Альфа центавра

Как бурые карлики помогут раскрыть секреты формирования звёзд и планет?

Источник: Mark Ross

Дыши. Дыши. Я повторяла эти слова про себя как мантру. На высоте 5600 метров моё тело требовало кислорода, и мне пришлось сосредоточиться на том, чтобы лёгкие получали достаточное его количество. Я была на вершине Серро Токо, стратовулкана, возвышающегося над чилийским плато Чахнантóр, где сейчас находится ALMA – один из лучших радиотелескопов в мире. Разреженная атмосфера и бесплодная красная поверхность горы словно переносили меня на Марс. Мы с коллегами проводили анализ атмосферных условий на этой вершине. Если бы они оказались достаточно хороши, то это окупило бы значительные усилия на строительство обсерватории в столь удалённом высокогорном месте.

Атмосфера Земли создаёт учёным множество проблем, а облака, порой, сильно мешают астрономам-любителям, нацеливающим свои телескопы в ночное небо. Атмосферная турбулентность размывает свет звёзд, заставляя их хаотично двигаться и мерцать по мере приближения к горизонту. Содержащиеся в атмосфере молекулы, такие как водяной пар и углекислый газ, поглощают проходящий сквозь них свет, особенно инфракрасный.

Поскольку воздух на вершине Серро Токо сильно разрежен (о чём неоднократно напоминали мои горящие лёгкие), мы надеялись, что с помощью специального инфракрасного телескопа можно будет сделать много новых захватывающих открытий.

Жажда приключений, которая привела меня на эту вершину, также разбудила во мне интерес к инфракрасной астрономии, в рамках которой учёные изучают космос в свете, слишком красном для человеческого глаза. Такой свет обычно исходит от самых тусклых и отдалённых из наблюдаемых объектов. Одними из них, самыми заметными в этом диапазоне, являются бурые карлики. Когда я училась в аспирантуре в начале 2000-х, их тогда только-только начали открывать и они представляли из себя одну большую загадку. Я была очарована этими сверхъестественными объектами, которые занимают промежуточное положение между звёздами и планетами с точки зрения классификации. Мне было действительно интересно, где и как они сформировались и что собой представляли.

В ходе своих исследований я узнала, что бурые карлики не только занимательны сами по себе, но и являются краеугольным камнем для понимания нами как планет, так и звёзд, поскольку значения их температуры и массы колеблются между величинами, присущими этим двум классам небесных тел. Сейчас для меня и других астрономов, занимающихся бурыми карликами, настал отличный момент для исследований – множество подобных объектов всё ещё не обнаружены, но мы можем опираться на данные из предыдущих исследований, чтобы раскрыть новые детали физических процессов, проходящих в них. У нас наконец-то появились достаточно совершенные технологии, чтобы мы могли изучать особенности атмосфер бурых карликов, а также попытаться найти ответ на вопрос о том, могут ли эти тела иметь собственные планеты.

«Промежуточные» объекты

Большинство светил вырабатывают энергию в результате термоядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий. Этот удивительно стабильный процесс позволяет звёздам гореть с одинаковой температурой и яркостью миллиарды лет. Но если потенциальная звезда не достигает достаточно высоких температур или давлений, чтобы поддерживать горение водорода, то она становится бурым карликом с максимальной массой в 8 процентов от солнечной, или примерно в 80 раз больше массы Юпитера.

Последние исследования показывают, что бурые карлики встречаются почти так же часто, как и звёзды – они повсюду. Они были обнаружены в молекулярных облаках вместе с молодыми протозвёздами. Их также находили в двойных системах в паре с белыми карликами – финальной стадией эволюции звёзд, подобных Солнцу. Вероятно, бурые карлики могли пережить предшествовавший этой стадии этап, на котором звезда-компаньон превращалась в красного гиганта. Некоторые из соседних с Солнцем звёздных систем являются бурыми карликами – это третья и четвёртая ближайшие внесолнечные системы, на расстоянии 6,5 и 7,3 световых лет соответственно (самыми близкими к нам являются Альфа Центавра и звезда Барнарда). И всё же, несмотря на их повсеместное распространение, большинство людей никогда не слышали о бурых карликах.

