Темные светила: коричневые карлики

      Комментарии к записи Темные светила: коричневые карлики отключены

Темные светила: коричневые карлики

    Коричневые карлики — космические тела с массой 1−8% солнечной. Они через чур массивны для планет, гравитационное сжатие делает вероятным термоядерные реакции с участием «легкогорючих» элементов. Но для «зажигания» водорода их масса недостаточна, и исходя из этого, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго Четыре года интернациональная команда астрологов «взвешивала» ультрахолодный карлик класса L (6,6% солнечной массы) посредством телескопа «Хаббл», VLT и телескопа им.
    Кека Предел Чандрасекара Возможность вырожденного ферми-газа к сопротивлению гравитационному сжатию отнюдь не безгранична, и это легко продемонстрировать на пальцах. По мере того как электроны заполняют все более большие уровни энергии, их скорости возрастают и в итоге приближаются к световой. В данной ситуации сила тяготения одерживает верх и гравитационный коллапс возобновляется.
    Математическое подтверждение сложнее, но вывод подобен. Так и получается, что квантовое давление электронного газа останавливает гравитационный коллапс, только в случае если масса коллапсирующей совокупности остается ниже определенной границы, соответствующей 1,41 массы солнца. Она именуется пределом чандрасекара — в честь выдающегося индийского астрофизика и космолога, что вычислил ее в первой половине 30-ых годов двадцатого века.
    Предел чандрасекара задает большую массу белых карликов, о чем отечественным читателям точно известно. Но предшественники коричневых карликов в десятки раз легче и о пределе чандрасекара смогут не тревожиться

Астрологи не ставят опытов — они приобретают данные посредством наблюдений. Как сообщил один из представителей данной профессии, не существует так долгих устройств, дабы ими возможно было дотянуться до звезд. Но в распоряжении астрологов имеются физические законы, каковые разрешают не только растолковывать свойства уже известных объектов, но и предвещать существование еще не наблюдавшихся.

Про нейтронные звезды, черные дыры, чёрную материю и иные космические экзоты, вычисленные теоретиками, наслышаны многие. Но во Вселенной много и других диковинок, открытых тем же методом. К их числу относятся тела, занимающие промежуточное положение между газовыми планетами и звёздами. В первой половине 60-ых годов двадцатого века их предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астролог индийского происхождения, только что защитивший диссертацию в Мичиганском университете.

Кумар назвал эти объекты тёмными карликами. Позднее в литературе фигурировали такие имена, как тёмные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, но в итоге победило словосочетание «коричневые карлики» (brown dwarfs), предложенное в первой половине 70-ых годов XX века аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

Кумар шел к собственному открытию четыре года. В те времена базы динамики рождения звезд уже были известны, но в подробностях оставались изрядные пробелы. Но Кумар в целом столь правильно обрисовал свойства собственных «тёмных карликов», что потом с его заключениями дали согласие кроме того суперкомпьютеры.

Все-таки человеческий мозг как был, так и остается лучшим научным инструментом.

Звезды появляются в следствии гравитационного коллапса космических газовых туч, каковые по большей части складываются из молекулярного водорода. Помимо этого, в том месте имеется гелий (один атом на 12 атомов водорода) и следовые количества более тяжелых элементов.

Коллапс завершается рождением протозвезды, которая делается полноправным светилом, в то время, когда ее ядро разогревается до таковой степени, что в том месте начинается устойчивое термоядерное горение водорода (гелий в этом не участвует, потому, что для его поджога необходимы температуры в десятки раз выше). Минимальная температура, нужная для воспламенения водорода, образовывает около 3 млн градусов.

Кумара интересовали самые легкие протозвезды с массой не выше одной десятой массы отечественного Солнца. Он осознал, 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 успехи температуры поджога водорода электроны дают начало особенному газу, свойства которого определяются законами квантовой механики. Данный газ удачно сопротивляется сжатию протозвезды и тем мешает разогреву ее центральной территории. Исходя из этого водород или по большому счету не зажигается, или меркнет задолго до полного выгорания.

