Несмотря на свое название, коричневый карлик не совсем коричневый. Эти объекты имеют массы в 12 раз большие, чем у Юпитера. И могут достигать половины массы Солнца. Они излучают свет сами по себе. Но обычно не очень сильно. Самые большие и самые молодые из них довольно горячи, и излучают много света и тепла. Издалека эти объекты неотличимы своих звездных сородичей – красных карликов. Самые маленькие и самые старые из них, напротив, едва заметны. Они излучают только в инфракрасной части спектра.
Коричневый карлик – откуда энергия?
В среднем средний коричневый карлик слабо светится тусклыми пурпурными оттенками. Это делает подобные объекты довольно интересными в семье космических тел.
Но в отличие от звезд, коричневые карлики светятся не от тепла термоядерных реакций, бушующих в их недрах. Их свет и тепло – это просто остатки энергии их первоначального формирования. Эти объекты были рождены из коллапсирующих облаков газа и пыли. Также, как и звезды. Просто они имеют меньшие размеры. Гравитационный коллапс высвободил огромное количество энергии. Но энергия попала в падающий материал, и оказалась заперта внутри на десятки миллионов лет. И теперь она медленно уходит в космос в виде теплого света.
По мере того, как это тепло уходит, коричневый карлик продолжает тускнеть. Он превращается из ярко-красного в пятнистый и пурпурный объект, видимый только в инфракрасном диапазоне. Чем больше была масса подобного объекта при его рождении, тем больше тепла он смог заманить в свою ловушку. И тем дольше он может имитировать настоящую звезду. Но конечная судьба одинакова для каждого коричневого карлика, независимо от его родословной.
Гелий – 3
Коричневый карлик вполне может быть классифицирован как просто странная разновидность очень больших планет. В конце концов, планеты тоже постоянно охлаждаются, поскольку стареют. И у них нет новых источников энергии, которые будут подогревать их в течение миллиардов или триллионов лет.
Но большинство коричневых карликов играют в особую игру. Требуется определенный порог по массе (примерно в 80 раз больше, чем у Юпитера), чтобы достичь огромных температур и давлений в ядре объекта, которые необходимы для слияния водорода в гелий. Именно это необходимо для того, чтобы космический объект мог считать себя звездой. Но есть гораздо более низкий порог, примерно в 13 раз больший массы Юпитера, при котором может происходить другой вид синтеза.
В этой гораздо более прохладной обстановке дейтерий (который представляет собой один протон и один нейтрон, склеенные вместе в ядре) может ударить свободный протон. Эта реакция превратит дейтерий в гелий-3, и высвободит немного энергии. Обычные звезды проходят краткую фазу горения дейтерия, после которой они достаточно нагреваются. Но коричневые карлики могут поддерживать этот процесс достаточно длительное время. Но так никогда и не переключаются на полномасштабный термоядерный синтез.
Все очень быстро
Однако это не длится вечно. Самые большие коричневые карлики расходуют весь свой дейтерий за несколько миллионов лет. Причина этого в том, что подобные тела не разделены на отдельные слои.
В звездах, подобных Солнцу, есть плотное ядро, состоящее из водорода и гелия. Оно окружено слоем плазмы, в котором преобладают лучистые энергии. И этот слой окружен неким «кипящим супом». Но у самых маленьких звезд и коричневых карликов ядра, как такового, нет. У них есть только одна конвекционная оболочка, простирающаяся от поверхности до центра, способная транспортировать материал внутрь и наружу. Из самых внутренних областей до поверхности объекта и обратно.
Таким образом, любой дейтерий, который имеет коричневый карлик, в конечном итоге окажется втянутым в его в центр. Где и превратится в гелий-3. (В объекте со слоями некоторое количество дейтерия может оставаться в каких-то местах без изменения).
Что же происходит с маленькими коричневыми карликами? Они просто постепенно остывают. Их внутренняя температура находится ниже порога, необходимого для поддержания реакции. Энергия дейтериевых реакций им недоступна.
Определение размеров
Коричневые карлики рождаются как звезды, некоторое время излучают тепло, а иногда даже синтезируют элементы в своих недрах. Итак, есть ли причина назвать их звездами?
Коричневый карлик – объект маленький. Очень маленький для звезды. Конечно, эти объекты больше Юпитера. Но к настоящему дню в космосе обнаружено уже много объектов, которые больше Юпитера. Красный карлик не намного крупнее обычной газовой планеты-гиганта.
Звездам присуще одна особенность – это реакция термоядерного синтеза, происходящие в их ядрах. Высвобождаемые энергии постоянно конкурируют с внутренней гравитацией, пытаясь расширить внешние слои звезды.
Но, как мы знаем, коричневые карлики не имеют таких свойств. И в отличие от планет, у них нет скалистых ядер или ледяных мантий. Все, что у них осталось, – это экзотическая квантовая сила, известная как давление вырождения. Она определяет, сколько частиц может поместиться в определенном объеме. Коричневые карлики полностью поддерживаются давлением вырождения, поэтому они имеют минимально возможный размер для своей массы.
Граница между большими планетами и маленькими звездами не просто размыта. Существует совершенно отдельный класс объектов. Они обладают одновременно свойствами как планет, так и звезд. Но при этом не являются ни тем, ни другим.
Можно сказать, что коричневые карлики – это подростки небесного царства.