Zagadka nieudanych gwiazd

Istnienie ciał niebieskich nazwanych później brązowymi karłami stwierdzono teoretycznie już w latach 60. XX w. Jednakże na faktyczne odkrycie pierwszego takiego obiektu trzeba było poczekać do połowy lat 90. W 1995 r. potwierdzono rozpoznanie dwóch pierwszych brązowych karłów. Były to obiekt Teide 1, zlokalizowany ok. 400 lat świetlnych od Słońca w gromadzie otwartej Plejady, oraz Gliese 229B, orbitujący wokół gwiazdy Gliese 229, leżącej 19 lat świetlnych od Układu Słonecznego w konstelacji Zająca.

Termin „brązowy karzeł” (ang. brown dwarf) został wprowadzony przez Jill Tarter w 1975 r. Ale rozważano też inne nazwy dla tych specyficznych obiektów z pogranicza gwiazd i planet, takie jak „podgwiazda” (ang. substar) lub „planetar” (ang. planetar).

Czym w istocie są?

Brązowe karły to obiekty o masie od 13 do 90 razy większej niż Jowisz. Osiągają maksymalnie ok. 10% masy Słońca. Chociaż zbyt duże na planety, nie zgromadziły jednak masy wystarczającej, by stać się prawdziwymi gwiazdami. Ian McLean z University of California w Los Angeles tłumaczy to tak: „Brązowe karły są brakującym ogniwem pomiędzy gazowymi olbrzymami jak Jowisz i małymi gwiazdami jak czerwone karły”. Podobnie jak gwiazdy ciągu głównego powstają na skutek kolapsu grawitacyjnego, zbierającego się w obłoku pyłu i gazu. W pewnym momencie taka chmura robi się na tyle masywna, że zapada się pod wpływem własnego oddziaływania grawitacyjnego.

Po kolapsie grawitacyjnym temperatura wewnątrz nowo powstałego ciała niebieskiego rośnie. Ponieważ brązowy karzeł nie jest wystarczająco masywny, temperatura w jego wnętrzu nie wzrasta do wystarczającego poziomu, by mogły tam zostać zapoczątkowane fuzja wodoru i wynikająca z niej produkcja helu na skutek reakcji termojądrowych. I zanim temperatura wzrośnie do niezbędnego do tego poziomu, materia tworząca brązowego karła osiąga stan stabilny.

Skoro nie można mówić o klasycznej syntezie wodoru, typowej dla gwiazd, co w takim razie odróżnia brązowego karła od wielkiej planety gazowej? Na to pytanie odpowiedziała Międzynarodowa Unia Astronomiczna (International Astronomical Union). Zgodnie z definicją opracowaną przez tę organizację o brązowym karle można mówić dopiero wówczas, kiedy obiekt w procesie powstawania osiągnie masę na tyle dużą, by zapoczątkować w swoim wnętrzu syntezę deuteru (izotop wodoru).

Zatem na początkowym etapie egzystencji brązowego karła dochodzi w nim do reakcji jądrowych z udziałem deuteru, a w przypadku obiektów o masie przekraczającej 6% masy Słońca mogą to być również reakcje z udziałem litu. Jądro karła nagrzewa się w tej fazie maksymalnie do temperatury ok. 2 mln °C. Jednak po kilku milionach lat nawet te wspomniane reakcje z udziałem deuteru czy litu zanikają. Później taka nieudana gwiazda nie produkuje już więcej nowego ciepła, lecz stygnie i wydziela to ciepło, które zgromadziła na początku swojego życia. Przez pierwsze kilkaset milionów lat stygnięcia obiekty te dodatkowo się kurczą.

Cechy wspólne z gwiazdami

Brązowe karły powstają więc podobnie do gwiazd z zapadających się obłoków pyłu i gazu. Jedna z hipotez zakłada, że formują się z części takich obłoków – tj. z materii, która na skutek szybkiego rotowania całej chmury oddzieliła się od jej głównej części.

Podobnie jak gwiazdy ciągu głównego, brązowe karły mogą posiadać okrążające je po orbitach planety skaliste. Ważną poszlaką, która wskazała naukowcom taką ewentualność, było ogłoszenie w 2012 r. wyników prac astronomów prowadzących badania z wykorzystaniem obserwatorium ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Odkryli oni mianowicie w zewnętrznych obszarach dysku pyłowego otaczającego brązowego karła milimetrowych rozmiarów ziarna. Są to struktury podobne do znajdowanych w gęstych dyskach wokół świeżo powstałych gwiazd.

