Астрономы выявили необычную пару объектов, состоящую из звезды, которая не смогла завершить свое формирование, и уже отгоревшей звезды. Обе звезды обладают температурой, превышающей температуру нашего Солнца. В атмосфере «недозвезды» наблюдаются мощные ветры, способные расщеплять молекулы. Naked Science объясняет, как изучение подобных объектов может способствовать исследованиям экзопланет.
Недавно астрономы отчитались об обнаружении удивительного дуэта. Это белый и коричневый карлики, образующие необычно тесную пару. Белый карлик — раскаленное ядро недавно отгоревшей звезды. Коричневый — наоборот, «зародыш», которому не хватило массы, чтобы стать настоящим светилом. В одном его полушарии царит вечный день, и жаркие лучи белого карлика делают коричневый карлик горячее большинства звезд.
Изначально информация об открытии была опубликована в виде предварительного отчета, который еще не был проверен экспертами. Теперь статья о нем вышла в престижном журнале Nature Astronomy. В связи с этим Naked Science публикует подробности исследования и объясняет, почему такие пары представляют интерес для астрономов. Кроме того, мы расскажем о происхождении коричневых карликов и методах их обнаружения учеными.
Многоликие карлики
В астрономии термин «карлик» применяется для обозначения звезд с низкой светимостью. Более 90% звезд в нашей Галактике относятся к карликам: это красные, оранжевые или желтые звезды, подобные Солнцу. Белые и коричневые карлики представляют собой отдельную группу. В них отсутствуют термоядерные реакции, и вопрос об их классификации как звезд остается дискуссионным. Основное отличие между белым и коричневым карликами заключается в том, что в первом термоядерные процессы завершились, а во втором так и не начались.
Ниже мы обсудим природу коричневых карликов, а сейчас кратко расскажем о происхождении белых карликов. Когда у малой звезды (с массой менее 8-10 масс Солнца) исчерпываются запасы водорода, ее внешние слои расширяются и формируют туманность, которая со временем рассеивается. Ядро звезды превращается в белый карлик. Изначально он обладает чрезвычайно высокой температурой – около 50 тысяч градусов на поверхности. Для полного остывания и прекращения свечения требуются миллиарды лет.
Неравный брак
Белый карлик WD 0032-317 расположен на расстоянии 1400 световых лет от Земли в южном созвездии Скульптора. Его масса составляет 40% от массы Солнца, а радиус – приблизительно равен трем радиусам Земли. Для белых карликов, характеризующихся высокой плотностью, это обычные параметры. Отличительной чертой является температура, достигающая 37 тысяч градусов. Это указывает на то, что родительская звезда взорвалась около миллиона лет назад, и белый карлик до сих пор не успел остыть. Для сравнения, температура поверхности Солнца не превышает шести тысяч градусов.
Примерно два десятилетия назад ученые высказали предположение о наличии у этого объекта спутника, или компаньона, вокруг которого оба тела вращаются вокруг общего центра масс. В то время астрономы полагали, что пару WD 0032-317 образует еще один белый карлик.
Новое исследование, основанное на данных, собранных крупнейшим в мире телескопом VLT в 2019-2020 годах, показало, что объект, известный как WD 0032-317, является не белым карликом, а коричневым карликом. В астрономической номенклатуре это тело обозначено как WD 0032-317B, где буква «B» указывает на то, что это второй компонент системы.
WD 0032-317B, обладая массой от 75 до 80 юпитеров, считается одним из самых массивных известных коричневых карликов. Его масса оказалась лишь немного недостаточной для запуска термоядерных реакций в его ядре, которые превратили бы его в звезду. При этом его радиус даже меньше юпитеров, что характерно для коричневых карликов. Эти объекты, будучи во много раз массивнее планет-гигантов, сжимаются под действием собственной гравитации до размеров, сопоставимых с планетами.
За эту схожесть планетологи высоко оценивают коричневые карлики. Коричневый карлик, благодаря сопоставимым размерам, является достаточно близким аналогом планеты. Однако, учитывая его большую массу, его легче обнаружить и исследовать (в частности, методом лучевых скоростей, о котором Naked Science подробно рассказывал).
Заменитель планет
Зачем ученым разрабатывать «заменитель, идентичный натуральному», если известно почти 5500 различных веществ экзопланет? Затем, поскольку каждая планета уникальна. Например, астрономов давно привлекает вопрос о том, как ведут себя атмосферы планет-гигантов, нагретые до температуры, сопоставимой со звездной. Согласно теории, под воздействием экстремальных температур и ультрафиолетового излучения молекулы должны распадаться на атомы, а атмосфера – постепенно рассеиваться в космосе.
Для нагрева планеты до четырех тысяч градусов и выше требуется светило с температурой не менее 10-20 тысяч градусов. Такие горячие звезды обладают сложным характером: они массивны, активны и быстро вращаются вокруг своей оси. Обнаружение экзопланет у подобных светил представляет собой сложную задачу. Однако, как демонстрирует пример WD 0032-317, в роли нагревателя может выступить и молодой белый карлик. Вот только планете очень трудно пережить превращение ее солнца в белый карлик.
В итоге у астрономов имеется лишь один «экземпляр ада» — экзопланета KELT-9b — самая горячая планета, известная на данный момент (температура достигает примерно 4300 градусов).
Наличие хотя бы одного объекта уже является полезным, однако для получения достоверных результатов этого недостаточно. В таких случаях на помощь приходят системы, состоящие из звезды и коричневого карлика, образующие тесную пару.
