Огромные миры, называемые коричневыми карликами

04.12.2022
0
9 мин
101
Огромные миры, называемые коричневыми карликами

Приветствую, уважаемые друзья!

В этой статье речь пойдет про огромные миры, которые называются коричневыми карликами.

Количество массы, с которой рождается звезда, определяет ее судьбу.

Звезды — это объекты, рожденные с большой массой — и, следовательно, с сильной собственной гравитацией — так что звезда сжимает сама себя, создавая высокие внутренние температуры.

Высокие температуры вызывают реакции термоядерного синтеза, которые позволяют звездам сиять.

Планеты, с другой стороны, имеют гораздо меньшие массы и, следовательно, более слабую гравитацию и отсутствие внутреннего синтеза — они светятся главным образом светом, отраженным от их звезд.

Коричневые карлики находятся где-то между массами планет-гигантов, таких как Сатурн и Юпитер, и самыми маленькими звездами.

Мы могли бы говорить о массах коричневых карликов как о долях массы нашего Солнца, но астрономы обычно используют массу Юпитера в качестве стандартной меры.

Верхним пределом для газовых планет-гигантов считается значение в 13 масс Юпитера.

Если масса газовой планеты превышает 13 масс Юпитера, в недрах объекта может произойти термоядерное горение (синтез) дейтерия — редкого элемента, оставшегося от Большого взрыва.

Дейтерий — это другое название «тяжелого водорода», представляющего собой водород с нейтроном, присоединенным к протону в ядре атома (а не только к одному протону).

Значение более 80 масс Юпитера является нижним пределом сжигания обычного водорода – процесс, посредством которого звезды могут светиться – и, следовательно, для того, чтобы объект мог квалифицироваться как полноценная звезда.

Цветные глобусы разного размера с текстовыми аннотациями на черном фоне.

Качество массы — это то, что отличает планеты от коричневых карликов и звезд. Вот общее сравнение масс каждого из них.

Таким образом, коричневый карлик обычно определяется как любое тело, масса которого находится в диапазоне от 13 до 80 масс Юпитера.

Но в этой истории гораздо больше…

Звездное пространство с обведенными кружками множеством объектов и вставками, показывающими увеличенные виды рядом с ними.

Коричневые карлики являются частью зверинца объектов, найденных в космосе. На этом изображении показана центральная часть туманности Ориона, относительно близкой области звездообразования в нашей собственной галактике Млечный Путь. На изображении показана область размером примерно 4 на 3 световых года. Каждый символ идентифицирует пару объектов, видимых как одна светящаяся точка в центре символа. Более толстый внутренний круг представляет основное тело, а более тонкий внешний круг указывает на компаньона. Красный указывает на планету, оранжевый — коричневый карлик, а желтый — это звезда. Рядом с каждым символом находится пара снимков Хаббла. Картинка слева — исходное изображение основного объекта (звезды) и его компаньона. На изображении справа показан только компаньон, при этом основной объект вычитается в цифровом виде с помощью специальной технологии обработки изображений, которая разделяет изображения объектов на бинарные пары.

Что такое звезда?

Звезда — это большое скопление пыли и газа, сконденсировавшееся из первичного облака, которое каким-то образом было нарушено.

Нарушения могут быть вызваны различными механизмами.

Например, ударная волна от далекой сверхновой — взрывающейся звезды — может потревожить первозданное облако в космосе спустя столетия или тысячелетия и на расстоянии многих световых лет.

Облако теряет свою однородность, и области с немного большей плотностью (и, следовательно, большей гравитацией) начинают притягивать более легкие молекулы.

По мере того, как материя сжимается все плотнее и плотнее из-за возрастающей гравитации, она становится все горячее и горячее, точно так же, как велосипедная шина становится все горячее на ощупь, когда вы ее надуваете и тем самым сжимаете молекулы воздуха внутри.

В конце концов материя достигает критической массы — звезда начинает сплавлять дейтерий с обычным водородом, образуя молекулы Гелия-3.

Это происходит при низкой температуре (чуть меньше 1 000 000 градусов по Кельвину или 1 800 000 по Фаренгейту).

В точке, где начинается синтез, мы можем описать звезду по-разному.

