«Больше, чем планета, но не звезда. Меньше звезды, но не планета. Что же это такое?» Именно этим вопросом задаются астрономы, исследуя коричневые карлики, одни из самых необычных объектов, встречающихся в Млечном Пути.
Несмотря на название, коричневые карлики не очень коричневого цвета. Эти объекты, чья масса может варьироваться от 12 масс Юпитера до половины массы Солнца, сами излучают свет, но немного. Наиболее молодые и крупные коричневые карлики отличаются довольно высокой температурой и излучают тёплое свечение в видимом диапазоне спектра. На расстоянии эти объекты неотличимы от своих «кузенов» — красных карликов. Напротив, самые маленькие и старые коричневые карлики едва различимы, поскольку излучают в инфракрасном диапазоне. Чтобы увидеть их вблизи, понадобились бы очки ночного видения.
Однако в большинстве своём коричневые карлики излучают в мягком фиолетово-красном спектре. Эта особенность ставит их на особое место в галактической семье. Но главное отличие коричневых карликов от звёзд состоит в том, что в их недрах не происходят термоядерные реакции. Напротив, излучаемые ими свечение и тепло — остатки от периода их образования. Как и звёзды, эти объекты появились в результате столкновения облаков газа и пыли. В результате гравитационного коллапса высвободилось огромное количество энергии, которая десятки миллионов лет сохраняется в карлике внутри вещества, падающего к его центру. При этом тепло постепенно рассеивается в окружающее пространство в виде слегка тёплого свечения.
По мере расходования запаса тепла коричневый карлик продолжает тускнеть, из огненно-красного становясь пятнисто-пурпурным. Постепенно излучение переходит в инфракрасную часть спектра, и коричневый карлик становится вообще невидимым. Чем больше масса такого объекта при его образовании, тем больше тепла он способен удержать внутри себя и тем дольше будет напоминать «настоящую» звезду. Однако, независимо от начальной массы, конечная судьба у всех коричневых карликов одинакова.
Может возникнуть искушение классифицировать коричневые карлики просто как очередной класс очень крупных планет. Ведь и планеты постепенно остывают, не имея ресурсов энергии для поддержания реакций в течение миллиардов лет.
Но есть одно «но»: чтобы достичь колоссальных значений температуры и давления внутри ядра объекта, которые требуются для превращения водорода в гелий, объект должен иметь пороговую массу около 80 масс Юпитера. Если же порог массы составляет всего около 13 масс Юпитера, будет иметь место другой тип ядерного синтеза.
При таком более «холодном» сценарии дейтерий (ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона) может столкнуться со свободным протоном, в результате чего образуется гелий-3 и освободится незначительное количество энергии. «Настоящие» звёзды проходят через этап реакций дейтерия, постепенно разогреваясь. Коричневые карлики способны поддерживать этот процесс намного дольше, поскольку в них так и не начинается полномасштабный процесс синтеза водорода. Впрочем, процесс этот по астрономическим меркам скоротечный — коричневые карлики исчерпывают свой запас дейтерия всего за несколько миллионов лет. Причина этого заключается в том, что вещество внутри карликов не разделено на чёткие слои.
Внутри звёзд, подобных нашему Солнцу, имеется ядро из водорода и гелия, окружённое слоем плазмы, в которой преобладает энергия излучения — это так называемая лучистая зона. Этот слой, в свою очередь, окружён конвективной зоной, в которой идёт процесс переноса энергии из внутренних слоёв во внешний путём активного перемешивания вещества — конвекции. В отличие от них, у коричневых карликов ядро отсутствует. Зона конвекции занимает весь объём коричневого карлика, благодаря чему вещество переносится на поверхность звезды и обратно к её центру.
Таким образом, дейтерий внутри большого коричневого карлика, в конечном счёте, окажется в его центре, где превратится в гелий-3. А что же происходит с небольшими коричневыми карликами? Они быстро остывают ниже того порога температуры, который требуется для поддержки реакций.
Коричневые карлики начинают свой «жизненный путь» подобно звёздам. Так, может, стоит их причислить к звёздам – и проблема решена?
Не совсем. Дело в том, что этот класс небесных тел имеет слишком незначительные размеры для звезды. Хотя их максимальная масса может достигать 50 масс Юпитера, как правило, коричневые карлики не превышают размеров обычной планеты — газового гиганта.
Звёздам не позволяют сжиматься термоядерные реакции, распирающие их изнутри. Высвобождаемая в результате энергия постоянно противостоит направленному к центру давлению слоёв звезды (силы тяжести), расширяя внешнюю оболочку звезды.
Однако у коричневых карликов такого механизма не наблюдается. Также, в отличие от планет, у них отсутствует каменистое ядро и ледяная кора. Вместо этого внутри коричневых карликов действует давление вырожденного газа, позволяющее им поддерживать объём.
Подводя итоги, нужно отметить, что коричневые карлики представляют собой совершенно новый класс объектов, которые одновременно напоминают как планеты, так и звёзды. При этом процессы, происходящие внутри этих объектов, делают их непохожими ни на те, ни на другие.
Источник: space.com
Перевод: Dmitry Blackfield