Brązowy karzeł

Gwiazda 54 Piscium i krążący wokół niej brązowy karzeł 54 Psc B, sfotografowane przez Kosmiczny Teleskop Spitzera

Brązowy karzeł – obiekt gwiazdopodobny o masie zbyt małej (poniżej ok. 8% masy Słońca – 80 mas Jowisza), by mogły zachodzić w nim reakcje przemiany wodoru w hel, które są głównym źródłem energii gwiazd ciągu głównego. Od planet-olbrzymów odróżnia je to, że są zdolne do syntezy deuteru przynajmniej na początku swojego istnienia. Brązowe karły często występują samotnie w przestrzeni. Określa się je czasem (potocznie) mianem "niewypałów", "superplanet", bądź "nieudanych gwiazd".

Pierwszego brązowego karła, Gliese 229B, zidentyfikowano w 1995 roku. Wcześniej zaobserwowano inne obiekty, które też mogą być brązowymi karłami: GD 165B (w 1988) oraz HD 114762 b (w 1989). Szacuje się, że w naszej Galaktyce istnieje dwukrotnie więcej brązowych karłów niż zwykłych gwiazd, ale ich łączna masa stanowi do 15% masy Galaktyki.

Klasyfikacja

Podwójny brązowy karzeł (typ T9+Y0) CFBDSIR 1458+10 widziany w podczerwieni

Brązowe karły klasyfikuje się na podstawie typu widmowego, tak jak gwiazdy. Zalicza się je do czterech typów:

• Typ widmowy M (brązowe karły należą tylko do najpóźniejszych podtypów, od M6): dominują linie widmowe tlenków metali, zwłaszcza TiO i VO;
• Typ widmowy L: dominują linie wodorków metali i metali alkalicznych;
• Typ widmowy T (większość): charakterystyczne są podczerwone linie metanu,
• Typ widmowy Y (najchłodniejsze): występują linie amoniaku, przypuszczalnie mogą istnieć wodne chmury.

Brązowy karzeł po uformowaniu i krótkim okresie syntezy deuteru (pierwsze kilka milionów lat), ze względu na brak wewnętrznego źródła energii, stale stygnie. Typ widmowy brązowego karła odzwierciedla zatem jego wiek; wszystkie brązowe karły przez krótki czas są obiektami gorętszego typu L (2200-1400 K), a następnie przekształcają się w obiekty typu T i stygną dalej, ku typowi Y.

Charakterystyka obserwacyjna

Rozpoznawanie

Najczęściej stosowanym kryterium pozwalającym odróżnić brązowe karły od gwiazd o małej masie jest obecność litu, który występuje w gwiazdach jedynie przez krótki okres, na początku ich ewolucji. Zaraz po zapoczątkowaniu reakcji termojądrowych gwiazdy szybko tracą swój zapas tego pierwiastka poprzez reakcję ⁷Li z jądrem wodoru (protonem), której produktem są dwie cząstki ⁴He.

⁷Li + ¹H → 2 ⁴He + 17,347 MeV

Temperatura niezbędna do zajścia tej przemiany jest niewiele niższa od temperatury potrzebnej do przemiany wodoru w hel. Ruchy konwekcyjne wewnątrz gwiazdy sprawiają, że praktycznie cały lit trafia w obszar wysokiej temperatury i zostaje przekształcony w hel. W brązowych karłach pierwiastek ten zazwyczaj występuje (choć obiekty o masie większej od 0,06 masy Słońca „spalają” lit), tworząc w widmie łatwe do zaobserwowania linie, których nie ma w widmie gwiazdy.

Inną cechą brązowych karłów jest silniejsze promieniowanie w podczerwieni niż w innych długościach fal, wynikające z niskiej temperatury tych obiektów. Gwiazdy należące do późnych typów widmowych (M i L) również mają maksimum emisji w bliskiej podczerwieni, zgodnie z prawem Wiena, ale dla brązowych karłów może ono przypadać na dłuższe fale. Emitowane w wąskim zakresie światło widzialne nadaje im czerwonawą barwę.

Atmosfery

W 2002 roku na brązowych karłach odkryto ślady zmian pogodowych, wcześniej obserwowanych wyłącznie na planetach. Nieregularne wahania jasności wskazują, że obiekty te mogą posiadać nieprzezroczyste atmosfery, w których przy temperaturze rzędu 800-2500 °C powstają chmury z parujących metali, przede wszystkim żelaza. Zachodzące tam zjawiska atmosferyczne mogą być podobne do tych na Jowiszu, ale znacznie gwałtowniejsze.

