Пекло вічного дня: як ненароджена зірка виявилася гарячішою за Сонце

Астрономи виявили дивовижну пару з нещодавно відгорілої і так і не народженої зірки. Обидві вони гарячіші за наше Сонце, що перебуває в доброму здоров’ї. У палаючій атмосфері “недозірки” вирують вітри неймовірної сили і навіть молекули розпадаються на частини. Naked Science розповідає, як такі об’єкти можуть допомогти в дослідженні далеких планет.

Нещодавно астрономи прозвітували про виявлення дивовижного дуету. Це білий і коричневий карлики, що утворюють незвичайно тісну пару. Білий карлик — розпечене ядро ​​зірки, що недавно відгоріла. Коричневий — навпаки, зародок, якому не вистачило маси, щоб стати справжнім світилом. В одній його півкулі панує вічний день, і жаркі промені білого карлика роблять коричневий карлик гарячою більшості зірок.

На той момент про відкриття повідомлялося в препринті, який ще не пройшов перевірку вченими-рецензентами. Тепер стаття про нього вийшла у престижному журналі Nature Astronomy . У зв’язку з цим Naked Science ділиться подробицями дослідження та розповідає, чому подібні пари так цікавлять астрономів. А ще ми поговоримо про те, звідки беруться коричневі карлики та як вчені їх знаходять.

Багатоликі карлики

В астрономії слово “карлик” означає зірку невеликої світності. Понад 90 відсотків зірок у Галактиці — саме карлики: червоні, оранжеві чи жовті, як Сонце. Білі та коричневі карлики стоять окремо. У них немає термоядерних реакцій, тому чи треба їх називати зірками, спірне питання. Різниця між білим і коричневим карликом у тому, що у першому термоядерні реакції вже закінчилися, а у другому вони до ладу так і не почалися.

Про природу карих карликів ми поговоримо нижче, а поки коротко розповімо, звідки беруться білі. Коли невелика зірка (менше 8-10 мас Сонця) закінчується «паливо», її зовнішні шари перетворюються на туманність, яка поступово розсіюється. Ядро світила стає білим карликом. Спершу він дуже гарячий: близько 50 тисяч градусів на поверхні. Потрібні багато мільярдів років, щоб він остаточно охолонув і перестав світитися.

Нерівний шлюб

Білий карлик WD 0032-317 знаходиться за 1400 світлових років від Землі в південному сузір’ї Скульптора. Його маса – 40 відсотків сонячної, а радіус – близько трьох земних. Для білих карликів з їхньою величезною щільністю це типові параметри. Незвичайна хіба температура: 37 тисяч градусів. Це означає, що батьківська зірка зруйнувалася близько мільйона років тому, і білий карлик майже не охолонув. Для порівняння: температура поверхні Сонця менше шести тисяч градусів.

Ще близько 20 років тому вчені запідозрили, що цей об’єкт має супутника, точніше компаньйона, разом з яким вони звертаються навколо загального центру мас. Тоді астрономи вважали, що пара WD 0032-317 складає інший білий карлик.

Автори нового дослідження проаналізували дані найбільшого у світі телескопа VLT, отримані у 2019-2020 роках, та з’ясували, що компанію WD 0032-317 становить зовсім інше небесне тіло – коричневий карлик. Як заведено в астрономів, його позначили WD 0032-317B. Літера B означає друге тіло у системі.

Завдяки масі у 75-80 юпітерів WD 0032-317B претендує на звання найпотужнішого з відомих коричневих карликів. Йому зовсім трохи не вистачило маси, щоб у його надрах почалися термоядерні реакції та перетворили його на зірку. Втім, за радіусом він навіть дещо менший за Юпітер. Це загальна властивість коричневих карликів. Будучи в десятки разів масивніше планет-гігантів, вони стиснуті своєю гравітацією до цілком планетних розмірів.

За цю схожість планетологи дуже цінують коричневі карлики. Завдяки близькості розмірів коричневий карлик є досить близьким аналогом планети. Але оскільки він масивніший, його легше відкрити та вивчити .

Замінник планет

Навіщо вченим «замінник, ідентичний натуральному» за наявності майже 5500 відомих екзопланет ? Тому, що планета планеті різниця. Наприклад, астрономи давно цікавляться, як поводяться атмосфери планет-гігантів, розігріті до температури маленької зірки. Теорія передбачає, що молекули там повинні розвалюватися на атоми від убивчого жару та ультрафіолетового випромінювання, а атмосфера поступово витікатиме в космос.

Щоб нагріти планету до чотирьох тисяч градусів та вище, потрібно світило з температурою щонайменше 10-20 тисяч градусів. У таких гарячих зірок непростий характер. Вони масивні, активні, що швидко обертаються навколо своєї осі. У подібних світил дуже важко шукати екзопланети. Як показує приклад WD 0032-317, у ролі грілки може виступити і молодий білий карлик. Ось тільки планеті дуже важко пережити перетворення її сонця на білий карлик.

У результаті астрономів є рівно один «екземпляр пекла» — екзопланета KELT-9b, найгарячіша з відомих планет (близько 4300 градусів).

