит от температуры (в отличие от энергии классического идеального газа, законы которого изучают в школьном курсе физики). Более того, при достаточно высокой степени сжатия энергия ферми-газа многократно превосходит тепловую энергию хаотического движения электронов и атомных ядер.

Увеличение энергии электронного газа повышает и его давление, которое также не зависит от температуры и растет куда сильнее давления теплового. Именно оно противостоит тяготению вещества протозвезды и прекращает ее гравитационный коллапс. Если это произошло до достижения температуры поджога водорода, коричневый карлик остывает сразу же после непродолжительного по космическим масштабам выгорания дейтерия. Если прото-звезда пребывает в пограничной зоне и имеет массу 0,07−0,075 солнечной, она еще миллиарды лет сжигает водород, но на ее финал это не влияет. В конце концов квантовое давление вырожденного электронного газа столь снижает температуру звездного ядра, что горение водорода останавливается. И хотя его запасов хватило бы на десятки миллиардов лет, поджечь их коричневый карлик уже больше не сможет. Этим-то он и отличается от самого легкого красного карлика, выключающего ядерную топку, лишь когда весь водород превратился в гелий.

Все известные звезды на диаграмме Герцшпрунга-Рассела распределены не равномерно, а объединяются в несколько спектральных классов с учетом светимости (Йеркская классификация, или МКК, по фамилиям разработавших ее астрономов из Йеркской обсерватории — Уильяма Моргана, Филиппа Кинана и Эдит Келлман). Современная классификация выделяет на диаграмме Герцшпрунга-Рассела восемь таких основных групп. Класс 0 — это гипергиганты, массивные и очень яркие звезды, превышающие Солнце по массе в 100−200 раз, а по светимости — в миллионы и десятки миллионов. Класс Ia и Ib — это сверхгиганты, в десятки раз массивнее Солнца и в десятки тысяч раз превосходящие его по светимости. Класс II — яркие гиганты, занимающие промежуточное положение между сверхгигантами и гигантами, которые относятся к классу III. Класс V — это т.н. главная последовательность (карлики), на которой лежит большинство звезд, в том числе и наше Солнце. Когда звезда главной последовательности исчерпает свой запас водорода и в ее ядре начнется горение гелия, она станет субгигантом, которые относятся к классу IV. Чуть ниже главной последовательности лежит класс VI — субкарлики. А к классу VII относятся компактные белые карлики, конечная стадия эволюции звезд, не превышающих по массе предел Чандрасекара.

Профессор Барроуз отмечает и еще одно различие звезды и коричневого карлика. Обычная звезда не только не остывает, теряя лучистую энергию, но, как это ни парадоксально, нагревается. Это происходит потому, что звезда сжимает и разогревает свое ядро, а это сильно увеличивает темпы термоядерного горения (так, за время существования нашего Солнца его светимость возросла по крайней мере на четверть). Иное дело коричневый карлик, сжатию которого препятствует квантовое давление электронного газа. Вследствие излучения с поверхности он остывает, подобно камню или куску металла, хотя и состоит из горячей плазмы, как нормальная звезда.

Долгие поиски

Погоня за коричневыми карликами затянулась надолго. Даже у наиболее массивных представителей этого семейства, которые в юности испускают пурпурное свечение, температура поверхности обычно не превышает 2000 К, а у тех, что полегче и постарше, порой не достигает даже 1000 К. В излучении этих объектов присутствует и оптическая компонента, хоть и очень слабенькая. Поэтому для их поиска лучше всего подходит инфракрасная аппаратура высокого разрешения, которая появилась только в 1980-х годах. Тогда же начали запускать инфракрасные космические телескопы, без которых почти невозможно обнаружить холодные коричневые карлики (пик их излучения приходится на волны длиной 3−5 микрометров, которые в основном задерживаются земной атмосферой).

Именно в эти годы появились сообщения о возможных кандидатах. Поначалу такие заявления не выдерживали проверки, и реальное открытие первой из предсказанных Шивом Кумаром псевдозвезд состоялось лишь в 1995 году. Пальма первенства здесь принадлежит группе астрономов, возглавляемой профессором Калифорнийского университета в Беркли Гибором Басри. Исследователи изучали чрезвычайно тусклый объект PPl 15 в удаленном примерно на 400 световых лет звездном скоплении Плеяды, который ранее обнаружила группа гарвардского астронома Джона Стауффера. По предварительным данным, масса этого небесного тела составляла 0,06 массы Солнца, и он вполне мог оказаться коричневым карликом. Однако эта оценка была весьма приблизительной, и на нее нельзя было полагаться. Профессор Басри и его коллеги смогли решить эту задачу с помощью литиевой пробы, которую незадолго до того придумал испанский астрофизик Рафаэль Реболо.

«Наша группа работала на первом 10-метровом телескопе гавайской обсерватории имени Кека, который вступил в действие в 1993 году, — вспоминает профессор Басри. — Мы решили воспользоваться литиевой пробой, поскольку она давала возможность различить коричневые карлики и близкие к ним по массе красные карлики. Красные карлики очень быстро сжигают литий-7, а почти все коричневые карлики к этому не способны. Тогда считали, что возраст Плеяд составляет около 70 млн лет, и даже легчайшие красные карлики за это время должны были полностью избавиться от лития. Если бы мы нашли литий вспектре PPl 15, то имели бы все основания утверждать, что имеем дело с коричневым карликом. Задача оказалась непростой. Первый спектрографический тест вноябре 1994 года действительно выявил литий, а вот второй, контрольный, в марте 1995-го, этого не подтвердил. Естественно, мы пребывали в разочаровании — открытие ускользало прямо из рук. Однако первоначальное заключение было правильным. PPl 15 оказался парой коричневых карликов, обращающихся вокруг общего центра масс всего за шесть суток. Поэтому-то спектральные линии лития то сливались, то расходились — вот мы и не увидели их в ходе второго теста. Попутно мы обнаружили, что Плеяды старше, нежели считалось ранее».