В таких случаях вместо несостоявшейся звезды формируется коричневый карлик.

Кумар вычислил, что минимальная масса нарождающейся звезды равна 0,07 массы Солнца, в случае если речь заходит о относительно молодых светилах популяции I, которым дают начало облака с повышенным содержанием элементов тяжелее гелия. Для звезд популяции II, появившихся более 10 млрд лет назад, во времена, в то время, когда гелия и более тяжелых элементов в космическом пространстве было значительно меньше, она равна 0,09 солнечной массы.

Кумар отыскал кроме этого, что формирование обычного коричневого карлика занимает около миллиарда лет, а его радиус не превышает 10% радиуса Солнца. Отечественная Галактика, как и другие звездные скопления, обязана содержать очень много таких тел, но их тяжело найти из-за не сильный светимости.

Со временем эти оценки не особенно изменились. на данный момент уверены в том, что временное возгорание водорода у протозвезды, появившейся из довольно молодых молекулярных туч, происходит в диапазоне 0,07−0,075 солнечной массы и продолжается 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» доктор наук астрофизики Принстонского университета Адам Барроуз, термоядерный синтез компенсирует не более половины утраты лучистой энергии с поверхности коричневого карлика, тогда как у настоящих звезд основной последовательности степень компенсации образовывает 100%. Исходя из этого несостоявшаяся звезда охлаждается кроме того при трудящейся «водородной топке» и тем более остывает по окончании ее заглушки.

Протозвезда с массой менее 0,07 солнечной поджечь водород по большому счету не может. Действительно, в ее недрах может вспыхнуть дейтерий, потому, что его ядра сливаются с протонами уже при температурах в 600−700 тысяч градусов, порождая гелий-3 и гамма-кванты. Но дейтерия в космосе мало (на 200 000 атомов водорода приходится всего один атом дейтерия), и его запасов хватает всего на пара миллионов лет.

Ядра газовых сгустков, не достигших 0,012 массы Солнца (что образовывает 13 весов Юпитера) не разогреваются кроме того до этого порога и исходя из этого не могут ни к каким термоядерным реакциям. Как выделил доктор наук Калифорнийского университета в Сан-Диего Адам Бургассер, многие астрологи полагают, что именно тут и проходит граница между планетой и коричневым карликом.

Согласно точки зрения представителей другого лагеря, коричневым карликом можно считать и газовый сгусток полегче, если он появился в следствии коллапса первичного облака космического газа, а не появился из газо-пылевого диска, окружающего только что вспыхнувшую обычную звезду. Но, каждые подобные определения — дело вкуса.

Еще одно уточнение связано с литием-7, что, как идейтерий, появился в первые 60 секунд по окончании Громадного взрыва. Литий вступает в термоядерный синтез при пара меньшем нагреве, нежели водород, и потому загорается, в случае если масса протозвезды превышает 0,055−0,065 солнечной. Но лития в космосе в2500раз меньше, чем дейтерия, и исходя из этого с энергетической точки зрения его вклад совсем ничтожен.

Что же происходит в недрах протозвезды, в случае если гравитационный коллапс не завершился термоядерным поджогом водорода, а электроны объединились вединую квантовую совокупность, так называемый вырожденный ферми-газ? Часть электронов в этом состоянии возрастает неспешно, а не подскакивает за единый миг от нуля до 100%. Но для простоты будем вычислять, что данный процесс уже закончен.

Принцип Паули говорит, что два электрона, входящие в одну и ту же совокупность, не смогут пребывать в однообразном квантовом состоянии. В ферми-газе состояние электрона определяется его импульсом, спином и положением, что принимает всего два значения. Это указывает, что в одном и том же месте может пребывать не более пары электронов с однообразными импульсами (и, конечно, противоположными поясницами).

А потому, что на протяжении гравитационного коллапса электроны пакуются во все уменьшающийся количество, они занимают состояния с возрастающими импульсами и энергиями. Значит, по мере сжатия протозвезды растет внутренняя энергия электронного газа.

