Brązowy karzeł — obiekt subgwiazdowy, właściwości i obserwacje
Brązowy karzeł to obiekt pośredni między planetą a gwiazdą: za mały do trwałej fuzji wodoru, ale wystarczająco masywny, by przeprowadzać krótkotrwałe procesy jądrowe. Opisuje cechy, klasyfikację i wykrywanie.
Brązowy karzeł to obiekt astronomiczny zbudowany głównie z wodoru i helu, który nie osiąga wystarczającej masy, by utrzymać długotrwałą fuzję jądrową wodoru w swoich wnętrzach. W praktyce oznacza to brak trwałego łączenia atomów wodoru w atomy helu, co odróżnia je od gwiazd ciągu głównego. Z tego powodu ich emisja jest najsilniejsza w zakresie podczerwonym, a widoczne barwy dla ludzkiego oka bywają słabe i przesunięte ku czerwieni; pomimo nazwy większość z nich może wyglądać w przybliżeniu magentowo w odpowiednich przedziałach widma, co opisuje terminologia obserwacyjna magenta.
Galeria obrazów
10 Obrazy
Zakres mas i procesy jądrowe
Masę brązowych karłów lokuje się pomiędzy masami największych planet gazowych a najlżejszymi gwiazdami. Górna granica, powyżej której możliwe jest zapoczątkowanie trwałej fuzji wodoru, zwykle podawana jest w przybliżeniu jako około 75–80 mas Jowisza. W niższych przedziałach masowych pojawiają się jednak krótkotrwałe procesy: obiekty o masie powyżej około 13 mas Jowisza mogą zapalać deuter (spalanie deuteru), natomiast obiekty bardziej masywne — rzędu kilkudziesięciu mas Jowisza, zbliżone do ~65 MJ — mogą zużywać także lit. Te procesy są jednak krótkotrwałe i nie utrzymują stałej źródła energii jak fuzja wodoru w gwiazdach.
Spektroskopia i klasyfikacja
Brązowe karły klasyfikuje się wykrywając charakterystyczne linie i pasma absorpcyjne w ich spektrach. Powszechnie używane klasy spektralne to L, T i Y, które odpowiadają kolejnym spadkom temperatury powierzchniowej oraz pojawianiu się różnych cząsteczek i kropel kondensatów w atmosferze. Atmosfery brązowych karłów często zawierają chmury związków metali, tlenków i węglowodorów; zmiany tych składników wraz z temperaturą wpływają na obserwowany kolor i najsilniejsze pasma emisji.
Powstawanie i ewolucja
Modele formacji sugerują kilka możliwych dróg powstawania brązowych karłów. Jedna z nich przypomina procesy gwiazdotwórcze: fragmenty obłoków molekularnych zapadają się grawitacyjnie i formują obiekty o niskiej masie. Inna możliwość to formowanie w dysku protoplanetarnym wokół młodej gwiazdy, z późniejszym oderwaniem i uniezależnieniem się obiektu. Po uformowaniu brązowe karły stopniowo stygną i tracą jasność — ich ewolucja jest procesem chłodzenia bez trwałego źródła energii jądrowej, dlatego wiek silnie wpływa na obserwowane parametry (temperaturę, jasność i widmo).
Wykrywanie i obserwacje
Ze względu na niską emisję w świetle widzialnym brązowe karły wykrywa się głównie w przeglądach podczerwieni. Instrumenty i misje takie jak przeglądy (np. katalogi bazujące na danych z dużych przeglądów niektórych teleskopów podczerwonych) pozwoliły odnaleźć wiele obiektów tego typu w pobliżu Słońca oraz w gromadach gwiazdowych i obłokach molekularnych. Pomiar ruchu własnego, paralaksy i fotometrii w wielu pasmach umożliwia ustalenie odległości, temperatury i masy z pewnym stopniem niepewności.
Znane przykłady i znaczenie naukowe
Badanie brązowych karłów ma istotne znaczenie dla zrozumienia granicy między planetami a gwiazdami, procesów formowania obiektów i właściwości atmosfer niskotemperaturowych. Wśród bliskich przykładowych systemów wyróżnia się system WISE 1049-5319, znany także jako Luhman 16, który jest układem podwójnym brązowych karłów i znajduje się w odległości około 6,5 roku świetlnego od Słońca; odkrycie to datuje się na 2013 rok i jest często cytowane w literaturze. Innymi użytecznymi źródłami informacji o procesach jądrowych i obserwacjach są przeglądy poświęcone fizyce fuzji i katalogi wynikające z badań podczerwieni.
Wyróżniki i obserwacyjne wskazówki
- Brązowe karły nie prowadzą stabilnej fuzji wodoru, lecz mogą czasowo spalać deuter i w wyższych masach lit.
