Кафяво джудже — какво е, маса, ядрен синтез и известни примери

Научете всичко за кафявите джуджета: маса, ядрен синтез (деутерий, литий), отличителни свойства и известни примери като WISE 1049–5319 — мистериозните „пурпурни“ полузвезди.

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.

Откриване

За така наречените кафяви джуджета се заговори през 60-те години на миналия век. Предложени са алтернативни наименования на кафявите джуджета, включително планетарно и субстар. Те остават хипотетични в продължение на десетилетия.

Ранните теории предполагаха, че обект с маса, по-малка от 0,09 слънчеви маси, никога няма да премине през нормална звездна еволюция. Откриването на изгарянето на деутерий до 0,012 слънчеви маси и влиянието на прахообразуването в хладните външни атмосфери на кафявите джуджета в края на 80-те години постави тези теории под въпрос. Такива обекти обаче бяха трудни за откриване, тъй като те не излъчват почти никаква видима светлина. Най-силните им емисии са в инфрачервения (ИЧ) спектър, а наземните ИЧ детектори по онова време бяха твърде неточни, за да могат лесно да идентифицират кафяви джуджета.

В продължение на много години усилията за откриване на кафявите джуджета са безплодни. През 1988 г. обаче е открита GD 165B, която не показва нито една от характеристиките, очаквани за звезда червено джудже с ниска маса. Днес GD 165B е призната за прототип на клас обекти, които сега се наричат "L джуджета". Въпреки че откриването на най-хладното джудже е от голямо значение по онова време, се спори дали GD 165B ще бъде класифицирана като кафяво джудже или просто като звезда с много ниска маса, тъй като от наблюдателна гледна точка е много трудно да се направи разлика между двете.

Скоро след откриването на GD 165B бяха съобщени и други кандидати за кафяви джуджета. Повечето от тях обаче не успяха да оправдаят кандидатурата си, тъй като липсата на литий показа, че са звездни обекти. Истинските звезди ще изгорят лития си в рамките на малко над 100 милиона години (ми), докато кафявите джуджета няма да го направят. Объркващо е, че кафявите джуджета имат температури и светимост, подобни на някои истински звезди. С други думи, откриването на литий в атмосферата на даден обект означава, че ако той е по-стар от 100 милиона години, то той е кафяво джудже.

През 1994/5 г. изучаването на кафявите джуджета се промени с откриването на два сигурни подзвездни обекта (Тейде 1 и Gliese 229B).

Първото потвърдено кафяво джудже е открито през 1994 г. Този обект е наречен Тейде 1 и е открит в отворения куп Плеяди. Nature акцентира върху "Открити кафяви джуджета, официално" на първата страница на този брой. Разстоянието, химическият състав и възрастта на Тейде 1 бяха установени, тъй като то се намира в младия звезден куп Плеяди. Масата на Тейде 1 е 55 пъти по-голяма от масата на Юпитер и очевидно е под границата на звездната маса.

По-значителна е Gliese 229B, за която е установено, че температурата и светимостта ѝ са доста под звездния диапазон. Забележително е, че в нейния спектър в близката инфрачервена област ясно се вижда абсорбционна ивица на метан при 2 микрометра - характеристика, която досега е била наблюдавана само в атмосферите на планети гиганти и на луната на Сатурн Титан. Това откритие спомогна за създаването на още един спектрален клас, още по-студен от L джуджетата, известен като "Т джуджета", чийто прототип е Gliese 229B.

Кафяво джудже с маса под 65 маси на Юпитер не е в състояние да изгаря литий чрез термоядрен синтез в нито един момент от еволюцията си. Висококачествените спектрални данни показват, че Тейде 1 е запазил първоначалното количество литий от първоначалния молекулярен облак, от който са се образували звездите от Плеядите. Това доказва липсата на термоядрен синтез в нейното ядро.

Известно време Тейде 1 се смяташе за най-малкия обект от Слънчевата система, който е бил идентифициран чрез пряко наблюдение. Оттогава досега са идентифицирани над 1800 кафяви джуджета. Някои от тях са много близо до Земята, като например Epsilon Indi Ba и Bb - двойка кафяви джуджета, гравитационно свързани със слънцеподобна звезда на около 12 светлинни години от Слънцето, и WISE 1049-5319 - двойна система от кафяви джуджета на около 6,5 светлинни години.

Художествено изображение на L-джудже


Художествено изображение на Т-джудже


Художествено изображение на Y-джудже

Въпроси и отговори

В: Какво представлява кафявото джудже?

В: Защо кафявите джуджета не се смятат за обикновени планети гиганти?

В: Защо е трудно да се открият кафявите джуджета?

В: Какъв е диапазонът на масата на кафявите джуджета?

В: Какво се случва, когато масата на кафявото джудже е над 13 MJ?

В: Какво се случва, когато кафявото джудже има маса над ~65 MJ?

В: Какъв цвят биха имали повечето кафяви джуджета за човешкото око?

Търсене по буква