Эта энергия определяется чисто квантовыми эффектами и не связана с тепловым перемещением, исходя из этого в первом приближении не зависит от температуры (в отличие от энергии хорошего совершенного газа, законы которого изучают в школьном курсе физики). Более того, при высокой степени сжатия энергия ферми-газа многократно превосходит тепловую энергию хаотического атомных ядер и движения электронов.

Повышение энергии электронного газа повышает и его давление, которое кроме этого не зависит от температуры и растет куда посильнее давления теплового. Как раз оно противостоит тяготению вещества протозвезды и прекращает ее гравитационный коллапс. В случае если это случилось до успехи температуры поджога водорода, коричневый карлик остывает сразу же по окончании непродолжительного по космическим масштабам выгорания дейтерия.

В случае если прото-звезда пребывает в пограничной территории и имеет массу 0,07−0,075 солнечной, она еще миллиарды лет сжигает водород, но на ее финал это не воздействует. В итоге квантовое давление вырожденного электронного газа столь снижает температуру звездного ядра, что горение водорода останавливается. И не смотря на то, что его запасов хватило бы на десятки миллиардов лет, поджечь их коричневый карлик уже больше не сможет.

Этим-то он и отличается от самого легкого красного карлика, выключающего ядерную топку, только в то время, когда целый водород превратился в гелий.

Доктор наук Барроуз отмечает и еще одно различие коричневого карлика и звезды. Простая звезда не только не остывает, теряя лучистую энергию, но, как это ни парадоксально, нагревается. Это происходит вследствие того что звезда сжимает и разогревает собственный ядро, а это очень сильно увеличивает темпы термоядерного горения (так, за время существования отечественного Солнца его светимость возросла по крайней мере на четверть).

Иное дело коричневый карлик, сжатию которого мешает квантовое давление электронного газа. Благодаря поверхностного излучения он остывает, подобно камню либо куску металла, не смотря на то, что и складывается из тёплой плазмы, как обычная звезда.

Погоня за коричневыми карликами затянулась на долгое время. Кроме того у самые массивных представителей этого семейства, каковые в молодости испускают пурпурное свечение, температура поверхности в большинстве случаев не превышает 2000 К, а у тех, что полегче и постарше, иногда не достигает кроме того 1000 К. В излучении этих объектов присутствует и оптическая компонента, хоть и весьма слабенькая. Исходя из этого для их поиска оптимальнее подходит инфракрасная аппаратура большого разрешения, которая показалась лишь в 1980-х годах.

Тогда же начали запускать инфракрасные космические телескопы, без которых практически нереально найти холодные коричневые карлики (пик их излучения приходится на волны длиной 3−5 микрометров, каковые по большей части задерживаются земной воздухом).

Как раз в эти годы показались сообщения о вероятных кандидатах. Сначала такие заявления не выдерживали проверки, и настоящее открытие первой из предсказанных Шивом Кумаром псевдозвезд произошло только в 1995 году. Пальма первенства тут в собственности группе астрологов, возглавляемой доктором наук Калифорнийского университета в Беркли Гибором Басри.

Исследователи изучали очень тусклый объект PPl 15 в удаленном приблизительно на 400 световых лет звездном скоплении Плеяды, что ранее нашла несколько гарвардского астролога Джона Стауффера. По предварительной оценке, масса этого небесного тела составляла 0,06 массы Солнца, и он в полной мере имел возможность появляться коричневым карликом. Но эта оценка была очень приблизительной, и на нее не было возможности надеяться.

Доктор наук Басри и его сотрудники смогли решить эту задачу посредством литиевой пробы, которую незадолго до того придумал испанский астрофизик Рафаэль Реболо.

«Отечественная несколько трудилась на первом 10-метровом телескопе гавайской обсерватории имени Кека, что вступил в воздействие в первой половине 90-ых годов двадцатого века, — вспоминает доктор наук Басри. — Мы решили воспользоваться литиевой пробой, потому, что она давала возможность различить близкие и коричневые карлики к ним по массе красные карлики. Красные карлики весьма скоро сжигают литий-7, а практически все коричневые карлики к этому не могут.