- Ich masy mieszczą się między masami olbrzymów gazowych a masami najlżejszych gwiazd; granice masowe zależą od składu i wieku.
- Ze względu na niską jasność absolutną wykrywanie wymaga czułych obserwacji w podczerwieni i analizy ruchu własnego.
- Spektralnie wyróżniamy klasy L, T i Y, związane ze zmieniającą się chemią atmosfery i temperaturą powierzchniową.
Przykładowe wyszukania brązowych karłów prowadzono z wykorzystaniem danych z dużych przeglądów niektórych misji i instrumentów; katalogi i artykuły przeglądowe pomagają śledzić postęp w ich wykrywaniu i interpretacji danych. Dalsze obserwacje, zwłaszcza w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni, oraz pomiary ruchu własnego i paralaksy pozostają kluczowe dla dokładnego określania właściwości tych interesujących obiektów subgwiazdowych. Więcej danych empirycznych oraz omówienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej i przeglądach dotyczących obiektów subgwiazdowych, katalogów podczerwieni oraz badań atmosfer niskotemperaturowych.
Najbliższe młode i starsze populacje brązowych karłów pozwalają badać wpływ wieku na widmo i jasność oraz testować modele ewolucji chłodnych obiektów. Dzięki temu brązowe karły służą jako pomost między planetologią a fizyką gwiazdową, dostarczając informacji o formowaniu się układów planetarnych i warunkach w niskotemperaturowych atmosferach.
Przykładowe źródła i katalogi można przeglądać poprzez bazy danych i przeglądy poświęcone przeszukiwaniu nieba w podczerwieni oraz poprzez prace syntetyzujące obserwacje i modele teoretyczne dotyczące obiektów subgwiazdowych.
Przykład bliższy czytelnikowi: system WISE 1049-5319 jest jednym z bliższych i lepiej zbadanych przypadków, a jego analiza ukazuje, jak łączone obserwacje fotometryczne i spektroskopowe pozwalają na określenie mas, temperatur i wieku takich obiektów.
Odkrycie
O tym, co stało się znane jako brązowe karły, zaczęto mówić w latach 60. Proponowano alternatywne nazwy dla brązowych karłów, w tym planetarne i podkarłowate. Pozostawały one hipotetyczne przez dziesięciolecia.
Wczesne teorie sugerowały, że obiekt o masie mniejszej niż 0,09 masy Słońca nigdy nie przejdzie normalnej ewolucji gwiazdowej. Odkrycie spalania deuteru do masy 0,012 masy Słońca oraz wpływ formowania się pyłu w chłodnych zewnętrznych atmosferach brązowych karłów w późnych latach 80-tych postawiło te teorie pod znakiem zapytania. Jednak takie obiekty były trudne do znalezienia, ponieważ prawie nie emitują światła widzialnego. Ich najsilniejsza emisja odbywa się w podczerwieni (IR), a naziemne detektory IR były wtedy zbyt niedokładne, aby łatwo zidentyfikować brązowe karły.
Przez wiele lat wysiłki zmierzające do odkrycia brązowych karłów były bezowocne. W 1988 roku odkryto jednak GD 165B, który nie wykazuje żadnych cech oczekiwanych od niskomasywnej gwiazdy typu czerwonego karła. Dziś GD 165B jest uznawana za prototyp klasy obiektów nazywanych obecnie "karłami L". Chociaż odkrycie najchłodniejszego karła było bardzo znaczące w tamtym czasie, dyskutowano czy GD 165B powinna być sklasyfikowana jako brązowy karzeł czy po prostu gwiazda o bardzo niskiej masie, ponieważ obserwacyjnie bardzo trudno jest rozróżnić te dwie kategorie.
Wkrótce po odkryciu GD 165B pojawiły się doniesienia o innych kandydatach na brązowe karły. Większość z nich jednak nie doczekała się swojej kandydatury, ponieważ brak litu świadczył o tym, że nie są to obiekty gwiazdotwórcze. Prawdziwe gwiazdy wypalą swój lit w ciągu nieco ponad 100 milionów lat (my), podczas gdy brązowe karły nie. Co ciekawe, brązowe karły mają temperatury i jasności podobne do niektórych prawdziwych gwiazd. Innymi słowy, wykrycie litu w atmosferze obiektu oznacza, że jeśli jest on starszy niż 100 mln lat, jest to brązowy karzeł.
W latach 1994/5 badania brązowych karłów zmieniły się wraz z odkryciem dwóch wyraźnych obiektów podgwiazdowych (Teide 1 i Gliese 229B).
