Ад вечного дня: как не родившаяся звезда оказалась горячее Солнца

Недавно астрономы отчитались об обнаружении удивительного дуэта. Это белый и коричневый карлики, образующие необычно тесную пару. Белый карлик — раскаленное ядро недавно отгоревшей звезды. Коричневый — наоборот, «зародыш», которому не хватило массы, чтобы стать настоящим светилом. В одном его полушарии царит вечный день, и жаркие лучи белого карлика делают коричневый карлик горячее большинства звезд.

На тот момент об открытии сообщалось в препринте, еще не прошедшем проверку учеными-рецензентами. Теперь статья о нем вышла в престижном журнале Nature Astronomy. В связи с этим Naked Science делится подробностями исследования и рассказывает, почему подобные пары так интересуют астрономов. А еще мы поговорим о том, откуда берутся коричневые карлики и как ученые их находят.

Многоликие карлики

В астрономии слово «карлик» означает звезду небольшой светимости. Более 90 процентов звезд в Галактике — именно карлики: красные, оранжевые или желтые, как Солнце. Белые и коричневые карлики стоят особняком. В них не происходит термоядерных реакций, поэтому надо ли их называть звездами, спорный вопрос. Разница между белым и коричневым карликом в том, что в первом термоядерные реакции уже закончились, а во втором они толком так и не начались.

О природе коричневых карликов мы поговорим ниже, а пока кратко расскажем, откуда берутся белые. Когда у небольшой звезды (менее 8-10 масс Солнца) заканчивается «топливо», ее внешние слои превращаются в туманность, которая постепенно рассеивается. Ядро светила становится белым карликом. Сначала он очень горяч: около 50 тысяч градусов на поверхности. Нужны многие миллиарды лет, чтобы он окончательно остыл и перестал светиться.

Неравный брак

Белый карлик WD 0032-317 находится в 1400 световых годах от Земли в южном созвездии Скульптора. Его масса — 40 процентов солнечной, а радиус — около трех земных. Для белых карликов с их огромной плотностью это типичные параметры. Необычна разве что температура: 37 тысяч градусов. Это значит, что родительская звезда разрушилась около миллиона лет назад, и белый карлик почти не остыл. Для сравнения: температура поверхности Солнца менее шести тысяч градусов.

Еще около 20 лет назад ученые заподозрили, что у этого объекта есть спутник, точнее компаньон, вместе с которым они обращаются вокруг общего центра масс. Тогда астрономы сочли, что пару WD 0032-317 составляет другой белый карлик.

Авторы нового исследования проанализировали данные крупнейшего в мире телескопа VLT, полученные в 2019-2020 годах, и выяснили, что компанию WD 0032-317 составляет совсем другое небесное тело — коричневый карлик. Как принято у астрономов, его обозначили WD 0032-317B. Буква B означает второе тело в системе.

Благодаря массе в 75-80 юпитеров WD 0032-317B претендует на звание самого массивного из известных коричневых карликов. Ему совсем чуть-чуть не хватило массы, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции и превратили его в звезду. Впрочем, по радиусу он даже несколько меньше Юпитера. Это общее свойство коричневых карликов. Будучи в десятки раз массивнее планет-гигантов, они сжаты собственной гравитацией до вполне планетных размеров.

За эту схожесть планетологи очень ценят коричневые карлики. Благодаря близости размеров коричневый карлик — довольно близкий аналог планеты. Но поскольку он массивнее, его легче открыть и изучить (хотя бы методом лучевых скоростей, о котором Naked Science подробно рассказывал).

Заменитель планет

Зачем ученым «заменитель, идентичный натуральному» при наличии почти 5500 известных экзопланет? Затем, что планета планете рознь. Например, астрономы давно интересуются, как ведут себя атмосферы планет-гигантов, разогретые до температуры маленькой звезды. Теория предсказывает, что молекулы там должны разваливаться на атомы от убийственного жара и ультрафиолетового излучения, а атмосфера постепенно утекать в космос.

Чтобы нагреть планету до четырех тысяч градусов и выше, нужно светило с температурой как минимум 10-20 тысяч градусов. У столь горячих звезд непростой характер. Они массивные, активные, быстро вращающиеся вокруг своей оси. У подобных светил очень трудно искать экзопланеты. Как показывает пример WD 0032-317, в роли грелки может выступить и молодой белый карлик. Вот только планете очень трудно пережить превращение ее солнца в белый карлик.

В итоге у астрономов есть ровно один «экземпляр ада» — экзопланета KELT-9b, самая горячая из известных планет (около 4300 градусов).

Один объект — лучше, чем ничего, но все же маловато для уверенных выводов. Вот тут и приходят на помощь тесные пары из звезды и коричневого карлика.