Теперь звезда представляет собой объект, находящийся в идеальном балансе (пусть и временном) между выталкивающей наружу силой, вызванной термоядерными реакциями в ее ядре, и выталкивающей внутрь силой собственной гравитации.

Гравитация хочет еще больше раздавить звезду, но термоядерный синтез не позволяет этому произойти.

Термоядерный синтез хочет расширить звезду, но гравитация этого не позволяет.

В результате получается прекрасный баланс: звезда.

Если бы не произошло синтеза дейтерия, во Вселенной было бы очень мало звезд, масса которых более чем в три раза превышает массу нашего Солнца.

Это потому, что если бы синтез водорода начался, как только масса и температура стали бы достаточно высокими, то у звезды еще не было бы достаточно массы, чтобы ее собственная гравитация могла противостоять выталкивающему наружу давлению реакций синтеза водорода.

Звезда будет расширяться, и это расширение приведет к падению ее внутренней температуры, что замедлит и, в конечном счете, прекратит реакции синтеза водорода, необходимые звездам для того, чтобы сиять.

Синтез дейтерия сохраняет звезду достаточно холодной, чтобы дать звезде время накопить достаточную массу, чтобы, когда синтез водорода действительно начнется (около 13 000 000 градусов К или 23 000 000 F), он мог продолжаться.

К тому времени звезда становится достаточно плотной, чтобы иметь достаточную собственную гравитацию, чтобы сопротивляться расширению, так что температура внутри нее остается высокой.

В большинстве случаев у вас остается одна крупная аккреция, которая образует звезду, работающую на водородном синтезе.

Также возможно, что в плотных облаках могут образовываться множественные звезды.

И, таким образом, у нас есть системы двойных звезд (называемые двойной системой), тройные звезды (тройные) и четверные звезды (четвертичные).

Действительно, есть примеры очень сложных систем с пятью, шестью и семью звездами, которые называются пятикратными, шестикратными и семеричными соответственно.

Они могут попасть на орбиты друг вокруг друга, которые (хотя и очень сложные) могут быть достаточно стабильными, чтобы обеспечить формирование планет.

5 глобусов разного цвета, один огромный с надписью «Солнце», три гораздо меньших и один крошечный с надписью «Земля».

Общее сравнение размеров звезды с малой массой, коричневого карлика и планеты Юпитер. Хотя коричневые карлики в 80 раз массивнее Юпитера, их размер будет всего на 10-15% больше.

Что такое планета?

После звездообразования и начала синтеза водорода зарождается солнечный ветер, выметающий оставшийся газ из системы.

Будет несколько небольших скоплений, слишком громоздких, чтобы их можно было оттолкнуть внешним давлением солнечного ветра.

На самом деле они упадут внутрь, к звезде.

Поскольку все во Вселенной обладает угловым моментом – другими словами, поскольку облако вращается – частицы в исходном облаке, собирающиеся для формирования звезды, будут иметь тенденцию падать к звезде по длинной спиральной траектории.

Это увеличивает их полное время и, следовательно, угловую скорость, поэтому планеты в конечном итоге сами вращаются и вращаются вокруг своих звезд, как правило, в одном направлении.

Из-за столкновений и взаимного притяжения, изменяющих орбиты вновь формирующихся протопланет, многие из них достигнут точки равновесия и перейдут на стабильную орбиту.

В конечном итоге они станут настоящими планетами — либо каменистыми мирами, такими как Земля или Марс, либо газовыми гигантами, такими как Юпитер или Сатурн — путем аккреции оставшихся небольших остатков первоначального первичного облака под действием собственной гравитации.

Планеты разных размеров и цветов на черном фоне, причем Земля намного меньше остальных.

Планеты — это объекты, масса которых намного меньше, чем у звезд. Вот концепция художника, показывающая сравнение 3 экзопланет в системе Kepler-51 с некоторыми планетами в нашей Солнечной системе.

В чем разница между звездами и планетами?

Звезды образуются в результате коллапса газа и пыли в первичном облаке.

Следовательно, в них содержится относительно небольшое количество того, что астрономы называют металлами (для астрономов металличность относится к любому элементу, более тяжелому, чем водород и гелий).

Звезда собирает большую часть газообразного вещества в первичном облаке, и ее планеты формируются за счет аккреции остатков.

