Эксперт № 07 (2014)

Эксперт Эксперт Журнал

При этом главным принципиальным различием между звездами и коричневыми карликами, о котором ученые подозревали уже давно, является их противоположная реакция на приращение общей массы этих космических объектов. В то время как звезды, согласно образному сравнению Серджио Дитриха, можно в данном случае уподобить воздушным шарам — увеличение их массы (а также яркости) обязательно приводит к росту их пространственных размеров, у коричневых карликов (эдаких «пружинных матрасов», по Дитриху), наблюдается обратная картина: их размеры и температура с ростом массы уменьшаются.

Руководствуясь этим простым исходным ориентиром и произведя скрупулезные математические расчеты температур и радиусов выявленных ранее при помощи телескопов космических объектов двух сравниваемых

категорий, американские исследователи смогли подтвердить, что звезды четко следуют поведению «воздушных шаров», то есть их радиус уменьшается параллельно уменьшению температуры вплоть до достижения «магической отметки» 2100 градусов Кельвина (аналог этой температуры по более привычной нам шкале Цельсия — 1826 градусов). Далее по температурной нисходящей, согласно Дитриху, неожиданно возникает своеобразная мертвая зона, в которой ученым до сих пор не удалось обнаружить ни одного реального космического объекта, а затем начинается царство коричневых карликов, самые горячие из которых имеют температуру порядка 1700–1800 градусов Кельвина, и все они дружно прибавляют в размерах (радиусе) по мере охлаждения.

Согласно оценкам Дитриха и его коллег, помимо выявленной температурной границы в 2100 градусов Кельвина, отделяющей звезды от «недозвезд», можно также обозначить аналогичные пороговые значения по радиусам (звездами следует считать все объекты, радиус которых составляет не менее 8,7% радиуса Солнца) и по светимости/яркости («звездный минимум» в данном случае установлен на отметке 1 / sub 8000 /sub нашего Солнца). Более того, авторы исследования утверждают, что им удалось также идентифицировать конкретную звезду (известную под условным названием 2MASS J0513-1403), которая в настоящее время носит почетный титул самой маленькой из известных науке.

Пока же, согласно промежуточному определению Международного астрономического союза (IAU), коричневыми карликами следует называть космические объекты, масса которых находится в диапазоне от 13 до 75–80 масс Юпитера (крупнейшая планета нашей Солнечной системы уже давно является условной единицей массы в различных официальных документах). Ученые экспериментально подсчитали, что именно при достижении 13 юпитерианских масс становится возможным запуск термоядерного синтеза дейтерия (тяжелого изотопа водорода), тогда как верхний предел (75–80 масс Юпитера) — это порог, превышение которого приводит к началу самоподдерживаемой реакции превращения водорода в гелий.

Возвращаясь к коричневым карликам, напомним, что они, в отличие от нормальных звезд, не способны долго поддерживать в своих недрах термоядерные реакции, благодаря которым звезды не только не остывают на протяжении очень длительного времени, но и умудряются постепенно разогреваться (благодаря увеличению интенсивности процесса термоядерного горения), поэтому их температурная динамика прямо противоположна во времени.

Быстро исчерпав ограниченные исходные запасы горючего (отправив в «топку» весь дейтерий) и не сумев достигнуть минимальной критической массы, необходимой для запуска устойчивой термоядерной реакции, приводящей к образованию гелия, коричневые карлики с возрастом медленно, но достаточно равномерно остывают, излучая в окружающее космическое пространство свою остаточную внутреннюю тепловую энергию. Впрочем, их быстрому параллельному сжатию препятствует специфический физический процесс, называемый давлением вырожденного электронного газа: при достаточно высокой температуре и плотности вещества скапливающиеся на нижних энергетических уровнях электроны оказывают давление, которое активно противодействует силам гравитации.

