Brązowy karzeł

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

Brązowy karzeł – obiekt gwiazdopodobny o masie zbyt małej (poniżej 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 gazowych planet odróżnia je to, że są zdolne do syntezy deuteru przynajmniej na początku istnienia i często występują samotnie w przestrzeni. Pierwszego brązowego karła zaobserwowano w 1995 roku. Określa się je czasem (potocznie) mianem niewypałów, nieudanych gwiazd bądź superplanet.

Cechy charakterystyczne

Najczęściej stosowanym kryterium pozwalającym odróżnić brązowe karły od niezbyt masywnych gwiazd 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. Temperatura niezbędna do zajścia tej przemiany jest niewiele niższa od temperatury potrzebnej do syntezy wodoru w hel. Ruchy konwekcyjne wewnątrz gwiazdy sprawiają, że zużyty zostaje cały lit. 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 charakterystyczną cechą brązowych karłów jest silniejsze promieniowanie w podczerwieni niż w innych długościach fal.

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 > 6% M_S), niewymagające tak wysokich temperatur jak pełny cykl protonowy. Po ich ustaniu karzeł wydziela zgromadzone ciepło - jego jądro ogrzewa się wcześniej nawet do kilku milionów kelwinów. Emituje głównie promieniowanie podczerwone oraz w wąskim zakresie światło widzialne, nadające mu brązowawą barwę. Z czasem brązowy karzeł stygnie, tym wolniej im większą ma masę, przeistaczając się w czarnego karła.

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 najczęściej spotykanym typem obiektów w Galaktyce. Trudność w ich wykrywaniu polega na bardzo małej jasności, która przy obecnym stanie techniki uniemożliwia dostrzeżenie obiektów lżejszych od kilkunastu mas Jowisza, o ile nie są składnikami układów podwójnych lub wielokrotnych. Obserwacje prowadzone w podczerwieni ukazywały dziesiątki brązowych karłów w każdym obszarze, gdzie zachodzą procesy gwiazdotwórcze.

Masywna planeta czy brązowy karzeł?

Część naukowców za brązowe karły uważa również wiele spośród odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych. Najczęściej stosowana technika pomiarów prędkości radialnej daje tylko dolne oszacowanie na masę obiektu, w związku z czym obiekt o masie minimalnej kilka razy większej niż masa Jowisza, w rzeczywistości może być znacznie masywniejszy. Jednakże 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.

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.

Wybrane brązowe karły

Oznaczenie	Odległość od Słońca (lata świetlne)	Masa (masy Jowisza)	Gwiazdozbiór	Uwagi
Gliese 229B	18	40	Zając	pierwszy odkryty brązowy karzeł
OTS 44	500	15	Kameleon	wyraźny dysk protoplanetarny
Epsilon Indi Ba; Bb	11,8	37-57; 21-35	Indianin	para brązowych karłów; najbliższe znane
TWA 5B	180	ok. 15-40	Hydra	emituje promieniowanie rentgenowskie
2M1207	173	21	Hydra	posiada planetę
CFBDS J005910.83-011401.3	40	ok. 15-40	Ryby	najzimniejszy ze znanych brązowych karłów
MOA-2007-BLG-192L	3000	41-93	Strzelec	posiada planetę

Atmosfera

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 byłyby podobne do tych na Jowiszu, ale nieporównywalnie gwałtowniejsze.

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

Dysk protoplanetarny

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

Zobacz też

• brązowy podkarzeł
• czerwony karzeł
• planemo