Piticii maronii sunt corpuri cosmice cu o masă de 1-8% din masa solară. Sunt prea masive pentru planete, compresia gravitațională face posibilă reacții termonucleare cu participarea elementelor „extrem de combustibile”. Dar masa lor este insuficientă pentru a „aprinde” hidrogenul și, prin urmare, spre deosebire de stelele cu drepturi depline, piticii bruni nu strălucesc mult timp.
Astronomii nu experimentează - primesc informații prin observații. După cum a spus unul dintre reprezentanții acestei profesii, nu există instrumente suficient de lungi pentru a ajunge la stele. Cu toate acestea, astronomii au la dispoziție legi fizice care permit nu numai explicarea proprietăților obiectelor deja cunoscute, ci și prezicerea existenței celor care nu au fost încă observate.
Previziunea lui Shiva Kumar
Mulți au auzit despre stelele de neutroni, găurile negre, materia întunecată și alte exotice cosmice calculate de teoreticieni. Cu toate acestea, există multe alte curiozități în univers descoperite în același mod. Acestea includ corpuri care sunt intermediare între stele și planete de gaze. Au fost prezise în 1962 de Shiv Kumar, un astronom indian-american în vârstă de 23 de ani, care tocmai își terminase doctoratul la Universitatea din Michigan. Kumar a numit aceste obiecte pitici negri. În literatura de specialitate au apărut nume ulterioare precum stele negre, obiecte Kumar, stele cu infraroșu, dar în cele din urmă a câștigat fraza „pitici maronii”, propusă în 1974 de un student absolvent de la Universitatea din California, Jill Tarter.
Timp de patru ani, o echipă internațională de astronomi a „cântărit” piticul ultracold din clasa L (6,6% din masa solară) folosind telescopul Hubble, VLT și. Keck.
Kumar merge la deschiderea sa de patru ani. În acele zile, bazele dinamicii nașterii stelelor erau deja cunoscute, dar existau lacune semnificative în detalii. Cu toate acestea, Kumar în ansamblu a descris proprietățile „piticilor negri” ai săi atât de corect încât mai târziu chiar și supercomputerele au fost de acord cu concluziile sale. La urma urmei, creierul uman a fost și rămâne cel mai bun instrument științific.
Video promotional:
Nașterea understars-urilor
Stelele apar din prăbușirea gravitațională a norilor de gaze cosmice, care sunt în mare parte hidrogen molecular. De asemenea, conține heliu (unul pentru fiecare 12 atomi de hidrogen) și urme de elemente mai grele. Prăbușirea se încheie odată cu nașterea unui protostar, care devine un luminator cu drepturi depline atunci când miezul său se încălzește într-o asemenea măsură încât o combustie termonucleară constantă de hidrogen începe acolo (heliul nu participă la aceasta, deoarece sunt necesare temperaturi de zece ori mai mari pentru a-l aprinde). Temperatura minimă necesară pentru aprinderea hidrogenului este de aproximativ 3 milioane de grade.
Kumar era interesat de cele mai ușoare protostele cu o masă care nu depășește o zecime din masa Soarelui nostru. El a realizat că, pentru a declanșa arderea termonucleară a hidrogenului, acestea trebuie să se îngroașe la o densitate mai mare decât predecesorii stelelor de tip solar. Centrul protostelului este umplut cu o plasmă de electroni, protoni (nuclei de hidrogen), particule alfa (nuclei de heliu) și nuclee de elemente mai grele. Se întâmplă că, chiar înainte de atingerea temperaturii de aprindere a hidrogenului, electronii dau naștere unui gaz special, ale cărui proprietăți sunt determinate de legile mecanicii cuantice. Acest gaz rezistă cu succes la comprimarea protostelului și astfel previne încălzirea zonei sale centrale. Prin urmare, hidrogenul fie nu se aprinde deloc, fie se stinge cu mult înainte de epuizarea completă. În astfel de cazuri, în loc de o stea eșuată, se formează o pitică maro.
Posibilitatea unui gaz Fermi degenerat de a rezista la compresiunea gravitațională nu este în niciun caz nelimitată și este ușor să o arăți pe de o parte. Pe măsură ce electronii umple niveluri de energie din ce în ce mai mari, viteza lor crește și se apropie în cele din urmă de lumină. În această situație, forța gravitațională predomină și colapsul gravitațional se reia. Dovada matematică este mai dificilă, dar concluzia este similară. Deci, se dovedește că presiunea cuantică a gazului electronic oprește prăbușirea gravitațională numai dacă masa sistemului care se prăbușește rămâne sub o anumită limită, corespunzătoare a 1,41 mase solare. Se numește limita chandrasekhar - în cinstea remarcabilului astrofizician și cosmolog indian care l-a calculat în 1930. Limita chandrasekhar specifică masa maximă a piticilor albi,despre care probabil știu cititorii noștri. Cu toate acestea, precursorii piticilor maronii sunt de zeci de ori mai ușori și nu trebuie să vă faceți griji cu privire la limita chandrasekhar.