Хотя у них отсутствуют необходимые условия для синтеза гелия из водорода, бурые карлики испускают свет – тепловое излучение из их горячих недр. Сначала их температура относительно высока (около 2700 градусов по Цельсию), но в по прошествии миллиардов лет они становятся значительно холоднее и постепенно затухают. Бурые карлики никогда не умирают – они остывают и угасают вечно. Самый холодный из известных бурых карликов имеет температуру ниже точки замерзания воды. Поскольку они такие холодные, большая часть излучаемого ими света приходится на инфракрасные волны. Они слишком тусклые, чтобы разглядеть их невооружённым глазом на ночном небе, но если бы мы могли взглянуть на них вблизи, они, вероятно, имели бы бледный оранжево-красный или пурпурный оттенок.

За более чем два десятилетия, прошедшие с тех пор, как астрономы начали изучать бурые карлики, мы сформировали довольно чёткое представление об их основных характеристиках. Как и наше Солнце, они почти полностью состоят из водорода. Однако температура в верхних слоях их атмосфер достаточно низкая, что способствует образованию самых разных молекул. Следы водяного пара отчётливо наблюдаются практически у каждого бурого карлика. По мере того, как они становятся холоднее, химический состав их атмосферы меняется: в ней начинают преобладать другие молекулы, а также появляются облака.

Эволюция атмосферы бурого карлика зависит от его массы и возраста. Представьте, например, небесное тело, масса которого в 40 раз больше, чем у Юпитера. В течение первых 100 миллионов лет оно будет иметь атмосферный состав, подобный наблюдаемому у красного карлика (красные карлики – класс небольших звёзд, большая часть которых относится к спектральному классу М – прим. ред.), со смесью оксида титана и оксида углерода. В период времени от 100 до 500 миллионов лет его атмосфера остынет, и в ней сформируются пылевые облака из таких минералов, как энстатит и кварц. Примерно через миллиард лет после этого облака распадутся, а доминирующей молекулой в верхних слоях атмосферы станет метан. У самого холодного из известных бурых карликов видны следы облаков из водяного льда, а также водяного пара и метана. Мы предполагаем, что его атмосфера содержит значительное количество аммиака, подобно тому, что мы наблюдаем на Юпитере.

Однако, несмотря на всё вышесказанное, мы ещё многого не знаем о бурых карликах.

Загадочная природа этих объектов послужила вдохновением для некоторых надуманных теорий. Когда-то бурые карлики считались возможным вместилищем тёмного вещества. От этой идеи быстро отказались, когда стало ясно, что они излучают свет (т.е. они не тёмные), и что их вклад в общую массу нашей галактики весьма невелик. Совсем недавно учёные предположили, что в прохладных верхних слоях атмосфер бурых карликов теоретически способная сформироваться жизнь – однако эта идея была задушена на корню экспертами по их изучению, поскольку всё говорит о том, что любая форма жизни так или иначе будет перемещаться в более глубокие слои атмосферы, где шансы на её выживание равны нулю.

А затем довольно широкое распространение в обществе получила мистификация, связанная с Нибиру. Это было озвученное в 1995 году пророчество, которое предрекало неизбежную катастрофическую встречу Земли с бурым карликом. Астрономы были бы очень рады увидеть такого бурого карлика вблизи, но нет никаких научных доказательств, подтверждающих этот сценарий конца света. К тому же, подобный объект будет виден за сотни или тысячи лет до вероятного столкновения.

Первые бурые карлики

Учёные предсказали существование бурых карликов ещё в 1960-х, основываясь на своём понимании процессов образования звёзд и планет. Казалось, что эта промежуточная категория объектов должна существовать, но астрономы не находили её присутствия в небе. Оказалось, что бурые карлики просто очень и очень тусклые, и большую часть света излучают в инфракрасном диапазоне. Технологии же, способные видеть в этом спектре, всё ещё находились в зачаточном состоянии – они просто не могли справиться с задачей наблюдения. Затем наступил довольно важный для астрономии 1995 год. Мишель Майор и Дидье Кело обнаружили 51 Pegasi b – первую экзопланету, вращающуюся вокруг обычной звезды. Но, возможно, гораздо более важным, по крайней мере для весьма предвзятой вашей покорной слуги (речь про Кейтлин Аллерс, которая и написала эту статьи – прим. ред.), было открытие первых бурых карликов.

Тейде 1 был обнаружен в знаменитом звёздном скоплении Плеяды. Астрономы Рафаэль Реболо Лопес, Мария Роса Сапатеро-Осорио и Эдуардо Л. Мартин впервые заметили его на оптических изображениях с 80-сантиметрового телескопа обсерватории Тейде на Канарских островах. Объект был молодым: он всё ещё слегка светился после своего формирования. Учёные смогли различить следы нескольких молекул в его атмосфере, в том числе лития. Звёзды обычно сжигают литий сразу после своего рождения, поэтому это удивительное открытие доказало, что у наблюдаемого объекта никогда не было термоядерного синтеза. Исследователи опубликовали свою находку в сентябре 1995 года.

