Астрономы обнаружили удивительную пару из недавно отгоревшей и так и не родившейся звезды. Обе они горячее нашего пребывающего в добром здравии Солнца. В пылающей атмосфере «недозвезды» бушуют ветры невероятной силы и даже молекулы распадаются на части. Рассказываем, как такие объекты могут помочь в исследовании далеких планет.
Недавно астрономы отчитались об обнаружении удивительного дуэта. Это белый и коричневый карлики, образующие необычно тесную пару. Белый карлик — раскаленное ядро недавно отгоревшей звезды. Коричневый — наоборот, «зародыш», которому не хватило массы, чтобы стать настоящим светилом. В одном его полушарии царит вечный день, и жаркие лучи белого карлика делают коричневый карлик горячее большинства звезд.
На тот момент об открытии сообщалось в препринте, еще не прошедшем проверку учеными-рецензентами. Теперь статья о нем вышла в престижном журнале Nature Astronomy. В связи с этим делимся подробностями исследования и рассказывает, почему подобные пары так интересуют астрономов. А еще мы поговорим о том, откуда берутся коричневые карлики и как ученые их находят.
Многоликие карлики
В астрономии слово «карлик» означает звезду небольшой светимости. Более 90 процентов звезд в Галактике — именно карлики: красные, оранжевые или желтые, как Солнце. Белые и коричневые карлики стоят особняком. В них не происходит термоядерных реакций, поэтому надо ли их называть звездами, спорный вопрос. Разница между белым и коричневым карликом в том, что в первом термоядерные реакции уже закончились, а во втором они толком так и не начались.
О природе коричневых карликов мы поговорим ниже, а пока кратко расскажем, откуда берутся белые. Когда у небольшой звезды (менее 8-10 масс Солнца) заканчивается «топливо», ее внешние слои превращаются в туманность, которая постепенно рассеивается. Ядро светила становится белым карликом. Сначала он очень горяч: около 50 тысяч градусов на поверхности. Нужны многие миллиарды лет, чтобы он окончательно остыл и перестал светиться.
Неравный брак
Белый карлик WD 0032-317 находится в 1400 световых годах от Земли в южном созвездии Скульптора. Его масса — 40 процентов солнечной, а радиус — около трех земных. Для белых карликов с их огромной плотностью это типичные параметры. Необычна разве что температура: 37 тысяч градусов. Это значит, что родительская звезда разрушилась около миллиона лет назад, и белый карлик почти не остыл. Для сравнения: температура поверхности Солнца менее шести тысяч градусов.
Еще около 20 лет назад ученые заподозрили, что у этого объекта есть спутник, точнее компаньон, вместе с которым они обращаются вокруг общего центра масс. Тогда астрономы сочли, что пару WD 0032-317 составляет другой белый карлик.
Авторы нового исследования проанализировали данные крупнейшего в мире телескопа VLT, полученные в 2019-2020 годах, и выяснили, что компанию WD 0032-317 составляет совсем другое небесное тело — коричневый карлик. Как принято у астрономов, его обозначили WD 0032-317B. Буква B означает второе тело в системе.
Благодаря массе в 75-80 юпитеров WD 0032-317B претендует на звание самого массивного из известных коричневых карликов. Ему совсем чуть-чуть не хватило массы, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции и превратили его в звезду. Впрочем, по радиусу он даже несколько меньше Юпитера. Это общее свойство коричневых карликов. Будучи в десятки раз массивнее планет-гигантов, они сжаты собственной гравитацией до вполне планетных размеров.
За эту схожесть планетологи очень ценят коричневые карлики. Благодаря близости размеров коричневый карлик — довольно близкий аналог планеты. Но поскольку он массивнее, его легче открыть и изучить.
Заменитель планет
Зачем ученым «заменитель, идентичный натуральному» при наличии почти 5500 известных экзопланет? Затем, что планета планете рознь. Например, астрономы давно интересуются, как ведут себя атмосферы планет-гигантов, разогретые до температуры маленькой звезды. Теория предсказывает, что молекулы там должны разваливаться на атомы от убийственного жара и ультрафиолетового излучения, а атмосфера постепенно утекать в космос.
Чтобы нагреть планету до четырех тысяч градусов и выше, нужно светило с температурой как минимум 10-20 тысяч градусов. У столь горячих звезд непростой характер. Они массивные, активные, быстро вращающиеся вокруг своей оси. У подобных светил очень трудно искать экзопланеты. Как показывает пример WD 0032-317, в роли грелки может выступить и молодой белый карлик. Вот только планете очень трудно пережить превращение ее солнца в белый карлик.
В итоге у астрономов есть ровно один «экземпляр ада» — экзопланета KELT-9b, самая горячая из известных планет (около 4300 градусов).
