Может ли коричневый карлик сформировать планетнyю систему?
Коричневые карлики — слишком большие планеты или слишком маленькие звезды? Может ли коричневый карлик «родить» планетную систему и поддерживать в ней жизнь
Коричневые карлики, впервые выделенные астрономами в отдельный класс в 1995 году, занимают промежуточное положение между звездами и планетами: их масса слишком мала, чтобы они светили как настоящие звезды, и слишком велика, чтобы считать их планетами. При этом, коричневые карлики, это все же скорее “недозвезды”, чем “перепланеты” – со звездами у них гораздо больше общих черт.
Сравнительные размеры планеты Юпитер, коричневого карлика, маломассивной звезды и Солнца
Отличия коричневых карликов от звезд
Хотя эта граница очень условна, разделить коричневые карлики и самые маленькие звезды помогает так называемый “литиевый тест“: в отличие от звёзд с малой массой, коричневые карлики всегда содержат своем составе литий. При слиянии ядра лития-7 и свободного протона образуются два ядра гелия-4. Температура, необходимая для этой реакции, немного ниже, чем температура, при которой возможен термоядерный синтез с участием водорода. Таким образом, все “настоящие” звезды быстро выжигают свой литий, если этого вещества в спектре вновь обнаруженной звезды больше, чем следовало бы, стало быть перед нами будет уже не звезда, а лишь коричневый карлик.
До сих пор мы не совсем понимаем что представляют собой коричневые карлики и потому, некоторые из их свойств остаются для нас загадкой. И самый важный и интересный вопрос звучит так: а способны ли коричневые карлики, подобно “настоящим” звездам, формировать собственные планетные системы? Вопрос оказался далеко не праздным.
Совсем недавно астрономы обнаружили коричневый карлик, вокруг которого вращается газопылевой диск, содержащий мелкие твердые гранулы. Такие же, во всяком случае схожие гранулы были обнаружены в дисках, вращающихся вокруг молодых звезд, у которых формируются планеты.
Если это не просто явления одного порядка, а одно и то же явление, то астрономам есть над чем подумать и даже пересмотреть теорию формирования твердых планет земного типа. Уже сейчас можно предположить, что твердых планет во Вселенной гораздо больше, чем считалось ранее.
Согласно устоявшейся теории, твердые планеты подобные Земле, Марсу или Венере формируются благодаря случайному столкновению и “слипанию” микроскопических частиц в пылевых дисках вокруг звезд.
Однако до сих пор ученые считали, что вокруг коричневых карликов слияния частиц не происходит, т.к. внешние области дисков слишком разрежены, из-за чего частицы движутся слишком быстро. Согласно той же теории, любые сформировавшиеся частицы должны быстро перемещаться под действием гравитации ближе к самому карлику и покидать диск, где их можно было бы обнаружить.
«Мы были удивлены обнаружив частицы размером с миллиметр в таком тонком диске», — говорит Лука Ричи (исследователь из Калифорнийского Технологического Института, США), — «Твердые частицы такого размера не должны были формироваться в холодных внешних регионах вокруг карлика, но, как оказалось, это не так. Мы не можем с уверенностью сказать, что там сможет вырасти целая твердая планета, однако очевидно, что мы наблюдаем первую стадию этого процесса. Нам придется пересмотреть наши представления об условиях, в которых способны формироваться планеты».
Ричи и его команда использовали для наблюдений огромный интерферометр в Атакама (ALMA), Чили. Его высокое разрешение позволило команде впервые в истории обнаружить следы окиси углерода в области вокруг коричневого карлика. Это открытие, вместе с открытием столь крупных частиц, говорит о том, что диск карлика очень похож на диски вокруг молодых звезд, что ранее не подтверждалось.
Астрономы направили ALMA на молодой коричневый карлик ISO-Oph 102, также известный как Rho-Oph 102, в регионе звездного формирования вокруг По Змееносца (ρ Ophiuchi). Масса карлика составляет около 60 масс Юпитера и только 0,06 массы Солнца, чего не хватает для начала термоядерной реакции. Но все же «звезда» излучает тепло благодаря своему медленному гравитационному сжатию и слабо светит темно-красным светом. Именно в диске вокруг ISO-Oph 102 и были обнаружены миллиметровые частицы вещества.
Когда телескоп будет достроен, команда рассчитывает снова направить его в сторону коричневого карлика Rho-Oph 102 и других подобных объектов. «Вскоре мы сможем не только обнаруживать мелкие частицы», — говорит Ричи, –«но и изучать их расположение в околозвездных дисках и взаимодействие с газом, который мы там нашли. Это поможет нам лучше понять, как и почему формируются планеты.»
