Коричневые карлики рождаются подобно звездам, излучают некоторое время тепло и даже иногда плавят элементы в своих ядрах. Однако их нельзя назвать полноценными звездами, так как в их жизненном цикле существуют колоссальные различия. Рассказываем, почему наука так интересуется ими.
Что такое коричневые карлики?
Коричневые карлики, или бурые карлики — это субзвездные объекты (с массами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера).
Как и в звездах, в них идут термоядерные реакции ядерного синтеза на ядрах легких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора), но, в отличие от звезд главной последовательности, вклад в тепловыделение таких звезд ядерной реакции слияния ядер водорода (протонов) незначителен, и после исчерпания запасов ядер легких элементов термоядерные реакции в их недрах прекращаются, после чего они относительно быстро остывают.
В коричневых карликах, в отличие от звезд главной последовательности, также отсутствуют шаровые слои лучистого переноса энергии — теплоперенос в них осуществляется только за счет турбулентной конвекции, что обуславливает однородность их химического состава по глубине.
Вращение карликов
Все открытые коричневые карлики имеют быстрое вращение — от часа до нескольких десятков часов на полный оборот.
К примеру, троица самых быстровращающихся карликов достигает экваториальной скорости 360 000 км/ч, и довольно близко подошла к теоретическому пределу, за которым небесное тело должно быть разрушено центробежной силой и который больше наблюдаемого на 50–80%.
Быстрое вращение карликов объясняют отсутствием у них механизмов передачи вращающего момента, существующего у звезд. К примеру, Солнце, имеющее период обращения на экваторе 25 дней и экваториальную скорость 7 284 км/ч, передает момент вращения через магнитное поле: вращающееся вместе с Солнцем поле отклоняет движение протонов солнечного ветра по направлению вращения.
Тем самым скорость вращения Солнца по мере его эволюции все больше замедляется.
Происхождение
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 звезд выбрасываются в окружающее пространство их родительской звезды и образуют большую популяцию самостоятельных объектов.
Как и обычные звезды, коричневые карлики могут образовываться независимо от других объектов. Они могут формироваться по отдельности или в непосредственной близости от других звезд.
В 2015 году была изучена группа коричневых карликов, находящихся в процессе формирования, и некоторые из них демонстрировали такие же джеты, что и более массивные звезды, находящиеся в процессе формирования.
Наблюдения
В отличие от звезд главной последовательности, минимальная температура поверхности которых составляет порядка 4 000 К, температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3 000 К.
В отличие от звезд, которые сами себя разогревают за счет идущего внутри них термоядерного 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 звездами 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.
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.
Планеты вокруг коричневых карликов
Супер-Юпитеры планетарной массы 2M1207B и 2MASS J044144, которые вращаются вокруг коричневых карликов на больших орбитальных расстояниях, могут быть образованы посредством аккреции, а не из газопылевого облака, и поэтому могут быть субкоричневыми карликами, а не массивными планетами.
Обнаруженные диски вокруг коричневых карликов имеют многие из тех же функций, что и диски вокруг звезд. Таким образом, предполагается, что из них с течением времени будут сформированы планеты, обращающиеся вокруг коричневых карликов. Учитывая малую массу дисков коричневых карликов, большинство планет будет планетами земной группы, а не газовыми гигантами.
Если бы газовый гигант вращался вокруг коричневого карлика и Солнце лежало бы в плоскости его орбиты, то его легко было бы обнаружить транзитным методом, потому что они имеют примерно одинаковый диаметр.
Зона аккреции для планет вокруг коричневого карлика расположена очень близко к самому коричневому карлику, поэтому приливные силы будут оказывать большое влияние на сформированные планеты.
Планеты, вращающиеся вокруг коричневых карликов, вероятно, будут силикатными планетами с дефицитом воды. Исключение составляют сформированные на внешнем краю газопылевого диска планеты, которые в силу более низкой температуры аккреции теоретически могут сохранить часть воды в своем составе.
Обитаемость
Была изучена обитаемость для планет, вращающихся вокруг коричневых карликов. Компьютерные модели показывают очень строгие условия для обитаемости подобных планет, поскольку обитаемая зона является узкой и уменьшается со временем из-за охлаждения коричневого карлика.
Поскольку коричневые карлики намного тусклее Солнца, планета земной массы должна иметь орбиту гораздо ближе, чтобы получить столько же тепла, сколько Земля получает от Солнца.
Гипотетические обитаемые планеты вокруг коричневого карлика, вероятно, имеют орбитальный период не более, чем несколько земных дней. Обитаемая зона коричневого карлика представляет собой область пространства вокруг коричневого карлика, где температура не слишком высокая и не слишком низкая для того, чтобы жидкая вода существовала на поверхности планеты земной массы.
