Кафявите джуджета са космически тела с маса 1-8% от слънчевата маса. Те са твърде масивни за планетите, гравитационната компресия прави възможни термоядрени реакции с участието на "силно запалими" елементи. Но тяхната маса е недостатъчна, за да „запали“водорода и затова, за разлика от пълноценните звезди, кафявите джуджета не блестят дълго.
Астрономите не експериментират - те получават информация чрез наблюдения. Както каза един от представителите на тази професия, няма устройства, които да са достатъчно дълги, за да достигнат до звездите. Астрономите обаче разполагат с физически закони, които позволяват не само да се обяснят свойствата на вече известни обекти, но и да се предскаже съществуването на обекти, които все още не са наблюдавани.
Далновидността на Шива Кумар
Мнозина са чували за неутронни звезди, черни дупки, тъмна материя и други космически екзотики, изчислени от теоретиците. Има обаче много други любопитни неща във Вселената, открити по същия начин. Те включват тела, които са междинни между звездите и газовите планети. Те бяха предсказани през 1962 г. от Шив Кумар, 23-годишен индийско-американски астроном, току-що завършил докторска степен в университета в Мичиган. Кумар нарича тези обекти черни джуджета. По-късно в литературата се появяват имена като черни звезди, обекти на Кумар, инфрачервени звезди, но в крайна сметка фразата „кафяви джуджета“, предложена през 1974 г. от аспирант в Калифорнийския университет Джил Тартер, печели.
В продължение на четири години международен екип от астрономи "претегли" ултра студеното джудже от L-клас (6,6% от слънчевата маса), използвайки телескопа Хъбъл, VLT и Кек.
Кумар отиваше на откриването си в продължение на четири години. По онова време основите на динамиката на раждането на звездите вече бяха известни, но имаше значителни пропуски в детайлите. Кумар обаче като цяло толкова правилно описа свойствата на своите „черни джуджета“, че по-късно дори суперкомпютрите се съгласиха с неговите заключения. В крайна сметка човешкият мозък е бил и остава най-добрият научен инструмент.
Промоционално видео:
Раждането на разбирачи
Звездите възникват от гравитационния колапс на космическите газови облаци, които са предимно молекулен водород. Съдържа също хелий (един на всеки 12 водородни атома) и следи от по-тежки елементи. Колапсът завършва с раждането на протозвезда, която се превръща в пълноценно светило, когато ядрото му се нагрява до такава степен, че там започва стабилно термоядрено изгаряне на водород (хелий не участва в това, тъй като за запалването му са необходими десет пъти по-високи температури). Минималната температура, необходима за възпламеняване на водорода, е около 3 милиона градуса.
Кумар се интересуваше от най-леките протозвезди с маса, която не надвишаваше една десета от масата на нашето Слънце. Той осъзна, че за да предизвикат термоядреното изгаряне на водорода, те трябва да се сгъстят до по-висока плътност от предшествениците на звездите от слънчев тип. Центърът на протозвездата е изпълнен с плазма от електрони, протони (водородни ядра), алфа частици (ядра на хелий) и ядра на по-тежки елементи. Случва се дори преди да се достигне температурата на запалване на водорода, електроните дават началото на специален газ, чиито свойства се определят от законите на квантовата механика. Този газ успешно се противопоставя на компресията на протозвездата и по този начин предотвратява нагряването на централната зона. Следователно водородът или не се възпламенява, или изгасва много преди пълно изгаряне. В такива случаи вместо неуспешна звезда се образува кафяво джудже.
Възможността дегенерирал Ферми газ да устои на гравитационната компресия в никакъв случай не е неограничена и е лесно да се покаже от една страна. Когато електроните запълват все по-високи енергийни нива, скоростите им се увеличават и в крайна сметка се приближават към светлината. В тази ситуация гравитационната сила преобладава и гравитационният колапс се възобновява. Математическото доказателство е по-сложно, но заключението е подобно. Така се оказва, че квантовото налягане на електронния газ спира гравитационния колапс само ако масата на колабиращата система остане под определена граница, съответстваща на 1,41 слънчеви маси. Нарича се лимит на chandrasekhar - в чест на изключителния индийски астрофизик и космолог, който го е изчислил през 1930г. Ограничението на чандрасекар определя максималната маса на белите джуджета,за което нашите читатели вероятно знаят. Предшествениците на кафявите джуджета обаче са десетки пъти по-леки и не трябва да се притеснявате за границата на чандрасекар.
