Коричневые карлики – космические тела, светящие совсем недолго

Популярная механикаНаука

Темные светила: коричневые карлики

Коричневые карлики – космические тела с массой 1–8% солнечной. Они слишком массивны для планет, гравитационное сжатие делает возможным термоядерные реакции с участием "легкогорючих" элементов. Но для "зажигания" водорода их масса недостаточна, и поэтому, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго.

Алексей Левин

Астрономы не ставят экспериментов — они получают информацию с помощью наблюдений. Как сказал один из представителей этой профессии, не существует настолько длинных приборов, чтобы ими можно было дотянуться до звезд. Однако в распоряжении астрономов имеются физические законы, которые позволяют не только объяснять свойства уже известных объектов, но и предсказывать существование еще не наблюдавшихся.

Предвидение Шива Кумара

Про нейтронные звезды, черные дыры, темную материю и иные космические экзоты, вычисленные теоретиками, наслышаны многие. Однако во Вселенной немало и других диковинок, открытых тем же способом. К их числу относятся тела, занимающие промежуточное положение между звездами и газовыми планетами. В 1962 году их предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астроном индийского происхождения, только что защитивший докторскую диссертацию в Мичиганском университете. Кумар назвал эти объекты черными карликами. Позднее в литературе фигурировали такие имена, как черные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, однако в конце концов победило словосочетание «коричневые карлики» (brown dwarfs), предложенное в 1974 году аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

e5d60cb2c85605a4f78bc0f18d230b1b.jpg
Четыре года международная команда астрономов "взвешивала" ультрахолодный карлик класса L (6,6% солнечной массы) с помощью телескопа "Хаббл", VLT и телескопа им. Кека.

Кумар шел к своему открытию четыре года. В те времена основы динамики рождения звезд уже были известны, но в деталях оставались изрядные пробелы. Однако Кумар в целом столь верно описал свойства своих «черных карликов», что впоследствии с его заключениями согласились даже суперкомпьютеры. Все-таки человеческий мозг как был, так и остается лучшим научным инструментом.

Рождение недозвезд

Звезды возникают в результате гравитационного коллапса космических газовых облаков, которые в основном состоят из молекулярного водорода. Кроме того, там имеется гелий (один атом на 12 атомов водорода) и следовые количества более тяжелых элементов. Коллапс завершается рождением протозвезды, которая становится полноправным светилом, когда ее ядро разогревается до такой степени, что там начинается устойчивое термоядерное горение водорода (гелий в этом не участвует, поскольку для его поджога нужны температуры в десятки раз выше). Минимальная температура, необходимая для воспламенения водорода, составляет около 3 млн градусов.

Кумара интересовали самые легкие протозвезды с массой не выше одной десятой массы нашего Солнца. Он понял, что для запуска термоядерного горения водорода они должны сгуститься до большей плотности, нежели предшественники звезд солнечного типа. Центр протозвезды заполняется плазмой из электронов, протонов (ядер водорода), альфа-частиц (ядер гелия) и ядер более тяжелых элементов. Случается, что еще до достижения температуры поджога водорода электроны дают начало особому газу, свойства которого определяются законами квантовой механики. Этот газ успешно сопротивляется сжатию протозвезды и тем препятствует разогреву ее центральной зоны. Поэтому водород либо вообще не зажигается, либо гаснет задолго до полного выгорания. В таких случаях вместо несостоявшейся звезды формируется коричневый карлик.

364d0d6bd7a117ccbe714c93819bdd60.jpg
Возможность вырожденного ферми-газа к сопротивлению гравитационному сжатию отнюдь не беспредельна, и это легко показать на пальцах. По мере того как электроны заполняют все более высокие уровни энергии, их скорости возрастают и в конце концов приближаются к световой. В этой ситуации сила тяготения одерживает верх и гравитационный коллапс возобновляется. Математическое доказательство сложнее, но вывод аналогичен. Так и получается, что квантовое давление электронного газа останавливает гравитационный коллапс, лишь если масса коллапсирующей системы остается ниже определенной границы, соответствующей 1,41 массы солнца. Она называется пределом чандрасекара – в честь выдающегося индийского астрофизика и космолога, который вычислил ее в 1930 году. Предел чандрасекара задает максимальную массу белых карликов, о чем нашим читателям наверняка известно. Однако предшественники коричневых карликов в десятки раз легче и о пределе чандрасекара могут не беспокоиться.

