У нас появился новый сосед: холодный коричневый карлик

 

01 WISE-0855-0714 artist.jpg


Американский астроном Кевин Луман, работающий с космическими телескопами НАСА WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) и Спитцер (Spitzer Space Telescope), обнаружил объект, предварительно названный трёхэтажным именем WISE J085510.83-071442.5, которое, понятное дело, невозможно запомнить, а потому в ходу у ученых сокращённая версия: WISE 0855-0714 (Вам легче? Мне нет). Впрочем, что в имени тебе моем - важна суть, а запоминающееся имя со временем, несомненно, приложится. Открытие интересно двумя аспектами: во-первых, обнаружена четвёртая ближайшая к Солнцу звёздная система, а во-вторых, обнаруженный объект является самым холодным коричневым карликом из всех известных нам сегодня коричневых карликов.

Ни секунды не сомневаюсь, что кое-кто уже смерил ироническим взглядом приведенную выше картинку, на которой изображен, может быть и карлик, но никоим боком не коричневый. Всё, тем не менее, в порядке с этой картинкой, поскольку слово коричневый является неким условным ярлыком, наклеенным на класс объектов, занимающих промежуточное положение между планетами и звёздами. Т.е. коричневыми они названы лишь потому, что они холоднее и, соответственно, темнее, чем самые холодные истинные звёзды, которых называют красными карликами. Строго говоря, большинство коричневых карликов, вообще, не излучает в видимом диапазоне спектра, и потому, в отсутствие соседней нормальной звезды, свет которой они могли бы отражать, они практически невидимы человеческому глазу и доступны для изучения лишь с помощью телескопов, работающих в инфракрасном диапазоне. Я бы лично назвал подобные небесные тела "инфракрасными карликами", но, к сожалению, в своё время со мной забыли посоветоваться, а потому за ними и закрепилось это нелепое название: "коричневый карлик". Поскольку понятие цвета для таких объектов, в сущности, лишено содержания, художник, вдохновлённый открытием и пожелавший изобразить в красках WISE 0855-0714, счел возможным для себя дать волю фантазии

Как я уже сказал, у этого открытия имеются два аспекта: первый - так сказать, бытовой, - коричневый малыш является нашим ближайшим соседом, а второй астрофизический: малыш оказался очень холодным, - настолько холодным, что это никак не вяжется в нашем понимании со статусом звезды.

Рассмотрим эти аспекты по порядку.

Обнаруженный коричневый карлик является четвёртым объектом по степени удалённости от Солнечной Системы, и его открытие даёт мне повод напомнить вам, кто является нашими ближайшими соседями по Галактике, и что нам о них сегодня известно.

 

02 our neighbours.jpg

 

В "майке лидера", в этом плане, как и в период моего давно уже далёкого детства, по-прежнему щеголяет система Альфа Центавра, кем только не заселённая фантастами с 1839 года, когда астрономам впервые удалось измерить расстояние до неё. Впрочем, знаем мы о ней теперь куда больше - наш сосед совсем не прост, и продолжает оставаться объектом пристального внимания всё более совершенных телескопов. Прежде всего, Альфа Центавра - это не одна звезда, а система из трёх звёзд, две из которых (Альфа Центавра А и В) составляют тесную систему, а третья - Проксима Центавра (Альфа Центавра С), настолько от них удалена, что само установление её принадлежности к тройной системе (т.е. то, что она вращается вокруг общего с А и В центра масс) представляет собой техническую проблему. "А и Б" "сидят на одной трубе" - вращаются вокруг общего центра масс с периодом обращения в 80 лет, то удаляясь друг от друга на расстояние, чуть большее чем расстояние от Солнца от Нептуна, то сближаясь до расстояния, равного расстоянию от Солнца до Сатурна. Проксима же удалена от А и В на чудовищные 15000 астрономических единиц (в 500 раз дальше, чем Нептун от Солнца!) и совершает один оборот вокруг них примерно за полмиллиона лет В данный момент, именно Проксима Центавра является самой близкой к нам звездой и удалена от Земли на 4.22 световых года, в то время как расстояние от нас до системы Альфа Центавра (А и В) составляет 4.36 светового года. Впрочем, Проксима - крайне тусклая звёздочка и потому была открыта только в революционном 1917-м году, в то время как Альфа Центавра - третья по яркости звезда на ночном небе.