Планеты формируются с гораздо меньшей массой, чем звезды, и, следовательно, имеют гораздо более слабую гравитацию.

Более легкие элементы, такие как водород и гелий, столь распространенные в звездах, имеют тенденцию избегать более слабого гравитационного притяжения планеты.

Таким образом, по сравнению со звездами, планеты имеют высокое содержание металлов.

Обычно планеты вращаются вокруг звезд.

Согласно последнему определению астрономов слова «планета», они очищают свои орбиты от мусора.

Красноватый шар с широкой темной полосой и звездами на заднем плане.

Конечно, мы не знаем, как выглядят коричневые карлики. Они далеко, и мы никогда не видели их вблизи. Но вот представление художника о коричневом карлике под названием Лухман 16А, основанное на недавних свидетельствах наличия на его поверхности полос, подобных Юпитеру.

Где остаются коричневые карлики?

Коричневые карлики накапливают материал как звезды, а не как планеты.

Они конденсируются из газового облака — и имеют большую массу, чем планеты, и поэтому имеют более сильную гравитацию — и, таким образом, они удерживают свои более легкие элементы (водород и гелий) более эффективно, чем планеты, и поэтому имеют относительно низкое содержание металлов.

Их единственный недостаток в том, что они не собрали достаточно материала, чтобы начать нормальный звездный синтез.

Хотя они могут поддерживать синтез дейтерия до тех пор, пока дейтерий не исчезнет, что на самом деле необходимо для звездообразования с большими массами, как объяснялось ранее.

Коричневые карлики были обнаружены на орбитах других солнц на расстоянии 1000 астрономических единиц ( а. е. ) и более.

Одна а. е. = одно расстояние от Земли до Солнца.

Однако не все коричневые карлики вращаются далеко от своих звезд — некоторые из них были обнаружены на более близких расстояниях, и было замечено несколько коричневых карликов-изгоев, не вращающихся вокруг какой-либо звезды, хотя, конечно, их трудно найти!

Для сравнения, из известных планет в нашей Солнечной системе Нептун является главной планетой, вращающейся дальше всего от нашего Солнца на расстоянии 30 а. е.

Итак, коричневые карлики — это не планеты, а неудачные звезды, недостаточно массивные для реакций синтеза водорода.

Таким образом, они получают свою собственную классификацию.

Почему коричневый?

То, что мы сейчас называем коричневыми карликами, было впервые предложено в 1960-х годах астрономом Шивом С. Кумаром (Shiv S. Kumar), который первоначально назвал эти объекты черными карликами.

Он изобразил их как темные субзвездные объекты, свободно плавающие в космосе, которые не были достаточно массивными, чтобы поддерживать синтез водорода.

Название «коричневый карлик» было позже придумано астрономом и исследователем SETI Джилл Тартер (Jill Tarter) в ее докторской диссертации.

Она стремилась определить верхний предел максимальной массы, которой может обладать объект, прежде чем начнется синтез водорода и, таким образом, он станет полноценной звездой.

Звезды явно не «коричневые», и многие такие объекты находятся в диапазоне температур от 300 до 500 Кельвинов (от 80 до 440 F, или температура тела человека и выше), поэтому они излучают только в инфракрасной части электромагнитного спектра.

Поскольку черный карлик уже рассматривался как описание объектов в конечной точке звездной эволюции (холодные белые карлики) — и красный карлик также должен был выполнять свою роль в качестве названия для маленьких холодных звезд — коричневый должен казаться подходящим компромиссом.

Вид сбоку на летний Млечный Путь в виде вертикальной бледной нечеткой полосы темной ночью с рассеянными звездами.

Нисан Герц (Nisan Gertz) сделал этот снимок в кратере Рамон, Израиль, 16 августа 2020 года. Спасибо, Нисан.

Итог: коричневые карлики — это объекты с массой, которая колеблется между самыми тяжелыми газовыми планетами и самыми легкими звездами, что делает их достаточно различимыми, чтобы претендовать на их собственную классификацию.

Таким образом, они обычно определяются как тело, лежащее в диапазоне от более 13 до менее 80 масс Юпитера.

Их можно найти на орбитах звезд или других коричневых карликов или путешествующих по галактике в одиночку.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 3.5