Kumar a calculat că masa minimă a unei stele născute este de 0,07 mase solare atunci când vine vorba de luminari relativ tineri din populația I, care dau naștere la nori cu un conținut crescut de elemente mai grele decât heliul. Pentru stelele populației II, care au apărut în urmă cu mai bine de 10 miliarde de ani, într-un moment în care heliul și elementele mai grele din spațiul cosmic erau mult mai mici, este egal cu 0,09 mase solare. Kumar a constatat, de asemenea, că formarea unei pitice maro tipice durează aproximativ un miliard de ani, iar raza sa nu depășește 10% din raza Soarelui. Galaxia noastră, ca și alte grupuri de stele, ar trebui să conțină o mare varietate de astfel de corpuri, dar sunt dificil de detectat datorită luminozității lor slabe.
Cum se aprind
Aceste estimări nu s-au schimbat prea mult în timp. Acum se crede că aprinderea temporară a hidrogenului într-o protostelă, născută din nori moleculari relativ tineri, are loc în intervalul de 0,07-0,075 mase solare și durează de la 1 la 10 miliarde de ani (pentru comparație, piticele roșii, cea mai ușoară dintre stelele reale, sunt capabile să strălucească zeci de miliarde de ani!). După cum a remarcat Adam Burrows, profesor de astrofizică la Universitatea Princeton, într-un interviu acordat premierului, fuziunea termonucleară compensează nu mai mult de jumătate din pierderea energiei radiante de pe suprafața unui pitic maro, în timp ce în stelele secvenței principale reale, gradul de compensare este de 100%. Prin urmare, steaua eșuată se răcește chiar și atunci când funcționează „cuptorul cu hidrogen” și, cu atât mai mult, continuă să se răcească după conectarea sa.
O protostelă cu o masă mai mică de 0,07 masă solară nu este deloc capabilă să aprindă hidrogen. Este adevărat, deuteriul se poate aprinde în adâncurile sale, deoarece nucleele sale se îmbină cu protoni deja la temperaturi de 600-700 de mii de grade, dând naștere la heliu-3 și cuante gamma. Dar nu există mult deuteriu în spațiu (există un singur atom de deuteriu pentru 200.000 de atomi de hidrogen), iar rezervele sale durează doar câteva milioane de ani. Nucleii ciorchinilor de gaz care nu au atins 0,012 mase solare (adică 13 mase de Jupiter) nu se încălzesc nici măcar până la acest prag și, prin urmare, nu sunt capabili de reacții termonucleare. După cum a subliniat profesorul de la Universitatea din California din San Diego, Adam Burgasser, mulți astronomi cred că de aici trece granița dintre piticul brun și planetă. Potrivit reprezentanților unei alte tabere,O grămadă de gaze mai ușoare poate fi considerată, de asemenea, o pitică maro dacă a apărut ca urmare a prăbușirii norului primar de gaz cosmic și nu s-a născut dintr-un disc de praf de gaz care înconjura o stea normală care tocmai se aprinsese. Cu toate acestea, orice astfel de definiții sunt o chestiune de gust.
O altă clarificare este legată de litiu-7, care, la fel ca deuteriul, s-a format în primele minute după Big Bang. Litiul intră în fuziune termonucleară la o încălzire puțin mai mică decât hidrogenul și, prin urmare, se aprinde dacă masa protostelului depășește 0,055-0,065 solare. Cu toate acestea, litiul în spațiu este de 2.500 de ori mai mic decât deuteriul și, prin urmare, din punct de vedere energetic, contribuția sa este complet neglijabilă.
Ce au înăuntru
Ce se întâmplă în interiorul unui protostar dacă prăbușirea gravitațională nu s-a încheiat cu o aprindere termonucleară a hidrogenului, iar electronii s-au unit într-un singur sistem cuantic, așa-numitul gaz Fermi degenerat? Proporția de electroni în această stare crește treptat și nu sare într-o singură clipă de la zero la 100%. Cu toate acestea, pentru simplitate, vom presupune că acest proces a fost deja finalizat.
