Кафявото джудже е обект, изграден от същите вещества като звездите, но не притежава достатъчна маса, за да поддържа устойчив водороден синтез (съединяване на водородни атоми в хелиеви ядра). Именно ядреният синтез е процесът, който кара звездите да светят продължително. Поради липсата на стабилен водороден синтез, кафявите джуджета заемат междинно положение между истинските звезди и планетите: не са обикновени звезди, но също така не са просто големи планети — те излъчват топлина и светлина, предимно в инфрачервения диапазон. Смята се, че в нашата галактика има много кафяви джуджета, но са открити относително малко, защото тяхната абсолютната им величина (светимост) е ниска и те бледнеят бързо с времето.

Маса и ядрен синтез

Масите на кафявите джуджета попадат между най-тежките газови гиганти и най-леките звезди. Горната граница за маса, над която може да започне стабилен водороден синтез (протон-протонен цикъл), е около 75–80 пъти масата на Юпитер (приблизително 0.07–0.08 слънчеви маси). При по-ниски маси се наблюдават временни или частични форми на ядрено горене:

  • Кафявите джуджета с маса над 13 М J извършват синтез на деутерий — този процес е краткотраен и зависи от наличието на деутерий и от масата и възраста на обекта.
  • Тези с маса над приблизително 65 М J могат да извършват и синтез на литий — изгарянето на литий е маркер за по-големи маси и по-високи вътрешни температури.

Поради тези разграничения често се използват литиевият и деутериевият „тест“ при наблюденията, за да се прецени дали даден обект е планета, кафяво джудже или звезда.

Формация и вътрешна структура

Кафявите джуджета се образуват по подобен начин на звездите — чрез гравитационен колапс на газови облаци — но масата, събрана в центъра не достига прага за дълготраен водороден синтез. Вътрешността им е подложена на високо налягане, което води до частична електронна дегенерация; това ограничава контракцията и определя радиуса им: въпреки широкия диапазон на масите, радиусите на кафявите джуджета са близки до радиуса на Юпитер или малко по-големи.

Еволюция и охлаждане

Кафявите джуджета нямат постоянен източник на енергия от водороден синтез, затова след формирането си те постепенно се охлаждат и избледняват. Младите и масивни джуджета могат да бъдат сравнително ярки и горещи, но с времето температурите им падат — от няколко хиляди келвина при най-младите до няколкостотин или дори под 300 K при най-студените (клас Y). Това означава, че спектърът им се променя с възрастта: молекулни линии и абсорбции на вода, метан и други молекули стават доминиращи.

Външен вид и спектрални типове

Спектрално кафявите джуджета са класифицирани в няколко типа — главно L, T и Y — в зависимост от ефективната им температура и характерните спектрални признаци. Младите L-типове са относително горещи (до ~2500 K) и червени на цвят, T-типовете показват силни метанови линии, а Y-типовете са най-студените и най-трудните за откриване. Въпреки името си, повечето кафяви джуджета изглеждат пурпурни или червеникави за човешкото око при наблюдение в видимия спектър, но тяхното основно излъчване е в инфрачервените дължини на вълната.

Как се откриват

Поради ниската си видима светимост, кафявите джуджета най-често се откриват чрез инфрачервени обсерватории и широки небесни карти (например мисията WISE). Основните методи за откриване и потвърждаване включват:

  • инфрачервени всенебесни сондажи и фотометрия;
  • спектроскопски анализ за идентифициране на характерни молекулни линии (вода, метан, амоняк);
  • паралаксни измервания за определяне на разстоянието и абсолютната светимост;
  • литиевият тест — наличие или отсъствие на литий в спектъра, което помага да се разграничат по-масивните обекти от по-леките.

Известни примери

Най-близкото известно кафяво джудже е WISE 1049-5319 — двойна система от кафяви джуджета на около 6,5 светлинни години от нас, открита през 2013 г. (известна още като Luhman 16). Откриването на такива близки системи подсказва, че в нашата околност може да има още невидими или слабо видими кафяви джуджета, особено стари и студени представители, които се откриват трудно в оптичния диапазон.

Кафявите джуджета представляват важен клас обекти за разбирането на границата между планетите и звездите, на процесите на формиране и на еволюцията на субзвездните тела. Изследването им също така помага при интерпретацията на спектрите на екзопланети с подобни температури и атмосфери.