Коричневый карлик может «создать» свою планетную систему, среди планет которой могут быть быть даже обитаемые миры. Правда они должны находится очень близко к своей недозведе
Действительно ли коричневые карлики создают свои планетные системы?
Впрочем, говорить том, что коричневые карлики действительно могут формировать собственные планетные системы подобно звездам, пока сложно.
Например, обнаруженные супер-Юпитеры планетарной массы 2M1207B и 2MASS J044144, которые вращаются вокруг коричневых карликов на больших орбитальных расстояниях, судя по всему вполне могут быть образованы посредством аккреции, а не из газопылевого облака, и поэтому вообще не являются в полной мере планетами, а скорее могут оказаться “субкоричневыми карликами”, т.е. “младшими братьями” центрального тела системы.
Первое открытие маломассивного спутника на орбите коричневого карлика (ChaHα8) при малом орбитальном расстоянии с помощью метода лучевых скоростей положило начало обнаружению планет вокруг коричневых карликов на орбитах в несколько астрономических единиц или меньше. Однако и тут нас ждало скорее не открытие, а повод подискутировать: соотношением масс между спутником и главным объектом ChaHα8 составило всего около 0,3, т.е. эта система больше напоминает не планетную систему, а двойную звезду.
Позже, в 2013 году, на орбите коричневого карлика был обнаружен первый компаньон планетарной массы с относительно малой орбитой. В 2015 году была найдена первая планета земной массы на орбите коричневого карлика, OGLE-2013-BLG-0723LBb, имеющая массу примерно как у Венеры.
Обнаруженные диски вокруг коричневых карликов имеют многие из тех же функций, что и диски вокруг звёзд. Таким образом, предполагается, что из них с течением времени всё же будут сформированы планеты, обращающиеся вокруг коричневых карликов. При этом, интересно, что учитывая малую массу дисков коричневых карликов, большинство планет будет планетами земной группы, а не газовыми гигантами.
Косвенным доказательством этому служит простой факт: если бы газовый гигант вращался вокруг коричневого карлика и последний лежал бы в плоскости его орбиты, то его легко было бы обнаружить транзитным методом, потому что они имеют примерно одинаковый диаметр. Зона аккреции для планет вокруг коричневого карлика расположена очень близко к самому коричневому карлику, поэтому приливные силы будут оказывать большое влияние на сформированные планеты.
Таким образом, сам по себе процесс формирования “настоящих” планет у “ненастоящих” звезд скорее всего в наше время уже является доказанным фактом. Планеты, вращающиеся вокруг коричневых карликов, скорее всего, будут каменистыми планетами, однако испытывающими серьезный дефицит воды. Исключение составляют сформированные на внешнем краю газопылевого диска планеты, которые в силу более низкой температуры аккреции теоретически могут сохранить часть воды в своём составе.
Может ли коричневый карлик “родить” пригодную для жизни планету?
Кроме прочего, учеными была изучена также и потенциальная обитаемость для планет, вращающихся вокруг коричневых карликов. Компьютерные модели показывают очень строгие условия для обитаемости подобных планет, поскольку обитаемая зона является узкой и уменьшается со временем из-за охлаждения коричневого карлика. Орбиты обитаемых планет должны обладать очень низким эксцентриситетом, чтобы избежать сильного приливного нагрева, который способен спровоцировать парниковый эффект, делающий планеты непригодными для жизни.
Поскольку коричневые карлики намного тусклее Солнца, планета земной массы должна была бы иметь иметь орбиту гораздо ближе к родной “звезде”, чтобы получить столько же тепла, сколько Земля получает от Солнца. Гипотетические обитаемые планеты вокруг коричневого карлика, вероятно, имеют орбитальный период не более, чем несколько земных дней.
Обитаемая зона коричневого карлика представляет собой область пространства вокруг коричневого карлика, где температура не слишком высокая и не слишком низкая для того, чтобы жидкая вода существовала на поверхности планеты земной массы. Так как коричневый карлик остывает и тускнеет с течением времени, его обитаемая зона будет аналогично сжиматься внутрь.
Планета вокруг коричневого карлика может изначально быть слишком горячей, чтобы поддерживать жизнь. Но по мере того как обитаемая зона будет сжиматься вместе с охлаждением коричневого карлика, планета впоследствии окажется в обитаемой зоне, где температура будет подходящей. По мере того, как обитаемая зона продолжит сокращаться, планета будет в конечном итоге смещаться к внешнему краю и выйдет из обитаемой зоны, когда температура станет слишком холодной для жизни на поверхности.
