Эксперт № 07 (2014) - Эксперт Эксперт

Во-первых, коричневый карлик Luhman 16B — реальный космический объект, хотя о его существовании ученым стало известно лишь около года назад. Он и его напарник Luhman 16А находятся на расстоянии всего около 6,6 светового года от Земли в созвездии Паруса и на текущий момент являются двумя самыми близкими к нам коричневыми карликами, открытыми астрономами.

Во-вторых, и это, пожалуй, самое главное, информация о бурной атмосферной активности на Luhman 16B, в том числе о наличии у него мощной облачности и о возможных дождях из раскаленного железа, — это тоже не фантазия неудавшегося автора фантастических романов, а результат недавних исследований, осуществленных двумя группами западноевропейских астрофизиков. На днях они опубликовали две статьи о нашем новом карликовом соседе в журналах Nature и The Astrophysical Journal Letters.

Иными словами, профессия экзометеоролога, то есть специалиста по прогнозированию погодных явлений на космических объектах вне нашей Солнечной системы, уже сегодня постепенно начинает приобретать вполне отчетливые очертания. Причем, как это ни удивительно, особенно заметными успехами в этой специфической научной области в последние несколько лет могут похвастаться именно астрономы, специализирующиеся на изучении коричневых карликов, первый из которых был официально открыт в 1995 году, то есть менее двух десятков лет назад.

Промежуточное звено

Первые теоретические предположения ученых о том, что во Вселенной может и должен существовать особый класс космических объектов, занимающих промежуточное положение между звездами и планетами, появились еще в начале 60-х годов прошлого века.

Пионером в этой области стал молодой американский астрофизик с индийскими корнями Шив Кумар , которому удалось рассчитать примерную границу, отделяющую «нормальные» звезды от «звезд-неудачников», чья масса составляет примерно 0,07 массы нашего Солнца.

Сам Кумар предложил назвать эти несостоявшиеся звезды, в недрах которых так и не смогла зажечься устойчивая термоядерная реакция (слияние атомов водорода и образование атомов гелия), черными карликами, но впоследствии научное сообщество выбрало другой цветовой вариант, и к середине 70-х годов они стали «коричневыми», тогда как черными карликами предпочли назвать другой гипотетический звездный класс — финальную стадию жизни экс-звезд, белых карликов, на которой последние должны охлаждаться до абсолютного нуля и усыхать до совсем игрушечных размеров (по мнению ученых, текущий возраст нашей Вселенной, 13,8 млрд лет, пока еще слишком мал для того, чтобы породить таких звездных зомби).

Вкратце напомним: согласно прихотливой астрофизической терминологии карликами называются не только выродившиеся космические объекты, но и вполне здоровые небесные тела. В частности, желтые и красные карлики — это нормальные звезды, например к желтым карликам относится и наше Солнце. Лишь на поздней эволюционной стадии, после полного выгорания водородных запасов, желтые карлики окончательно коллапсируют, становясь маленькими и очень плотными объектами — уже упоминавшимися выше белыми карликами. Правда, перед этим они проходят через относительно кратковременную фазу разбухания — превращения в так называемые красные гиганты.

Наконец, красные карлики — тип самых холодных и маленьких по размерам звезд, которые способны на протяжении длительного времени поддерживать термоядерные реакции. Вплоть до недавнего времени четкой границы между ними и нашими главными героями, коричневыми карликами, ученые провести не могли.

Однако, судя по всему, эта принципиальная проблема уже близка к своему окончательному разрешению. Непосредственный повод для подобного оптимизма — еще одна недавняя публикация группы американских исследователей из Университета штата Вирджиния в The Astronomical Journal за декабрь прошлого года.

Серджио Дитрих и его коллеги провели масштабную ревизию всех известных науке к настоящему времени типов звезд и «недозвезд», скомбинировав данные длительных наблюдений за этими космическими объектами четырех различных телескопов — трех наземных, расположенных в чилийской обсерватории CTIO (Cerro Tololo Inter-American Observatory), и одного космического — WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer — «обзорный инфракрасный телескоп с широкоугольной оптикой»). Итогом этого анализа стал важнейший вывод: теоретически предсказанный ранее физический порог, отделяющий самые маленькие холодные звезды от коричневых карликов, можно обозначить при помощи конкретных количественных характеристик по трем ключевым параметрам: температуре, радиусу и светимости (яркости).

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.