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

Внутренняя инженерия Внутренняя инженерия

Путь к радости. Практическое руководство от йога

kiozk originals
Маргарет Митчелл и ее Ред: как превратить личную драму в великий роман Маргарет Митчелл и ее Ред: как превратить личную драму в великий роман

Маргарет Митчелл написала лишь один роман, но какой!

Cosmopolitan
Переходим все границы Переходим все границы

Кризис наступает, если один человек хочет перемен, а второй тянет время

Cosmopolitan
Лингвистические задачи о вселенной Гарри Поттера. Отрывок из книги Лингвистические задачи о вселенной Гарри Поттера. Отрывок из книги

Фрагмент из книги лингвистических задач «Три склянки пополудни»

СНОБ
Почему мы больше не красимся на работу Почему мы больше не красимся на работу

Похоже, привычка краситься каждый день для многих стала пережитком прошлого

Psychologies
Новинки интеллектуального детектива: что почитать на выходных Новинки интеллектуального детектива: что почитать на выходных

Если внезапно стало скучно значит, пришло время почитать детектив

Psychologies
Позитроны охладили смешиванием с ионами бериллия Позитроны охладили смешиванием с ионами бериллия

Физики охладили плазму с помощью лазерно-охлажденных ионов бериллия

N+1
Космическое агентство ОАЭ объявило о разработке новой межпланетной миссии Космическое агентство ОАЭ объявило о разработке новой межпланетной миссии

Новая межпланетная миссия ОАЭ

Популярная механика
Русский суперфуд: 6 научных фактов о пользе и вреде квашеной капусты Русский суперфуд: 6 научных фактов о пользе и вреде квашеной капусты

Квашеная капуста — простое, но очень полезное блюдо

РБК
Странности перевода: необычные трудовые привычки жителей разных стран Странности перевода: необычные трудовые привычки жителей разных стран

Предлагаем отвлечься на особенности и странности работы в других странах

Esquire
15 мыслей Игоря Бутмана 15 мыслей Игоря Бутмана

Игорь Бутман — о возрасте, тишине, кино и Моргенштерне

GQ
Автора! Автора!

Старые добрые сценаристы тихо плачут в сторонке — за дело берутся нейросети

GQ
Как заморозить будущее: отложенное материнство Как заморозить будущее: отложенное материнство

Репродуктивное старение - крайне важная социальная и медицинская проблема

Популярная механика
Моя дорогая Моя дорогая

Может ли современная женщина выстроить стабильные здоровые отношения с деньгами?

Cosmopolitan
Пляжи, затонувшие корабли, крепости: чем заняться в Кабо-Верде Пляжи, затонувшие корабли, крепости: чем заняться в Кабо-Верде

Как живет и чем развлекает африканская республика Кабо-Верде

РБК
Человек и ледокол Человек и ледокол

Евгений Гришковец рассказал, каково это – пройти сквозь льды к Северному полюсу

Men’s Health
Что такое NVMe SSD: чем он лучше SATA Что такое NVMe SSD: чем он лучше SATA

Чем NVMe SSD лучше SATA?

CHIP
Николай Стоцкий: Николай Стоцкий:

Актер Николай Стоцкий прожил бок о бок с Сергеем Колтаковым больше тридцати лет

Караван историй
До «метавселенных» ещё далеко: три причины, почему До «метавселенных» ещё далеко: три причины, почему

Специалисты объясняют, почему «метавселенная» не так близко, как кажется

VC.RU
Мария Шумакова: «Осознание, что я предала свою мечту, причиняло боль» Мария Шумакова: «Осознание, что я предала свою мечту, причиняло боль»

Мария Шумакова: как обрести веру в себя и перестать зависеть от окружающих

Psychologies
«Парень опозорил меня перед всей семьей, оценив мою готовку на 6 баллов из 10​​» «Парень опозорил меня перед всей семьей, оценив мою готовку на 6 баллов из 10​​»

Представьте, что вы приготовили ужин. И он понравился всем, кроме любимого

Psychologies
Водителям выдают квадратные номера: зачем нужны и как получить Водителям выдают квадратные номера: зачем нужны и как получить

Что за квадратные номера и кто может их получить

РБК
Как топ-менеджер платежного сервиса последовала примеру Amazon и заработала $555 млн Как топ-менеджер платежного сервиса последовала примеру Amazon и заработала $555 млн

Как Алиса Генри вошла в рейтинг богатейших self-made женщин Америки

Forbes
Стриминг. Онлайн-кинотеатр Стриминг. Онлайн-кинотеатр

Как ivi удается выигрывать в битве с пиратами и соревноваться с корпорациями

Esquire
Эмоциональный интеллект: почему он определяет нашу жизнь Эмоциональный интеллект: почему он определяет нашу жизнь

Как устроен эмоциональный интеллект, почему развивать его никогда не поздно

РБК
5 ошибок при выборе комплектующих, которые допускают не только новички 5 ошибок при выборе комплектующих, которые допускают не только новички

Как не допустить несколько обидных ошибок при сборке компьютера

CHIP
Мифы о браке: какие советы психологов не работают Мифы о браке: какие советы психологов не работают

Стереотипы о браке, в которые мы до сих пор верим

Cosmopolitan
«‎Наш новый сотрудник — искусственный интеллект». Как подготовиться к появлению цифрового коллеги «‎Наш новый сотрудник — искусственный интеллект». Как подготовиться к появлению цифрового коллеги

Как помочь коллективу принять в команду алгоритм?

СНОБ
Следуй за ним: чем заканчиваются попытки быть «женственной» Следуй за ним: чем заканчиваются попытки быть «женственной»

Почему попытки «следовать за мужем» не дают результата

Cosmopolitan
Всеобщий друг, интеллектуал и провокатор. Каким был Антон Носик Всеобщий друг, интеллектуал и провокатор. Каким был Антон Носик

Без Антона Носика не было бы не только русской блогосферы

Esquire
Открыть в приложении