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
АСТРОновости
Новости о самых интересных астрономических исследованиях и открытиях
Сколько коричневых карликов в окрестностях Солнца
Инфракрасный телескоп WISE обеспечил астрономам во время активной измерительной фазы в 2010 году обширные данные в четырех инфракрасных длинах волн. В настоящее время исследователи заняты тем, чтобы изучить и интерпретировать материал. При этом астрономами было отмечено, что эти объекты гораздо менее распространены в Пространстве, чем предполагалось ранее.
Исследовательская группа во главе с Дэви Киркпатриком (Davy Kirkpatrick) — Калифорнийский технологический институт — искала коричневые карлики в ближайших окрестностях Солнца на расстоянии нескольких десятков световых лет.
Коричневые карлики являются звездами, массы которых слишком малы, чтобы внутри них мог произойти синтез водорода в гелий — источник энергии большинства звезд. Таким образом, они могут только излучать тепловую энергию, которую они получили, и тепло, образующееся при медленном сжатии в течение миллиардов лет. Поэтому большинство из них слабо светится в инфракрасном диапазоне, некоторые из них имеют температуру всего около 25 градусов по Цельсию. При такой же величине, как Юпитер, массы коричневых карликов, превышают массу Юпитера в 13-75 раз.
Ранее астрономы предполагали, что на каждую настоящую звезду с реакцией ядерного синтеза внутри приходится один коричневый карлик. Теперь в непосредственном окружении Солнца выявлено, что это соотношение равно: один карлик к шести звёздам. До сих пор исследователи смогли найти в данных WISE, в общей сложности, 200 коричневых карликов, в том числе 13 самого холодного класса Y, температура поверхности которых ниже 170 градусов по Цельсию. После определения, каково их расстояние от Солнца, методом параллакса, исследовательская группа отметила, что существует 33 коричневых карлика на расстоянии 26 световых лет от нашего светила. В этом же объеме сейчас известно 211 звезд, в результате чего на каждого коричневого карлика приходится 6,4 звезды.
Сколько коричневых карликов в окрестностях Солнца вычислили астрономы Фото: NASA/JPL-Caltech
На этой карте показаны ближайшие космические окрестности нашего Солнца на расстоянии 30 световых лет. Она основана на данных измерений и представляет ряд звезд и коричневых карликов на верном удалении друг от друга и от Солнца. Каждая звезда коричневый карлик, находящаяся от Солнечной системы на расстоянии 26 световых лет, отмечена кружком. Синие кружки представляют известные ранее коричневые карлики, красные — открытые с помощью WISE. Красными точками обозначены красные карлики, наименее массивные звезды, в которых есть синтез атомов водорода в гелий. Ни один коричневый карлик в солнечной системе, конечно же не обнаружен.
Астрономы предполагают, что этот результат следует рассматривать как предварительный. Они считают, что в данных WISE ещё, возможно, найдутся коричневые карлики, которые могут привести соотношение к 5:1 или 4:1. Однако паритет исследователи полностью исключают. До сих пор не найдены коричневые карлики, которые находились бы к нам ближе, чем ближайшая к солнечной системе звезда Проксима Центавра, от которой нас отделяют 4,2 светового года. Ближе могут находиться свободно передвигающиеся планеты с массами в несколько масс Юпитера, которые испускают настолько малое инфракрасное излучение, что их не смог уловить, как пишет pravdatvcom.wordpress.com , даже инфракрасный телескоп WISE. Некоторые астрономы считают, что таких одиноких миров без солнца, путешествующих по нашей Галактике, может быть много миллиардов.
Небольшой фильм, в котором каждый найденный коричневый карлик отмечен кружком, сделан с помощью данных телескопа WISE.
Источник
Коричневый карлик — большая планета или маленькая звезда?
Когда коричневый карлик перестает быть звездой, а становится лишь газовым гигантом? И когда газовый гигант перестает быть планетой? Эти вопросы волновали астрономов долгие годы, для решения которых были пересмотрены определения для больших астрономических объектов нашей Солнечной системы.