Кумар изчислява, че минималната маса на зараждаща се звезда е 0,07 слънчеви маси, когато става въпрос за относително млади светила от популация I, които пораждат облаци с повишено съдържание на елементи, по-тежки от хелия. За звездите от население II, възникнали преди повече от 10 милиарда години, по времето, когато хелийът и по-тежките елементи в космическото пространство са били много по-малко, това е равно на 0,09 слънчеви маси. Кумар също установява, че образуването на типично кафяво джудже отнема около милиард години и радиусът му не надвишава 10% от радиуса на Слънцето. Нашата галактика, подобно на други звездни купове, трябва да съдържа голямо разнообразие от такива тела, но те са трудни за откриване поради слабата им светимост.
Как светят
Тези оценки не са се променили много с течение на времето. Сега се смята, че временното запалване на водорода в протозвезда, родена от относително млади молекулярни облаци, се случва в диапазона от 0,07-0,075 слънчеви маси и продължава от 1 до 10 милиарда години (за сравнение, червените джуджета, най-леките от истинските звезди, могат да блестят десетки милиарди години!). Както отбелязва в интервю за PM Адам Бъроуз, професор по астрофизика от университета в Принстън, термоядреният синтез компенсира не повече от половината от загубата на лъчиста енергия от повърхността на кафяво джудже, докато при звездите от реална основна последователност степента на компенсация е 100%. Следователно неуспешната звезда се охлажда, дори когато „водородната пещ“работи, и още повече, че продължава да се охлажда след нейното запушване.
Протозвездата с маса под 0,07 слънчева маса изобщо не е способна да запали водорода. Вярно е, че деутерият може да избухне в дълбочината си, тъй като неговите ядра се сливат с протони вече при температури от 600-700 хиляди градуса, пораждайки хелий-3 и гама кванти. Но в космоса няма много деутерий (има само един деутериев атом за 200 000 водородни атома) и запасите му траят само няколко милиона години. Ядрата от газови снопове, които не са достигнали 0,012 слънчеви маси (което е 13 маси от Юпитер), не се загряват дори до този праг и следователно не са способни на никакви термоядрени реакции. Както подчерта професорът от Калифорнийския университет в Сан Диего Адам Бургасер, много астрономи вярват, че тук минава границата между кафявото джудже и планетата. Според представители на друг лагер,По-лек газов куп също може да се счита за кафяво джудже, ако е възникнал в резултат на колапса на първичния облак на космическия газ и не е роден от газопрахов диск, заобикалящ нормална звезда, току-що избухнала. Всяко такова определение обаче е въпрос на вкус.
Друго уточнение е свързано с литий-7, който подобно на деутерия се е образувал в първите минути след Големия взрив. Литият влиза в термоядрен синтез при малко по-малко нагряване от водорода и следователно се запалва, ако масата на протозвездата надвишава 0,055-0,065 слънчева. Литият в космоса обаче е 2500 пъти по-малък от деутерия и следователно от енергийна гледна точка приносът му е напълно незначителен.
Какво имат вътре
Какво се случва във вътрешността на протозвездата, ако гравитационният колапс не завърши с термоядрено запалване на водорода и електроните се обединят в една единствена квантова система, така нареченият дегенериран газ Ферми? Делът на електроните в това състояние се увеличава постепенно и не скача за един миг от нула до 100%. За по-голяма простота обаче ще приемем, че този процес вече е завършен.