Principiul lui Pauli afirmă că doi electroni care intră în același sistem nu pot fi în aceeași stare cuantică. Într-un gaz Fermi, starea unui electron este determinată de impulsul, poziția și rotirea acestuia, care ia doar două valori. Aceasta înseamnă că în același loc nu poate exista mai mult decât o pereche de electroni cu aceeași momentă (și, în mod natural, rotiri opuse). Și întrucât, în cursul colapsului gravitațional, electronii sunt împachetați într-un volum tot mai scăzut, ei ocupă stări cu momente în creștere și, în consecință, cu energii. Aceasta înseamnă că pe măsură ce protostelul se contractă, energia internă a gazului electronic crește. Această energie este determinată de efecte pur cuantice și nu este asociată cu mișcarea termică; prin urmare, în prima aproximare, nu depinde de temperatură (spre deosebire de energia unui gaz ideal clasic,ale căror legi sunt studiate în cadrul cursului de fizică școlară). Mai mult, la un raport de compresie suficient de ridicat, energia gazului Fermi este de multe ori mai mare decât energia termică a mișcării haotice a electronilor și a nucleilor atomici.
O creștere a energiei gazului electronic crește, de asemenea, presiunea acestuia, care, de asemenea, nu depinde de temperatură și crește mult mai puternic decât presiunea termică. Tocmai acest lucru se opune gravitației materiei protostelare și oprește prăbușirea gravitațională a acesteia. Dacă acest lucru se întâmplă înainte ca temperatura de aprindere a hidrogenului să fie atinsă, pitica maro se răcește imediat după o scurtă arsură la scară cosmică de deuteriu. Dacă proto-steaua se află în zona de frontieră și are o masă de 0,07-0,075 solară, arde hidrogen pentru miliarde de ani, dar acest lucru nu afectează finalul său. În cele din urmă, presiunea cuantică a gazului degenerat de electroni scade temperatura miezului stelar atât de mult încât arderea hidrogenului se oprește. Și, deși rezervele sale ar fi suficiente pentru zeci de miliarde de ani, pitica maro nu va mai putea să le dea foc. Acesta este ceea ce îl face diferit de cea mai ușoară pitică roșie, care oprește cuptorul nuclear numai atunci când tot hidrogenul s-a transformat în heliu.
Toate stelele cunoscute de pe diagrama Hertzsprung-Russell nu sunt distribuite uniform, ci sunt combinate în mai multe clase spectrale luând în considerare luminozitatea (clasificarea Yerkes sau MCC, după numele astronomilor care au dezvoltat-o din Observatorul Yerkes - William Morgan, Philip Keenan și Edith Kellman). Clasificarea modernă distinge opt astfel de grupuri principale pe diagrama Hertzsprung-Russell. Clasa 0 - acestea sunt stele gigante, masive și foarte strălucitoare, care depășesc Soarele în masă de 100-200 de ori, și în ceea ce privește luminozitatea - în milioane și zeci de milioane. Clasa Ia și Ib - acestea sunt super-giganți, de zeci de ori mai masivi decât Soarele și de zeci de mii de ori superioare în luminozitate. Clasa II - giganți strălucitori care sunt intermediari între supergiganți și giganți de clasa a III-a. Clasa V șimdash; acesta este așa-numitul secvența principală (pitici) pe care se află majoritatea stelelor, inclusiv Soarele nostru. Când o stea de secvență principală rămâne fără hidrogen și începe să ardă heliu în miezul său, va deveni o subgigantă de clasa IV. Chiar sub secvența principală se află clasa VI - subdwarfs. Și clasa a VII-a include pitici albi compacti, etapa finală în evoluția stelelor care nu depășesc limita de masă Chandrasekhar. Și clasa a VII-a include pitici albi compacti, etapa finală în evoluția stelelor care nu depășesc limita de masă Chandrasekhar. Și clasa a VII-a include pitici albi compacti, etapa finală în evoluția stelelor care nu depășesc limita de masă Chandrasekhar.
Profesorul Burrows remarcă încă o diferență între stea și piticul maro. O stea obișnuită nu numai că nu se răcorește, pierzând energie radiantă, dar, paradoxal, se încălzește. Acest lucru se întâmplă deoarece steaua își comprimă și încălzește miezul și acest lucru crește foarte mult rata de ardere termonucleară (de exemplu, în timpul existenței Soarelui nostru, luminozitatea sa a crescut cu cel puțin un sfert). O pitică brună este o problemă diferită, a cărei compresie este împiedicată de presiunea cuantică a gazului electron. Datorită radiațiilor de la suprafață, se răcește ca o piatră sau o bucată de metal, deși este alcătuită din plasmă fierbinte, ca o stea normală.