Тогда думали, что возраст Плеяд образовывает около 70 млн лет, а также легчайшие красные карлики за это время должны были полностью избавиться от лития. Если бы мы нашли литий вспектре PPl 15, то имели бы все основания утверждать, что имеем дело с коричневым карликом. Задача была непростой. Первый спектрографический тест вноябре 1994 года вправду распознал литий, а вот второй, контрольный, в марте 1995-го, этого не подтвердил.

Конечно, мы пребывали в разочаровании — открытие ускользало прямо из рук. Но начальное заключение было верным. PPl 15 был парой коричневых карликов, находящихся на орбите центра масс всего за шесть дней. Поэтому-то спектральные линии лития то сливались, то расходились — вот мы и не встретились с ними на протяжении второго теста.

Попутно мы поняли, что Плеяды старше, нежели считалось ранее».

В этом же 1995 году показались сообщения об открытии еще двух коричневых карликов. Рафаэль Реболо и его коллеги по Астрофизическому университету Канарских островов нашли в Плеядах карлик Teide 1, что был кроме этого идентифицирован посредством литиевого способа.

А в самом финише 1995 года исследователи из Калифорнийского университета Джонса и Технологического института Хопкинса сказали, что красный карлик Gliese 229, что находится всего в 19 световых годах от Нашей системы, владеет компаньоном. Данный спутник в 20 раз тяжелее Юпитера, и в его спектре имеются линии метана. Молекулы метана разрушаются, в случае если температура превышает 1500К, тогда как атмосферная температура самых прохладных обычных звезд неизменно больше 1700К.

Это разрешило признать Gliese 229-B коричневым карликом, кроме того не применяя литиевый тест. на данный момент уже как мы знаем, что его поверхность нагрета всего до 950 К, так что данный карлик весьма кроме того холодный.

На данный момент коричневых карликов известно в два раза больше, чем экзопланет, — приблизительно 1000 против 500. Изучение этих тел вынудило ученых увеличить классификацию звезд и звездоподобных объектов, потому, что прошлая была недостаточной.

Астрологи с покон веков подразделяют звезды на группы в соответствии со спектральными чертями излучения, каковые, со своей стороны, в первую очередь определяются температурой воздуха. на данный момент по большей части используется совокупность, базы которой более ста лет назад были заложены сотрудниками обсерватории Гарвардского университета.

В ее несложной версии звезды делятся на семь классов, обозначаемых латинскими буквами O, B, A, F, G, K и M. В класс O входят очень массивные голубые звезды с температурой поверхности выше 33 000К, тогда как к классу M относят красные карлики, красные гиганты а также последовательность красных сверхгигантов, воздух которых нагрета менее чем до 3700 К. Любой класс со своей стороны делится на десять подклассов — от самого тёплого нулевого до самого холодного девятого. К примеру, отечественное Солнце в собственности классу G2. У гарвардской совокупности имеется и более сложные варианты (так, сейчас белые карлики выделяют в особенный класс D), но это уже тонкости.

Открытие коричневых карликов обернулось введением новых спектральных классов L и T. К классу L относят объекты с температурами поверхности от 1300 до 2000К. Среди них не только коричневые карлики, но и самые тусклые красные карлики, каковые раньше относили к M-классу. Класс Т включает только одни коричневые карлики, атмосферы которых нагреты от 700 до 1300 K. В их спектрах в изобилии присутствуют линии метана, исходя из этого эти тела часто именуют метановыми карликами (как раз таков Gliese 229 B).

«К концу 1990-х годов мы накопили много информации о спектрах самых тусклых звезд, среди них и коричневых карликов, — говорит «ПМ» астролог из Калтеха Дэви Киркпатрик, входящий в группу ученых, по инициативе которых были введены новые классы. — Оказалось, что они владеют рядом изюминок, не видевшихся ранее. Обычные для красных М-карликов спектральные метки титана и оксидов ванадия провалились сквозь землю, но показались линии щелочных металлов — натрия, калия, цезия и рубидия.