Принципът на Паули гласи, че два електрона, влизащи в една и съща система, не могат да бъдат в едно и също квантово състояние. В един ферми газ състоянието на електрона се определя от неговия импулс, положение и спин, което приема само две стойности. Това означава, че на едно и също място може да има не повече от двойка електрони с еднакви импулси (и, естествено, противоположни завъртания). И тъй като в хода на гравитационния колапс електроните са опаковани във все по-малък обем, те заемат състояния с нарастващи импулси и съответно енергии. Това означава, че с намаляването на протозвездата вътрешната енергия на електронния газ се увеличава. Тази енергия се определя от чисто квантови ефекти и не е свързана с топлинно движение; следователно в първото приближение тя не зависи от температурата (за разлика от енергията на класически идеален газ,законите на които се изучават в училищния курс по физика). Нещо повече, при достатъчно високо съотношение на компресия енергията на газа Ферми е в пъти по-голяма от топлинната енергия на хаотичното движение на електрони и атомни ядра.
Увеличаването на енергията на електронния газ също увеличава неговото налягане, което също не зависи от температурата и става много по-силно от топлинното налягане. Точно това се противопоставя на гравитацията на материята на протозвездата и спира нейния гравитационен колапс. Ако това се случи преди да се достигне температурата на запалване на водорода, кафявото джудже се охлажда веднага след кратко изгаряне на деутерий в космически мащаб. Ако протозвездата е в граничната зона и има маса 0,07-0,075 слънчева, тя изгаря водород в продължение на милиарди години, но това не оказва влияние върху окончателния й резултат. В крайна сметка квантовото налягане на дегенериралия електронен газ понижава температурата на звездното ядро толкова, че изгарянето на водорода спира. И въпреки че запасите му биха били достатъчни за десетки милиарди години, кафявото джудже вече няма да може да ги подпали. Това е, което го прави различен от най-лекото червено джудже, което изключва ядрената пещ само когато целият водород се превърне в хелий.
Всички известни звезди на диаграмата Hertzsprung-Russell не са равномерно разпределени, но са обединени в няколко спектрални класа, като се отчита яркостта (класификация на Yerkes или MCC, по имената на астрономите, които са я разработили от обсерваторията на Yerkes - Уилям Морган, Филип Кийнън и Едит Келман). Съвременната класификация разграничава осем такива основни групи на диаграмата Hertzsprung-Russell. Клас 0 - това са хипергиганти, масивни и много ярки звезди, надвишаващи Слънцето по маса със 100-200 пъти и по отношение на светимостта - в милиони и десетки милиони. Клас Ia и Ib - това са супергиганти, десетки пъти по-масивни от Слънцето и десетки хиляди пъти превъзхождащи яркостта. Клас II - ярки гиганти, които са междинни между супергиганти и гиганти от клас III. Клас V иmdash; това е т.нар основната последователност (джуджета), върху която лежат повечето звезди, включително нашето Слънце. Когато звездата от основната последователност остане без водород и започне да изгаря хелий в ядрото си, тя ще се превърне в подгигант от клас IV. Точно под основната последователност е клас VI - подноженици. А клас VII включва компактни бели джуджета, последният етап от еволюцията на звездите, които не надвишават границата на масата Чандрасекар. А клас VII включва компактни бели джуджета, последният етап от еволюцията на звездите, които не надвишават границата на масата Чандрасекар. И клас VII включва компактни бели джуджета, последният етап от еволюцията на звездите, които не надвишават границата на масата Чандрасекар.
Професор Бъроуз отбелязва още една разлика между звездата и кафявото джудже. Една обикновена звезда не само не се охлажда, губейки лъчиста енергия, но, парадоксално, загрява. Това се случва, защото звездата компресира и загрява ядрото си и това значително увеличава скоростта на термоядреното изгаряне (например, по време на съществуването на нашето Слънце, светимостта му се е увеличила с поне една четвърт). Кафявото джудже е различен въпрос, чието компресиране се предотвратява от квантовото налягане на електронния газ. Поради излъчването от повърхността той се охлажда като камък или парче метал, въпреки че се състои от гореща плазма, като нормална звезда.
