Коричневі карлики: невдалі зірки між планетою та сонцем

Обмежений діапазон мас, а не єдиний поріг

Бурий карлик займає вузький діапазон мас між найважчими планетами та найлегшими зірками – приблизно від 13 до 80 мас Юпітера (що становить близько 0,012 до 0,08 сонячних мас). Нижче цього діапазону об'єкт ніколи не зможе ініціювати будь-який вид ядерного синтезу в своєму ядрі. Вище – гравітаційне стиснення робить ядро достатньо гарячим та щільним для безперервного згоряння звичайного водню-1 на гелій, і об'єкт стає повноцінною зіркою головної послідовності, яка світить стабільно протягом мільярдів років. Між цими значеннями ядро тимчасово стає достатньо гарячим для двох значно легших реакцій – згоряння важкого водню (дейтерію) вище 13 мас Юпітера, та згоряння літію вище 65 – але жодна з них не є самопідтримуваною. Обидва палива вичерпуються протягом декількох мільйонів років, і після цього бурий карлик більше не має внутрішнього джерела енергії.

Життєвий цикл охолодження, а не горіння

Після того, як короткочасне паливо з дейтерію та літію вичерпано, коричневі карлики виживають лише завдяки залишкам тепла, накопиченого під час їхнього утворення. Під дією сили Кельвіна-Гельмгольца — механізму, який також жив активним молодим Юпітером і Сатурном — вони повільно стискаються під впливом гравітації, випромінюючи це збережене тепло та поступово стають темнішими та холоднішими, безперервно охолоджуючись. Не існує точки рівноваги, де злиття компенсує втрати, як у зірці; світловий крива продовжує лише зменшуватися. Молодий коричневий карлик може тимчасово сяяти при температурах близько 2500 К, подібно до невеликої зірки, але протягом мільярдів років він поступово згасає до температур, трохи вищих за рівень поглинання-холодильника (absorption-refrigerator levels).

Послідовність M/L/T/Y

Через те, що температура поступово зменшується, коричневі карлики отримали власне розширення відомої зіркової спектральної класифікації (O, B, A, F, G, K, M):

пізні M ~2 500-3 700 К перекриваються найхолоднішими справжніми зірками, L ~1 300-2 500 К – атмосферы з пилом та хмарами, металоводні; T ~500-1 300 К – проявляються поглинальні смуги метану, Y <500 К – найхолодніші відомі; можливі хмари води/аміаку.

L карлики залишаються достатньо теплими, щоб хмари силікатного пилу та металоводнів домінували в їх спектрі. Коли температура падає приблизно нижче 1300 К, метан стає стабільним і створює сильні поглинальні смуги, які визначають клас T – той самий газ, що фарбує атмосфери Урану та Нептуна. Найхолодніші Y карлики, вперше підтверджені інфрачервоною опилкою WISE NASA близько 2011 року, знаходяться поблизу або навіть нижче звичайної кімнатної температури; деякі можуть мати хмари льоду води, подібні до планетних.

late M   ~2,500-3,700 K   overlaps the coolest true stars
L        ~1,300-2,500 K   dusty, cloudy atmospheres; metal hydrides
T        ~500-1,300 K    methane absorption bands appear
Y        <500 K          coolest known; possible water/ammonia clouds

Пастка віку-маси-яскравість

Оскільки і вік, і маса знижують яскравість, слабкий коричневий карликовий об’єкт фундаментально неоднозначний лише за яскравістю: він може бути старим, відносно масивним об’єктом, який мав достатньо часу для охолодження, або молодим, набагато легшим об’єктом, який просто почав згасати. Криві охолодження для різних мас перетинаються на діаграмі яскравості-температури, тому одна й та сама яскравість відповідає багатьом можливим парам (маса, вік). Астрономи розривають цю неоднозначність, знаходячи коричневі карлики в місцях, де вік вже відомий незалежно – всередині виміряних за віком зоряних згульців або на орбітах навколо звичайних зірок, вік яких можна датувати за допомогою моделей еволюції зір.

Близькі приклади

Gliese 229B, виявлена в 1995 році, була першим коричневим карликом, підтвердженим безпосереднім спектроскопічним аналізом – її смуги метану показали, що вона занадто холодна, щоб бути зіркою. Luhman 16, бінарна система з двох L/T коричневих карликів на відстані лише 6,5 світлових років, є третьою найближчою зоряною системою до Сонця після Альфи Центавра та Персеї, і була виявлена лише в 2013 році через те, що обидва компоненти надзвичайно слабкі, незважаючи на їх близькість. Teide 1, знайдена в кластері Плеяд, стала першим об’єктом, природу якого як підзірки підтверджено шляхом виявлення поглинання літію – показник, який астрономи досі використовують, оскільки будь-який об'єкт, що все ще демонструє літій у своєму спектрі, занадто легкий і занадто молодий, щоб повністю спалити його як зірка б робила.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Brown Dwarf Classifier і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.