Члены сладкой парочки WD 0032-317 находятся так близко друг к другу, что полный оборот вокруг центра масс делают менее чем за два с половиной часа. Из-за такой близости коричневый карлик всегда повернут к белому одной стороной, как Луна к Земле. Его дневная сторона раскалена до восьми-девяти тысяч градусов. Она горячее Солнца и вообще большинства звезд. При этом температура ночной стороны всего около двух тысяч градусов.

При столь своеобразном климате на WD 0032-317B должны твориться очень интересные вещи. Например, обязаны существовать мощнейшие ветры, переносящие тепло с горячей стороны на холодную.

Чтобы узнать все подробности, нужно изучить спектр системы WD 0032-317 в видимом свете и инфракрасных лучах. Волны разной длины будут излучаться на разной высоте над поверхностью коричневого карлика. В такой раскаленной атмосфере не может быть облаков, так что астрономы смогут просканировать ее на большую глубину. Эти наблюдения — дело будущего.

Как не стать звездой

Поговорим подробнее о коричневых карликах, этих неудавшихся звездах.

Звезда образуется из облака пыли и газа, сжимающегося под действием собственной гравитации. Сжимаясь, вещество нагревается: многие ощущали, как тает комок снега, сильно сжатый в ладони. Чем больше масса протозвезды, тем сильнее сжимающая ее гравитация. А значит, тем большая температура и давление устанавливаются в ее недрах. Если протозвезда достаточно массивна, температура и давление доходят до предела, на котором запускается pp-цикл. Так называется цепочка термоядерных реакций, в которой протоны объединяются и превращаются в ядра гелия (pp означает «протон-протонный»). Протоны — это ядра атома водорода, точнее его самого распространенного изотопа — протия. На протий приходится более 90 процентов атомных ядер во Вселенной вообще и в звездах в частности. Неудивительно, что именно pp-цикл — основной источник энергии звезд.

Насколько массивной должна быть протозвезда, чтобы в ее недрах начался pp-цикл и превратил ее в звезду? В 1963 году американский астрофизик Шив Кумар рассчитал, что минимальная масса — примерно семь процентов солнечной (или около 70 масс Юпитера). Эта цифра известна как предел Кумара.

А если масса протозвезды чуть-чуть не дотягивает до предела? Что ж, сжатие разогреет ее до вполне приличных температур: больше двух тысяч градусов на поверхности и до трех миллионов градусов в центре. Для pp-цикла маловато, но какие-никакие термоядерные реакции запускаются: в гелий превращаются ядра дейтерия. Дейтерий — второй изотоп водорода, в его ядре, помимо протона, есть еще нейтрон. В этот момент небесное тело можно назвать звездой, но ненадолго. В протозвездах очень мало дейтерия: около тысячной доли процента по массе. Он быстро прогорает, и этого тепла не хватает, чтобы запустить pp-цикл. Это похоже на попытку разжечь сырые дрова листом бумаги.

Кумар назвал объекты массой одного до семи процентов от солнечной черными карликами. В его время они были чисто теоретическим построением. Было несколько попыток их переименовать, и в итоге прижился термин brown dwarf. На русский язык он переводится как «коричневый карлик» (иногда как «бурый»). Как потом выяснилось, коричневые карлики бывают и массивнее 70 юпитеров, так что Кумар определил предел не очень точно.

Коричневые карлики трудно обнаружить по сравнению с нормальными звездами. Ведь они не так горячи, чтобы излучать собственный свет. Проще, если коричневый карлик образует пару с нормальной звездой или белым карликом. Астрономы видят один компонент пары и, выполнив точные измерения, понимают, что у него есть невидимый спутник. Начиная с конца 1980-х ученые неоднократно «находили» коричневые карлики, но раз за разом ошибались. Первое подтвержденное открытие случилось в 1995 году. Два года спустя наблюдатели открыли и первый одиночный коричневый карлик.

Сегодня наблюдателям известны уже тысячи коричневых карликов. Это капля в море, учитывая, что всего в Галактике их могут быть сотни миллиардов. 

Коричневые карлики, эти вечные подростки, навеки застыли на первых этапах образования звезды, и потому могут многое рассказать об этих этапах. Это одна из причин, по которой они интересуют астрономов. О другой мы уже говорили: горячие коричневые карлики похожи на горячие планеты. Есть и третья: в атмосферах одиночных холодных «недозвезд» присутствует метан, а возможно и другая органика. Ученым всегда интересно, как и где во Вселенной образуются органические вещества, потому что именно они дают начало жизни. В общем, хоть коричневые карлики и не стали звездами, им обеспечена популярность и самое пристальное внимание, по крайней мере со стороны астрономов.