В этом же 1995 году появились сообщения об открытии еще двух коричневых карликов. Рафаэль Реболо и его коллеги по Астрофизическому институту Канарских островов обнаружили в Плеядах карлик Teide 1, который был также идентифицирован с помощью литиевого метода. А в самом конце 1995 года исследователи из Калифорнийского Технологического института и университета Джонса Хопкинса сообщили, что красный карлик Gliese 229, который находится всего в 19 световых годах от Солнечной системы, обладает компаньоном. Этот спутник в 20 раз тяжелее Юпитера, и в его спектре имеются линии метана. Молекулы метана разрушаются, если температура превышает 1500К, в то время как атмосферная температура наиболее холодных нормальных звезд всегда больше 1700К. Это позволило признать Gliese 229-B коричневым карликом, даже не используя литиевый тест. Сейчас уже известно, что его поверхность нагрета всего до 950 К, так что этот карлик очень даже холодный.

Астрономы постоянно узнают о коричневых карликах что-то новое. Так, в конце ноября 2010 года ученые из Чили, Англии и Канады сообщили об открытии в созвездии Девы всего в 160 световых годах от Солнца звездной пары из двух карликов разных цветовых категорий — белого и коричневого. Последний принадлежит к числу самых горячих карликов Т-класса (его атмосфера нагрета до 1300 К) и по массе равен 70 Юпитерам. Оба небесных тела гравитационно связаны, несмотря на то, что их разделяет огромная дистанция — примерно 1 световой год. Звездную пару коричневых карликов астрономы наблюдали с помощью телескопа UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope) с 3,8-метровым зеркалом. Этот телескоп, расположенный рядом с вершиной Мауна-Кеа на Гавайях на высоте 4200 м над уровнем океана — один из крупнейших в мире инструментов, работающих в инфракрасном диапазоне.

L-карлики, E-карлики — что дальше?

В настоящее время коричневых карликов известно вдвое больше, чем экзопланет, — примерно 1000 против 500. Исследование этих тел заставило ученых расширить классификацию звезд и звездоподобных объектов, поскольку прежняя оказалась недостаточной.

Астрономы издавна подразделяют звезды на группы в соответствии со спектральными характеристиками излучения, которые, в свою очередь, прежде всего определяются температурой атмосферы. Сейчас в основном применяется система, основы которой более ста лет назад были заложены сотрудниками обсерватории Гарвардского университета. В ее простейшей версии звезды делятся на семь классов, обозначаемых латинскими буквами O, B, A, F, G, K и M. В класс O входят чрезвычайно массивные голубые звезды с температурой поверхности выше 33 000К, в то время как к классу M относят красные карлики, красные гиганты и даже ряд красных сверхгигантов, атмосфера которых нагрета менее чем до 3700 К. Каждый класс в свою очередь делится на десять подклассов — от самого горячего нулевого до самого холодного девятого. К примеру, наше Солнце принадлежит классу G2. У гарвардской системы есть и более сложные варианты (так, в последнее время белые карлики выделяют в особый класс D), но это уже тонкости.

Открытие коричневых карликов обернулось введением новых спектральных классов L и T. К классу L относят объекты с температурами поверхности от 1300 до 2000К. Среди них не только коричневые карлики, но и наиболее тусклые красные карлики, которые раньше относили к M-классу. Класс Т включает лишь одни коричневые карлики, атмосферы которых нагреты от 700 до 1300 K. В их спектрах в изобилии присутствуют линии метана, поэтому эти тела нередко называют метановыми карликами (именно таков Gliese 229 B).

«К концу 1990-х годов мы накопили немало информации о спектрах самых тусклых звезд, в том числе и коричневых карликов, — рассказывает «ПМ» астроном из Калтеха Дэви Киркпатрик, входящий в группу ученых, по инициативе которых были введены новые классы. — Оказалось, что они обладают рядом особенностей, не встречавшихся ранее. Типичные для красных М-карликов спектральные метки оксидов ванадия и титана исчезли, зато появились линии щелочных металлов — натрия, калия, рубидия и цезия. Поэтому мы решили, что гарвардскую классификацию надо расширить. Сначала был добавлен класс L, эту букву предложил именно я — просто потому, что за ней ничего еще не числилось. Однако Gliese 229 B из-за наличия метана классу L не соответствовал. Пришлось задействовать еще одну свободную букву — T, так появился T-класс».

Скорее всего, дело этим не закончится. Уже предложено ввести класс y, который резервируется для гипотетических ультрахолодных коричневых карликов, нагретых ниже 600к. Их спектры также должны иметь характерные особенности, такие как четкие линии поглощения аммиака (а при температурах менее 400 к появятся и пары воды). Поскольку все коричневые карлики обречены на остывание, тела y-класса обязаны существовать, хотя до сих пор не обнаружены. Не исключено, что их откроют после запуска гигантского инфракрасного телескопа james webb, который отправится в космос в 2014 году. Быть может, эта обсерватория даже найдет у коричневых карликов планеты, существование которых в принципе вполне допустимо. Впереди астрономов ждет еще немало интересного.