Коричневые карлики - слишком большие планеты или слишком маленькие звезды? Может ли коричневый карлик «родить» планетную систему и поддерживать в ней жизнь
Опубликовано: 31/10/2020
(Обновлено: 08/11/2020)

Коричневые карлики, впервые выделенные астрономами в отдельный класс в 1995 году, занимают промежуточное положение между звездами и планетами: их масса слишком мала, чтобы они светили как настоящие звезды, и слишком велика, чтобы считать их планетами. При этом, коричневые карлики, это все же скорее “недозвезды”, чем “перепланеты” – со звездами у них гораздо больше общих черт.

Сравнительные размеры планеты Юпитер, коричневого карлика, маломассивной звезды и Солнца

Сравнительные размеры планеты Юпитер, коричневого карлика, маломассивной звезды и Солнца

Отличия коричневых карликов от звезд

Хотя эта граница очень условна, разделить коричневые карлики и самые маленькие звезды помогает так называемый “литиевый тест“: в отличие от звёзд с малой массой, коричневые карлики всегда содержат своем составе литий. При слиянии ядра лития-7 и свободного протона образуются два ядра гелия-4. Температура, необходимая для этой реакции, немного ниже, чем температура, при которой возможен термоядерный синтез с участием водорода. Таким образом, все “настоящие” звезды быстро выжигают свой литий, если этого вещества в спектре вновь обнаруженной звезды больше, чем следовало бы, стало быть перед нами будет уже не звезда, а лишь коричневый карлик.

До сих пор мы не совсем понимаем что представляют собой коричневые карлики и потому, некоторые из их свойств остаются для нас загадкой. И самый важный и интересный вопрос звучит так: а способны ли коричневые карлики, подобно “настоящим” звездам, формировать собственные планетные системы? Вопрос оказался далеко не праздным.

Совсем недавно астрономы обнаружили коричневый карлик, вокруг которого вращается газопылевой диск, содержащий мелкие твердые гранулы. Такие же, во всяком случае схожие гранулы были обнаружены в дисках, вращающихся вокруг молодых звезд, у которых формируются планеты.

Если это не просто явления одного порядка, а одно и то же явление, то астрономам есть над чем подумать и даже пересмотреть теорию формирования твердых планет земного типа. Уже сейчас можно предположить, что твердых планет во Вселенной гораздо больше, чем считалось ранее.

Согласно устоявшейся теории, твердые планеты подобные Земле, Марсу или Венере формируются благодаря случайному столкновению и “слипанию” микроскопических частиц в пылевых дисках вокруг звезд.

Однако до сих пор ученые считали, что вокруг коричневых карликов слияния частиц не происходит, т.к. внешние области дисков слишком разрежены, из-за чего частицы движутся слишком быстро. Согласно той же теории, любые сформировавшиеся частицы должны быстро перемещаться под действием гравитации ближе к самому карлику и покидать диск, где их можно было бы обнаружить.

«Мы были удивлены обнаружив частицы размером с миллиметр в таком тонком диске», — говорит Лука Ричи (исследователь из Калифорнийского Технологического Института, США), — «Твердые частицы такого размера не должны были формироваться в холодных внешних регионах вокруг карлика, но, как оказалось, это не так. Мы не можем с уверенностью сказать, что там сможет вырасти целая твердая планета, однако очевидно, что мы наблюдаем первую стадию этого процесса. Нам придется пересмотреть наши представления об условиях, в которых способны формироваться планеты».



Ричи и его команда использовали для наблюдений огромный интерферометр в Атакама (ALMA), Чили. Его высокое разрешение позволило команде впервые в истории обнаружить следы окиси углерода в области вокруг коричневого карлика. Это открытие, вместе с открытием столь крупных частиц, говорит о том, что диск карлика очень похож на диски вокруг молодых звезд, что ранее не подтверждалось.

Астрономы направили ALMA на молодой коричневый карлик ISO-Oph 102, также известный как Rho-Oph 102, в регионе звездного формирования вокруг По Змееносца (ρ Ophiuchi). Масса карлика составляет около 60 масс Юпитера и только 0,06 массы Солнца, чего не хватает для начала термоядерной реакции. Но все же «звезда» излучает тепло благодаря своему медленному гравитационному сжатию и слабо светит темно-красным светом. Именно в диске вокруг ISO-Oph 102 и были обнаружены миллиметровые частицы вещества.

Когда телескоп будет достроен, команда рассчитывает снова направить его в сторону коричневого карлика Rho-Oph 102 и других подобных объектов. «Вскоре мы сможем не только обнаруживать мелкие частицы», — говорит Ричи, –«но и изучать их расположение в околозвездных дисках и взаимодействие с газом, который мы там нашли. Это поможет нам лучше понять, как и почему формируются планеты.»

Коричневый карлик может «создать» свою планетную систему, среди планет которой могут быть быть даже обитаемые миры. Правда они должны находится очень близко к своей  недозведе

Коричневый карлик может «создать» свою планетную систему, среди планет которой могут быть быть даже обитаемые миры. Правда они должны находится очень близко к своей недозведе

Действительно ли коричневые карлики создают свои планетные системы?

Впрочем, говорить том, что коричневые карлики действительно могут формировать собственные планетные системы подобно звездам, пока сложно.