Дълги търсения
Преследването на кафяви джуджета се проточи дълго време. Дори при най-масивните представители на това семейство, които излъчват лилаво сияние през младостта си, повърхностната температура обикновено не надвишава 2000 K, а при тези, които са по-леки и по-стари, понякога дори не достига 1000 K. Излъчването на тези обекти съдържа и оптичен компонент, въпреки че много слаб. Следователно инфрачервеното оборудване с висока разделителна способност, което се появи едва през 80-те години, е най-подходящо за намирането им. В същото време започват да се изстрелват инфрачервени космически телескопи, без които е почти невъзможно да се открият студени кафяви джуджета (пикът на тяхното излъчване пада върху вълни с дължина 3-5 микрометра, които се забавят главно от земната атмосфера).
През тези години се появиха доклади за възможни кандидати. Отначало подобни изявления не издържаха на проверка и истинското откритие на първата от псевдозвездите, предсказана от Шив Кумар, се случи едва през 1995 г. Дланта тук принадлежи на група астрономи, водени от професор от Калифорнийския университет в Бъркли Гибор Басри. Изследователите са изследвали изключително слабия обект PPl 15 в звездния куп Плеяди на около 400 светлинни години, който преди това е бил открит от екипа на астронома от Харвард Джон Стауфър. По предварителни данни масата на това небесно тяло е била 0,06 слънчеви маси и може да се окаже кафяво джудже. Тази оценка обаче беше много груба и не можеше да се разчита на нея. Професор Басри и колегите му успяха да решат този проблем, използвайки литиева проба,която наскоро беше измислена от испанския астрофизик Рафаел Реболо.
„Нашата група работи по първия 10-метров телескоп на Обсерваторията на Кек, който влезе в експлоатация през 1993 г.“, спомня си професор Басри. - Решихме да използваме литиевия тест, тъй като той даде възможност да се прави разлика между кафяви джуджета и червени джуджета, близки до тях по маса. Червените джуджета изгарят литий-7 много бързо и почти всички кафяви джуджета не са способни на това. Тогава се смяташе, че възрастта на Плеядите е около 70 милиона години и дори най-светлите червени джуджета през това време е трябвало напълно да се отърват от лития. Ако открием литий в спектъра PPl 15, тогава ще имаме всички основания да твърдим, че имаме работа с кафяво джудже. Задачата не беше лесна. Първият спектрографски тест през ноември 1994 г. наистина разкри литий, но вторият, контролен, през март 1995 г., не потвърди това. Естествено,останахме разочаровани - откритието се изплъзна направо от ръцете ни. Първоначалното заключение обаче беше правилно. PPl 15 се оказа двойка кафяви джуджета, които обикаляха около общ център на масата само за шест дни. Ето защо спектралните линии на лития понякога се сливат, след това се разминават - така че не ги видяхме по време на втория тест. По пътя открихме, че Плеядите са по-стари, отколкото се смяташе досега."
През същата 1995 г. има съобщения за откриването на още две кафяви джуджета. Рафаел Реболо и колегите му от Астрофизичния институт на Канарските острови откриха джуджето Тейде 1 в Плеядите, което също беше идентифицирано с помощта на литиевия метод. И в самия край на 1995 г. изследователи от Калифорнийския технологичен институт и университета Джон Хопкинс съобщиха, че червеното джудже Gliese 229, което е само на 19 светлинни години от Слънчевата система, има свой спътник. Тази луна е 20 пъти по-тежка от Юпитер и съдържа метанови линии в своя спектър. Молекулите на метана се унищожават, ако температурата надвишава 1500K, докато атмосферната температура на най-студените нормални звезди винаги е над 1700K. Това позволи на Gliese 229-B да бъде разпознато като кафяво джудже, без дори да се използва тест за литий. Сега вече е известноче повърхността му се нагрява само до 950 К, така че това джудже е много студено.