Альфа Центавра А - это звезда того же спектрального класса G (желтый карлик), что и наше Солнце, но она несколько крупнее и в 1.5 раза ярче нашего "дневного светила", а Альфа Центавра В - звезда класса К (оранжевый карлик), и она чуть меньше и холоднее Солнца. Обе звезды - древние и стабильные. Они немного старше Солнца: 6 млрд. лет против солнечных 4.5 млрд.

Проксима Центавра резко отличается от А и В, а так же и от Солнца, являясь крохотным красным карликом класса М, притом она считается крохотной даже по меркам своего класса. Её диаметр всего в 1.5 раза больше диаметра Юпитера, а масса составляет около 13% от массы Солнца. Это - нестабильная, вспыхивающая звезда, что вообще характерно для звёзд её класса, которые пыхают и коптят, как забившийся и грозящий потухнуть в любой момент примус Впрочем, эта угроза никогда не исполняется, поскольку красные карлики - крайне долгоживущий класс звёзд. Проксима - практически ровесник Солнца, но наша звезда угаснет всего через каких-нибудь 5 млрд. лет, а эта бездарная коптилка будет коптить практически вечно: 4 триллиона лет Это в 300 раз больше сегодняшнего возраста Вселенной

 

Сравнительные размеры семейства Центавров и Солнца:

03 Alpha Centauri relative sizes.JPG

 

Нетрудно догадаться, что у такой близкой к Земле триады звёзд астрономы ищут планеты с особым усердием, но на сегодняшний день достоверно известна только одна: Альфа Центавра B b. Планету обнаружили в 2012, она представляет собой планету земного типа - несколько крупнее Земли - и вращается вокруг Альфа Центавра B на расстоянии всего 6 млн. км (в 10 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу!), делая один оборот за трое суток. Она наверняка всегда повёрнута к своему солнцу одним полушарием, поверхность которого раскалена до температуры примерно в 1000C, что выше температуры плавления большинства горных пород Ацкое местечко

 

04 Alpha Centauri Bb Info.jpg

 

На сегодняшний день уже точно известно, что в двойной системе Альфа Центавра нет планет-гигантов, но планеты земного типа, помимо уже известной, могут быть обнаружены с помощью следующего поколения телескопов. В плане поиска планет, пригодных для жизни, такая тесная звёздная система - не лучший кандидат, но всё и не так мрачно, как может показаться, если руководствоваться одной лишь интуицией. Благодаря тому, что Альфа Центавра B - оранжевый карлик, светимость которого в 2 раза меньше светимости Солнца, её Зона Жизнепригодности значительно уже солнечной - внешняя её граница находится на расстоянии чуть больше одной астрономической единицы (1а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца), и в отсутствие возмущающего воздействия планет-гигантов, планеты, находящиеся внутри этой зоны, должны оставаться на относительно стабильных орбитах в течение сотен миллионов лет.

У Проксимы планеты пока не обнаружены, но даже если они и существуют, вряд ли капризный нрав красного карлика благоприятствует появлению привычных нам форм жизни. В момент вспышек, происходящих на подобной звезде с удручающей регулярностью, её светимость увеличивается в несколько раз

 

С ближайшей нам системой мы разобрались, а следующая по расстоянию от Солнца звезда - куда проще семейства Центавров. Она называется "летящей звездой Барнарда", и, как и "Альфу Центавра", её давно оприходовали писатели-фантасты. "Летящей" её назвали за скорость, с которой она перемещается по небу: за 174 года она смещается относительно "неподвижных" звёзд на угловое расстояние, равное видимому диску Луны. В физическом аспекте эта звезда является практически близнецом Проксимы Центавра: тусклый и "вспыльчивый" красный карлик, у которого пока не обнаружено ни одной планеты.