Развитие простейшей или даже сложной жизни на планете земной массы, вращающейся вокруг коричневого карлика, как ожидается, во многом зависит от того количества времени, которое планета проведет в пределах обитаемой зоны, или «зоны Златовласки».
На Земле для появления простейшей жизни потребовалось не менее 0,5 млрд лет, в то время как появление сложной многоклеточной жизни, возможно, заняло примерно 3 млрд лет.
В результате планета должна достаточно долго находиться в сжимающейся обитаемой зоне коричневого карлика, чтобы простейшая жизнь или даже продвинутые формы жизни успели развиться. Andreeshchev и Scalo (2002) рассчитали, что планета на близкой орбите вокруг коричневого карлика 0,07 солнечной массы может находиться в пределах обитаемой зоны до 10 млрд лет.
Продолжительность периода обитаемости уменьшается для коричневых карликов меньшей массы. Например, планета вокруг коричневого карлика 0,04 солнечной массы может оставаться пригодной для жизни на срок не более 4 млрд лет.
Новейшее изучение коричневых карликов
- Карта коричневых карликов
Астрономы составили самый полный список близлежащих коричневых карликов благодаря открытиям, сделанным тысячами добровольцев, участвующих в проекте Backyard Worlds. Список и 3D-карта 525 коричневых карликов, в том числе 38, о которых сообщается впервые, включают данные наблюдений со множества астрономических инструментов.
В результате создана карта местоположения более 500 холодных коричневых карликов в окрестностях Солнца. Международная команда астрономов при поддержке добровольцев-ученых из коллаборации Backyard Worlds: Planet 9 объявила о беспрецедентной переписи 525 холодных коричневых карликов в пределах 65 световых лет от Солнца, включая 38 новых открытий.
Определив расстояния до всех объектов переписи, астрономы смогли построить трехмерную карту распределения холодных коричневых карликов в окрестностях Солнца.
- Ветры и реактивные течения
Исследовательская группа под руководством Университета Аризоны обнаружила ветры и реактивные течения на ближайшем к Земле коричневом карлике.
Знать, как дуют на карликах ветры и перераспределяется тепло, важно, так как помогает нам понять климат, экстремальные температуры и их эволюцию.
Для того, чтобы выяснить это, группа исследователей использовала космический телескоп NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite, или TESS, для изучения двух ближайших к Земле коричневых карликов.
Они находятся в 6,5 световых годах от нас. Коричневые карлики называются Luhman 16 A и B. Luhman 16 A примерно в 34 раза массивнее Юпитера, а Luhman 16 B, который был главным объектом исследования, примерно в 28 раз массивнее Юпитера и примерно на 815 градусов горячее.
- Двойная система коричневых карликов
Ученые обнаружили экзотическую двойную систему из двух молодых планетоподобных объектов. Хотя они выглядят как гигантские экзопланеты, они образовались так же, как и звезды.
Исследователи под руководством Клеманс Фонтанив из Центра космоса и обитаемости (CSH) Бернского университета обнаружили любопытную беззвездную двойную систему коричневых карликов.
Система CFHTWIR-Oph 98 (или, для краткости, Oph 98) состоит из двух очень маломассивных объектов Oph 98 A и Oph 98 B. Она находится в 450 световых годах от Земли в звездном скоплении Змееносец.
Эта пара является редким примером двух объектов, похожих во многих аспектах на внесолнечные планеты-гиганты, вращающихся вокруг друг друга без родительской звезды.
Более массивный компонент, Oph 98 A — молодой коричневый карлик с массой в 15 раз больше массы Юпитера. Ученые отмечают, что объект находится на границе, отделяющей коричневые карлики от планет. Его спутник, Oph 98 B, всего в 8 раз тяжелее Юпитера.
- Скорость ветра на коричневом карлике
Астрономы впервые измерили скорость ветра на коричневом карлике. Методика, разработанная исследователями из Национальной радиоастрономической обсерватории, позволит измерять скорость ветра и на других звездах вне Солнечной системы.
Исследователи на основе данных орбитального телескопа Spitzer изучили коричневый карлик 2MASS J10475385 + 2124234. Размер этого объекта сравним с размером Юпитера, однако он примерно в 40 раз массивнее газового гиганта. Карлик расположен на расстоянии 34 световых лет от Земли.
Изучение данных, собранных телескопом, позволило ученым составить модель атмосферы объекта. Астрономы обнаружили, что внешняя атмосфера коричневого карлика вращается быстрее, чем ее внутренняя часть.
Скорость ветра на нем составляет примерно 2 293,315 км/ч. Это значительно больше, чем скорость ветра на Юпитере, которая составляет около 370 км/ч.
Читать далее
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Инфракрасное излучение от рук человека использовали для шифрования
В Долине Смерти нашли бактерии, которые находились в эволюционном застое миллионы лет