Например, обнаруженные супер-Юпитеры планетарной массы 2M1207B и 2MASS J044144, которые вращаются вокруг коричневых карликов на больших орбитальных расстояниях, судя по всему вполне могут быть образованы посредством аккреции, а не из газопылевого облака, и поэтому вообще не являются в полной мере планетами, а скорее могут оказаться “субкоричневыми карликами”, т.е. “младшими братьями” центрального тела системы.

Первое открытие маломассивного спутника на орбите коричневого карлика (ChaHα8) при малом орбитальном расстоянии с помощью метода лучевых скоростей положило начало обнаружению планет вокруг коричневых карликов на орбитах в несколько астрономических единиц или меньше. Однако и тут нас ждало скорее не открытие, а повод подискутировать: соотношением масс между спутником и главным объектом ChaHα8 составило всего около 0,3, т.е. эта система больше напоминает не планетную систему, а двойную звезду.

Позже, в 2013 году, на орбите коричневого карлика был обнаружен первый компаньон планетарной массы с относительно малой орбитой. В 2015 году была найдена первая планета земной массы на орбите коричневого карлика, OGLE-2013-BLG-0723LBb, имеющая массу примерно как у Венеры.

Обнаруженные диски вокруг коричневых карликов имеют многие из тех же функций, что и диски вокруг звёзд. Таким образом, предполагается, что из них с течением времени всё же будут сформированы планеты, обращающиеся вокруг коричневых карликов. При этом, интересно, что учитывая малую массу дисков коричневых карликов, большинство планет будет планетами земной группы, а не газовыми гигантами.

Косвенным доказательством этому служит простой факт: если бы газовый гигант вращался вокруг коричневого карлика и последний лежал бы в плоскости его орбиты, то его легко было бы обнаружить транзитным методом, потому что они имеют примерно одинаковый диаметр. Зона аккреции для планет вокруг коричневого карлика расположена очень близко к самому коричневому карлику, поэтому приливные силы будут оказывать большое влияние на сформированные планеты.

Таким образом, сам по себе процесс формирования “настоящих” планет у “ненастоящих” звезд скорее всего в наше время уже является доказанным фактом. Планеты, вращающиеся вокруг коричневых карликов, скорее всего, будут каменистыми планетами, однако испытывающими серьезный дефицит воды. Исключение составляют сформированные на внешнем краю газопылевого диска планеты, которые в силу более низкой температуры аккреции теоретически могут сохранить часть воды в своём составе.

Может ли коричневый карлик “родить” пригодную для жизни планету?

Кроме прочего, учеными была изучена также и потенциальная обитаемость для планет, вращающихся вокруг коричневых карликов. Компьютерные модели показывают очень строгие условия для обитаемости подобных планет, поскольку обитаемая зона является узкой и уменьшается со временем из-за охлаждения коричневого карлика. Орбиты обитаемых планет должны обладать очень низким эксцентриситетом, чтобы избежать сильного приливного нагрева, который способен спровоцировать парниковый эффект, делающий планеты непригодными для жизни.

Поскольку коричневые карлики намного тусклее Солнца, планета земной массы должна была бы иметь иметь орбиту гораздо ближе к родной “звезде”, чтобы получить столько же тепла, сколько Земля получает от Солнца. Гипотетические обитаемые планеты вокруг коричневого карлика, вероятно, имеют орбитальный период не более, чем несколько земных дней.

Обитаемая зона коричневого карлика представляет собой область пространства вокруг коричневого карлика, где температура не слишком высокая и не слишком низкая для того, чтобы жидкая вода существовала на поверхности планеты земной массы. Так как коричневый карлик остывает и тускнеет с течением времени, его обитаемая зона будет аналогично сжиматься внутрь.

Планета вокруг коричневого карлика может изначально быть слишком горячей, чтобы поддерживать жизнь. Но по мере того как обитаемая зона будет сжиматься вместе с охлаждением коричневого карлика, планета впоследствии окажется в обитаемой зоне, где температура будет подходящей. По мере того, как обитаемая зона продолжит сокращаться, планета будет в конечном итоге смещаться к внешнему краю и выйдет из обитаемой зоны, когда температура станет слишком холодной для жизни на поверхности.

Развитие простейшей или даже сложной жизни на планете земной массы, вращающейся вокруг коричневого карлика, во многом зависит от того количества времени, которое планета проведёт в пределах обитаемой зоны. Для сравнения: на Земле для появления простейшей жизни потребовалось не менее 0,5 миллиарда лет, в то время как появление сложной многоклеточной жизни, возможно, заняло примерно 3 миллиарда лет.

В результате планета должна достаточно долго находиться в сжимающейся обитаемой зоне коричневого карлика, чтобы простейшая жизнь или даже продвинутые формы жизни успели развиться. Примерно рассчитано, что планета на близкой орбите вокруг коричневого карлика массой в 0,07 солнечной, вполне может находиться в пределах комфортной обитаемой зоны до 10 миллиардов лет.

Само-собой, продолжительность периода обитаемости значительно уменьшается для коричневых карликов меньшей массы. Например, планета вокруг коричневого карлика с массой в 0,04 солнечной, может оставаться пригодной для жизни на срок не более 4-х миллиардов лет.

Источник: UniverseToday