Объекты системы WD 0032-317 расположены на таком близком расстоянии, что для полного оборота вокруг общего центра масс требуется менее двух с половиной часов. Благодаря этому, коричневый карлик постоянно обращен к белому карлику одной стороной, подобно тому, как Луна обращена к Земле. Дневная сторона коричневого карлика достигает температуры в восемь-девять тысяч градусов. Это выше, чем температура Солнца и большинства звезд. Температура же его ночной стороны составляет всего около двух тысяч градусов.
Уникальный климат планеты WD 0032-317B, вероятно, обуславливает возникновение весьма необычных явлений. Так, например, там должны быть очень сильные ветры, которые переносят тепло от более горячей к более холодной стороне.
Для получения исчерпывающей информации необходимо провести анализ системы WD 0032-317, изучив ее в видимом свете и в инфракрасном диапазоне. Излучение различной длины волн будет исходить с разной высоты над поверхностью коричневого карлика. Поскольку раскаленная атмосфера не способна образовывать облака, астрономы смогут проводить сканирование на большую глубину. Эти наблюдения предстоит осуществить в будущем.
Как не стать звездой
Давайте подробнее рассмотрим коричневых карликов, которые часто называют неудавшихся звёздами.
Звезда формируется из облака газа и пыли, которое коллапсирует под воздействием собственной гравитации. При сжатии вещество нагревается: многие знакомы с ощущением тающего снежного кома, крепко сжатого в руке. Чем больше масса протозвезды, тем сильнее гравитация, сжимающая ее. Следовательно, в ее недрах устанавливаются более высокие температура и давление. Если протозвезда обладает достаточной массой, температура и давление достигают критического уровня, и начинается pp-цикл. Это название цепочки термоядерных реакций, в ходе которых протоны соединяются, образуя ядра гелия (pp расшифровывается как «протон-протонный»). Протоны являются ядрами атома водорода, а точнее его наиболее распространенного изотопа – протия. На протий приходится свыше 90 процентов всех атомных ядер во Вселенной, как в целом, так и в звездах. Неудивительно, что именно pp-цикл является главным источником энергии звезд.
Какая масса должна быть у протозвезды, чтобы в ее ядре запустился pp-цикл и она стала звездой? В 1963 году американский астрофизик Шив Кумар провел расчеты и определил, что минимальная масса составляет приблизительно семь процентов массы Солнца (или около 70 масс Юпитера). Этот показатель получил название предела Кумара.
Если масса протозвезды оказывается немного недостаточной для достижения необходимого порога, ее сжатие приведет к нагреву: на поверхности температура достигнет более двух тысяч градусов, а в центре – до трех миллионов. Для протекания pp-цикла этого недостаточно, однако, некоторые термоядерные реакции все же начнутся – ядра дейтерия превратятся в гелий. Дейтерий, являясь вторым изотопом водорода, содержит в своем ядре не только протон, но и нейтрон. В этот момент небесное тело можно классифицировать как звезду, хотя и кратковременно. В протозвездах содержится крайне мало дейтерия – лишь около тысячной доли процента от общей массы. Он быстро расходуется, и выделившегося тепла недостаточно для запуска pp-цикла. Это сравнить с попыткой зажечь не просушенные дрова с помощью листа бумаги.
Объекты массой от одного до семи процентов солнечной массы Кумар классифицировал как черные карлики. В то время они представляли собой исключительно теоретическую концепцию. Предпринимались различные попытки изменить их название, и в итоге закрепился термин brown dwarf. На русский язык он передается как «коричневый карлик» (иногда «бурый»). Позже выяснилось, что коричневые карлики могут иметь массу и более 70 юпитеров, что указывает на неточность определения Кумаром указанного предела.
Обнаружение коричневых карликов представляет собой сложную задачу по сравнению с обычными звездами. Это связано с тем, что они недостаточно горячи для самостоятельного излучения света. Значительно проще обнаружить коричневый карлик, если он входит в состав двойной системы с обычной звездой или белым карликом. В этом случае астрономы наблюдают один из компонентов пары и, проведя точные измерения, делают вывод о наличии невидимого компаньона. С конца 1980-х годов ученые неоднократно «обнаруживали» коричневые карлики, однако впоследствии выяснялось, что это были ошибки. Первое достоверное открытие произошло в 1995 году. Спустя два года наблюдатели идентифицировали и первый одиночный коричневый карлик.
На сегодняшний день наблюдателям известно уже несколько тысяч коричневых карликов. Это лишь малая часть от общего числа, поскольку в нашей Галактике их может существовать сотни миллиардов.
Коричневые карлики, застрявшие на ранних стадиях формирования звезды, подобны вечным подросткам, и благодаря этому могут предоставить ценные сведения о процессах звездообразования. Это одна из причин, вызывающих интерес астрономов. Другая причина, о которой мы уже упоминали, заключается в том, что горячие коричневые карлики напоминают горячие планеты. Существует и третья: в атмосферах одиночных, холодных «недозвезд» обнаруживается метан, а также, возможно, другие органические соединения. Астрономов всегда привлекает вопрос о том, как и где во Вселенной возникают органические вещества, поскольку именно они являются основой для возникновения жизни. Таким образом, несмотря на то, что коричневые карлики не стали звездами, они пользуются популярностью и привлекают пристальное внимание, особенно со стороны астрономов.