Pierwszy potwierdzony brązowy karzeł został odkryty w 1994 roku. Obiekt ten nazwano Teide 1 i znaleziono go w gromadzie otwartej Plejady. Nature podkreśliło "Brązowe karły odkryte, oficjalnie" na pierwszej stronie tego wydania. Odległość, skład chemiczny i wiek Teide 1 został ustalony, ponieważ znajduje się on w młodej gromadzie gwiazd Plejady. Masa Teide 1 jest 55 razy większa od masy Jowisza, a więc wyraźnie poniżej granicy masy gwiazdowej.
Bardziej godna uwagi była Gliese 229B, która miała temperaturę i jasność znacznie poniżej zakresu gwiazdowego. Co niezwykłe, jej widmo w bliskiej podczerwieni wyraźnie wykazywało pasmo absorpcji metanu na wysokości 2 mikrometrów, co wcześniej obserwowano jedynie w atmosferach planet olbrzymich i księżyca Saturna - Tytana. Odkrycie to przyczyniło się do powstania kolejnej klasy widmowej, jeszcze chłodniejszej niż karły L, znanej jako "karły T", dla której Gliese 229B jest prototypem.
Brązowy karzeł o masie poniżej 65 mas Jowisza nie jest w stanie spalić litu w procesie syntezy termojądrowej w żadnym momencie swojej ewolucji. Wysokiej jakości dane spektralne wykazały, że Teide 1 zachował początkową ilość litu z pierwotnego obłoku molekularnego, z którego uformowały się gwiazdy Plejad. Udowodniło to brak fuzji termojądrowej w jego jądrze.
Teide 1 był przez pewien czas uważany za najmniejszy obiekt spoza Układu Słonecznego, który udało się zidentyfikować dzięki bezpośrednim obserwacjom. Od tego czasu zidentyfikowano ponad 1800 brązowych karłów. Niektóre z nich znajdują się bardzo blisko Ziemi, jak na przykład Epsilon Indi Ba i Bb, para brązowych karłów związanych grawitacyjnie z gwiazdą podobną do Słońca około 12 lat świetlnych od Słońca, czy WISE 1049-5319 - układ podwójny brązowych karłów oddalony o około 6,5 roku świetlnego.
Problemy
Od kilku lat toczy się debata na temat tego, jakiego kryterium użyć do określenia granicy pomiędzy brązowym karłem o bardzo niskiej masie a olbrzymią planetą (~13 mas Jowisza). Jedna szkoła myślenia opiera się na formacji, a inna na fizyce wnętrza.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest brązowy karzeł?
A: Brązowy karzeł to obiekt zbudowany z takich samych materiałów jak gwiazdy, ale nie posiada masy wystarczającej do syntezy wodoru, która powoduje świecenie gwiazd, czyli nie jest zwykłą gwiazdą.
P: Dlaczego brązowe karły nie są uważane za zwykłe planety olbrzymie?
O: Brązowe karły nie są uważane za zwykłe planety olbrzymie, ponieważ świecą, co nie jest cechą charakterystyczną planet olbrzymich.
P: Dlaczego trudno jest znaleźć brązowe karły?
O: Brązowe karły są trudne do znalezienia ze względu na ich małą wielkość absolutną, mimo że jest ich wiele.
P: Jaki jest zakres masy brązowego karła?
O: Masa brązowego karła waha się pomiędzy najcięższymi gazowymi olbrzymami a najlżejszymi gwiazdami, przy czym górna granica wynosi około 75-80 razy więcej niż masa Jowisza.
P: Co się dzieje, gdy brązowy karzeł ma masę powyżej 13 MJ?
O: Uważa się, że gdy brązowy karzeł stopi deuter, ma masę powyżej 13 MJ.
P: Co się dzieje, gdy brązowy karzeł ma masę powyżej ~65 MJ?
O: Uważa się, że brązowe karły, które mają masę powyżej ~65 MJ, spalają również lit.
P: Jakiego koloru jest większość brązowych karłów dla ludzkiego oka?
O: Pomimo nazwy "brązowe" karły, większość z nich wydaje się być magenta dla ludzkiego oka.
Powiązane artykuły
Autor
AlegsaOnline.com Brązowy karzeł — obiekt subgwiazdowy, właściwości i obserwacje Leandro Alegsa
URL: https://pl.alegsaonline.com/art/14785
Źródła
- simple.wiktionary.org : brown dwarf
- commons.wikimedia.org : Brown dwarf
- carnegieinstitution.org : "Are they planets or what?" · web.archive.org
- universetoday.com : "Dense exoplanet creates classification calamity"
- astro.berkeley.edu : "Burgasser A.J. 2008. Brown dwarfs: failed stars, super Jupiters"
- iac.es : "Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC"
- nature.com : "Discovery of a brown dwarf in the Pleiades star cluster"
- spider.ipac.caltech.edu : spider.ipac.caltech.edu/staff/davy/ARCHIVE/index.shtml