Тайны открытий XX века

Их называли «черными звездами», «инфракрасными звездами». Их зовут «бурыми карликами». Что это? На рубеже XXI века ученые восстанавливают пропущенное «звено в цепи» астрономических объектов.

Столетиями астрономическая классификация казалась незыблемой: кометы, планеты, звезды… Между планетами и звездами зияла пропасть. Они слишком разнились по своим размерам. Астрономы не раз задавались вопросом: «Какие законы запрещают появление небесных тел, больших, чем планеты, но меньших, чем звезды?» Не было никаких логических объяснений этой зияющей пустоте. И несколько десятилетий назад астрономы начали поиск объектов, которые могли бы заполнить непонятную лакуну.

Наконец, их нашли. Это были бурые карлики. Они занимают промежуточное положение между звездами и планетами. Вероятно, они встречаются так же часто, как звезды, но нам известны лишь несколько сотен подобных объектов. Их существование предсказывали еще 40 лет назад. Однако астрономы обнаружили их лишь в 1995 году. С помощью новых больших телескопов, а также чувствительных инфракрасных камер можно исследовать этот класс космических объектов. Их предстоит изучить астрономам XXI века.

Инопланетянин оказался карликом

Более тридцати лет эти загадочные объекты оставались лишь плодом воображения ученых, результатом их расчетов. Ни один не спешил воплотиться в точку на ночном небосводе. Одно время ученые даже подумывали, а не вкралась ли в их расчеты ошибка. От конференции к конференции неуловимая точка все больше вытягивалась, превращаясь в вопросительный знак.

А начиналось все в 1963 году, когда астроном Шив Кумар из Виргинского университета, анализируя теорию рождения звезд, задался вопросом, который почему-то никто еще не успел задать.

Теория эта предполагает, что звезды рождаются из газопылевого облака, которое постепенно сжимается. Температура и давление внутри этого сгустка возрастают. В какой-то момент, когда температура достигнет нескольких тысяч градусов, молекулы облака распадаются на отдельные атомы, а при температуре около 10 тысяч градусов разрушаются электронные оболочки атомов. Происходит их ионизация. При дальнейшем росте температуры, когда центральная часть звезды прогреется до трех миллионов градусов, атомные ядра водорода начнут сливаться друг с другом. Термоядерная реакция! Сжатие прекращается. Вспыхивает звезда.

Звезды бывают самых разных типов: очень маленькие — они встречаются чаще всего, такие, как Солнце, то есть средних размеров, или же очень большие. «В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около пяти масс Солнца», — отмечает российский астроном В. Г. Сурдин. Вот только масса новорожденной звезды не может быть меньше семи процентов солнечной массы — иначе в ее недрах не начнется термоядерная реакция. А какая же это звезда, если она светить не будет?

Итак, все вроде бы ясно. Из больших сгустков газа и пыли рождаются звезды; из маленьких комьев — планеты. «А что будет в пограничном случае? — таким вопросом задался Шив Кумар. — Что если масса газопылевого облака составит, например, шесть процентов от солнечной массы? Почему такого не может быть? И что родится тогда? И не звезда, и не планета… Что?»

Расчеты показали, что это небесное тело должно обладать весьма любопытными свойствами. На первых порах в недрах этой «недоношенной» звезды будет происходить превращение дейтерия в гелий-3, поскольку эта реакция протекает при более низкой температуре, чем водородная термоядерная реакция. Но запасы дейтерия ограничены, поэтому уже через несколько миллионов лет топка выгорит, и это небесное тело начнет остывать.

Предельные размеры нового класса небесных тел тоже определялись расчетами. Их масса не может превышать семи процентов солнечной массы, или 75 масс Юпитера — иначе объект загорится звездой, и не может быть меньше 13 масс Юпитера: все, что ниже этого предела, — планеты. Итак, этот класс небесных тел занимал пустовавшую нишу в мироздании, был промежуточным звеном между звездами и планетами. Данные тела назвали «черными», или «инфракрасными», звездами. Лишь в 1975 году американская исследовательница Джилл Тартер придумала им прозвище, под которым они и вошли в научные труды по астрономии: «бурые карлики».

Однако поиск их обернулся фиаско. Их не было. Лишь в восьмидесятые годы были замечены остывающие инфракрасные источники, которые могли быть этими гипотетическими объектами. Открытие же состоялось лет десять назад, в 1995 году, когда интерес к ним охладел так же сильно, как их недра. Наблюдая за созвездием Зайца, американские астрономы Шри Кулкарни и Тадаси Накадзима из Паломарской обсерватории обнаружили в 18,8 световых годах от звезды Gliese 229А едва приметную светлую точку. Расчеты показали, что масса этого небесного тела в 30 — 40 раз превышает массу Юпитера. Объект однозначно был бурым карликом.