Развитие простейшей или даже сложной жизни на планете земной массы, вращающейся вокруг коричневого карлика, во многом зависит от того количества времени, которое планета проведёт в пределах обитаемой зоны. Для сравнения: на Земле для появления простейшей жизни потребовалось не менее 0,5 миллиарда лет, в то время как появление сложной многоклеточной жизни, возможно, заняло примерно 3 миллиарда лет.
В результате планета должна достаточно долго находиться в сжимающейся обитаемой зоне коричневого карлика, чтобы простейшая жизнь или даже продвинутые формы жизни успели развиться. Примерно рассчитано, что планета на близкой орбите вокруг коричневого карлика массой в 0,07 солнечной, вполне может находиться в пределах комфортной обитаемой зоны до 10 миллиардов лет.
Само-собой, продолжительность периода обитаемости значительно уменьшается для коричневых карликов меньшей массы. Например, планета вокруг коричневого карлика с массой в 0,04 солнечной, может оставаться пригодной для жизни на срок не более 4-х миллиардов лет.
Источник
КОРИЧНЕВЫЕ КАРЛИКИ
КОРИЧНЕВЫЕ КАРЛИКИ, космические тела, занимающие по своим массам промежуточное положение между звездами и планетами. Коричневыми карликами принято называть объекты с массами приблизительно от 0,01 до 0,08 масс Солнца. От нормальных звезд они отличаются тем, что температура в их недрах никогда не достигает значений, необходимых для протекания важнейшей термоядерной реакции – превращения водорода в гелий, которая обеспечивает длительное свечение обычных звезд. Но по сравнению с планетами, вообще не способными к термоядерному синтезу, коричневые карлики на начальном этапе своей жизни все же разогреваются настолько, что «сжигают» в термоядерных реакциях некоторые редкие элементы (дейтерий, литий), что делает их на короткое время похожими на звезды. Температура поверхности коричневых карликов обычно не превышает 2000 К, поэтому они имеют темно-красный или даже инфракрасный цвет; отсюда и название этих объектов (англ. brown dwarf).
Предсказание и обнаружение коричневых карликов.
Обычные звезды проводят большую часть своей жизни в состоянии равновесия между силой тяжести, стремящейся их сжать, и препятствующей этому силой газового давления. Высокое давление в недрах звезды обеспечивается огромной температурой плазмы в миллионы и даже десятки миллионов кельвинов, которую поддерживают постоянно идущие в центральной части звезды термоядерные реакции, т.е. реакции синтеза ядер более тяжелых химических элементов из более легких, например гелия из водорода, углерода из гелия и т.п. В этих реакциях выделяется ровно столько энергии, сколько звезда постоянно теряет с поверхности в виде излучения. Чем меньше масса звезды, тем ниже температура в ее ядре и тем медленнее протекают там термоядерные реакции. В 1958 астрофизик индийского происхождения Шив Кумар (университет штата Виргиния, США) занялся теоретическим изучением маломассивных звезд, предположив, что могут существовать звездообразные тела настолько малой массы, что температура в их недрах окажется недостаточной для протекания ядерного синтеза. Дело в том, что в период формирования звезды ее гравитационное сжатие обычно продолжается до тех пор, пока температура в центре не достигнет уровня, необходимого для протекания термоядерных реакций. У массивных звезд эта температура достигается при относительно невысокой плотности вещества, у звезд малой массы – при более высокой (например, в центре Солнца плотность плазмы превышает 100 граммов на кубический сантиметр). В 1963 расчеты Кумара показали, что у формирующихся звезд (протозвезд) очень малой массы сжатие останавливается раньше, чем температура в их центре достигает значения, необходимого для важнейшей термоядерной реакций – синтеза гелия из водорода (4H ® He). Причиной остановки сжатия протозвезды служит квантовомеханический эффект – давление вырожденного электронного газа. Таким образом, при массе звезды менее 0,07–0,08 массы Солнца (точное значение зависит от ее химического состава) она не способна сжигать легкий изотоп водорода, а значит в ее жизни нет фазы главной последовательности – самого длительного этапа эволюции нормальных звезд. Поэтому такие объекты, вообще говоря, нельзя называть звездами. Но с другой стороны, это и не планеты, поскольку в эволюции объекта с массой более 0,013 массы Солнца, как показывают расчеты, должна быть короткая термоядерная стадия, в ходе которой сгорает редкий тяжелый изотоп водорода – дейтерий, превращаясь в легкий изотоп гелия (D + p ® He). Этот краткий эпизод термоядерного горения не задерживает надолго гравитационное сжатие протозвезды. Температура ее поверхности даже при максимальном разогреве не превышает 2800 К, а затем начинает снижаться, и объект практически перестает светиться.