Căutări lungi
Urmărirea piticilor căprui s-a prelungit mult timp. Chiar și la cei mai masivi reprezentanți ai acestei familii, care emit o strălucire purpurie în tinerețe, temperatura suprafeței nu depășește de obicei 2000 K, iar la cei mai ușori și mai în vârstă, uneori nici măcar nu ajunge la 1000 K. Radiația acestor obiecte conține și o componentă optică, deși foarte slab. Prin urmare, echipamentul cu infraroșu de înaltă rezoluție, care a apărut abia în anii 1980, este cel mai potrivit pentru găsirea lor. În același timp, au început să fie lansate telescoape spațiale în infraroșu, fără de care este aproape imposibil să se detecteze piticele brune reci (vârful radiației lor are loc la unde cu o lungime de 3-5 micrometri, care sunt întârziate în principal de atmosfera terestră).
În acești ani au apărut rapoartele despre posibili candidați. La început, astfel de afirmații nu au rezistat verificării, iar descoperirea reală a primei pseudo stele prezise de Shiv Kumar a avut loc abia în 1995. Palma de aici aparține unui grup de astronomi condus de profesor la Universitatea din California la Berkeley Gibor Basri. Cercetătorii au studiat obiectul extrem de slab PPl 15 din grupul de stele din Pleiade, la aproximativ 400 de ani lumină distanță, care a fost descoperit anterior de echipa astronomului de la Harvard John Stauffer. Conform datelor preliminare, masa acestui corp ceresc era de 0,06 mase solare și s-ar putea dovedi a fi o pitică maro. Cu toate acestea, această estimare a fost foarte dură și nu a putut fi invocată. Profesorul Basri și colegii săi au reușit să rezolve această problemă folosind o probă de litiu,care a fost inventat recent de astrofizicianul spaniol Rafael Rebolo.
„Grupul nostru a lucrat la primul telescop de 10 metri al Observatorului Keck, care a intrat în funcțiune în 1993”, își amintește profesorul Basri. - Am decis să folosim testul cu litiu, deoarece a făcut posibilă distincția dintre piticii maronii și piticii roșii apropiați în masă. Piticii roșii ard litiu-7 foarte repede și aproape toți piticii maronii nu sunt capabili de asta. Apoi s-a crezut că vârsta Pleiadelor este de aproximativ 70 de milioane de ani și chiar și cele mai ușoare pitice roșii din acest timp ar fi trebuit să scape complet de litiu. Dacă am găsi litiu în spectrul PPl 15, atunci am avea toate motivele să afirmăm că avem de-a face cu o pitică maro. Sarcina nu a fost ușoară. Primul test spectrografic din noiembrie 1994 a dezvăluit litiul, dar al doilea, control, în martie 1995, nu a confirmat acest lucru. Natural,am fost dezamăgiți - descoperirea a scăpat imediat din mâinile noastre. Cu toate acestea, concluzia inițială a fost corectă. PPl 15 s-a dovedit a fi o pereche de pitici maronii care orbitează un centru comun de masă în doar șase zile. De aceea, liniile spectrale de litiu s-au contopit uneori, apoi s-au divergent - așa că nu le-am văzut în timpul celui de-al doilea test. Pe parcurs, am descoperit că Pleiadele sunt mai vechi decât se credea anterior.
În același 1995, au existat rapoarte despre descoperirea a încă doi pitici bruni. Raphael Rebolo și colegii săi de la Institutul Astrofizic din Insulele Canare au descoperit piticul Teide 1 în Pleiade, care a fost identificat și folosind metoda litiului. Și chiar la sfârșitul anului 1995, cercetătorii de la California Institute of Technology și Johns Hopkins University au raportat că pitica roșie Gliese 229, care se află la doar 19 ani lumină de sistemul solar, are un partener. Această lună este de 20 de ori mai grea decât Jupiter și conține linii de metan în spectrul său. Moleculele de metan sunt distruse dacă temperatura depășește 1500K, în timp ce temperatura atmosferică a celor mai reci stele normale este întotdeauna peste 1700K. Acest lucru a permis lui Gliese 229-B să fie recunoscut ca o pitică maro fără a utiliza măcar un test cu litiu. Acum se știe dejacă suprafața sa este încălzită la doar 950 K, deci acest pitic este foarte rece.