Коричневые повелители планет

Поиски его собратьев продолжились с новой силой. Однако успех к астрономам пришел лишь в последние два-три года. Причины длительных неудач объяснимы. Температура поверхности бурого карлика обычно не превышает 1200° по Цельсию, поэтому их излучение наиболее заметно лишь в инфракрасном диапазоне, а соответствующая аппаратура появилась недавно. В оптическом же диапазоне они светят в сотни тысяч, а то и миллионы раз слабее Солнца.

Спектральный анализ показал, что в атмосфере бурых карликов, как и в воздушной оболочке Юпитера или Сатурна, содержится метан. Есть там и водяные пары, и, очевидно, пылевые облака (последнее можно установить по небольшим колебаниям яркости). Если облака есть, то и на бурых карликах, как у нас на Земле, должны наблюдаться погодные феномены.

В компьютерной модели, составленной группой астрономов из Вашингтонского университета во главе с Катариной Лоддерс, в атмосфере бурых карликов могут даже возникать облака и клубы тумана из жидкого железа. По крайней мере, спектральный анализ показал, что эти небесные тела содержат гидрид железа, который может конденсироваться в жидкое железо. По предположению Лоддерс, в атмосфере бурых карликов протекают конвекционные процессы и погода регулярно меняется.

Из Гейдельбергского института астрономии пришло сообщение о том, что у бурого карлика S Ori 45 наблюдаются колебания яркости. Однако независимые эксперты пока не пришли к выводу, чем это объясняется — облачной пеленой, застилающей поверхность карлика, или… пятнами на нем — такими же пятнами, как на Солнце. Можно лишь подсчитать, что примерно пятая часть поверхности этой карликовой «звезды» покрыта пятнами или затянута облаками. Более определенно можно судить лишь о молодых белых карликах. Расчеты показывают, что их атмосфера разогрета до 2000° по Цельсию, а при такой температуре в воздухе уже не будет витать пылевая взвесь.

По сообщению Ральфа Нойхойзера, директора Астрофизического института при Йенском университете, некоторые бурые карлики испускают рентгеновское излучение. При их невысокой температуре это выглядит странно. Очевидно, данные объекты обладают очень мощным магнитным полем, но в таком случае на их поверхности, как на нашем Солнце, должны появляться пятна.

Итак, одни свойства сближают бурые карлики с планетами, другие — со звездами. Астрономы же, пытаясь детально объяснить их происхождение, жонглируют двумя теориями — теориями возникновения звезд и планет.

Звезды рождаются в центре протозвездного облака, имеющего форму диска.

Планеты возникают на периферии этого газопылевого облака — там, где пылинки слипаются в комья, а последние под действием гравитации сливаются в планетоиды.

Возможно, бурые карлики образуются, когда рост звезды по какой-либо причине прекращается.

Такое может произойти в двойных звездных системах, когда один из партнеров выталкивает другого, прежде чем тот дорастет до размеров настоящей звезды. Причиной коллизии может стать сила притяжения оказавшейся поблизости звезды, увлекающей за собой «недоношенную» звезду.

Может статься, что в окрестности газопылевого облака, где рождается карлик, окажется очень горячая звезда. Под действием испускаемых ею ультрафиолетовых лучей материя облака испарится быстрее, чем карлик успеет превратиться в звезду.

Однако недавние открытия астрономов заставили усомниться в этих сценариях. Павел Кроупа из Кильского университета и Жером Бувье из Гренобльской обсерватории, наблюдая за известной областью рождения звезд — темными облаками в созвездии Тельца, обнаружили там целый ряд бурых карликов, но поблизости от них не было никаких горячих звезд, которые помешали бы этим карликовым образованиям вырасти в нормальную звезду. Сами карлики были окружены пылевыми дисками.

По данным Рэя Джаявардханы из Мичиганского университета, около половины исследованных бурых карликов, по-видимому, окружены подобными дисками.

Очевидно, карлики образуются так же, как звезды, внутри газопылевых дисков, а на их периферии могут рождаться планеты. У карликов есть свои планетные системы!

Так, наблюдение за карликом CFHT BD-Tau 4 в созвездии Тельца показало, что вещества вокруг него хватит на такую планету, как Юпитер.

Бурый карлик в созвездии Хамелеона окружен протопланетным диском, где «строительного материала» хватит на несколько планет земной группы или такую планету, как Сатурн. Любопытно, что масса самого бурого карлика всего лишь в 15 раз превышает массу Юпитера. «Мы размышляем в основном о планетах, формирующихся вокруг звезд, напоминающих Солнце, — отмечает один из первооткрывателей, Кевин Лахман, — но планеты могут появиться и возле бурых карликов».