Итак, согласно теоретическому предсказанию Кумара, протозвезды с массой от 0,013 до приблизительно 0,075 массы Солнца в конце своего гравитационного сжатия проявляют робкую попытку стать звездой, но так ею и не становятся; их краткая жизнь заканчивается остыванием и полным исчезновением с небосвода. Такие звезды-неудачники, открытые «на кончике пера», Кумар назвал «черными карликами», но обнаружить их долго не удавалось и новый термин забылся. В середине 1970-х годов астрономы выяснили, что помимо наблюдаемых в телескоп нормальных ярких звезд в нашей и других галактиках присутствует огромное количество невидимого вещества; подозрение пало на тусклые карликовые объекты, предсказанные Кумаром, и они вновь стали популярны. Крис Дэвидсон (университет штата Миннесота, США) назвал эти неведомые звезды «инфракрасными карликами»; другие астрономы хотели назвать их «малиновыми карликами», но в 1975 студентка-дипломница из университета в Беркли (США) Джил Тартер придумала термин «brown dwarf», и он прижился. На русский язык его перевели как «коричневый карлик», хотя в действительности эти объекты имеют инфракрасный цвет, и точнее было бы перевести brown как «темный» или «тусклый». Но термин уже вошел в нашу научную литературу, и, вероятно, навсегда за группой промежуточных между звездами и планетами объектов закрепилось название «коричневые карлики».
Три десятилетия продолжались безрезультатные поиски этих тусклых светил. Их первое надежное обнаружение состоялось лишь после того, как были созданы новые гигантские телескопы диаметром 8–10 метров, снабженные инфракрасными приемниками изображения (ПЗС-матрицами большого размера) и мощными ИК-спектрографами, рассчитанными именно на тот диапазон излучения, в котором должны светиться коричневые карлики. Но даже такая мощная техника способна обнаружить эти слабые источники лишь на расстоянии не более 100 пк (300 св. лет) от Солнца, а в таком сравнительно небольшом объеме пространства их довольно мало. Чтобы выявить несколько коричневых карликов, пришлось провести детальный обзор всего неба. Некоторые из них обнаружились в соседнем молодом звездном скоплении Плеяды.
Первый успех пришел в 1996, когда японские астрономы (Накаджима и др.) обнаружили рядом с очень маленькой и холодной звездой Gliese 229 еще более мелкий и холодный спутник с температурой поверхности всего около 1000 К и мощностью излучения в 160 тыс. раз слабее солнечной. Его незвездная природа была окончательно подтверждена в 1997 с помощью «литиевого теста» (см. ниже); обозначенный как Gliese 229В, этот объект стал первым коричневым карликом, открытым астрономами. Его размер почти в точности равен размеру Юпитера, а масса оценивается в 0,03–0,06 масс Солнца. Коричневый карлик Gliese 229B обращается вокруг своего более массивного компаньона Gliese 229A по орбите радиусом около 40 а.е. с периодом около 200 лет. В 1997 были открыты два первых изолированных коричневых карлика (Kelu-1 и DENIS-PJ1228-1547), а также было доказано, что коричневым карликом является объект GD 165B, компаньон белого карлика. Эти четыре и стали прототипами нового класса астрономических объектов, занявших место между звездами и планетами.
Строение и эволюция коричневых карликов.
До середины 1990-х годов граница между звездами и планетами представлялась вполне определенной. Наиболее массивной планетой считался Юпитер, масса которого составляет всего 0,001 массы Солнца, а наименьшие среди известных звезд были значительно крупнее: они имели массу около 0,1 солнечной. Однако за последние годы были обнаружены экзопланеты во много раз массивнее Юпитера и близкие к ним по массе мини-звезды. Это потребовало точного определения понятий «звезда» и «планета» на основе физических различий в их эволюции. Поскольку характерным признаком звезды служат протекающие в ее недрах термоядерные реакции, именно их отсутствие было положено в основу определения планеты. Согласно Б.Р.Оппенгеймеру и др. (2000), планета – это объект, в котором за всю его историю реакции ядерного синтеза не происходят ни в каком виде. Если же на каком-либо этапе эволюции мощность термоядерного синтеза была сравнима со светимостью объекта, то он достоин называться звездой. Расчеты показывают, что в звездах с массой менее 0,07–0,08 массы Солнца температура так низка, что термоядерные реакции с участием легкого изотопа водорода (т.е. реакции pp-цикла) практически не происходят. Это критическое значение массы звезды называют «границей возгорания водорода», или «пределом Кумара». Единственным долговременным источником энергии менее массивных звезд служит их гравитационное сжатие. Однако в процессе этого сжатия каждая протозвезда проходит короткий этап горения дейтерия. Этот тяжелый изотоп водорода вступает в термоядерную реакцию при более низкой температуре, чем легкий водород, потому что реакция с дейтерием происходит под действием электромагнитного, а не слабого взаимодействия. Необходимые для этой реакции условия возникают в звездах с массой более 0,013 солнечной (что всего в 14 раз больше массы Юпитера). Но содержание дейтерия в космическом газе ничтожно (0,001%), сгорает он быстро и слабо влияет на светимость звезды; основным источником ее энергии в этот период все равно остается гравитационное сжатие.