Некоторые астрономы выдвигают свои решения для классификации таких объектов, основываясь не на их массе, а на том как они образовались и на том какие у них соседи. Астрофизик Кевин Шлауфман в своей работе предложил новую классификацию для решения задачи по определению коричневых карликов. Масса является простой для понимания частью этого нового определения, но не единственным фактором. То как объект образовался является столь же важной частью.
Шлауфман установил пределы для объектов, которые мы должны называть планетами. Верхний предел находится от 4 до 10 масс крупнейшей планеты Солнечной системы, Юпитера. Объекты с большей массой уже будут являться коричневыми карликами.
Коричневых карликов также называют «неудавшимися звездами», поскольку во время своего образования они не смогли набрать достаточное количество массы, чтобы стать полноценной звездой.
Именно улучшение методов наблюдения за другими звездными системами привели к необходимости создания новых определений. Раньше мы использовали только свою Солнечную систему как пример. Сейчас же нашему взору открыт доступ к огромному множеству других систем. Шлауфман провел наблюдения за 146 звездными системами, что позволило ему довольно сильно продвинуться в понимании коричневых карликов и в формировании планет.
Звездные системы формируются их газопылевого облака. Облако под действием собственной гравитации начинает сжиматься, что в итоге приводит к образованию одной или нескольких звезд в центре. Они начинают светиться при помощи ядерных реакций, происходящих в их недрах, таким образом становясь одной из звезд, которые мы наблюдаем на ночном небе. Оставшееся облако продолжает вращаться вокруг новой звезды, после чего из него образуются планеты. Этот пример является простой версией образования звездной системы.
В нашей Солнечной системе образовалась только одна звезда — Солнце. Газовые гиганты Юпитер с Сатурном образовались уже из оставшегося материала. Юпитеру досталась львиная доля, что сделало его самой большой планетой. Но что если бы условия были другими и Юпитер продолжил расти? Опираясь на работы Шлауфмана, планете пришлось бы вырасти еще в 10 раз, чтобы стать коричневым карликом. Но на этом новое определение коричневых карликов не заканчивается.
Металличность и Химический состав
Масса является лишь частью определения. Что реально стоит за новой классификацией, так это то каким образом объект сформировался. За этим стоит концепция металличности звезд.
Звезды имеют металлическую составляющую. В астрофизике это означает, что часть массы звезды составляют химические элементы кроме водорода и гелия. Поэтому любой элемент начиная с лития называют металлом. Именно из этих металличных материалов и образуются каменные планеты, как наша Земля. В ранней Вселенной был только водород и гелий, включая совсем ничтожное количество следующих двух элементов (лития и бериллия). Поэтому первые звезды были практически не металличными.
Но сейчас, спустя 13.8 млрд лет с рождения Вселенной, молодые звезды, такие как Солнце, имеют намного больше металла в своих недрах. Все потому, что предыдущие поколения звезд живя и умирая создали более тяжелые элементы, чем водород и гелий. Наше Солнце образовалось примерно 5 млрд лет назад и оно имеет металлы в своих недрах с самого своего рождения. Так или иначе, Солнце сделано преимущественно из водорода и гелия, но примерно 2% от его массы составляют другие элементы. В основном это кислород, углерод, неон и железо.
Опираясь на работу Шлауфмана мы можем найти различие между газовыми гигантами, как Юпитер, и коричневыми карликами по природе звезды вокруг которой они вращаются. Типы планет, которые формируются вокруг звезд, показывают металличность самой звезды. Газовые гиганты типа Юпитера обычно обращаются вокруг звезд с металличностью равной нашему Солнцу или немного превышающей его. Но коричневые карлики не привередливые, они могут образовываться вокруг любых звезд. Но почему?
Коричневые карлики и планеты формируются по-разному
Планеты подобные Юпитеру формируются при помощи аккреции , то есть в движущемся облаке вещества вокруг звезды. Сначала формируется каменное ядро, а затем образуется газовая оболочка. Когда процесс закончен, мы получаем газового гиганта. Но чтобы это стало возможным, необходимы металлы. Если металлы присутствуют в каменных ядрах планет, то это будет означать о наличии определенного количества металла в звезде.
Источник