Коричневые карлики (или бурые карлики) — субзвёздные объекты, обладающие промежуточными физическими характеристиками между планетами и звёздами. Их масса лежит в диапазоне приблизительно от 0,013 до 0,075 . Коричневые карлики могут поддерживать термоядерные реакции в своих недрах, но мощность этих реакций никогда не сравнивается с их собственной светимостью, поэтому такие объекты не выходят на постоянную светимость, как звёзды, а сжимаются и тускнеют.
Коричневые карлики имеют очень низкую светимость и температуру: светимость составляет менее 0,04 , а обычно — на порядки меньше; температура не превышает 2800 K, а у самых холодных коричневых карликов — около 300 K. Радиус коричневых карликов, вне зависимости от их массы, близок к радиусу Юпитера. В центральных областях некоторое время происходят термоядерные реакции: ядерное горение дейтерия может идти даже в самых легких коричневых карликах, а более массивные способны поддерживать ядерное горение лития и даже ядерное горение водорода. Однако дейтерий и литий быстро исчерпываются, а горение водорода в коричневых карликах быстро прекращается, в отличие от звёзд.
Несмотря на эти отличия коричневых карликов от звёзд и планет, отличить эти объекты друг от друга на практике бывает затруднительно. Самые массивные и молодые коричневые карлики имеют светимость, сравнимую с самыми тусклыми звёздами, а старые и легкие схожи с планетами-гигантами. В первом случае для определения типа объекта можно измерить количество лития, который звёзды расходуют быстрее коричневых карликов, а во втором — ускорение свободного падения у поверхности, которое у коричневых карликов значительно больше, чем у планет. Коричневые карлики могут принадлежать к одному из четырёх спектральных классов (приведены в порядке убывания температуры): M, L, T, Y. К первым двум классам также могут принадлежать лёгкие звёзды.
Коричневые карлики в основном формируются так же, как и звёзды: путём коллапса молекулярных облаков, хотя возможно, что легкие коричневые карлики формируются, как планеты, в массивных околозвёздных дисках. Во втором случае они должны иметь твёрдое ядро и должны быть способны поддерживать термоядерные реакции. Как и звёзды, после формирования коричневые карлики некоторое время поддерживают горение дейтерия, а после его исчерпания выделяют энергию за счёт сжатия. В отличие от звёзд, коричневые карлики не выходят на главную последовательность, где они достигали бы равновесия за счёт термоядерных реакций, а прекращают сжатие из-за вырождения вещества и кулоновского отталкивания. Предположительно, в конце своей эволюции, лишившись источников энергии, коричневые карлики продолжают тускнеть, превращаясь в чёрных карликов.
Существование коричневых карликов предсказал теоретически Шив Кумар в 1963 году, а в 1995 году они были обнаружены; первым подтверждённым считается Глизе 229 B. В дальнейшем теоретические модели коричневых карликов улучшались, а инфракрасные обзоры неба привели к открытию большого их числа. На 2019 год известно более 11 тысяч таких объектов.
Характеристики
Определение
Коричневые карлики (или бурые карлики) — субзвёздные объекты, по физическим характеристикам промежуточные между планетами и звёздами. В отличие от планет, они могут поддерживать термоядерные реакции в своих недрах (см. ниже). Однако в отличие от звёзд, коричневые карлики никогда не достигают мощности энерговыделения в реакциях, достаточной для того, чтобы скомпенсировать затраты на собственную светимость. Из-за этого они вынуждены выделять энергию за счёт сжатия и тускнеть, не выходя на постоянную светимость. Это определяет граничные значения масс коричневых карликов: максимальная масса составляет 0,075 (75 ) для объектов с солнечным химическим составом, а минимальная принята равной 0,013 (или 13 ) как минимальная масса для горения дейтерия, хотя эти значения немного меняются в зависимости от химического состава (см. ниже). В связи с этим коричневые карлики иногда называют неудавшимися звёздами.
Иногда используют другое определение, которое отделяет коричневые карлики от планет по происхождению: коричневыми карликами считают объекты, сформировавшиеся подобно звёздам (см. ниже). Согласно этому определению, коричневыми карликами считаются также объекты, сформировавшиеся подобно звёздам, но имеющие массу менее 13 и неспособные поддерживать термоядерные реакции. Напротив, более массивные объекты, сформировавшиеся как планеты, под это определение не подходят и иногда не считаются коричневыми карликами. Однако Рабочая группа по внесолнечным планетам () Международного астрономического союза приняла решение использовать в качестве границы между планетами и коричневыми карликами именно возможность горения дейтерия в объекте. Объекты же, сформированные подобно звёздам, но имеющие меньшую массу, называются субкоричневыми карликами.
Общие параметры У самых массивных коричневых карликов светимость в первые миллионы лет жизни не превышает 0,04 , а температура обычно составляет менее 2800 K. У менее массивных объектов эти значения ещё ниже, кроме того, со временем температура и светимость убывают (см. ниже). Так, например, типичный коричневый карлик массой 0,04 и возрастом 1 миллиард лет будет иметь температуру около 1270 K, а светимость ― 2 , а температура самых холодных из известных составляет 300 K. Коричневые карлики излучают в основном в инфракрасном диапазоне, их видимый цвет — тёмно-красный. Радиусы этих объектов близки к радиусу Юпитера (см. ниже). Как и у звёзд, у некоторых коричневых карликов есть планеты.
Для коричневых карликов характерно быстрое вращение: период вращения некоторых из них составляет около 2 часов, а скорость вращения близка к первой космической скорости — для сравнения, период вращения Юпитера составляет 10 часов. Коричневые карлики, как и звёзды, приобретают такую скорость вращения при формировании, но, в отличие от них, не теряют угловой момент в дальнейшем: их атмосферы не имеют заряда, поэтому коричневые карлики не испытывают .