Астрономите непрекъснато научават нови неща за кафявите джуджета. И така, в края на ноември 2010 г. учени от Чили, Англия и Канада обявиха откритието в съзвездието Дева, само на 160 светлинни години от Слънцето, звездна двойка от две джуджета от различни цветови категории - бяло и кафяво. Последното е едно от най-горещите джуджета от Т-клас (атмосферата му се нагрява до 1300 К) и има маса 70 юпитера. И двете небесни тела са гравитационно свързани, въпреки факта, че са разделени от огромно разстояние - приблизително 1 светлинна година. Астрономите наблюдават звездна двойка кафяви джуджета с помощта на телескопа UKIRT (Обединеното кралство Инфрачервен телескоп) с 3,8-метрово огледало. Този телескоп, разположен близо до върха на Мауна Кеа на Хаваите на височина 4200 м над морското равнище - - един от най-големите инструменти в света,работещи в инфрачервения диапазон.
L-джуджета, E-джуджета - какво следва?
Понастоящем има два пъти повече кафяви джуджета, известни като екзопланети - около 1000 срещу 500. Проучването на тези тела принуди учените да разширят класификацията на звездите и подобни на звезди обекти, тъй като предишното беше недостатъчно.
Астрономите отдавна класифицират звездите в групи според спектралните характеристики на радиацията, които от своя страна се определят преди всичко от температурата на атмосферата. Днес се използва основно системата, чиито основи са положени от персонала на обсерваторията на Харвардския университет преди повече от сто години. В най-простия си вариант звездите са разделени на седем класа, обозначени с латинските букви O, B, A, F, G, K и M. Клас O включва изключително масивни сини звезди с повърхностни температури над 33 000K, докато клас M включва червени джуджета, червени гиганти и дори редица червени супергиганти, чиято атмосфера се нагрява до по-малко от 3700 К. Всеки клас от своя страна е разделен на десет подкласа - от най-горещата нула до най-студения девети. Например нашето Слънце принадлежи към класа G2. Харвардската система има и по-сложни варианти (например напоследък белите джуджета са разпределени в специален клас D), но това са тънкости.
Откриването на кафяви джуджета доведе до въвеждането на нови спектрални типове L и T. Класът L включва обекти с повърхностни температури от 1300 до 2000K. Сред тях са не само кафявите джуджета, но и най-мрачните червени джуджета, които преди това бяха класифицирани като М-клас. Клас Т включва само едно кафяво джудже, чиято атмосфера се нагрява от 700 до 1300 К. Метановите линии изобилстват в техните спектри, поради което тези тела често се наричат метанови джуджета (точно това е Gliese 229 B).
„Към края на 90-те години ние натрупахме богата информация за спектрите на най-слабите звезди, включително кафявите джуджета“, каза астрономът от Caltech Дейви Къркпатрик, част от екипа, инициирал новите класове, пред ПМ. - Оказа се, че те имат редица функции, които не са срещани досега. Спектралните белези на ванадиеви и титанови оксиди, характерни за червените М-джуджета, са изчезнали, но се появяват линии на алкални метали - натрий, калий, рубидий и цезий. Затова решихме, че класификацията в Харвард трябва да бъде разширена. Първо беше добавен клас L, аз бях този, който предложи това писмо - просто защото за него все още няма нищо. Gliese 229 B обаче не отговаря на клас L поради наличието на метан. Трябваше да използвам още една безплатна буква - Т, така се появи Т-класът."
Най-вероятно това няма да свърши дотук. Вече беше предложено да се въведе клас y, който е запазен за хипотетични ултра студени кафяви джуджета, нагрявани под 600K. Техните спектри също трябва да имат характерни черти, като ясни линии на поглъщане на амоняк (а при температури под 400 К също ще се появят водни пари). Тъй като всички кафяви джуджета са обречени да се охладят, телата от клас y трябва да съществуват, въпреки че все още не са открити. Възможно е те да бъдат отворени след изстрелването на гигантския инфрачервен телескоп Джеймс Уеб, който ще излезе в космоса през 2014 г. Може би тази обсерватория дори ще открие планети в кафяви джуджета, чието съществуване по принцип е напълно приемливо. Предстоят още много интересни неща за астрономите.
Алексей Левин