Это открывает новые возможности изучения внесолнечных планетных систем. Обычно планеты теряются в ярком блеске звезды, остаются недоступны для наблюдателей. Звезды ярче их в миллиарды раз. Возле бурого карлика — тусклой точки на небосводе — и планеты выступают из тени. Их можно будет наблюдать в более мощные телескопы.

По мнению некоторых исследователей, на планетах, зародившихся близ бурого карлика, могла бы существовать жизнь. Расчеты показывают, что на любой планете в 1,5—7 миллионах километров от него, вода пребывает в жидком состоянии. Впрочем, Лахман скептично относится к этой гипотезе: «Если бы в подобной системе и появилась жизнь, то ей пришлось бы постоянно приспосабливаться к понижению температуры на поверхности планеты, ведь ресурсы бурого карлика будут постепенно истощаться».

Станет ли светлым «темное прошлое»

Всего пока выявлено около трех сотен бурых карликов. Однако их основные параметры — диаметр и масса — по-прежнему вычисляются лишь с помощью теоретических моделей. Но насколько хороши эти модели? По ним невозможно даже определить возраст бурого карлика, если известна его температура. Ведь его эволюция заметно отличается от жизненного пути звезды. Она во многом зависит от его массы. Чем тяжелее бурый карлик, тем выше его температура. Так, у карлика, чья масса примерно в 75 раз превышает массу Юпитера, даже через миллиард лет будет такая же температура, как у карлика, весящего в 5 раз меньше и родившегося 200 миллионов лет назад. У карликов «темным» оказывается не только настоящее, но и прошлое.

Лишь в конце 2002 года удалось получить хоть какой-то объективный показатель. Помогли наблюдения за созвездием Индейца в Южном полушарии. Там, вблизи от звезды Epsilon Indi, немецкие астрономы обнаружили бурый карлик. Два небесных тела разделяло 400 угловых секунд, что примерно в 1460 раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Расстояние до звезды Epsilon Indi точно известно — 11,8 световых лет. Возраст тоже: от 0,8 до 2 миллиардов лет. Возраст соседнего с ней карлика должен быть точно таким же. Так что карлик Epsilon Indi В стал первым объектом, по которому астрономы могут ориентироваться, изучая бурых карликов. Однако летом 2003 года ученых ждала неожиданность. Наблюдая за Epsilon Indi В с помощью новейшей инфракрасной камеры NACO, установленной на Very Large Telescope в Чили, они обнаружили рядом с ним… еще одно такое же небесное тело. Их разделяет всего 0,73 угловые секунды, что примерно в 2,65 раза превышает радиус земной орбиты. Оба бурых карлика, Epsilon Indi Ba и ВЬ, обращаются вокруг общего для них центра тяжести, а тот, в свою очередь, описывает обороты вокруг звезды Epsilon Indi.

Светимость обоих бурых карликов оказалась почти в миллион раз меньше светимости Солнца, тогда как по размерам они были сравнительно ближе к нему. Предположив для удобства расчетов, что их возраст составляет 1,3 миллиарда лет, астрономы вычислили их радиус — соответственно 0,091 и 0,096 радиусов Солнца — а также массу: она примерно в 47 и 28 раз превышала массу Юпитера. Наблюдение за этой парочкой и, возможно, за некоторыми другими бурыми карликами позволит астрономам перейти от моделирования подобных объектов к их практическому исследованию.

В ближайшие годы будет определена траектория Indi Ba и ВЬ; период их обращения уже известен — 16 лет. По этим данным можно рассчитать общую массу парочки, а после дополнительных измерений — и массу каждого карлика. В таблицу параметров бурых карликов, наряду с расчетными данными, будут, наконец, внесены сведения, полученные исключительно путем наблюдений.

Тени бурых карликов, бессчетно мелькающие на просторах Галактики, обретают свои очертания. Промежуток между звездами и планетами заполняют эти своеобразные небесные тела: недоношенные звезды, планеты-переростки. Они так неприметны, что даже средства массовой информации, иногда сообщающие об открытиях в области астрономии, совершенно не замечают их — этот равновеликий звездам и планетам класс небесных тел.

Долгое время считалось, что загадочная темная материя состоит из… бурых карликов. Именно эти мириады полузвезд-полупланет, мелькающие повсюду и остающиеся в основном невидимыми, могли бы объяснить нехватку материи во Вселенной. Однако надежды оказались напрасными. Теперь космологи пытаются объяснить существование темной материи другими способами, не вспоминая о бурых карликах. Те оказались никудышными кандидатами на роль темной материи. На сегодняшний день ученые полагают, что бурых карликов во Вселенной столько же, сколько и звезд. Однако их суммарная масса составляет лишь несколько тысячных долей общей массы Вселенной.

Поиск темной материи продолжается. Поиск бурых карликов тоже.