Звезда Барнарда находится от нас на расстоянии 6 световых лет и движется в нашем направлении. Через 12000 лет она пролетит мимо Солнца на расстоянии 3.8 светового года, став на какое-то время ближайшей к нам звездой.

 

Третья по удалённости звёздная система была открыта тем же Кевином Луманом всего год назад (неплохой темп, должен вам заметить) и пока тоже носит неудобоваримое название WISE 1049-5319, но неформально её называют Луман 16 - в честь первооткрывателя. Луман 16 - звёздная система, состоящая из двух коричневых карликов (Луман 16А и Луман 16В), вращающихся вокруг общего центра масс с периодом 25 лет. Это довольно тесная система: расстояние между двумя её компонентами всего 3 астрономические единицы. Пара удалена от нас на 6.6 световых лет. В декабре 2013 появилось сообщение о вероятном обнаружении планеты-гиганта в системе Луман 16. Масса планеты в несколько раз превышает массу Юпитера, и она обращается вокруг одного из коричневых карликов с периодом в несколько месяцев. Наиболее интересный факт, относящийся к системе Луман 16, заключается в том, что астрономам, работающим с гигантским наземным телескопом VLT (Very Large Telescope), удалось построить карту облачного покрова Луман 16В и даже проследить изменения, происходящие вследствие вращения этого карлика вокруг своей оси. Интересно, что атмосфера Луман 16А, изучавшаяся с помощью того же телескопа, выглядит при этом абсолютно однородной.

 

05 surface map luhman-16b.jpg

 

Луман 16А относится к спектральному классу L, и температура его поверхности составляет примерно 1200C, а Луман 16В на пару сот градусов холоднее, и относится к так называемым "метановым" коричневым карликам (спектральный класс Т) - холодным "то ли планетам, то ли звёздам" с высоким содержанием метана в атмосфере.

 

Теперь, после того, как мы обозрели своих известных ранее соседей, есть смысл вернуться к новооткрытому четвёртому соседу, который находится от нас на расстоянии в 7.2 световых года, и рассмотреть астрофизический аспект открытия - необычную холодность этого карлика, а заодно и понять, что это, в сущности, за птица такая, "коричневый карлик", и чем он отличается от конвенциональных звёзд, подобных нашему Солнцу.

Классическая звезда отличается от классической планеты (даже такой гигантской планеты, как Юпитер, состоящей, подобно звёздам, из водорода и гелия) тем, что в её недрах протекает ядерная реакция синтеза: в условиях колоссальных температур и давлений, сталкивающиеся два ядра водорода сливаются в одно ядро гелия с выделением огромного количества энергии. Эта та самая термоядерная реакция, которая протекает в пресловутой "водородной бомбе". Планеты-гиганты значительно меньше звёзд, а потому температура и давление в их недрах недостаточны для протекания подобной реакции. Поэтому, родившись, как и звёзды, в результате гравитационного сжатия газопылевого облака и будучи изначально разогреты этим сжатием до высоких температур, они обречены во всю свою последующую жизнь на постепенное остывание. Не трудно догадаться, исходя из всего сказанного, что должна существовать некая критическая масса состоящего из водорода небесного тела, при которой в его недрах начинает работать "термоядерный реактор". Путем расчетов было установлено, что эта масса равна примерно 60-ти массам Юпитера (6% массы Солнца). Казалось бы всё ясно: всё, что тяжелее этого - звезда, всё, что легче - планета. Но в реальности, как обычно, всё оказывается несколько сложнее. Начать с того, что в исходном облаке существует некоторое количество дейтерия - изотопа водорода, который является горючим для более низкотемпературной термоядерной реакции, чем та, которая питает наше Солнце и прочие подобные ему звёзды. Именно дейтерий "загорается" первым в момент образовании звезды, но быстро выгорает, уступая место более высокотемпературной протонно-протонной реакции (для простоты, назовём её "водородной", хотя дейтерий - это тоже, в общем-то, "версия водорода"). Дейтериевая реакция может возникать и в недрах "суперпланет" ("недозвёзд"?..) с массой, начиная с 13 масс Юпитера, а потому такой промежуточный объект при своём рождении является, "как бы звездой", но очень быстро - как только полностью выгорят запасы дейтерия - превращается в "как бы планету"

