Где граница между коричневым карликом и звездой?

Крупная международная исследовательская группа астрономов сообщила об открытии пяти объектов, которые по своим массам находятся на границе между коричневым карликом и звездой. Все они обращаются вокруг других светил подобно планетам с короткопериодичными орбитами. Открытие позволило учёным подробно изучить кинематику, орбитальные характеристики и эволюцию редких объектов такого типа. Это нужно, чтобы лучше понять, как выглядят космические тела, которые хотя и нельзя назвать полноценными звёздами, но представляют собой нечто большее, чем просто планета или коричневый карлик. Подробнее о находках учёных читайте в нашем материале.

Художественная иллюстрация пяти открытых объектов со сравнением размеров. Источник: Thibaut Roger – UNIGE

Международная группа учёных с помощью метода, который обычно используют для поиска экзопланет, открыла сразу пять объектов — предположительно коричневых карликов с очень большой массой. Все они близки к пределу, когда начинается термоядерное горение водорода — процесс, который питает настоящие звёзды. Изучение этих и других похожих объектов даст учёным возможность лучше понять свойства космических тел в таком пограничном состоянии. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Astronomy & Astrophysics.

Большинство людей знают, что звёзды — это огромные массивные шары из раскалённой плазмы. Чаще всего не вызывает вопросов и то, как выглядят планеты — хотя маленькими их назвать сложно, размерами и особенно массой они сильно уступают звёздам. Но где проходит граница между планетой и звездой?

На самом деле существует ещё один класс объектов, которые занимают промежуточное положение между планетой и звездой — коричневые карлики. Они уже слишком велики, чтобы называться планетами, но всё же недостаточно массивны, чтобы стать звёздами. Долгое время на их месте зияла «дыра» в классификации, поскольку даже теоретически их предсказали лишь в 1965 году, а первые открытия таких объектов состоялись только в 90-е годы прошлого века. Поэтому коричневые карлики не настолько известны в широких кругах.

Коричневые карлики занимают промежуточное положение между планетами и звёздами. Источник: NASA/JPL-Caltech. Перевод: Вести.Ru

Хотя коричневые карлики имеют со звёздами схожий элементный состав, а порой и механизм образования, они не могут поддерживать термоядерное горение водорода — процесс, который определяет основные свойства обычных звёзд. Для начала такой реакции необходимо, чтобы масса объекта составляла не менее 80 масс Юпитера, хотя эта граница и размыта. Коричневые карлики способны продолжительное время поддерживать другие реакции синтеза, например, с участием дейтерия. Для этого необходима масса объекта примерно в 13 раз больше, чем у Юпитера. Эта величина, собственно, и задаёт границу между планетой и коричневым карликом. Начиная с 65 масс Юпитера становится возможной ещё и реакция ядерного «горения» лития. Период, в который на коричневых карликах происходят эти процессы, обычно не превышает миллиарда лет. Затем карлики постепенно остывают и сжимаются. Кстати, объём остывших коричневых карликов массой свыше 60 масс Юпитера задаётся давлением вырожденного электронного газа, что в некотором смысле роднит их с белыми карликами.

Коричневые карлики тусклы и холодны, хотя есть и исключения. Некоторые, самые молодые из них, напоминают маломассивные звёзды, пока не остынут. Большинство коричневых карликов имеют температуру внешних слоев всего в 1000 градусов Цельсия или даже ниже. Это создает большие проблемы при их поисках, которые приходится вести в инфракрасном диапазоне волн — самые холодные коричневые карлики вовсе не излучают в видимом диапазоне.

В конце августа международная группа астрономов сообщила об открытии сразу пяти объектов, чьи массы близки к пределу начала термоядерного горения водорода. Для их обнаружения учёные использовали тот же метод, что и для поисков экзопланет.

Рендеринг космического телескопа TESS в космосе. Источник: NASA

Найти новые объекты удалось благодаря космическому телескопу TESS. Он наблюдает за светом звёзд и ищет периодические спады их блеска, когда перед диском светила проходит движущийся по орбите вокруг него объект. Такой подход называется транзитным методом. Пять кандидатов в коричневые карлики получили обозначения TOI-148, TOI-587, TOI-681, TOI-746 и TOI-1213. Периоды их орбит составляют от 5 до 27 суток, радиусы — от 0,81 до 1,66 радиусов Юпитера, а массы в 77—98 раз больше Юпитера. Учёные дополнили результаты наблюдениями с четырёх наземных телескопов.

Коричневые карлики сами по себе довольно редки, но ещё реже они встречаются на близких орбитах возле звёзд. Менее 1% таких объектов имеют радиус орбиты меньше пяти расстояний между Землёй и Солнцем, а ещё реже встречаются карлики с орбитальным периодом менее 100 суток. Поиск таких близких к своим звёздам коричневых карликов может многое рассказать и о свойствах таких объектов, и о механизмах их формирования.

Джет, исходящий от формирующегося коричневого карлика Mayrit 1701117. Источник: César Briceño и SOAR/NOAO/AURA/NSF

Считается, что крупные коричневые карлики с массами выше 42,5 юпитерианских образуются так же, как и звёзды — по механизму гравитационного коллапса участка газопылевого облака. Разумеется, этот процесс невозможен при наличии по соседству другой крупной звезды. Поэтому то, что обнаруженные объекты так близки к своим звёздам, делает их очень необычными и интересными.

Преимущество транзитного метода состоит в том, что можно точно определить множество характеристик затмевающего объекта. Учёные провели фото- и спектрометрию каждого кандидата в коричневые карлики, и теперь могут использовать их для проверки моделей образования и эволюции таких космических тел. TOI-587 и TOI-681 оказались очень молодыми, не старше 200 миллионов лет. Соответственно, они ещё не остыли и обладают несколько большими радиусами, чем остальные коричневые карлики. Объекты TOI-148 и TOI-746 оказались в приливном захвате со своими более крупными звёздами-компаньонами, а в случае с TOI-148 имеет место ещё и приливная циркуляризация орбиты — постепенное снижение её вытянутости, отчего она становится более круговой.

Авторы работы осторожны в формулировках, называя обнаруженные объекты «затмевающими компаньонами». Связано это с тем, что учёные не уверены, действительно ли это коричневые карлики, а не просто очень маломассивные звёзды. В самом деле — с такими массами при различных начальных радиусах, металличности и содержании дейтерия объекты могут оказаться и тем, и другим. Однако у учёных есть ещё одно косвенное доказательство того, что это именно коричневые карлики — температуры, радиусы и возраст объектов скорее соответствуют моделям эволюции коричневых карликов, а не маломассивных звёзд.

Исследователи отмечают, что открыто ещё слишком мало коричневых карликов и маломассивных звёзд, которые затмевают своих компаньонов, чтобы делать какие-то статистические выводы. Однако становится заметен тренд, который соответствует старым предположениям — коричневые карлики подразделяются на две подкатегории с большими и меньшими массами и разными механизмами происхождения. Если найденные авторами объекты — действительно коричневые карлики, то они будут одними из самых массивных среди известных, поскольку находятся практически на границе возможности термоядерного горения водорода. Возможно, в них происходят кратковременные вспышки такой реакции. Изучив эти и другие похожие объекты подробнее, учёные смогут понять, какими ключевыми свойствами самые массивные коричневые карлики отличаются от самых маломассивных звёзд.

Автор: Дмитрий Логинов

Источник: www.aanda.org

В избранное