Один об’єкт — краще, ніж нічого, але все-таки замало для впевнених висновків. Ось тут і приходять на допомогу тісні пари із зірки та коричневого карлика.

Члени солодкої парочки WD 0032-317 знаходяться так близько один до одного, що повний оберт навколо центру мас роблять менш ніж за дві з половиною години. Через таку близькість коричневий карлик завжди повернутий до білого однією стороною, як Місяць до Землі. Його денний бік розпечений до восьми-дев’яти тисяч градусів. Вона гарячіша за Сонце і взагалі більшості зірок. При цьому температура нічної сторони лише близько двох тисяч градусів.

При такому своєрідному кліматі на WD 0032-317B повинні творитися дуже цікаві речі. Наприклад, повинні існувати потужні вітри, які переносять тепло з гарячої сторони на холодну.

Щоб дізнатися про всі подробиці, потрібно вивчити спектр системи WD 0032-317 у видимому світлі та інфрачервоних променях. Хвилі різної довжини будуть випромінюватись на різній висоті над поверхнею коричневого карлика. У такій розжареній атмосфері не може бути хмар, тому астрономи зможуть просканувати її на велику глибину. Ці спостереження – справа майбутнього.

Як не стати зіркою

Поговоримо докладніше про коричневих карликів, цих невдалих зірок.

Зірка утворюється з хмари пилу та газу, що стискується під дією власної гравітації. Стискаючись, речовина нагрівається: багато хто відчував, як тане грудку снігу, сильно стиснуту в долоні. Чим більша маса протозірки, тим сильніше гравітація, що її стискає. Отже, тим більша температура і тиск встановлюються в її надрах. Якщо протозірка досить масивна, температура і тиск сягають межі, у якому запускається pp-цикл. Так називається ланцюжок термоядерних реакцій, у якому протони об’єднуються і перетворюються на ядра гелію (pp означає «протон-протонний»). Протони – це ядра атома водню, точніше його найпоширенішого ізотопу – протию. На проти доводиться понад 90 відсотків атомних ядер у Всесвіті взагалі і в зірках зокрема. Не дивно, що саме pp-цикл – основне джерело енергії зірок.

Наскільки масивною має бути протозірка, щоб у її надрах почався pp-цикл і перетворив її на зірку? 1963 року американський астрофізик Шив Кумар розрахував, що мінімальна маса — приблизно сім відсотків сонячної (або близько 70 мас Юпітера). Ця цифра відома як межа Кумара.

А якщо маса протозірки мало не дотягує до краю? Що ж, стиск розігріє її до цілком пристойних температур: понад дві тисячі градусів на поверхні і до трьох мільйонів градусів у центрі. Для pp-циклу обмаль, але якісь термоядерні реакції запускаються: в гелій перетворюються ядра дейтерію. Дейтерій – другий ізотоп водню, у його ядрі, крім протона, є ще нейтрон. У цей час небесне тіло можна назвати зіркою, але ненадовго. У протозірках дуже мало дейтерію: близько тисячної частки відсотка по масі. Він швидко прогорає, і цього тепла не вистачає, щоби запустити pp-цикл. Це схоже на спробу розпалити сирі дрова аркушем паперу.

Кумар назвав об’єкти масою одного до семи відсотків від сонячної чорними карликами. У його час вони були суто теоретичною побудовою. Було кілька спроб їх перейменувати, і врешті-решт прижився термін brown dwarf. Російською мовою він перекладається як «коричневий карлик» (іноді як «бурий»). Як потім з’ясувалося, коричневі карлики бувають і масивнішими за 70 юпітерів, так що Кумар визначив межу не дуже точно.

Коричневі карлики важко виявити в порівнянні з нормальними зірками. Адже вони не такі гарячі, щоб випромінювати власне світло. Простіше, якщо коричневий карлик утворює пару із нормальною зіркою або білим карликом. Астрономи бачать один компонент пари і, виконавши точні виміри, розуміють, що він має невидимий супутник. Починаючи з кінця 1980-х вчені неодноразово «знаходили» коричневі карлики, але щоразу помилялися. Перше підтверджене відкриття відбулося 1995 року. Через два роки спостерігачі відкрили і перший одиночний коричневий карлик.

Сьогодні спостерігачам відомі вже тисячі коричневих карликів. Це крапля в морі з огляду на те, що всього в Галактиці їх можуть бути сотні мільярдів. 

Коричневі карлики, ці вічні підлітки, навіки застигли на перших етапах освіти зірки, і тому можуть багато розповісти про ці етапи. Це одна з причин, через яку вони цікавлять астрономів. Про іншу ми вже говорили: гарячі коричневі карлики схожі на гарячі планети. Є й третя: в атмосферах одиночних холодних «недозір» є метан, а можливо й інша органіка. Вченим завжди цікаво, як і де у Всесвіті утворюються органічні речовини, бо саме вони дають початок життю. Загалом, хоч коричневі карлики і не стали зірками, їм забезпечена популярність і пильну увагу, принаймні з боку астрономів.