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

Душ из слизи и мяукающий сосед: самые необычные услуги в отелях Душ из слизи и мяукающий сосед: самые необычные услуги в отелях

Необычные услуги в отелях

Вокруг света
4 странные попытки великих людей написать книги и что из этого вышло 4 странные попытки великих людей написать книги и что из этого вышло

Как исторические личности пробовали себя в писательском ремесле

Maxim
Секрет — в брокколи Секрет — в брокколи

Ани Тейлор-Джой о триллере «Прошлой ночью в Сохо»

OK!
Аэродинамика скоростных поездов: почему ветер не мешает TGV Аэродинамика скоростных поездов: почему ветер не мешает TGV

Поезд TGV Париж – Нант отходит от парижского вокзала Монпарнас почти бесшумно

Популярная механика
Таблетка из гидрогеля за час делает из речной воды питьевую Таблетка из гидрогеля за час делает из речной воды питьевую

Таблетка из гидрогеля, которая убивает 99,999 процента бактерий

National Geographic
Направить бизнес на три буквы Направить бизнес на три буквы

Что скрывается за ESG, CSR, SRI, SDG и другими аббревиатурами

РБК
Полный детокс: как правильно выводить шлаки из организма и нужно ли это делать Полный детокс: как правильно выводить шлаки из организма и нужно ли это делать

Как правильно чистить свой организм от шлаков и токсинов

Cosmopolitan
«Отец не перестает меня удивлять» «Отец не перестает меня удивлять»

Федор Бондарчук о документальном фильме про Сергея Бондарчука

Weekend
Перестройку доменов в сегнетоэлектрике увидели в реальном времени Перестройку доменов в сегнетоэлектрике увидели в реальном времени

Физики выделили механизмы, происходящие при перестройке доменной структуры

N+1
Астронавты могут оседлать «Тихоходок»: концепт лунного мотоцикла Астронавты могут оседлать «Тихоходок»: концепт лунного мотоцикла

Возможно, лунные мотоциклы заменят лунные автомобили в будущем

National Geographic
Сварен на калькуляторе Сварен на калькуляторе

Что науке известно об идеальном кофе

N+1
Что стало с одеждой принцессы Дианы после ее смерти и другие тайны ее гардероба Что стало с одеждой принцессы Дианы после ее смерти и другие тайны ее гардероба

Зачем одежду леди Ди сожгли после автокатастрофы, как она носила старые вещи?

Cosmopolitan
Дзен без стен Дзен без стен

Как грамотно обустроить квартиру-студию

Лиза
Наталья Водянова: Из Суперновы — в Суперангела Наталья Водянова: Из Суперновы — в Суперангела

Как Наталья Водянова превратилась в инвестора и социального предпринимателя

Forbes Woman
Зарина Догузова Зарина Догузова

Зарина Догузова рассказала о нацпроекте в туристической отрасли

Elle
Каково это – покупать картинки в интернете за миллионы долларов Каково это – покупать картинки в интернете за миллионы долларов

Исповедь Pranksy, NFT-коллекционера, чей точный возраст неизвестен

Esquire
Закадровые голоса Закадровые голоса

Стилисты, визажисты, стажеры рассказывают, как попасть в глянец

Vogue
Почему зубы мудрости у людей появляются так поздно: новое исследование Почему зубы мудрости у людей появляются так поздно: новое исследование

Почему развитие задних зубов у человека затягивается на столь долгое время?

National Geographic
Майкл Холл – о возвращении Декстера, новом мире и сторонних проектах Майкл Холл – о возвращении Декстера, новом мире и сторонних проектах

Интервью с Майклом Холлом — о новом сезоне «Декстера» и своем персонаже

GQ
Одной жизни мало Одной жизни мало

Почему нам не жаль времени на игры?

Psychologies
Тише! Вы же в библиотеке! Тише! Вы же в библиотеке!

Наталья Османн рассказывает о том, почему важно читать классику

Elle
«Сила женщины в ее слабости»: как к этому утверждению относятся мужчины «Сила женщины в ее слабости»: как к этому утверждению относятся мужчины

В чем сегодня заключается сила женщины?

Psychologies
Лургиканская пещера и её ледяные скульптуры Лургиканская пещера и её ледяные скульптуры

Мир пещер бесконечно притягателен

Наука и жизнь
Неоклассика в жемчужных тонах Неоклассика в жемчужных тонах

Элегантный интерьер на все времена

SALON-Interior
Культурные коды экономики: как холодная зима, язык и маскулинность влияют на страну Культурные коды экономики: как холодная зима, язык и маскулинность влияют на страну

Как формируются индивидуальные черты наций и при чем здесь холодные зимы

Forbes
Не хочу идти на работу Не хочу идти на работу

«Не хочу идти на работу». Что с этим делать и как победить апатию

Лиза
Дойти до точки Дойти до точки

Как избавиться от акне подручными средствами?

Лиза
Пиво или сахар назвали причинами распространенности кариеса у средневековых голландцев Пиво или сахар назвали причинами распространенности кариеса у средневековых голландцев

Биоархеологи сравнили зубы жителей деревни Блокхейзен и города Алкмар

N+1
Что нельзя говорить тому, кто разочаровался в жизни Что нельзя говорить тому, кто разочаровался в жизни

Что делать, если вы поняли, что вашего близкого посещают суицидальные мысли?

Psychologies
Театр одного актера: Джейк Джилленхол устраивает драму в фильме «Виновный» Театр одного актера: Джейк Джилленхол устраивает драму в фильме «Виновный»

Почему «Виновный» — достойное кино о полицейском произволе

Forbes
Открыть в приложении