Авторы иллюстраций: Ron Miller (объекты и атмосфера) и Jen Christiansen (Диаграмма Герцшпрунга – Рассела)

Два месяца спустя астрономы объявили об открытии второго бурого карлика, Gliese 229B, спутника другой звезды. Группа учёных из Калифорнийского технологического института и Университета Джона Хопкинса впервые увидела объект на инфракрасном изображении, полученном в Паломарской обсерватории. Они сразу поняли, что он весьма странный. Объект имел необычные цвета и сигнатуры метана в своей атмосфере. Она должна быть очень холодной, чтобы в ней присутствовал метан, поскольку при более высоких температурах эта молекула обычно превращается в угарный газ. Более поздние наблюдения показали, что диаметр этого бурого карлика близок к юпитерианскому (почти 129 тысяч километров), но при этом он в 70 раз массивнее самой большой планеты Солнечной системы.

К тому времени, когда я поступила в аспирантуру, мы обнаружили ещё больше бурых карликов, хотя и не особо много. Я тогда работала над созданием инфракрасных приборов, и мне нужна была тема для докторской диссертации. Мой научный руководитель изучал формирование звёзд, поэтому я решила поискать бурые карлики в областях звездообразования. В ходе работы я нашла множество этих объектов, в том числе таких, чьи массы были близки к планетарным. В то время мы не знали, как формируются бурые карлики и существует ли какой-либо минимальный порог их массы, но вскоре начали находить всё более компактные объекты.

В целом, в моей диссертации были упомянуты около 20 впервые обнаруженных бурых карликов, но это был значительный вклад в общее количество уже известных объектов. С тех пор, благодаря новым научным приборам, их было найдено намного больше. Наибольший вклад внёс проведённый в начале 2000-х инфракрасный обзор неба 2MASS, а также запущенный в 2009 году космический телескоп WISE. Текущее количество обнаруженных бурых карликов приближается к 3000. Однако предварительные оценки показывают, что их намного больше – Млечный Путь может содержать от 25 до 100 миллиардов подобных объектов.

Условия формирования

Бурые карлики представляют собой объекты с наименьшей массой, которые могут возникнуть в ходе звездообразования. Они дают астрономам уникальный шанс углубить наше понимание основных этапов рождения звёзд и планет. Звёзды образуются в смеси газа (в основном молекулярного водорода) и пыли, известной как молекулярное облако.

Если молекулярное облако имеет достаточно массы, гравитация способна преодолеть давление газа, заставив его схлопнуться в звезду. Во время коллапса любое небольшое вращение в облаке усиливается, подобно тому, как фигуристы быстрее крутятся вокруг своей оси, когда притягивают руки к телу. Подобное вращение материи в облаке приводит к образованию околозвёздного диска из вещества, окружающего зарождающееся светило, который затем становится местом для формирования планет.

Когда бурые карлики были впервые обнаружены, астрономы предполагали, что они могут возникать в процессе, аналогичном звездообразованию. Но их озадачил вопрос: как гравитация такой малой массы смогла преодолеть давление газа и вызвать коллапс? В процессе написания этой статьи я вспомнила о некоторых своих заявках на гранты и работу с телескопами, которые в основном касались изучения вопросов формирования бурых карликов. В то время существовало несколько конкурирующих идей на этот счёт.

Некоторые теории предполагали сбой в формировании звезды до того, как она достигала своей окончательной массы. Возможно, какой-то процесс уничтожает бурый карлик и его новорождённое окружение, оставляя после себя миниатюрную звезду?

Другие гипотезы предлагали аналогии со звездообразованием в меньшем масштабе или же планетообразованием в большем. Это прекрасный пример использования множества возможных теорий для создания чётких, поддающихся проверке прогнозов. Когда мы обнаружили повсеместное распространение околозвёздных дисков вокруг бурых карликов, получили распределение масс звёзд и этих самых бурых карликов в различных средах, а затем нанесли на карту орбиты последних в двойных системах, стало ясно, что большая их часть, похоже, сформировалась, как уменьшенные в масштабе звёзды из молекулярных облаков небольшого размера. А тот факт, что бурые карлики образуют вокруг себя околозвёздные диски, позволяет нам предположить, что в них находятся планеты. И хотя мы никогда не видели их воочию, весьма вероятно, что планеты могут возникать в этих дисках, также как и у звёзд. Учёные надеются, что в ближайшие годы наконец удастся отыскать миры, вращающиеся вокруг бурых карликов.