Звезды наименьшей массы, обладающие ядерным источником энергии, очень экономно расходуют запас водорода: например, звезда с массой 0,085 солнечной может поддерживать свою невысокую светимость (около 0,1% от солнечной) в течение 6000 млрд. лет, что в 400 раз больше нынешнего возраста Вселенной. Но коричневые карлики с массой чуть ниже предела Кумара практически лишены ядерной энергии; после быстрого сгорания дейтерия и остановки гравитационного сжатия они быстро остывают и становятся невидимыми всего за несколько миллиардов лет. Поэтому в Галактике может быть много холодных и совершенно невидимых коричневых карликов, которые могли бы составлять немалую долю ее скрытой массы.
Отличить молодой, еще не остывший коричневый карлик от маленькой звезды довольно сложно: их цвет и светимость весьма близки. Критическим признаком при этом сейчас считается «литиевый тест» – наличие линий лития в спектре источника. Дело в том, что литий – нежный элемент: он разрушается ядерными реакциями при температуре выше 2,4 млн. К. Поэтому все нормальные звезды должны сжечь свой литий еще до начала реакций с участием водорода, причем сжечь не только в ядре, но во всем объеме звезды, включая поверхностные слои. Причина в том, что маломассивные звезды и коричневые карлики полностью конвективны: их вещество активно перемешивается («кипит») и поэтому каждая его порция рано или поздно проходит через ядро, где при высокой температуре литий сгорает без остатка. Расчеты показывают, что звезда минимальной массы (0,075 массы Солнца) сжигает 99% своего лития за 100 млн. лет, а коричневый карлик с массой ниже 0,06 солнечной сожжет такую же долю лития лишь за время больше 10 млрд. лет. Этим и обоснован литиевый тест: обнаружение в спектре холодной звезды линии Li с длиной волны 6708 ангстрем сразу указывает, что ее масса меньше 0,06 солнечной, а значит – это коричневый карлик.
Как мы знаем, температура поверхности коричневых карликов никогда не превышает 2800 К. Для таких холодных объектов в спектральную классификацию звезд потребовалось ввести новые классы. Принятая сейчас классификация звездных спектров сложилась в первой половине 20 в. Известная гарвардская последовательность спектральных классов O-B-A-F-G-K-M отражает ход температуры звездных фотосфер (от горячих O и B к прохладным К и М), а дополнительные классы R, N и S отражают вариации химического состава у холодных звезд-гигантов с температурой около 3000 К. Эта схема надежно служила астрономам почти целый век, и даже создалось впечатление ее завершенности. Однако последние годы показали, что развитие спектральной классификации не прекратилось: обнаружение коричневых карликов привело в конце 1990-х годов к введению новых спектральных классов L и T для тел с эффективной температурой менее 2000 К.
Оказалось, что в формировании спектров экстремально холодных объектов весьма важную роль играет пыль. У самых холодных звезд класса М с температурой поверхности около 3000 К в спектре видны мощные полосы поглощения окисей титана и ванадия (TiO, VO). Но у более холодных звезд их не оказалось. До открытия ставшего теперь классическим коричневого карлика Gliese 229В самым темным и холодным был компаньон белого карлика GD 165B, имеющий температуру поверхности 1900 К и светимость 0,01% солнечной. Он поразил исследователей тем, что в отличие от других холодных звезд не имеет полос поглощения TiO и VO, за что был прозван «странной звездой». Такими же оказались спектры и других коричневых карликов с температурой ниже 2000 К. Расчеты показали, что молекулы TiO и VO в их атмосферах сконденсировались в твердые частицы – пылинки и уже не проявляют себя в спектре, как это свойственно молекулам газа.
Источник