Кумар вычислил, что минимальная масса нарождающейся звезды равна 0,07 массы Солнца, если речь идет о сравнительно молодых светилах популяции I, которым дают начало облака с повышенным содержанием элементов тяжелее гелия. Для звезд популяции II, возникших более 10 млрд лет назад, во времена, когда гелия и более тяжелых элементов в космическом пространстве было гораздо меньше, она равна 0,09 солнечной массы. Кумар нашел также, что формирование типичного коричневого карлика занимает около миллиарда лет, а его радиус не превышает 10% радиуса Солнца. Наша Галактика, как и другие звездные скопления, должна содержать великое множество таких тел, но их трудно обнаружить из-за слабой светимости.

Как они зажигаются

Со временем эти оценки не особенно изменились. Сейчас считают, что временное возгорание водорода у протозвезды, родившейся из относительно молодых молекулярных облаков, происходит в диапазоне 0,07−0,075 солнечной массы и длится от 1 до 10 млрд лет (для сравнения, красные карлики, самые легкие из настоящих звезд, способны светить десятки миллиардов лет!). Как отметил в беседе с «ПМ» профессор астрофизики Принстонского университета Адам Барроуз, термоядерный синтез компенсирует не более половины потери лучистой энергии с поверхности коричневого карлика, в то время как у настоящих звезд главной последовательности степень компенсации составляет 100%. Поэтому несостоявшаяся звезда охлаждается даже при работающей «водородной топке» и тем более продолжает остывать после ее заглушки.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Анна и молот Анна и молот

Анна Билецкая стала кузнецом и полностью изменила свою судьбу

Вокруг света
Елена Нусинова — Forbes: «Сейчас говорить о журналистике почти невыносимо» Елена Нусинова — Forbes: «Сейчас говорить о журналистике почти невыносимо»

Как женщины заняли топовые позиции в российской журналистике в 1990-е?

Forbes
С чистого листа С чистого листа

Маша Янковская о том, как вернулась к любимому делу и стала рисовать

Cosmopolitan
Лети-лети, лепесток: глава книги  Лети-лети, лепесток: глава книги

Книга Эми Стюарт о бизнесе торговли цветами

Esquire
Дарья Урсуляк: «В нашем кино сейчас эротических сцен в избытке» Дарья Урсуляк: «В нашем кино сейчас эротических сцен в избытке»

Дарья Урсуляк — о предстоящих проектах, откровенных сценах и секретах красоты

Cosmopolitan
60 лет в комоде: девушка надела на свадьбу винтажное бабушкино платье 60 лет в комоде: девушка надела на свадьбу винтажное бабушкино платье

Элли Ливингвотер надела на свадьбу бабушкин наряд 60-летней давности

Cosmopolitan
Актер Александр Дмитриев: «Крымов, можно сказать, изменил мою жизнь» Актер Александр Дмитриев: «Крымов, можно сказать, изменил мою жизнь»

Александр Дмитриев — о профессии актера, любви к театру и увлечениях

Cosmopolitan
Удалить шесть зубов и сразу поставить импланты: какие технологии будущего используют в стоматологии уже сейчас Удалить шесть зубов и сразу поставить импланты: какие технологии будущего используют в стоматологии уже сейчас

О будущем, которое уже наступило в современных стоматологических клиниках

Популярная механика
Джейсон Стейтем Джейсон Стейтем

Джейсон Стейтем — воплощение мужественности, брутальности и сексуальности

Maxim
Частный детектив разоблачила 150 измен и учит распознавать признаки неверности Частный детектив разоблачила 150 измен и учит распознавать признаки неверности

Частный детектив рассказывает о своей работе и о признаках супружеской измены

Psychologies
Под другим углом: как бренд Audi переосмысливает подход к кроссоверам Под другим углом: как бренд Audi переосмысливает подход к кроссоверам