W miarę ochładzania, coraz mniej związków chemicznych osiąga stan gazowy. Gdy chmury zanikną całkowicie, odsłonięcie powierzchni przypuszczalnie wywołuje nagły wzrost jasności karła.

Dyski protoplanetarne

Wizja artystyczna brązowego karła otoczonego dyskiem protoplanetarnym

Ostatnie obserwacje wykazały, że podobnie jak zwyczajne gwiazdy, brązowe karły we wczesnym stadium rozwoju bardzo często otoczone są przez dysk protoplanetarny. W jego wnętrzu mogą powstawać planetoidy, komety oraz planety.

Obiekt 2M1207b krążący wokół brązowego karła 2M1207 jest pierwszą sfotografowaną planetą pozasłoneczną (według jednej definicji), bądź - według innej definicji - brązowym podkarłem.

Powstawanie

Mechanizm powstawania brązowych karłów nie jest jeszcze całkowicie znany, ze względu na ubogi materiał obserwacyjny. Uważa się, że jest on podobny do procesu powstawania gwiazd, czyli w wyniku kolapsu obłoku molekularnego. Niewielka masa i niska temperatura brązowych karłów mogłaby sugerować, że potrzeba szczególnych warunków - chłodnego obłoku o dużej gęstości - aby przekroczyć masę Jeansa i zainicjować powstawanie takiego obiektu. Kłóci się to jednak z ich obserwowaną dużą liczebnością. Prawdopodobne jest, że powstają one w większych obłokach molekularnych, z których zostają w pewnym momencie wyrzucone w przestrzeń kosmiczną. Model zakładający wyrzucenie już uformowanego karła przewiduje, że obiekt taki będzie miał co najwyżej szczątkowy dysk protoplanetarny i jest mało prawdopodobne, aby posiadał towarzysza, podczas gdy obserwacje wskazują na znaczny odsetek podwójnych brązowych karłów (>15%) i istnienie dysków akrecyjnych o dużej masie. Innym problemem jest wyjaśnienie obecności brązowych karłów w gromadach otwartych, z których łatwo mogłyby zostać wyrzucone. Jeżeli jednak zostaje wyrzucona część wirującego obłoku, z której dopiero w późniejszym czasie uformuje się brązowy karzeł, to może on zachować dostatecznie dużo materii w swoim otoczeniu, aby powstał dysk lub towarzysz.

"Pustynia brązowych karłów"

Gwiazdom ciągu głównego dość często towarzyszą inne gwiazdy i planety, natomiast stosunkowo rzadko brązowe karły. Krążą one zazwyczaj po orbitach dalekich od głównego składnika (>100 j.a.), natomiast układów z brązowym karłem na bliskiej orbicie (<10 j.a.) jest bardzo mało. To zjawisko zostało nazwane "pustynią brązowych karłów" przez Geoffreya Marcy'ego, odkrywcę wielu planet pozasłonecznych. Prawdopodobnie ma ono przyczynę w odmiennej genezie planet i brązowych karłów. Także gwiazdy o małej masie, choć bardzo pospolite w Galaktyce, rzadko towarzyszą gwiazdom podobnym do Słońca.

Brązowe karły a gwiazdy

Współczesne modele stawiają granicę masy karła, poniżej której nie jest możliwa synteza wodoru w jądrze, pomiędzy 0,070 a 0,075 M_☉. Obiekty o masie wyższej niż 0,08 M_☉ są zdolne do podtrzymywania syntezy wodoru i świecą jako gwiazdy, podczas gdy te o masie mniejszej niż 0,07 M_☉ wypromieniowują tylko nagromadzone ciepło. Interesującym przewidywaniem modeli ewolucji jest istnienie, w wąskim zakresie mas, obiektów pośrednich. Ciała o masie ok. 0,075 M_☉ są zdolne do zainicjowania syntezy wodoru i podtrzymywania jej przez czas rzędu nawet 10¹⁰ lat, ale malejąca temperatura jądra (w związku z rosnącą degeneracją) ostatecznie przekracza wartość graniczną, synteza wygasa i obiekt stygnie dalej jak brązowy karzeł.

Początkowo źródłem energii brązowego karła o masie nie mniejszej niż 1,3% masy Słońca są reakcje jądrowe z udziałem deuteru (D + p → ³He), albo litu (jeśli masa karła przekracza 6% M_☉), niewymagające tak wysokich temperatur jak pełny cykl protonowy. Ustają one jednak po kilku milionach lat, a karzeł wydziela zgromadzone ciepło – jego jądro ogrzewa się wcześniej nawet do ok. 2 milionów kelwinów. Brązowy karzeł powoli stygnie, tym wolniej im większą ma masę.

