Холодные звёзды или горячие планеты?

1В закладки

EarthSky  | 5 сентября 2020 г.

Масса – это то, что отличает планеты от коричневых карликов и звёзд. Вот общее сравнение масс объектов.
Credit: NASA / Caltech/ R. Hurt (IPAC).

Бурые (коричневые) карлики – это класс объектов, которые более массивны, чем планеты, но менее массивны, чем звёзды. Насколько же велика эта разница?

Масса, с которой рождается звезда, определяет её судьбу. Звёзды – это объекты, рождённые с большими массами и, следовательно, с сильной гравитацией. Они как бы сжимают сами себя, создавая в собственных недрах высочайшие температуры. Высокие температуры и давление вызывают термоядерные реакции, которые позволяют звёздам сиять. Планеты имеют гораздо меньшие массы и более слабую гравитацию. В их недрах протекают совсем другие процессы и светят они, главным образом, отраженным от их звёзд светом. Бурые карлики находятся где-то между гигантскими планетами, такими как Сатурн и Юпитер, и самыми маленькими звёздами.

Для измерения массы бурых карликов астрономы обычно используют в качестве стандартной меры массу Юпитера. Верхним пределом для крупных газовых гигантов считается величина в 13 масс Юпитера. При массах объекта более 13 масс Юпитера, он будет уплотняться под действием гравитационных сил, в процессе становясь всё ярче и горячее. Однако этот процесс не может продолжаться вечно: такие объекты недостаточно массивны для поддержания стабильных термоядерных реакций, которые обеспечивают длительное свечение обычных звёзд .Величина, превышающая 80 масс Юпитера, является нижним пределом для появления настоящей звезды. В процессе гравитационного сжатия её недра разогреваются существенно сильнее – до десятков миллионов градусов Цельсия. Этой температуры уже достаточно, чтобы ядра атомов водорода (из которых состояло то самое первоначальное облако, а теперь состоит звезда) начали сливаться, образуя атомы гелия.

Таким образом, для удобства и простоты визуализации бурый карлик обычно определяется как любое тело, лежащее в диапазоне от 13 до 80 масс Юпитера.

Бурые карлики – это часть объектов, найденных в открытом космосе. Это изображение показывает центральную часть туманности Ориона, относительно близкую звёздообразующую область в нашей собственной галактике Млечный Путь. Изображение показывает область размером примерно 4 на 3 световых года.
Credit: Hubblesite

Что такое звезда?

Звезда – это большое скопление пыли и газа, которое сжалось из первичного облака благодаря гравитационной неустойчивости, которую могут вызвать различные процессы. Например, ударная волна от далёкой сверхновой может потревожить первобытное облако в космосе, спустя столетия или тысячелетия и на расстоянии многих световых лет. Облако теряет свою однородность, и области с несколько большей плотностью (и, следовательно, большей гравитацией) начинают притягивать более лёгкие молекулы.

Эволюции звёзд c различными начальными массами.
Credit: ESA

В процессе сжатия температура в центре звезды возрастает, и в её веществе начинают протекать термоядерные реакции (звезда начинает сплавлять дейтерий с обычным водородом, образуя молекулы гелия-3). Это происходит при низкой температуре (чуть менее 1 000 000 градусов Кельвина). Теперь звезда – это объект, находящийся в совершенном равновесии (пусть и временном) между силой, вызванной реакциями термоядерного синтеза в её ядре, и силой, вызванной её собственной гравитацией. Гравитация стремится как можно сильнее сжать звезду, а давление, наоборот, противостоит гравитации и стремится светило расширить. В результате получается прекрасный баланс: звезда.

Если бы не участие дейтерия в синтезе, самые крупные звёзды превышали бы Солнце по массе максимум в три, а не в в сотни раз. Термоядерный синтез дейтерия сохраняет звезду достаточно холодной, чтобы дать ей время накопить необходимую массу и начать синтез из «чистого» водорода (около 13 000 000 градусов К). К этому времени звезда довольно плотна и имеет достаточную гравитацию, чтобы противостоять расширению, так что температура внутри неё остается высокой.

Сравнение размеров звезды низкой массы, бурого карлика и планеты Юпитер. На этом изображении показано, что бурый карлик примерно на 15% больше Юпитера.
Изображение взято с: Викисклад

Что такое планета?

Когда более плотные области первичного облака начинают разрушаться под действием собственной силы тяжести, их скорость вращения увеличивается за счет сохранения момента импульса. Газ сжимается для образования звезды и сохраняет направление вращения.

Во время процесса звездообразования материал, который не поглотила звезда, образует вокруг неё протопланетный диск. Как следует из названия, в этих газопылевых дисках образуются планеты, вращающиеся вокруг своих звёзд. Этот протопланетный диск также будет вращаться в том же направлении, в котором вращается звезда.

Частицы пыли, содержащиеся в протопланетном диске, начинают сталкиваться друг с другом, образуя всё большие и большие по размеру тела, обладающие всё большим гравитационным полем. В конечном счёте это приведёт к появлению настоящих планет – либо скалистых миров, таких как Земля или Марс, либо газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн.