Один объект — лучше, чем ничего, но все же маловато для уверенных выводов. Вот тут и приходят на помощь тесные пары из звезды и коричневого карлика.
Члены сладкой парочки WD 0032-317 находятся так близко друг к другу, что полный оборот вокруг центра масс делают менее чем за два с половиной часа. Из-за такой близости коричневый карлик всегда повернут к белому одной стороной, как Луна к Земле. Его дневная сторона раскалена до восьми-девяти тысяч градусов. Она горячее Солнца и вообще большинства звезд. При этом температура ночной стороны всего около двух тысяч градусов.
При столь своеобразном климате на WD 0032-317B должны твориться очень интересные вещи. Например, обязаны существовать мощнейшие ветры, переносящие тепло с горячей стороны на холодную.
Чтобы узнать все подробности, нужно изучить спектр системы WD 0032-317 в видимом свете и инфракрасных лучах. Волны разной длины будут излучаться на разной высоте над поверхностью коричневого карлика. В такой раскаленной атмосфере не может быть облаков, так что астрономы смогут просканировать ее на большую глубину. Эти наблюдения — дело будущего.
Как не стать звездой
Поговорим подробнее о коричневых карликах, этих неудавшихся звездах.
Звезда образуется из облака пыли и газа, сжимающегося под действием собственной гравитации. Сжимаясь, вещество нагревается: многие ощущали, как тает комок снега, сильно сжатый в ладони. Чем больше масса протозвезды, тем сильнее сжимающая ее гравитация. А значит, тем большая температура и давление устанавливаются в ее недрах. Если протозвезда достаточно массивна, температура и давление доходят до предела, на котором запускается pp-цикл. Так называется цепочка термоядерных реакций, в которой протоны объединяются и превращаются в ядра гелия (pp означает «протон-протонный»). Протоны — это ядра атома водорода, точнее его самого распространенного изотопа — протия. На протий приходится более 90 процентов атомных ядер во Вселенной вообще и в звездах в частности. Неудивительно, что именно pp-цикл — основной источник энергии звезд.
Насколько массивной должна быть протозвезда, чтобы в ее недрах начался pp-цикл и превратил ее в звезду? В 1963 году американский астрофизик Шив Кумар рассчитал, что минимальная масса — примерно семь процентов солнечной (или около 70 масс Юпитера). Эта цифра известна как предел Кумара.
А если масса протозвезды чуть-чуть не дотягивает до предела? Что ж, сжатие разогреет ее до вполне приличных температур: больше двух тысяч градусов на поверхности и до трех миллионов градусов в центре. Для pp-цикла маловато, но какие-никакие термоядерные реакции запускаются: в гелий превращаются ядра дейтерия. Дейтерий — второй изотоп водорода, в его ядре, помимо протона, есть еще нейтрон. В этот момент небесное тело можно назвать звездой, но ненадолго. В протозвездах очень мало дейтерия: около тысячной доли процента по массе. Он быстро прогорает, и этого тепла не хватает, чтобы запустить pp-цикл. Это похоже на попытку разжечь сырые дрова листом бумаги.
Кумар назвал объекты массой одного до семи процентов от солнечной черными карликами. В его время они были чисто теоретическим построением. Было несколько попыток их переименовать, и в итоге прижился термин brown dwarf. На русский язык он переводится как «коричневый карлик» (иногда как «бурый»). Как потом выяснилось, коричневые карлики бывают и массивнее 70 юпитеров, так что Кумар определил предел не очень точно.
Коричневые карлики трудно обнаружить по сравнению с нормальными звездами. Ведь они не так горячи, чтобы излучать собственный свет. Проще, если коричневый карлик образует пару с нормальной звездой или белым карликом. Астрономы видят один компонент пары и, выполнив точные измерения, понимают, что у него есть невидимый спутник. Начиная с конца 1980-х ученые неоднократно «находили» коричневые карлики, но раз за разом ошибались. Первое подтвержденное открытие случилось в 1995 году. Два года спустя наблюдатели открыли и первый одиночный коричневый карлик.
Сегодня наблюдателям известны уже тысячи коричневых карликов. Это капля в море, учитывая, что всего в Галактике их могут быть сотни миллиардов.
Коричневые карлики, эти вечные подростки, навеки застыли на первых этапах образования звезды, и потому могут многое рассказать об этих этапах. Это одна из причин, по которой они интересуют астрономов. О другой мы уже говорили: горячие коричневые карлики похожи на горячие планеты. Есть и третья: в атмосферах одиночных холодных «недозвезд» присутствует метан, а возможно и другая органика. Ученым всегда интересно, как и где во Вселенной образуются органические вещества, потому что именно они дают начало жизни. В общем, хоть коричневые карлики и не стали звездами, им обеспечена популярность и самое пристальное внимание, по крайней мере со стороны астрономов.
Автор: Анатолий Глянцев