Кроме того, даже в гораздо более крупной протозвезде, массой в десятки масс Юпитера, способной к "зажиганию" основной водородной реакции, реакция эта довольно быстро угасает по мере выгорания водорода, поскольку интенсивность термоядерной реакции при пограничных давлениях и температурах сильно зависит от концентрации "термоядерного горючего". Таким образом, теоретиками ещё в 60х годах прошлого века было решено выделить гипотетические небесные тела с массами, лежащими в диапазоне 13-80 масс Юпитера, в отдельный класс, промежуточный между звёздами и планетами, и такие объекты стали называть "коричневыми карликами". Первый такой объект был обнаружен астрономами лишь в 1988 году.

Интересной особенностью коричневых карликов и планет-супергигантов является то, что их диаметр практически не зависит от массы, и даже самые тяжелые из них - массой в десятки Юпитеров - по размерам превышают Юпитер не больше чем на 10-15%. Это происходит потому, что более тяжелый коричневый карлик сильнее сжат - плотнее "упакован" силами гравитации: чем выше его масса, тем выше его средняя плотность. Интересно, что наш Юпитер обладает практически пограничной массой, при которой этот эффект "гравитационной упаковки" начинает работать: будучи более чем втрое тяжелее Сатурна, он лишь на 18% превышает его по диаметру.

Неприятным следствием этого эффекта для наблюдательной астрономии является невозможность точного определения массы одинокого коричневого карлика, не состоящего в "тесных гравитационных отношениях" с соседями по звёздному небу С классическими звёздами, в этом плане, всё относительно просто. Параметры свечения полноценной звезды (её яркость и цвет) напрямую зависят от интенсивности происходящих в её недрах термоядерных реакций, а те, в свою очередь, являются почти исключительно функцией массы: чем звезда массивнее, тем она ярче и горячее. У коричневых карликов, в которых окончательно "заглох" их маломощный термоядерный реактор, интенсивность излучаемого света зависит лишь от диаметра (который не зависит от массы!..) и от температуры, которая неуклонно понижается по мере его остывания, а темп этого остывания сильно зависит от массы, которая, опять же, неизвестна

Самые горячие из известных нам коричневых карликов имеют температуру поверхности порядка 2000C, а самым холодным до недавнего времени считался карлик "комнатной температуры": 25С, но обнаруженный в этом году WISE 0855-0714, с которого я и начал эту историю, опустил планку ещё ниже: его температура находится в диапазоне между -20 и -40С... Полярная стужа царит в верхних слоях его атмосферы! Приблизительная оценка его массы даёт величину от 3 до 10 масс Юпитера, а это, в свою очередь, ставит под вопрос принадлежность этого объекта даже и к коричневым карликам. Если эта оценка подтвердится, то WISE 0855-0714 следует считать первой обнаруженной свободно летящей в межзвёздном пространстве планетой, хотя это и порождает очередной парадокс: ведь планета, в соответствии с классическим, освященным веками определением, - это "небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды" Ох уж мне эти определения

 

Примерно так могла бы выглядеть "погода" в атмосфере какого-нибудь коричневого карлика, разнообразие которых, впрочем, оставляет простор для самых причудливых фантазий:

06 brown-dwarfs-storms.jpg

 

Источник новости тут: http://www.space.com/25659-coldest-brown-dwarf-near-sun-discovery.html