Недавно исследователи обнаружили изолированные бурые карлики, имеющие массу, как у планет-гигантов (менее чем 13 масс Юпитера), что снова подняло вопросы о том, как они могли сформироваться. Возможно ли, что некоторые из этих бурых карликов возникли в околозвёздных дисках более массивных светил – другими словами, образовались так же, как и планеты?

Чтобы проверить теорию механизма формирования таких планетоподобных объектов, мы с коллегами предложили провести наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл». Поскольку он находится на орбите, ему не мешает размытие и поглощение света атмосферой Земли, что делает его идеальным кандидатом для получения изображений двойных систем бурых карликов. Благодаря этим наблюдениям в 2020 году мы обнаружили уникальную систему, которая убедительно подтверждает наличие механизма, похожего на звездообразование у планетоподобных объектов. Система Oph 98 AB очень молода в масштабе Вселенной (ей всего три миллиона лет), а два небесных тела в её составе весят в 15 и 8 раз больше Юпитера.

Эти чрезвычайно маломассивные объекты разделены расстоянием в 200 раз большим, чем то, которое разделяет Землю и Солнце. Поскольку Oph 98 A и B настолько лёгкие и расположены так далеко друг от друга, система имеет самую низкую гравитационную энергию среди всех известных двойных. Столь слабая энергия означает, что эти тела, должно быть, сформировались в своей текущей конфигурации, а не возникли где-то ещё и позже стали парой. А это может указывать на наличие механизма подобного звездообразованию. К тому же, молодой возраст системы (да, мы считаем, что она моложе трёх миллионов лет!) означает, что объекты планетарной массы, по-видимому, формируются не дольше, чем звёзды.

Новые сведения

Наука о бурых карликах теперь достигла стадии, когда мы можем проводить гораздо более точные измерения и узнавать гораздо больше деталей об этих всё ещё загадочных объектах, чем когда-либо прежде. Среди наиболее интересных недавних открытий – самые холодные бурые карлики, относящиеся к спектральному классу Y (Y-карлики). Эти объекты имеют температуру от -23 до 177 градусов по Цельсию. Работая с ними, я постоянно шучу, что изучаю самые крутые системы в галактике (шутка основана на одинаковом написании в английском языке слов «крутые» и «прохладные» – «cool» – прим. ред.)! И хотя эти объекты не такие холодные, как Юпитер (-148 градусов по Цельсию), они всё же позволили нам провести первое значимое сравнение атмосферы бурых карликов и планет-гигантов Солнечной системы. Y-карлики действительно трудно наблюдать, потому что они одновременно холодные и очень тусклые. Они излучают свет преимущественно в инфракрасном диапазоне с длинами волн от трёх до пяти микрон, а земная атмосфера довольно сильно затрудняет подобные наблюдения.

Тем не менее, мы с коллегами опубликовали спектры нескольких Y-карликов и использовали теоретические модели, чтобы сделать вывод о наличии облаков из водяного льда, а также о значительном вертикальном перемешивании в их атмосфере. В том же диапазоне длин волн Юпитер излучает свой собственный свет (а не просто отражает свет Солнца) и также демонстрирует значительное вертикальное перемешивание в атмосфере.

Мы надеемся, что изучение Y-карликов поможет отделить характерные Юпитеру свойства, проистекающие из его планетарной природы (тот факт, что он образовался в околозвёздном диске Солнца и постоянно освещается солнечным светом), от свойств, которые могут быть общими для холодных газовых объектов, будь то планеты, экзопланеты или бурые карлики. На данный момент наши исследования показывают, что очень динамичная атмосфера, как правило, является нормой для подобных небесных тел.

Эти сведения об атмосфере бурых карликов привели к созданию нового направления в астрономии: экзометеорологии. И хотя эти объекты находятся слишком далеко, чтобы мы могли визуально изучить их атмосферные особенности, мы способны изучать их по изменениям яркости этих небесных тел. Когда облако или иной объект появляется или исчезает из поля зрения, он меняет количество света, исходящего от бурого карлика.

