Коричневые карлики
Кори́чневые ка́рлики (бурые карлики; от англ. brown dwarfs), космические тела с массами приблизительно от 0,01 до 0,08 массы Солнца, занимающие промежуточное положение между планетами и звёздами. От обычных звёзд коричневые карлики отличаются тем, что температура в их недрах никогда не достигает значений, необходимых для протекания термоядерной реакции превращения лёгкого изотопа водорода (1H) в гелий (4He), которая обеспечивает длительное свечение обычных звёзд. Именно этим и определяется верхняя граница их массы, равная 0,075–0,08 массы Солнца. В принципе, даже при низкой (в том числе нулевой) температуре, но высокой плотности вещества возможны пикноядерные реакции синтеза, но в объектах массой менее 0,1 массы Солнца они практически не протекают.
В отличие от планет, в которых вообще никогда не идут реакции ядерного синтеза, коричневые карлики на раннем этапе жизни разогреваются вследствие гравитационного сжатия настолько (температура в центре около 3 млн К), что в их недрах может протекать термоядерное горение некоторых редких химических элементов, например тяжёлого изотопа водорода – дейтерия (2H), а также лития (7Li). Это делает их на короткое время похожими на маломассивные звёзды. Нижняя граница массы коричневых карликов, отделяющая их от планет, составляет примерно 13 масс Юпитера (около 0,01 массы Солнца). Но запас дейтерия быстро истощается, а дальнейшему гравитационному сжатию коричневого карлика препятствует его внутреннее давление. У массивных коричневых карликов это давление вырожденного электронного газа (как у белых карликов), у маломассивных коричневых карликов – обычное давление той же природы, что и в недрах планет. После непродолжительной фазы термоядерного горения коричневые карлики начинают остывать и темнеть; их светимость опускается значительно ниже минимальной светимости звёзд (0,01 % светимости Солнца), и они становятся невидимыми.
Рис. 1. Размер коричневых карликов в сравнении с другими астрономическими телами – Солнцем, красным карликом малой массы и Юпитером. Перевод: БРЭ.Размеры коричневых карликов независимо от их массы и возраста близки к размеру Юпитера (рис. 1). Температура поверхности коричневых карликов даже в период максимальной светимости обычно не превышает 2700 К, поэтому они имеют тёмно-красный, бурый цвет; бóльшая часть их излучения лежит в инфракрасной области спектра.
На всех этапах эволюции светимость даже самых массивных коричневых карликов не превышает нескольких процентов светимости Солнца, а у маломассивных составляет менее 1 % светимости Солнца. Хотя термоядерные реакции вносят свой вклад в энергетику коричневых карликов, в основном они излучают энергию за счёт медленного сжатия ядра. Характерная длительность сжатия – порядка 10 млн лет. Затем сжатие останавливается и равновесие коричневого карлика поддерживается давлением вырожденного электронного газа свободных электронов и внешних электронных оболочек атомов, препятствующим гравитационному сжатию. Остывая, коричневые карлики превращаются в чёрные карлики.
Теоретическим изучением маломассивных звезд занялся в 1958 г. американский астрофизик индийского происхождения Ш. Кумар, работавший в университете штата Виргиния (США). Он предположил, что могут существовать звездообразные тела настолько малой массы, что температура в их недрах окажется недостаточной для протекания ядерного синтеза. В 1963 г. расчёты Кумара показали, что у протозвёзд очень малой массы сжатие останавливается раньше, чем температура в их центре достигает значения, необходимого для важнейшей термоядерной реакции – синтеза гелия из водорода (4 1H → 4He). Термин «коричневый (или бурый) карлик» происходит от английского термина «brown dwarf», предложенного в 1975 г. в диссертации американского астронома Дж. Тартер.
Рис. 2. Luhman 16 (WISE J104915.57–531906) – двойная система, состоящая из двух коричневых карликов спектральных классов L и T. Находится на расстоянии 6,5 светового года (2 пк) от Солнца, её компоненты являются самыми близкими из известных коричневых карликов. Крупное фото (в центре) получено инфракрасным космическим телескопом WISE (NASA). Более мелкое фото (на котором различимы отдельные компоненты) получено одним из телескопов обсерватории Джемини, расположенным в Чили.Первые коричневые карлики были обнаружены в 1995 г. независимо несколькими группами астрономов как тусклые спутники красных карликов. Косвенно их присутствие в двойной звёздной системе удаётся обнаружить по периодическому доплеровскому смещению линий в спектре более массивной видимой звезды. Ближайший к нам (среди известных на 2020) коричневый карлик – Luhman 16 (рис. 2). Это двойная система, содержащая 2 коричневых карлика спектральных классов L и T и расположенная на расстоянии 6,5 светового года от Солнца в направлении созвездия Паруса. Это третья по удалённости от Солнца звезда после системы α Кентавра и звезды Барнарда. Обнаружены и другие двойные коричневые карлики, а также экзопланеты, обращающиеся вокруг коричневых карликов.
После открытия коричневых карликов в спектральную классификацию звёзд введены особо «холодные» типы спектров: класс L (температура около 1300–2000 К), класс Т (700–1300 К) и класс Y (менее 600 К). При таких низких температурах в атмосфере коричневых карликов могут формироваться молекулы и даже твёрдые частицы – пылинки. На разных уровнях в атмосфере коричневых карликов могут возникать молекулярные и пылевые облака. Наиболее холодный среди открытых к 2020 г. коричневых карликов, WISE 0855−0714, удалён от Солнца на 7,2 светового года и имеет температуру поверхности около –30 °C. Предполагается, что в атмосферах коричневых карликов происходят метеорологические процессы, характерные для планет-гигантов. Некоторые коричневые карлики демонстрируют радио- и рентгеновские вспышки.
Коричневые карлики, возможно, формируются в околозвёздных газово-пылевых дисках (как и планеты). Но не исключено, что коричневые карлики – это «звёзды-неудачники», рост массы которых был прерван в результате их вылета из области звездообразования. Ещё до открытия коричневых карликов была высказана гипотеза, что именно они составляют тёмную материю, присутствие которой в большом количестве ощущается в Галактике по её гравитационному влиянию на движение видимых звёзд. Однако обнаружение первых сотен коричневых карликов в окрестности Солнца и оценка их полного числа в Галактике показали, что полная масса коричневых карликов существенно меньше массы видимых звёзд и намного меньше массы тёмной материи.