Astronomii învață în mod constant lucruri noi despre piticii bruni. Deci, la sfârșitul lunii noiembrie 2010, oameni de știință din Chile, Anglia și Canada au raportat descoperirea în constelația Fecioară, la doar 160 de ani lumină de Soare, o pereche stelară de doi pitici de diferite categorii de culori - alb și maro. Acesta din urmă este unul dintre cei mai tari pitici din clasa T (atmosfera sa este încălzită la 1300 K) și are o masă de 70 de Jupiteri. Ambele corpuri cerești sunt legate gravitațional, în ciuda faptului că sunt separate de o distanță uriașă - aproximativ 1 an lumină. Astronomii au observat o pereche stelară de pitici maronii folosind telescopul UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope) cu o oglindă de 3,8 metri. Acest telescop, situat lângă vârful Mauna Kea din Hawaii, la o altitudine de 4200 m deasupra nivelului mării - - unul dintre cele mai mari instrumente din lume,care lucrează în domeniul infraroșu.
L-pitici, E-pitici - ce urmează?
În prezent, există de două ori mai mulți pitici bruni cunoscuți sub numele de exoplanete - aproximativ 1000 față de 500. Studiul acestor corpuri a forțat oamenii de știință să extindă clasificarea stelelor și a obiectelor asemănătoare stelelor, deoarece precedentul a fost insuficient.
Astronomii au clasificat mult timp stelele în grupuri în funcție de caracteristicile spectrale ale radiațiilor, care, la rândul lor, sunt determinate în primul rând de temperatura atmosferei. Astăzi, sistemul este utilizat în principal, ale cărui baze au fost puse în urmă cu mai bine de o sută de ani de către angajații Observatorului Universității Harvard. În cea mai simplă versiune a sa, stelele sunt împărțite în șapte clase, notate cu literele latine O, B, A, F, G, K și M. pitici roșii, giganți roșii și chiar un număr de supergigante roșii, a căror atmosferă este încălzită la mai puțin de 3700 K. Fiecare clasă, la rândul ei, este împărțită în zece subclase - de la cel mai fierbinte zero la cel mai rece al nouălea. De exemplu, Soarele nostru aparține clasei G2. Sistemul Harvard are și variante mai complexe (de exemplu, în ultima vreme piticii albi au fost alocați unei clase speciale D), dar acestea sunt subtilități.
Descoperirea piticilor bruni a dus la introducerea de noi tipuri spectrale L și T. Clasa L include obiecte cu temperaturi ale suprafeței de la 1300 la 2000K. Printre acestea se numără nu numai piticii maronii, ci și cei mai slabi pitici roșii, care anterior erau clasificați drept clasa M. Clasa T include un singur pitic maro, ale cărui atmosfere sunt încălzite de la 700 la 1300 K. Liniile de metan sunt abundente în spectrele lor, de aceea aceste corpuri sunt adesea numite pitici de metan (exact asta este Gliese 229 B).
„Până la sfârșitul anilor ’90, am acumulat o mulțime de informații despre spectrele celor mai slabe stele, inclusiv piticele brune”, a declarat pentru PM astronomul Caltech Davey Kirkpatrick, care face parte dintr-un grup de oameni de știință care au inițiat noile clase. - Sa dovedit că au o serie de caracteristici care nu au fost întâlnite anterior. Semnele spectrale ale oxidului de vanadiu și titan tipic pentru piticii roșii M au dispărut, dar au apărut linii de metale alcaline - sodiu, potasiu, rubidiu și cesiu. Deci, am decis că clasificarea Harvard ar trebui extinsă. Mai întâi, s-a adăugat clasa L, eu am fost cel care a sugerat această scrisoare - pur și simplu pentru că nimic nu era încă listat pentru ea. Cu toate acestea, Gliese 229 B nu a îndeplinit clasa L din cauza prezenței metanului. A trebuit să folosesc încă o literă gratuită - T, așa că a apărut clasa T.
Cel mai probabil, acest lucru nu se va termina aici. S-a propus deja introducerea clasei y, care este rezervată ipoteticelor pitice maro ultracold încălzite sub 600K. Spectrele lor ar trebui să aibă, de asemenea, trăsături caracteristice, cum ar fi linii de absorbție clare de amoniac (și la temperaturi sub 400 K, va apărea și vapori de apă). Din moment ce toți piticii bruni sunt sortiți să se răcească, corpurile din clasa y trebuie să existe, deși nu au fost încă descoperite. Este posibil ca acestea să fie deschise după lansarea telescopului cu infraroșu gigant James Webb, care va intra în spațiu în 2014. Poate că acest observator va găsi chiar și planete în pitici maronii, a căror existență, în principiu, este destul de acceptabilă. Mai sunt multe lucruri interesante în fața astronomilor.
Alexey Levin
