Коричневые карлики: самые холодные звёзды или самые горячие планеты?

Коричневый карлик
Коричневый карлик в представлении художника. Авторы и права: NASA / ESA / JPL.

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
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.

Коричневый карлик
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.

Солнце
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
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.

Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.