Коричневые карлики – космические тела, светящие совсем недолго

Популярная механикаНаука

Темные светила: коричневые карлики

Коричневые карлики – космические тела с массой 1–8% солнечной. Они слишком массивны для планет, гравитационное сжатие делает возможным термоядерные реакции с участием "легкогорючих" элементов. Но для "зажигания" водорода их масса недостаточна, и поэтому, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго.

Алексей Левин

Астрономы не ставят экспериментов — они получают информацию с помощью наблюдений. Как сказал один из представителей этой профессии, не существует настолько длинных приборов, чтобы ими можно было дотянуться до звезд. Однако в распоряжении астрономов имеются физические законы, которые позволяют не только объяснять свойства уже известных объектов, но и предсказывать существование еще не наблюдавшихся.

Предвидение Шива Кумара

Про нейтронные звезды, черные дыры, темную материю и иные космические экзоты, вычисленные теоретиками, наслышаны многие. Однако во Вселенной немало и других диковинок, открытых тем же способом. К их числу относятся тела, занимающие промежуточное положение между звездами и газовыми планетами. В 1962 году их предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астроном индийского происхождения, только что защитивший докторскую диссертацию в Мичиганском университете. Кумар назвал эти объекты черными карликами. Позднее в литературе фигурировали такие имена, как черные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, однако в конце концов победило словосочетание «коричневые карлики» (brown dwarfs), предложенное в 1974 году аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

e5d60cb2c85605a4f78bc0f18d230b1b.jpg
Четыре года международная команда астрономов "взвешивала" ультрахолодный карлик класса L (6,6% солнечной массы) с помощью телескопа "Хаббл", VLT и телескопа им. Кека.

Кумар шел к своему открытию четыре года. В те времена основы динамики рождения звезд уже были известны, но в деталях оставались изрядные пробелы. Однако Кумар в целом столь верно описал свойства своих «черных карликов», что впоследствии с его заключениями согласились даже суперкомпьютеры. Все-таки человеческий мозг как был, так и остается лучшим научным инструментом.

Рождение недозвезд

Звезды возникают в результате гравитационного коллапса космических газовых облаков, которые в основном состоят из молекулярного водорода. Кроме того, там имеется гелий (один атом на 12 атомов водорода) и следовые количества более тяжелых элементов. Коллапс завершается рождением протозвезды, которая становится полноправным светилом, когда ее ядро разогревается до такой степени, что там начинается устойчивое термоядерное горение водорода (гелий в этом не участвует, поскольку для его поджога нужны температуры в десятки раз выше). Минимальная температура, необходимая для воспламенения водорода, составляет около 3 млн градусов.

Кумара интересовали самые легкие протозвезды с массой не выше одной десятой массы нашего Солнца. Он понял, 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 достижения температуры поджога водорода электроны дают начало особому газу, свойства которого определяются законами квантовой механики. Этот газ успешно сопротивляется сжатию протозвезды и тем препятствует разогреву ее центральной зоны. Поэтому водород либо вообще не зажигается, либо гаснет задолго до полного выгорания. В таких случаях вместо несостоявшейся звезды формируется коричневый карлик.

364d0d6bd7a117ccbe714c93819bdd60.jpg
Возможность вырожденного ферми-газа к сопротивлению гравитационному сжатию отнюдь не беспредельна, и это легко показать на пальцах. По мере того как электроны заполняют все более высокие уровни энергии, их скорости возрастают и в конце концов приближаются к световой. В этой ситуации сила тяготения одерживает верх и гравитационный коллапс возобновляется. Математическое доказательство сложнее, но вывод аналогичен. Так и получается, что квантовое давление электронного газа останавливает гравитационный коллапс, лишь если масса коллапсирующей системы остается ниже определенной границы, соответствующей 1,41 массы солнца. Она называется пределом чандрасекара – в честь выдающегося индийского астрофизика и космолога, который вычислил ее в 1930 году. Предел чандрасекара задает максимальную массу белых карликов, о чем нашим читателям наверняка известно. Однако предшественники коричневых карликов в десятки раз легче и о пределе чандрасекара могут не беспокоиться.

Кумар вычислил, что минимальная масса нарождающейся звезды равна 0,07 массы Солнца, если речь идет о сравнительно молодых светилах популяции I, которым дают начало облака с повышенным содержанием элементов тяжелее гелия. Для звезд популяции II, возникших более 10 млрд лет назад, во времена, когда гелия и более тяжелых элементов в космическом пространстве было гораздо меньше, она равна 0,09 солнечной массы. Кумар нашел также, что формирование типичного коричневого карлика занимает около миллиарда лет, а его радиус не превышает 10% радиуса Солнца. Наша Галактика, как и другие звездные скопления, должна содержать великое множество таких тел, но их трудно обнаружить из-за слабой светимости.

Как они зажигаются

Со временем эти оценки не особенно изменились. Сейчас считают, что временное возгорание водорода у протозвезды, родившейся из относительно молодых молекулярных облаков, происходит в диапазоне 0,07−0,075 солнечной массы и длится 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» профессор астрофизики Принстонского университета Адам Барроуз, термоядерный синтез компенсирует не более половины потери лучистой энергии с поверхности коричневого карлика, в то время как у настоящих звезд главной последовательности степень компенсации составляет 100%. Поэтому несостоявшаяся звезда охлаждается даже при работающей «водородной топке» и тем более продолжает остывать после ее заглушки.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Искусство нахлыста. Кто умеет, тот ловит Искусство нахлыста. Кто умеет, тот ловит

В России нахлыст считается уделом тех, кто устал от обычной рыбалки

4x4 Club
Продать нельзя уничтожить: почему модные бренды режут и сжигают нераспроданные товары Продать нельзя уничтожить: почему модные бренды режут и сжигают нераспроданные товары

Зачем компании уничтожают остатки одежды и аксессуаров

Esquire
Вызов, который стоит принять Вызов, который стоит принять

Победители и призеры Паралимпиады в Токио

Лиза
Школа автотуризма. Проблемы самоидентификации Школа автотуризма. Проблемы самоидентификации

На какие группы можно разделить автопутешественников

4x4 Club
Электрическое поле помогло исследовать высоколежащие ридберговские состояния атомов Электрическое поле помогло исследовать высоколежащие ридберговские состояния атомов

Китайские физики смогли измерить то, как распределяются главные квантовые числа

N+1
Дарья Ведерникова: Почему важно помогать малому бизнесу Дарья Ведерникова: Почему важно помогать малому бизнесу

Почему микробизнес очень важен для нашей жизни в городе

СНОБ
Поезд с двумя неизвестными Поезд с двумя неизвестными

«Купе номер 6» как финский взгляд на русские 90-е

Weekend
Сварен на калькуляторе Сварен на калькуляторе

Что науке известно об идеальном кофе

N+1
Удаленное доказательство Удаленное доказательство

Рассказываем о неравенстве P≠NP и недавней попытке его доказать

N+1
5 способов сделать жизнь дома комфортнее 5 способов сделать жизнь дома комфортнее

Умный дом, светодизайн, VR и другие способы сделать дом лучше

Популярная механика
Как быстро похудеть к важной дате: варианты диеты на несколько дней Как быстро похудеть к важной дате: варианты диеты на несколько дней

Если нужно прийти в форму быстро, на помощь придет диета на несколько дней

Cosmopolitan
Вкусно, полезно, доступно: 5 сезонных продуктов для тех, кто хочет похудеть Вкусно, полезно, доступно: 5 сезонных продуктов для тех, кто хочет похудеть

Продукты, которые помогут тебе справиться с лишним весом, не ударив по кошельку

VOICE
«Злость или зависть посещают нас не без причины»: как стоически принимать эмоции «Злость или зависть посещают нас не без причины»: как стоически принимать эмоции

Наш разум постоянно и неизбежно проделывает трюки с реальностью

Forbes
Как позаботиться о себе, если у тебя «работа на ногах» Как позаботиться о себе, если у тебя «работа на ногах»

Реально ли избежать постоянной усталости ног от стоячей работы?

Лиза
6 советов по управлению языком тела, которые помогут вам на собеседовании 6 советов по управлению языком тела, которые помогут вам на собеседовании

6 невербальных сигналов, которые помогут увеличить шансы получить работу

Inc.
Не просто застенчивость: что такое социофобия и как ее лечить Не просто застенчивость: что такое социофобия и как ее лечить

Что такое социофобия, или социальное тревожное расстройство

РБК
«Прощай, сестра»: история одного семейного крушения «Прощай, сестра»: история одного семейного крушения

Наша героиня столкнулась с предательством людей, которых считала самыми близкими

Psychologies
Михаил Баркиджиджа Михаил Баркиджиджа

Тимоти Шаламе Мариинского театра

Собака.ru
Археологи обнаружили два поселения эпохи бронзы в Нижегородской области Археологи обнаружили два поселения эпохи бронзы в Нижегородской области

Археологи раскопали два поселения эпохи бронзы

N+1
4 романа, которые стоит прочесть этой осенью 4 романа, которые стоит прочесть этой осенью

4 новых романа, которыми стоит пополнить свою книжную полку

Psychologies
Деньги, оральный секс и 12 роз в неделю: модель опубликовала райдер для парней Деньги, оральный секс и 12 роз в неделю: модель опубликовала райдер для парней

Мория Миллс опубликовала список правил, соблюдения которых она ждет от кавалеров

Cosmopolitan
Дым как средство маскировки: как его применяют в армии Дым как средство маскировки: как его применяют в армии

Средства дымовой маскировки сберегли немало солдатских жизней

Популярная механика
Брак втроем: что связывало Ленина, Крупскую и Арманд Брак втроем: что связывало Ленина, Крупскую и Арманд

«Партия прогулистов» — так называли эту троицу: Арманд, Крупскую и Ленина

Cosmopolitan
Участники и сопричастные Участники и сопричастные

Главные действующие лица достигнутых в 1938 году в Мюнхене соглашений

Дилетант
Новый русский Гарвард. Как создать успешное профессиональное сообщество из тех, кто только учится Новый русский Гарвард. Как создать успешное профессиональное сообщество из тех, кто только учится

Зачем нужны и как создаются новые объединения учащихся в России

СНОБ
Главный редактор Vogue Диана Вриланд об эпохе Сергея Дягилева и Коко Шанель Главный редактор Vogue Диана Вриланд об эпохе Сергея Дягилева и Коко Шанель

Отрывок из автобиографии Дианы Вриланд, главного редактора Vogue

Forbes
Анализ морфологии зубов опроверг гипотезу о заселении Америки из Японии Анализ морфологии зубов опроверг гипотезу о заселении Америки из Японии

Среди ученых продолжается дискуссия о времени и маршрутах заселения Америки

N+1
Девушка с характером Девушка с характером

Стать актрисой Леа Сейду было предначертано с самого рождения

Grazia
Названы 12 лучших видеоигр для развития интеллекта у детей Названы 12 лучших видеоигр для развития интеллекта у детей

Видеоигры, которые помогут развить память и критическое мышление у детей

Inc.
4 неожиданных способа добычи золота 4 неожиданных способа добычи золота

Вокруг нас, оказывается, раскидана уйма золота

Maxim
Открыть в приложении