Brązowe karły a planety pozasłoneczne

Obecnie przyjęta robocza definicja stwierdza, że każde ciało nie będące gwiazdą, o rzeczywistej masie powyżej 13 mas Jowisza (przy zawartości metali takiej jak w przypadku Słońca), jest brązowym karłem. Na tej podstawie część spośród odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych należałoby zaliczyć do brązowych karłów, chociaż można spotkać się z inną definicją, według której planetą jest każdy obiekt powstały w dysku protoplanetarnym wokół gwiazdy lub obiektu niegwiazdowego. Najczęściej stosowana technika pomiarów prędkości radialnej daje tylko dolne oszacowanie na masę obiektu, która może w związku z czym obiekt o masie minimalnej kilka razy większej niż masa Jowisza, w rzeczywistości może być znacznie masywniejszy. W niektórych wypadkach znane jest także nachylenie orbity planety, np. obserwowane są przejścia planet przed tarczą gwiazdy, co pozwala z całą pewnością stwierdzić, że nie mamy do czynienia z brązowym karłem.

Jednak niektórzy uczeni uważają, że na miano brązowego karła zasługują wszystkie obiekty, które formują się podobnie jak gwiazdy, bezpośrednio z zapadającej się chmury gazu i pyłu, a nie na skutek kolizji mniejszych ciał. Takie zjawiska mogą też zachodzić w dyskach protoplanetarnych i niewykluczone, że w ten sposób powstały np. Jowisz i Saturn w Układzie Słonecznym. Ta definicja ma więc poważną wadę – na jej podstawie można by uznać wszystkie gazowe olbrzymy za mało masywne brązowe karły.

Znane obiekty

Brązowy karzeł Gliese 229B (na prawo od gwiazdy Gliese 229A), na zdjęciach wykonanych w Obserwatorium Palomar oraz przez Teleskop Hubble'a (NASA)

Dotychczas odkryto kilkaset brązowych karłów, jednakże są one prawdopodobnie równie pospolite jak gwiazdy w Drodze Mlecznej. Główną trudnością w ich wykrywaniu jest bardzo mała jasność, która przy obecnym stanie techniki praktycznie uniemożliwia wykrycie obiektów o masach mniejszych niż kilkanaście mas Jowisza, o ile nie są składnikami układów podwójnych lub wielokrotnych. Obserwacje prowadzone w podczerwieni ukazują dziesiątki brązowych karłów w każdym obszarze, gdzie zachodzą procesy gwiazdotwórcze.

Wybrane brązowe karły

Oznaczenie	Odległość od Słońca (lata świetlne)	Typ widmowy	Masa (masy Jowisza)	Gwiazdozbiór	Uwagi
Gliese 229B	18	T7	40	Zając	pierwszy pewny brązowy karzeł
OTS 44	500	M9,5	15	Kameleon	wyraźny dysk protoplanetarny
WISE 1049-5319	6,5	L7,5 + T0,5		Żagiel	para najbliższych Ziemi brązowych karłów; trzeci najbliższy układ gwiezdny
TWA 5B	180		ok. 15-40	Hydra	emituje promieniowanie rentgenowskie
2M1207	173	M8	21	Hydra	posiada planetę
CFBDSIR 1458+10	75	T9 + Y0	ok. 6-15	Wolarz	składnik B: jeden z zimniejszych znanych
MOA-2007-BLG-192L	3000		41-93	Strzelec	posiada planetę
WISE J0254+0223	15	T8		Wieloryb	jeden z najbliższych Słońca
WISE J1741+2553	18	T9		Herkules	jeden z najbliższych Słońca
WISE 1828+2650	30	>Y2		Lutnia	najchłodniejszy znany
2MASS 2139	47			Wodnik	największe zmiany jasności
J1047+21					najchłodniejszy znany brązowy karzeł emitujący fale radiowe

Zobacz też

• brązowy podkarzeł
• czerwony karzeł
• planemo

Bibliografia

• I. Neill Reid, Suzanne L. Hawley: New Light on Dark Stars. Springer-Praxis, 2005. ISBN 3540251243.

Linki zewnętrzne

• Science: Brown Dwarfs (ang.). berkeley.edu. [dostęp 2012-05-05].