После образования звёзд и начала синтеза, солнечные ветра создают гелиосферу и сметают оставшийся от протопланетного диска газ и пыль в межзвёздное пространство, ознаменовав завершение процесса планетарного формирования.


Симуляция, которая иллюстрирует процесс формирования планет.

Планеты – это объекты с гораздо меньшей массой, чем звёзды. Вот концепция художника, показывающая сравнение трёх экзопланет в системе звезды Kepler-51 с некоторыми планетами в нашей собственной Солнечной системе.
Credit: NASA/ ESA/ STScI / CU Boulder Today.

В чём разница между звёздами и планетами?

Звёзды образуются благодаря коллапсу первичного облака газа и пыли. Следовательно, они имеют относительно низкое количество того, что астрономы называют металлами (для астрономов металличность относится к любому элементу тяжелее водорода и гелия). Звёзды обычно путешествуют либо сами по себе, либо в составе группы подобных им объектов. Они достаточно массивны, чтобы вызвать синтез в их ядрах.

Планеты формируются путем аккреции остатков в первичном облаке, после того как звезда собрала большую часть газообразного материала. Они образуются с гораздо меньшей начальной массой, чем звёзды, и поэтому имеют гораздо более слабую гравитацию. Более лёгкие элементы, такие как водород и гелий, столь распространенные в звёздах, имеют тенденцию избегать более слабого гравитационного притяжения планет. Таким образом, относительно звёзд, планеты имеют высокое содержание металлов. И да: обычно планеты вращаются вокруг звёзд.

Конечно, мы на самом деле не знаем, как выглядят бурые карлики. Они далеко, и мы никогда не видели их вблизи. Но вот как выглядит бурый карлик Luhman 16A в представлении художника, которое основано на недавних свидетельствах наличия юпитероподобных полос в его атмосфере.
Credit: Caltech/ R. Hurt (IPAC).

Что же остаётся бурым карликам?

Бурые карлики накапливают материал, как звёзды, а не как планеты. Они образуются из первичного газового облака и имеют большую массу, чем планеты. Их гравитация выше – поэтому они удерживают лёгкие элементы (водород и гелий) более эффективно, чем планеты. И имеют относительно низкое содержание металлов. Их единственный недостаток заключается в том, что они не собрали достаточно материала, чтобы начать синтез из водорода. Хотя они могут поддерживать сжигание дейтерия – до тех пор, пока он не закончится.

Астрономами были обнаружены бурые карлики, вращающиеся вокруг других звёзд на расстояниях 1000 астрономических единиц (AU) и более. Однако не все из них вращаются так далеко от своих звёзд; некоторые были найдены и на более близких расстояниях.

Таким образом, бурые карлики – это не планеты, а несостоявшиеся, недостаточно массивные звёзды.

Почему бурые?

Существование того, что сейчас мы именуем как бурые карлики, было впервые предложено в 1960-х годах астрономом Шивом С. Кумаром, который первоначально назвал эти объекты чёрными карликами. Он представлял их себе как тёмные субзвёздные объекты, свободно парящие в космосе и недостаточно массивные, чтобы поддерживать термоядерный синтез из водорода. Термин «бурый карлик» был придуман позже астрономом SETI Джилл Тартер в её докторской диссертации. Она хотела определить верхний предел максимальной массы, которой может обладать объект, прежде чем начать синтез из водорода, и таким образом стать полноценной звездой.

Но эти объекты явно не «бурые» – их температура находится в диапазоне от 300 до 500 Кельвин, поэтому они излучают только в инфракрасной части электромагнитного спектра. Поскольку имя «чёрный карлик» уже использовалось для описания объектов в конечной точке звездной эволюции, а имя «красный карлик» было занятно небольшими холодными звёздами, то пришлось пойти на компромисс. И смесь красного и чёрного оказалась не таким уж и плохим вариантом.


Если вы хотите чуть глубже погрузиться в мир бурых карликов, предлагаю вам посмотреть небольшой ролик от проекта “Космос просто”.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

28
Войдите, чтобы видеть ещё 25 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Дмитрий Олегович
Вечность назад

На планетах Бурих Карликів мають домінувати Темні Сили. Бо темно ж

Грустный Илон
Вечность назад

Спасибо Марку Романову за читку и чистку статьи)

Фёдор Дмитриевич
Вечность назад

Первое определение > Бурые карлики более 13 масс Юпитера - до 80 масс Юпитера На картинке: > На этом изображении показано, что бурый карлик примерно на 15% больше Юпитера. Я понимаю что масса и размер как бы разные вещи, но все равно как то мутно получается. То есть один объект минимум в 13 раз больше весит, но по размеру больше на 15%. Я понимаю если Юпитер весь из газа, а бурый карлик, скажем, из железа. Вроде бы ничего удивительного, но по логике недо-звезда состоит из водорода/гелия. Вся статья этим пронизана. А планеты наоборот растеряли практически все лёгкие газы. Может кто нить прояснить несоответствие массы размеру, или это опять художники-дизайнеры налажали.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.