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

Как почистить подошву утюга в домашних условиях Как почистить подошву утюга в домашних условиях

Рассказываем, как самостоятельно избавиться от загрязнений на подошве утюга

CHIP
«‎Невозможно создавать микросхемы без машин ASML»‎: голландская компания, от которой зависят Apple, Samsung и Intel «‎Невозможно создавать микросхемы без машин ASML»‎: голландская компания, от которой зависят Apple, Samsung и Intel

ASML: монополист в области фотолитографии в глубоком ультрафиолете

VC.RU
Пять космических туристов, слетавших в космос веселья ради Пять космических туристов, слетавших в космос веселья ради

Пять космических туристов, проложивших тропу к космодромам

Maxim
Малый Эрмитаж Малый Эрмитаж

Висячий сад и часы «Павлин»

Культура.РФ
Астрономы подтвердили столкновение двух экзопланет 200 тысяч лет назад Астрономы подтвердили столкновение двух экзопланет 200 тысяч лет назад

Во время катаклизма у одной из них могло сорвать атмосферу

N+1
Лургиканская пещера и её ледяные скульптуры Лургиканская пещера и её ледяные скульптуры

Мир пещер бесконечно притягателен

Наука и жизнь
Как люди наполнили океан шумом Как люди наполнили океан шумом

Как в XXI веке антропогенный фактор влияет на жизнь морских обитателей

Популярная механика
Гибкая личность: как избавиться от ярлыков и стать тем, кем хочешь Гибкая личность: как избавиться от ярлыков и стать тем, кем хочешь

Почему тестам на типы личности следует доверять не больше, чем гороскопам?

РБК
Одна вокруг света: ремонт машины в Панаме и охота на голубых крабов Одна вокруг света: ремонт машины в Панаме и охота на голубых крабов

140-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Панама

Forbes
Чума на оба ваших домена, или История большого взлома Чума на оба ваших домена, или История большого взлома

Мир — во власти хакеров?

GQ
Похудение по группе крови: прислушайся к зову предков Похудение по группе крови: прислушайся к зову предков

Диета и образ жизни зависят от группы крови

Cosmopolitan
Снимите это немедленно: Джоли и другие звезды с плохим наращиванием волос Снимите это немедленно: Джоли и другие звезды с плохим наращиванием волос

Наткнуться на неумелого мастера по наращиванию волос не такая уж редкая проблема

Cosmopolitan
Глазки скорее сомкни: что происходит с телом, если ты ложишься спать невовремя Глазки скорее сомкни: что происходит с телом, если ты ложишься спать невовремя

Поздно ложишься, чтобы досмотреть еще «одну серию»? Берешь в долг у здоровья

Cosmopolitan
Как мир перестал слышать архитекторов Как мир перестал слышать архитекторов

Проект Григория Ревзина «Оправдание утопии». Мишель Рагон: GIAP

Weekend
Расстрел отца, ссылка матери и голод: страшное детство великой Майи Плисецкой Расстрел отца, ссылка матери и голод: страшное детство великой Майи Плисецкой

Как маленькая девочка, которая убегала из детского сада, стала великой балериной

Cosmopolitan
Какие ваши годы Какие ваши годы

Какие факторы определяют отношение к возрасту

Grazia
Зачем работодателям нанимать зумеров и как заставить их работать Зачем работодателям нанимать зумеров и как заставить их работать

Как работать с зумерами?

СНОБ
Талисман: как правильно выбрать камень, который принесет тебе удачу? Талисман: как правильно выбрать камень, который принесет тебе удачу?

Как выбрать камень, который подойдет именно тебе?

Cosmopolitan
Коробка переключения передач: виды, чем отличаются и как работают Коробка переключения передач: виды, чем отличаются и как работают

Разбираемся в устройстве коробок переключения передач

РБК
Древние жители Сидона не захотели есть морскую рыбу Древние жители Сидона не захотели есть морскую рыбу

Биоархеологи провели изотопный анализ останков 112 человек

N+1
Осенние цветники Осенние цветники

Кандидатов в позднецветущие композиции набирается немало

Наука и жизнь
Экранизации Шерлока Холмса: почему советская с Ливановым — лучшая в мире Экранизации Шерлока Холмса: почему советская с Ливановым — лучшая в мире

Какой именно кинообраз Шерлока Холмса наиболее правильный?

Популярная механика
Диета при панкреатите: что можно и нельзя есть. Советы врача Диета при панкреатите: что можно и нельзя есть. Советы врача

Рассказываем о причинах панкреатита и о том, какие ограничения он накладывает

РБК
Махореро Махореро

Махореро — это редкая драгоценность для понимающих людей

Weekend
За границами патриотизма За границами патриотизма

Избранные цитаты на патриотическую тему

Maxim
Пора проявить гибкость Пора проявить гибкость

Как сохранить суставы в рабочем состоянии?

Men’s Health
История первой и единственной кошки в космосе История первой и единственной кошки в космосе

Как кошка С 341 стала первой космонавткой

Maxim
Челюсть койота оказалась древнейшими останками собаки в Америке Челюсть койота оказалась древнейшими останками собаки в Америке

Палеозоологи пересмотрели видовую принадлежность находки из Коста-Рики

N+1
Алена Бочарова Алена Бочарова

Интервью с основательницей Beat Film Festival Аленой Бочаровой

Собака.ru
10 способов понять, что мужчина не настроен серьезно 10 способов понять, что мужчина не настроен серьезно

Вы уже давно встречаетесь, но тебе постоянно кажется: что-то идет не так

Cosmopolitan
Открыть в приложении