На примере нового Q5 Sportback, объясняем, как кроссовер может быть не скучным

Forbes
За все хорошее. Анастасия Завозова — о присуждении Нобелевской премии писателю из Танзании Абдулразаку Гурне За все хорошее. Анастасия Завозова — о присуждении Нобелевской премии писателю из Танзании Абдулразаку Гурне

Чем примечателен Абдулразак Гурна и куда движется Нобелевская премия

Esquire
В Иерусалиме обнаружили частный каменный туалет возрастом 2700 лет В Иерусалиме обнаружили частный каменный туалет возрастом 2700 лет

Археологи обнаружили каменный туалет в древнем царском поместье в Иерусалиме

N+1
Отступление немоты Отступление немоты

Игорь Гулин о «Кажется Эстер» Кати Петровской

Weekend
Страшно. Интересно Страшно. Интересно

Интернет — это пристанище огромного количества субкультурных явлений

GQ
Вредные советы: пошаговая инструкция, как усложнить себе жизнь Вредные советы: пошаговая инструкция, как усложнить себе жизнь

Зачастую мы сами можем легко помешать себе со всем справиться, и вот как

Psychologies
Нейрохирург и чемпион по памяти назвали 5 способов лучше запоминать имена новых знакомых Нейрохирург и чемпион по памяти назвали 5 способов лучше запоминать имена новых знакомых

5 способов лучше запоминать имена от нейрохирурга и мирового чемпиона по памяти

Inc.
Деньги, оральный секс и 12 роз в неделю: модель опубликовала райдер для парней Деньги, оральный секс и 12 роз в неделю: модель опубликовала райдер для парней

Мория Миллс опубликовала список правил, соблюдения которых она ждет от кавалеров

Cosmopolitan
Уловки автодилеров: как не переплатить при покупке автомобиля Уловки автодилеров: как не переплатить при покупке автомобиля

На что обращать внимание при покупке автомобиля в дилерском центре

СНОБ
Диета против аллергии: смягчить симптомы и сбросить вес Диета против аллергии: смягчить симптомы и сбросить вес

Облегчить течение аллергии можно, скорректировав рацион

Cosmopolitan
Автомобили на дровах: как технологии СССР помогут пережить апокалипсис на колесах Автомобили на дровах: как технологии СССР помогут пережить апокалипсис на колесах

Каждый, кто слышит про машины на дровах, первым делом восклицает: «Бред!»

Maxim
Молодо — зелено Молодо — зелено

Каково влияние ESG-трендов на жизнь людей сегодня и завтра

РБК
Стриминг. Онлайн-кинотеатр Стриминг. Онлайн-кинотеатр

Как ivi удается выигрывать в битве с пиратами и соревноваться с корпорациями

Esquire
Как интернет сошел с ума из-за сбоя в Facebook, а Дуров нажился на Цукерберге Как интернет сошел с ума из-за сбоя в Facebook, а Дуров нажился на Цукерберге

Как блэкаут в Facebook отразился на Марке Цукерберге, Павле Дурове и других

Cosmopolitan
Шоу. Лига кулачных боев Шоу. Лига кулачных боев

Лига кулачных боев Hardcore развернулась в серию реалити-шоу

Esquire
Теплое местечко Теплое местечко

Электрические и водяные полы, что это – блажь или умное вложение?

Лиза
За них точно не стыдно: лучшие российские сериалы последних лет За них точно не стыдно: лучшие российские сериалы последних лет

Удивительный мир русских сериалов

Cosmopolitan
«Я сходила с ума». Мать заработала острый психоз из-за послеродовой депрессии «Я сходила с ума». Мать заработала острый психоз из-за послеродовой депрессии

Кэтрин Шоу из Шрусбери, Великобритания, родила Джуд в разгар пандемии

Cosmopolitan
«С нуля до профи» «С нуля до профи»

Какие знания и умения необходимы лидеру для проведения ESG-трансформации

РБК
Цифровизация как неизбежность Цифровизация как неизбежность

Какие digital-решения использует агросектор

Агроинвестор
Открыть в приложении