Что тормозит вращение коричневых карликов?

Алина Нестерова

4 года назад

Астрономы обнаружили рекордсменов по скорости вращения среди коричневых карликов, но не поняли, почему они остановились практически на одной отметке.

Коричневые карлики — достаточно холодные небесные тела. Температура их внешних слоёв колеблется в пределах от планетной (25 градусов Цельсия) до температуры самых холодных из звёзд — красных карликов (1700 градусов Цельсия). Для сравнения: самые горячие коричневые карлики почти в три раза холоднее Солнца.

Учёные классифицируют звёзды по спектральным классам в зависимости от температуры поверхности. Коричневым карликам выделили самые холодные из них — L, T и Y (по убыванию температуры).

С помощью инфракрасного космического телескопа Spitzer астрономы измерили периоды вращения вокруг своей оси 78 холодных коричневых карликов, наблюдая за изменением их яркости. Считается, что за подобные изменения ответственны структуры в облачных покровах карликов — полосы и пятна.

Кривая блеска коричневого карлика показывает, с какой периодичностью менялась яркость светового излучения. Источник: Robert Hurt (IPAC / Caltech), *https://www.jpl.nasa.gov/news/trio-of-fast-spinning-brown-dwarfs-may-reveal-a-rotational-speed-limit*

Учёные выяснили, что почти все наблюдаемые объекты делают полный оборот вокруг своей оси в интервале от 1,4 часа до 20 часов. Однако у трёх из них обнаружили рекордно короткие периоды вращения: 2MASS J0348-6022 — 1,08 часа, 2MASS J1219+3128 — 1,14 часа, 2MASS J0407+1546 — 1,23 часа. Это примерно в девять раз быстрее, чем Юпитер, который вращается вокруг своей оси с периодом около 10 часов.

Сравнение массы и скорости вращения коричневого карлика (слева) и Юпитера (справа). Источник: NASA/JPL-Caltech, https://www.jpl.nasa.gov/*news/trio-of-fast-spinning-brown-dwarfs-may-reveal-a-rotational-speed-limit*

Астрономы подтвердили свои расчёты с помощью спектроскопических наблюдений при помощи наземного телескопа Magellan Baade в Чили и Gemini North на Гавайях. Эти наблюдения позволили определить экваториальные скорости вращения, которые у всех трёх объектов находятся в пределах 100 км/с.

Учёные попытались выяснить, почему эти три коричневых карлика почти одинаково быстро вращаются?

Они предположили, что небесные тела находятся на одинаковой стадии эволюции: чем «старше» коричневый карлик, тем холоднее он становится и тем быстрее будет вращаться. Это происходит, потому что с возрастом они сжимаются, однако силы этого сжатия не хватает, чтобы поддерживать активное тепловыделение. В результате коричневые карлики постепенно остывают.

Вместе с тем коричневые карлики, как и звёзды с планетами, начинают вращаться с момента рождения. По мере остывания и сжатия скорость их вращения пропорционально возрастает. В этом проявляется закон сохранения углового момента — точно так же, как и скорость вращения фигуриста увеличивается, когда он прижимает руки к телу.

Астрономы обнаружили, что изучаемые коричневые карлики имеют разную температуру (1000, 1400 и 1800 кельвинов), а значит находятся на разных стадиях эволюции. К тому же они никак не связаны между собой, так как образовались в разных звёздных системах.

Учёные пришли к выводу, что скорость вращения коричневых карликов не зависит от стадии эволюции, в которой они находятся.

Результаты измерений остальных 75 коричневых карликов также подтверждают отсутствие такой зависимости.

Периоды вращения коричневых карликов различных спектральных классов. Красным выделены три коричневых карлика с наименьшими периодами вращения. Остальные условные обозначения — результаты исследований разных групп учёных. Оригинал изображения: *https://arxiv.org/pdf/2103.01990.pdf*

Возможно ли, что коричневые карлики приблизились к пределу скорости вращения, который они в конечном итоге превысят, а затем разрушатся? На практике такие явления пока не наблюдали. Кроме того, учёные рассчитали общий диапазон периодов вращения, при которых произойдёт разрушение коричневых карликов: от 0,17 часа до 1,17 часа в зависимости от массы и радиуса. Периоды вращения трёх исследуемых карликов находятся на верхней границе этого диапазона. Они были бы близки к разрушению, если бы находились на ранней стадии эволюции, то есть обладали бы малой массой и большим радиусом. Тогда при такой высокой скорости вращения поверхностной силы тяжести будет недостаточно, чтобы удерживать материю от разрушения.

Однако изучаемые коричневые карлики достаточно массивны в сопоставлении с их радиусами, следовательно, эти небесные тела ещё не достигли предела скорости, превысив который они разрушатся под действием центробежной силы. Учёные рассчитали, что в настоящий момент скорости их вращения составляют приблизительно 45% от этого предела.

Физические параметры *трёх коричневых карликов с наименьшими периодами вращения. Оригинал изображения:* *https://arxiv.org/pdf/2103.01990.pdf*

И звёзды, и планеты в результате вращения сплющиваются по полюсам. Это происходит потому, что область вокруг экватора движется быстрее, чем области на полюсах. Стремясь приблизиться к центру масс под действием силы тяжести, материя небесного тела сжимается по направлению к полюсам. Но на экваторе сжатию противостоит центробежная сила, поэтому экватор немного выпячивается. Результатом сжатия по полюсам становится разница между полярным и экваториальным радиусами.

Если коричневые карлики так быстро вращаются, то может быть они настолько сильно сплющиваются, что теплообмен в их недрах меняется, и это влияет на максимальную скорость вращения? Ведь она зависит не только от массы небесного тела, но и от того, как эта масса распределяется внутри него в результате перемещения и деформации материи. Водород в ядре коричневых карликов находится под таким высоким давлением, что он начинает вести себя как металл, меняя баланс распространения тепла в недрах. При высоких скоростях вращения это может повлиять и на распределение массы внутри небесного тела, а значит и на максимальную скорость вращения.

Однако учёные рассчитали степень сжатия коричневых карликов и выяснили, что они сплющены не сильнее, чем самая сжатая планета Солнечной системы — Сатурн. У трёх исследованных коричневых карликов разница между полярным и экваториальным радиусами составляет от 5 до 8 процентов, у Сатурна — 10 процентов.

Почти одинаковая степень сжатия объясняется тем, что хоть коричневые карлики и массивнее Сатурна в 130-210 раз, а значит обладают большей поверхностной силой тяжести, которая могла бы удерживать их сферическую форму, однако скорость их вращения в 10 раз выше, чем у Сатурна.

*Сравнение степени сжатия и скорости вращения коричневого карлика, Юпитера и Сатурна. Источник: NASA/JPL-Caltech,* *https://www.jpl.nasa.gov/news/trio-of-fast-spinning-brown-dwarfs-may-reveal-a-rotational-speed-limit*

Таким образом, астрономы пока не смогли выяснить, почему скорости вращения коричневых карликов остановились приблизительно на одной отметке, и почему они не вращаются быстрее. Учёные предположили, что существуют неизвестные механизмы, которые тормозят вращение этих небесных тел и не дают достичь им ещё более высокой скорости вращения, при которой они разрушатся.

В попытке ответить на эти вопросы исследователи не учитывали наличие магнитного поля у коричневых карликов, но, возможно, именно оно участвует в торможении их вращения, взаимодействуя с окружающим пространством. Однако это учёным только предстоит выяснить, в том числе и с помощью обнаружения полярных сияний, которые возникают у коричневых карликов в результате их быстрого вращения, усиливающего генерацию магнитного поля.