Исходя из этого мы сделали вывод, что гарвардскую классификацию нужно увеличить. Сперва был добавлен класс L, эту букву внес предложение как раз я — легко вследствие того что за ней ничего еще не числилось. Но Gliese 229 B из-за наличия метана классу L не соответствовал.

Было нужно задействовать еще одну свободную букву — T, так показался T-класс».

Вероятнее, дело этим не закончится. Уже предложено ввести класс y, что резервируется для гипотетических ультрахолодных коричневых карликов, нагретых ниже 600к. Их спектры кроме этого должны иметь характерные изюминки, такие как четкие линии поглощения аммиака (а при температурах менее 400 к покажутся и пары воды). Потому, что все коричневые карлики обречены на остывание, тела y-класса обязаны существовать, не смотря на то, что до сих пор не найдены.

Нельзя исключать, что их откроют по окончании запуска огромного инфракрасного телескопа james webb, что отправится в космос в 2014 году. Возможно, эта обсерватория кроме того отыщет у коричневых карликов планеты, существование которых в принципе в полной мере возможно. в первых рядах астрологов ожидает еще много увлекательного.

Кто имеется кто среди звезд

Звезды, как и люди, не смотря на то, что и похожи на друг на друга, но в действительности имеют разное «социальное положение» — спектральный класс, светимость, температуру поверхности. В 1910 году датский астролог Эйнар Герцшпрунг и американец Генри Рассел внесли предложение применять для классификации звезд диаграмму вкоординатах «светимость» (безотносительная звездная величина) — «спектральный класс» (температура поверхности, цвет).

Все узнаваемые звезды на диаграмме Герцшпрунга-Рассела объединяются в пара спектральных классов с учетом светимости (Йеркская классификация, либо МКК, по фамилиям создавших ее астрологов — Уильяма Моргана, Филиппа Кинана и Эдит Келлман). Современная классификация выделяет на диаграмме Герцшпрунга-Рассела восемь главных групп. Класс 0 — это гипергиганты, массивные и весьма броские звезды, превышающие Солнце по массе в 100−200 раз, а по светимости — в десятки и миллионы миллионов.

Класс Ia и Ib — это сверхгиганты, в десятки раз массивнее Солнца и в десятки тысяч раз превосходящие его по светимости. Класс II- броские гиганты, занимающие промежуточное положение между гигантами и сверхгигантами, каковые относятся к классу III. Класс V — это «основная последовательность» (карлики), на которой лежит большая часть звезд, среди них и наше Солнце.

В то время, когда звезда «основной последовательности» исчерпает собственный запас водорода ив ее ядре начнется горение гелия, она станет субгигантом, перейдя вкласс IV. Чуть ниже «основной последовательности» лежит класс VI — субкарлики. А к классу VII относятся компактные белые карлики, конечная стадия эволюции звезд, не превышающих по массе предел Чандрасекара.

Звездная пара

    Звездную несколько коричневых карликов астрологи замечали посредством телескопа UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope) с 3,8-метровым зеркалом — одного из наибольших в мире инструментов, трудящихся в инфракрасном диапазоне

Астрологи всегда узнают о коричневых карликах что-то новое. Так, в последних числах Ноября 2010 года ученые из Чили, Канады и Англии сказали об открытии в созвездии Девы всего в 160 световых годах от солнца звездной пары из двух карликов различных цветовых категорий — белого и коричневого. Последний принадлежит к числу самых тёплых карликов т-класса (его воздух нагрета до 1300 к) и по массе равен 70 юпитерам.

Оба небесных тела гравитационно связаны, не обращая внимания на то что их разделяет огромная расстояние — приблизительно один световой год.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№99, январь 2011).

Рейтинг смертельных звезд: красные гиганты, сверхновые звезды, коричневые и белые карлики нейтронные


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: