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

Коллекционеры марок. Сколько зарабатывали солдаты вермахта во время войны Коллекционеры марок. Сколько зарабатывали солдаты вермахта во время войны

Война войной, а зарплата — по расписанию

Maxim
Зачем и как менеджеру становиться психологом Зачем и как менеджеру становиться психологом

Как вовремя распознать признаки ментальных проблем у сотрудника

Inc.
D-дискуссия D-дискуссия

Необходим ли регулярный приём витамина D?

Здоровье
Читать, бояться! Триллеры, от которых мурашки по коже Читать, бояться! Триллеры, от которых мурашки по коже

12 страшных книжек для осеннего чтения

Cosmopolitan
7 причин, почему ребенок плохо учится 7 причин, почему ребенок плохо учится

Как выяснить причину двоек и троек, а затем помочь своему ребенку?

Psychologies
Липосакция шеи: как быстро, безопасно и недорого «похудеть» эту зону Липосакция шеи: как быстро, безопасно и недорого «похудеть» эту зону

Плюсы и минусы липосакции шеи

Cosmopolitan
«Лимон немного облегчал страдания». Специалисты рассказывают, какой российский коньяк не страшно пить «Лимон немного облегчал страдания». Специалисты рассказывают, какой российский коньяк не страшно пить

Почему почти весь отечественный коньяк не выдерживает конкуренции с французами

СНОБ
Семь лет в ящике под кроватью: история похищения Коллин Стэн Семь лет в ящике под кроватью: история похищения Коллин Стэн

Семь лет Коллин Стэн провела в ящике под кроватью

Cosmopolitan
Камбербэтч и котики: как великий кошачий художник закончил жизнь в психушке Камбербэтч и котики: как великий кошачий художник закончил жизнь в психушке

Луис Уэйн и его коты

Cosmopolitan
Топ-10: российские детективные сериалы, которые захватят тебя с первой минуты Топ-10: российские детективные сериалы, которые захватят тебя с первой минуты

Самка Богомола, Хрустальный, Немцы и другие детективные российские сериалы

Cosmopolitan
«Золотая жила» неслучившейся беды: почему в команде нужно обращать внимание на катастрофы, которых не было «Золотая жила» неслучившейся беды: почему в команде нужно обращать внимание на катастрофы, которых не было

Что, если бы компании могли учиться на своих ошибках, при этом их не совершая?

VC.RU
Операция «Квадратный снег» и другие приключения Бурунова Операция «Квадратный снег» и другие приключения Бурунова

Актер Сергей Бурунов — о драме, мечте стать летчиком и своей карьере

OK!
Запеченные младенцы и муж рядом: как рожали на Руси Запеченные младенцы и муж рядом: как рожали на Руси

Самые интересные славянские традиции, связанные с процессов деторождения

Cosmopolitan
Воспоминания о зонде Cassini: всё о миссии к Сатурну Воспоминания о зонде Cassini: всё о миссии к Сатурну

Самая грандиозная миссия к Сатурну – в цитатах, цифрах и результатах

Популярная механика
«‎Невозможно создавать микросхемы без машин ASML»‎: голландская компания, от которой зависят Apple, Samsung и Intel «‎Невозможно создавать микросхемы без машин ASML»‎: голландская компания, от которой зависят Apple, Samsung и Intel

ASML: монополист в области фотолитографии в глубоком ультрафиолете

VC.RU
Полторы минуты славы Полторы минуты славы

Продюсер звезд российского TikTok рассуждает о будущем молодых инфлюенсеров

Esquire
Сиенна огненная Сиенна огненная

Жизнь Сиенны Миллер, одной из главных it-girls нулевых, кажется спокойной

Harper's Bazaar
Каково это – покупать картинки в интернете за миллионы долларов Каково это – покупать картинки в интернете за миллионы долларов

Исповедь Pranksy, NFT-коллекционера, чей точный возраст неизвестен

Esquire
Привет с альфы Центавра: как и зачем астрономы ищут сигналы инопланетян Привет с альфы Центавра: как и зачем астрономы ищут сигналы инопланетян

Каковы же наши шансы на связь с братьями по разуму в космосе?

Forbes
Археологи уточнили время создания подземного святилища в Игнатиевской пещере Археологи уточнили время создания подземного святилища в Игнатиевской пещере

Древние люди занимались в Игнатиевской пещере наскальной живописью

N+1
Самые опасные декольте: звезды с пышной грудью, которые выбирают вырезы поглубже Самые опасные декольте: звезды с пышной грудью, которые выбирают вырезы поглубже

Пышная грудь декольте не помеха, так считают героини нашей подборки

Cosmopolitan
Запарили всех Запарили всех

Как выбросы парниковых газов нарушают права человека

РБК
Смотреть не дыша: триллеры, которые хорошенько пощекочут тебе нервы Смотреть не дыша: триллеры, которые хорошенько пощекочут тебе нервы

От этих фильмов действительно становится не по себе

Cosmopolitan
Александра Морозова: «Мне нравится показывать свое тело – это красиво!» Александра Морозова: «Мне нравится показывать свое тело – это красиво!»

Певица Александра Морозова – больше не Мамина Дочь

Cosmopolitan
Не ровен час: зачем нужно точно измерять время и почему рабочие невзлюбили часы Не ровен час: зачем нужно точно измерять время и почему рабочие невзлюбили часы

Дэвид Руни рассказывает о 12 изобретениях, связанных с измерением времени

Forbes
В куске янтаря впервые обнаружили уникального краба, возраст которого составляет 100 миллионов лет В куске янтаря впервые обнаружили уникального краба, возраст которого составляет 100 миллионов лет

Окаменелости, заключенные в янтаре – уникальный «снимок» вымерших организмов

Популярная механика
Какие женщины отталкивают мужчин? Рассуждает Михаил Лабковский Какие женщины отталкивают мужчин? Рассуждает Михаил Лабковский

Несколько эффективных способов отпугнуть мужчину, того совершенно не желая

VOICE
Секрет — в брокколи Секрет — в брокколи

Ани Тейлор-Джой о триллере «Прошлой ночью в Сохо»

OK!
Ограбление на свадьбе: воры обчистили молодоженов прямо за стойкой регистрации Ограбление на свадьбе: воры обчистили молодоженов прямо за стойкой регистрации

Дерзкое ограбление, произошедшее прямо во время свадебной церемонии

Cosmopolitan
«Разводиться или нет?»: почему женщины не решаются на разрыв отношений «Разводиться или нет?»: почему женщины не решаются на разрыв отношений

Женщина, задумывающаяся над вопросом «уйти или остаться», переживает свой ад

Psychologies
Открыть в приложении