Астрономы проанализировали изменения яркости этих объектов и создали карты их пятен и полос, которые удивительно похожи на столь знакомые нам полосы из облаков и штормы планет-гигантов в Солнечной системе. Было показано, что у некоторых бурых карликов яркость колеблется в пределах 25 процентов за один оборот вокруг оси. Результаты этих исследований позволяют нам лучше понять основы их атмосферных процессов. Мы обнаружили, что бурые карлики, температура которых достигает значений, при которых распадаются облака, демонстрируют большие различия в яркости, а у молодых объектов, как правило, этот параметр отличается ещё сильнее.

Ученые обнаружили и другие сходства между бурыми карликами и планетами-гигантами. У тех и других, к примеру, есть сильные магнитные поля и полярные сияния, что подтверждается радионаблюдениями сигнатур заряженных частиц. Полученные значения напряжённости магнитного поля бурых карликов в 1000 раз сильнее в сравнении с Юпитером и в 10000 раз в сравнении с Землёй. Мне нравится представлять себе, как могло бы выглядеть ночное небо у бурого карлика: учитывая красоту земного полярного сияния, это, вероятно, было бы захватывающее зрелище.

А не так давно заданный студентом вопрос привёл к созданию другого проекта для сравнения атмосфер бурых карликов с планетарными. Когда я преподаю вводные курсы астрономии, мы изучаем планеты Солнечной системы (и, конечно же, я также делюсь множеством фактов о бурых карликах). Для затравки я рассказываю, что продолжительность юпитерианского дня зависит от того, как вы её измеряете. Если вы отслеживаете движение видимых объектов в экваториальной области Юпитера, вы измеряете период вращения, который на пять минут короче, чем измеренный радиосигналом, с помощью которого исследуется вращение его внутренних слоёв. Один студент спросил меня, почему возникает такая разница в периоде вращения, и я ответила, что это происходит из-за смещения объектов в экваториальных зонах Юпитера вследствие сильных локальных ветров. Ветры на Земле обусловлены влиянием Солнца, но мы не уверены, в какой степени это применимо к ветрам на Юпитере.

После лекции я продолжила размышлять об этом. Астрономы измерили радиоизлучение бурых карликов, которое возникает по тому же механизму, что и у Юпитера, поэтому мы можем измерить период вращения их внутренних слоёв. И мы можем использовать наш метод отслеживания изменения яркости для измерения периода вращения атмосферы. Так у меня впервые появилась идея измерить скорость ветра на буром карлике. Лучшим кандидатом, на котором мы опробовали эту идею, был метановый бурый карлик с подтверждённым наличием радиоизлучения. Чтобы определить скорость ветра, нам нужно было измерить оба периода с точностью по крайней мере в 30 секунд.

Мы с коллегами подали заявку на использование космического телескопа «Спитцер» для измерения вариаций яркости бурого карлика и комплекса радиотелескопов Very Large Array в Нью-Мексико для более точного измерения радиопериода. Кажется маленьким чудом тот факт, что наши измерения показали разницу в периоде вращения чуть более минуты, что соответствует скорости ветра в 2300 километров в час. В прошлом году мы опубликовали наши выводы в журнале Science. Столь высокая скорость ветра у одиночного бурого карлика означает, что атмосферные ветры не всегда являются следствием перераспределения солнечной энергии, оставляя открытым вопрос о том, движет ли ветрами Юпитера Солнце.

Астрономы продолжают поиски новых бурых карликов. Некоторые исследования сосредоточены на выявлении большого их количества с помощью глубоких обзоров всего неба, таких как 2MASS, WISE и Pan-STARRS. Гражданские учёные также участвовали в поисках этих небесных тел с помощью таких проектов, как Backyard Worlds, который позволяет любому желающему исследовать полученные с помощью WISE данные на предмет признаков присутствия бурых карликов и других движущихся объектов. Мы ожидаем, что предстоящие крупные исследования при поддержке обсерватории им. Веры Рубин (наблюдения должны начаться в начале следующего года) и космического телескопа им. Нэнси Грейс Роман (запуск которого запланирован на 2025 год) помогут ещё больше дополнить нашу перепись этих уникальных объектов.

К сожалению, мы не смогли получить финансирование на строительство обсерватории на Серро Токо, и она так и не была возведена. Но как только в этом году запустят космический телескоп им. Джеймса Уэбба, астрономы смогут увидеть бурые карлики в инфракрасном диапазоне без искажений со стороны атмосферы Земли. Первый запланированный цикл наблюдений включает в себя изучение химического состава атмосферы Y-карликов и состава пылевых облаков бурых карликов, а также поиск планетных систем у них. Для тех из нас, кто изучает эти столь недооценённые объекты, несомненно, наступают захватывающие времена.

Источник