Вал открытий

Первым космическим объектом, получившим официальный статус коричневого карлика, стал Teide 1, обнаруженный в 1994 году группой испанских астрофизиков под руководством Рафаэля Реболо в звездном скоплении Плеяды на расстоянии примерно 400 световых лет от Земли. Своим названием объект обязан телескопу обсерватории Тейде на острове Тенерифе (Канарские

острова), при помощи которого его и удалось засечь. Спустя год после своего формального открытия Teide 1 был признан научным сообществом именно коричневым карликом. Тогда же объявился коричневый карлик номер два — объект Gliese 229, найденный японскими астрономами в небольшом созвездии Заяц, расстояние до которого составляло лишь 19 световых лет. Далее в течение весьма короткого времени астрофизики смогли выявить порядка нескольких десятков схожих объектов в самых различных регионах Вселенной.

Эти быстрые успехи охотников за коричневыми карликами объяснялись прежде всего заметным технологическим прогрессом, достигнутым земными астрономами с конца 80-х годов прошлого века в конструировании новых телескопов, работающих в инфракрасном диапазоне и оборудованных высокочувствительными матрицами большого размера.

Именно в этом световом диапазоне относительно слабое излучение, исходящее от коричневых карликов, оказалось наиболее уловимым, и после запуска в эксплуатацию целой серии таких гигантских инфракрасных наземных телескопов процесс их обнаружения ускорился.

В новом тысячелетии дополнительную важную лепту в поиск таких объектов, безусловно, внесли и космические телескопы, оснащенные детекторами инфракрасного излучения. Особенно отличились на этом фронте специализированный телескоп-обсерватория NASA Spitzer, запущенный на гелиоцентрическую орбиту в августе 2003 года, и новейший телескоп, отправленный NASA в космос в декабре 2009 года.

Отметим также, что заметному ускорению процесса экспериментального обнаружения коричневых карликов в немалой степени способствовало появление достаточно простого и при этом высокорезультативного аналитического метода, предложенного пионером этого направления Рафаэлем Реболо, — так называемого литиевого теста. Дело в том, что у всех «нормальных» звезд процесс полного сжигания лития занимает немногим более 100 млн лет, тогда как в коричневых карликах этот легчайший химический элемент сохраняется на протяжении свыше 10 млрд лет. Отталкиваясь от этой понятной арифметики, при условии обнаружения в спектре «холодной звезды» литиевой линии вероятность того, что она на самом деле является коричневым карликом, составляет почти 100%.

Впрочем, в формировании спектра холодных (с температурой меньше 1500 градусов Кельвина) коричневых карликов заметную роль должен играть также метан (СН sub 4 /sub ). В частности, такие сильные метановые полосы в спектре были обнаружены у объекта Gliese 229В.

К настоящему времени число официально зарегистрированных коричневых карликов разных типов, температур и возрастов составляет уже около двух тысяч, и с каждым годом число открытий возрастает.

Так, коричневые карлики найдены почти во всех ближайших к нам звездных системах: в 2003 году в окрестностях звезды Эпсилон Индейца, находящейся от Земли на расстоянии около 12 световых лет, была обнаружена система, состоящая сразу из двух сравнительно холодных коричневых карликов с четко выраженными молекулярными линиями метана в спектре. Несколько позднее в телескопы попался одинокий карлик WISE 1506+7027 в созвездии Малая Медведица (11,1 светового года от Земли). Наконец, как уже упоминали выше, последними и самыми близкими нашими соседями из коричневокарликового семейства стала пара Luhman 16А и 16В, открытая в феврале 2013 года американским астрономом Кевином Луманом в созвездии Паруса.

Быстро растет и выявленное разнообразие спектральных классов коричневых карликов. Астрофизическим истеблишментом уже официально признаны четыре больших семейства: коричневые карлики спектральных классов M, L, T и Y. М-класс — самые горячие, звездоподобные космические объекты (более того, к этому классу относят и самые холодные из обычных звезд), и далее по нисходящей. Объекты последнего, пока еще самого малочисленного, спектрального класса Y очень холодные, с поверхностной температурой менее 500 градусов Кельвина. Обнаружить Y-карлики из-за их низкой температуры намного сложнее, и первый объект этого класса был открыт лишь в августе 2011 года.