Строение Центральная температура самых массивных коричневых карликов может доходить до 3 K. Центральная плотность со временем может достигать г/см3. Для сравнения, у Солнца эти параметры составляют соответственно 1,5 K и г/см3. При таких условиях в центральных областях могут проходить термоядерные реакции (см. ниже).
При условиях, которые достигаются в ядрах таких объектов, их сжатию с определённого момента препятствует внутреннее давление. Для массивных коричневых карликов оно вызвано электронным вырождением, как в белых карликах — энергия Ферми может более чем на порядок превышать энергию частиц. Для маломассивных коричневых карликов основной вклад в давление вносит кулоновское отталкивание частиц, как в недрах планет. В любом случае, собственное притяжение коричневых карликов уравновешивается давлением вырожденного газа, и, таким образом, радиусы коричневых карликов очень слабо зависят от их масс — как и близки к радиусу Юпитера. Водород в их ядрах находится в металлическом состоянии. Также возможно существование коричневых карликов с твёрдыми ядрами, такими как у планет (см. ниже).
Коричневые карлики полностью конвективны, как и самые маломассивные звёзды. Исключение составляют лишь наиболее холодные коричневые карлики, в которых конвекция также играет важную роль, но не распространяется до самой поверхности объекта.
В атмосферах коричневых карликов температуры достаточно низки, в них могут существовать молекулы и формироваться частицы пыли. При температурах менее 2500 K в атмосферах коричневых карликов могут образовываться облака. Вероятно, из-за быстрого вращения коричневых карликов облака должны образовывать узор, подобный тому, который наблюдается у Юпитера, а в атмосферах происходят метеорологические явления, подобные тем, что имеют место у планет-гигантов.
Нуклеосинтез Как и в звёздах, в коричневых карликах могут происходить некоторые термоядерные реакции. В первую очередь это горение дейтерия, которое достигается даже в самых маломассивных коричневых карликах и необходимая температура для которого — 5 K. Достаточно массивные коричневые карлики — c массами более 0,055—0,060 также способны поддерживать горение лития, для которого температура в ядре должна составлять не менее 2 K. Однако дейтерий и литий — достаточно редкие элементы и быстро исчерпываются в реакциях (см. ниже). Самые массивные коричневые карлики, с массами более 0,060—0,065 способны достигать центральных температур в 3 K и сжигать водород в своих недрах, но, в отличие от звёзд, в коричневых карликах горение водорода через небольшой срок после начала прекращается. +Сравнительные характеристики звёзд, коричневых карликов и планетТип объектаМасса ()Термоядерный синтезНаличие элементовH → HeD → HeLiDЗвезда0,1―0,075ДлительныйКороткийНетНетКоричневый карлик0,075―0,065КороткийКороткийЕстьПри массе более 0,055—0,060 — только в начале.НетКоричневый карлик0,065―0,013НетКороткийЕстьНетПланета< 0,013НетНетЕстьЕсть
Распространённость Из-за невысокой яркости коричневых карликов их обнаружение и определение их распространённости довольно затруднительно. По данным Gaia, в пределах 10 парсек от Земли насчитывается 85 коричневых карликов и три кандидата в коричневые карлики, а звёзд в этой области находится 373. До обнаружения первых коричневых карликов существовала гипотеза, что они могут быть кандидатами на роль барионной тёмной материи во Вселенной, но после их обнаружения и первых оценок их распространённости стало ясно, что они составляют лишь малую часть массы Млечного Пути и не могут составлять значительную долю массы тёмной материи.
Чаще всего коричневые карлики являются одиночными, к двойным системам принадлежит около 20 %. Особенность таких систем состоит в том, что практически во всех из них расстояние между звездой и коричневым карликом составляет более 3 астрономических единиц. В отличие от коричневых карликов, звёзды в двойных системах нередко располагаются близко друг к другу, как и планеты-гиганты к звёздам. Такая особенность получила название «пустыни коричневых карликов».
Начальная функция масс коричневых карликов является продолжением таковой для маломассивных звёзд.
Наблюдательные особенности Несмотря на физическую обособленность коричневых карликов от звёзд и планет, отличить эти объекты от коричневых карликов на практике бывает затруднительно, если невозможно измерить массу по орбитальным параметрам в двойных системах. Например, в спектрах коричневых карликов и звёзд нет заметных спектральных особенностей, с помощью которых можно однозначно различать звёзды и коричневые карлики.
Отличия от звёзд Так как коричневые карлики и маломассивные звёзды полностью конвективны, химический состав на поверхности таких объектов совпадает с таковым в центральных областях. Таким образом, теоретически, по наличию или отсутствию тех или иных элементов возможно различать звёзды и коричневые карлики.
Так, например, срок сгорания лития уменьшается с ростом массы объекта и в самых маломассивных звёздах составляет около 100 миллионов лет. Значит, наличие этого элемента в более старом объекте будет являться признаком того, что это коричневый карлик, и, напротив, отсутствие лития в более молодом объекте указывает на то, что это маломассивная звезда. Подобная методика получила название литиевого теста (). Тем не менее, литиевый тест несовершенен, поскольку возраст объекта не всегда возможно определить. Также отличительной чертой достаточно старых коричневых карликов является наличие метана.
Кроме того, самые маломассивные звёзды имеют светимости порядка , следовательно, объекты с меньшими светимостями являются коричневыми карликами. Однако обратное неверно: на ранних стадиях эволюции, пока коричневый карлик сжимается и сжигает дейтерий в недрах, он может быть значительно ярче и его светимость может достигать 0,04 . Поэтому светимость не всегда однозначно определяет тип объекта.
Отличия от планет