Jako ciekawostkę można wskazać, że brązowe karły wcale nie są brązowe. Wynika to z prostego faktu, że nie jest możliwe emitowanie światła w kolorze brązowym. Kiedy astronomowie klasyfikują gwiazdy, rozróżniając je na poszczególne kolory, mają na myśli długość fali świetlnej, jaka odpowiada danemu kolorowi światła. I tak przykładowo gwiazdy czerwone wysyłają głównie „czerwone” fotony, a gwiazdy żółte – głównie fotony „żółte”. Jednak barwa brązowa nie odpowiada żadnej długości fali świetlnej. Dla astrofizyków brązowy to w istocie kolor żółty pozbawiony nasycenia. O tym, jaką faktycznie barwę przyjmują brązowe karły, opowiadał podczas jednej z konferencji American Astronomical Society Meeting dr Kenneth Brecher z Boston University. Naukowiec stwierdził, że kolor tych nieudanych gwiazd można określić jako czerwonopomarańczowy lub matowy czerwony. W palecie RGB odpowiada mu barwa oznaczona EB4B25, którą uzyskuje się przy następujących wartościach czerwonego, zielonego i niebieskiego: R-235, G-75, B-37.

Podobieństwo do planet

Brązowe karły zdecydowanie nie są planetami. Przede wszystkim w przeciwieństwie do klasycznych obiektów planetarnych nie orbitują wokół gwiazd. Nie są też tożsame z wystygłymi gwiazdami, które wcześniej należały do ciągu głównego. Takie bowiem obiekty to raczej białe karły – pozostałości po „prawdziwych gwiazdach”, w których jądrze zachodziła wcześniej synteza wodoru w hel. Tymczasem wewnątrz brązowego karła do takiej reakcji nie dochodzi ze względu na jego zbyt małą masę.

Natomiast brązowe karły, podobnie jak planety, mogą mieć wokół siebie dynamiczne atmosfery. W takiej gazowej otoczce niekiedy występują chmury, zorze, a nawet burze. Obserwacje brązowego karła 2MASS J22282889-431026 z wykorzystaniem kosmicznych teleskopów Spitzera i Hubble’a pozwoliły dostrzec powtarzające się regularnie co półtorej godziny zmiany jasności obiektu, skorelowane z jego obrotem wokół własnej osi. Zdaniem astronomów ma to związek z występowaniem na powierzchni tego ciała niebieskiego układów chmur podobnych do antycyklonów w atmosferze Jowisza, których przykładem jest słynna Wielka Czerwona Plama.

Trent Dupuy z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podkreśla, że badania brązowych karłów mogą przybliżyć naukowców do lepszego poznania natury wielkich gazowych planet pozasłonecznych (egzoplanet): „Kluczową przyczyną tego jest fakt, że ich atmosfery mają temperatury zbliżone do temperatur wielu gazowych olbrzymów okrążających gwiazdy inne niż Słońce. Są więc jak małe laboratoria, gdzie można uczyć się fizyki atmosfery odpowiedniej dla planet pozasłonecznych, ale bez oślepiającego blasku ich gwiazdy”.

Na ile powszechne we wszechświecie?

Brązowe karły nie są łatwe do znalezienia. Emitują mało światła, gdyż poza krótkimi epizodami na samym początku swojej egzystencji nie produkują ciepła w swych wnętrzach. Wysyłanie przez nie światła wiąże się zatem z ich nieustającym stygnięciem. Niektóre z nich, tzw. karły typu widmowego Y, mogą być jedynie tak ciepłe jak wnętrze domowego piekarnika, a nawet chłodniejsze – na poziomie temperatury ciała człowieka.

Obiekty te obserwuje się w przeważającej mierze w podczerwieni. Astronomowie sprawnie odnajdują je głównie w promieniu 100 lat świetlnych od Układu Słonecznego. Nie ma na razie jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, na ile rozpowszechnione są w kosmosie. Niektórzy wskazują, że w Drodze Mlecznej występują kilka razy rzadziej niż zwykłe gwiazdy. Badania z wykorzystaniem kosmicznego obserwatorium WISE sugerują, że w galaktycznym sąsiedztwie Słońca występuje średnio jeden brązowy karzeł na sześć gwiazd. Łączna masa tych karłów składa się prawdopodobnie na maksymalnie 15% masy naszej Galaktyki.

Inna hipoteza mówi, że brązowe karły mogą być tak samo powszechne we wszechświecie jak klasyczne gwiazdy. Ponieważ emitują niewiele światła i astronomowie nie dysponują na razie optymalnymi narzędziami do wykrywania takich obiektów bardziej odległych od nas, istnieje teoria, iż to właśnie te nieudane gwiazdy mogą dźwigać w sobie część niedostrzegalnej dla ziemskich obserwatorów ciemnej materii. Choć sama nie emituje ani nie odbija światła, ciemna materia oddziałuje grawitacyjnie na galaktyki.

Paweł Ziemnicki
redaktor prowadzący portalu Space24.pl, poświęconego przemysłowi kosmicznemu