Реферат коричневые карлики новый класс небесных объектов

Обновлено: 07.07.2024

Предсказание и обнаружение коричневых карликов.

Обычные звезды проводят большую часть своей жизни в состоянии равновесия между силой тяжести, стремящейся их сжать, и препятствующей этому силой газового давления. Высокое давление в недрах звезды обеспечивается огромной температурой плазмы в миллионы и даже десятки миллионов кельвинов, которую поддерживают постоянно идущие в центральной части звезды термоядерные реакции, т.е. реакции синтеза ядер более тяжелых химических элементов из более легких, например гелия из водорода, углерода из гелия и т.п. В этих реакциях выделяется ровно столько энергии, сколько звезда постоянно теряет с поверхности в виде излучения. Чем меньше масса звезды, тем ниже температура в ее ядре и тем медленнее протекают там термоядерные реакции. В 1958 астрофизик индийского происхождения Шив Кумар (университет штата Виргиния, США) занялся теоретическим изучением маломассивных звезд, предположив, что могут существовать звездообразные тела настолько малой массы, что температура в их недрах окажется недостаточной для протекания ядерного синтеза. Дело в том, что в период формирования звезды ее гравитационное сжатие обычно продолжается до тех пор, пока температура в центре не достигнет уровня, необходимого для протекания термоядерных реакций. У массивных звезд эта температура достигается при относительно невысокой плотности вещества, у звезд малой массы – при более высокой (например, в центре Солнца плотность плазмы превышает 100 граммов на кубический сантиметр). В 1963 расчеты Кумара показали, что у формирующихся звезд (протозвезд) очень малой массы сжатие останавливается раньше, чем температура в их центре достигает значения, необходимого для важнейшей термоядерной реакций – синтеза гелия из водорода (4H  He). Причиной остановки сжатия протозвезды служит квантовомеханический эффект – давление вырожденного электронного газа. Таким образом, при массе звезды менее 0,07–0,08 массы Солнца (точное значение зависит от ее химического состава) она не способна сжигать легкий изотоп водорода, а значит в ее жизни нет фазы главной последовательности – самого длительного этапа эволюции нормальных звезд. Поэтому такие объекты, вообще говоря, нельзя называть звездами. Но с другой стороны, это и не планеты, поскольку в эволюции объекта с массой более 0,013 массы Солнца, как показывают расчеты, должна быть короткая термоядерная стадия, в ходе которой сгорает редкий тяжелый изотоп водорода – дейтерий, превращаясь в легкий изотоп гелия (D + p  He). Этот краткий эпизод термоядерного горения не задерживает надолго гравитационное сжатие протозвезды. Температура ее поверхности даже при максимальном разогреве не превышает 2800 К, а затем начинает снижаться, и объект практически перестает светиться.

Три десятилетия продолжались безрезультатные поиски этих тусклых светил. Их первое надежное обнаружение состоялось лишь после того, как были созданы новые гигантские телескопы диаметром 8–10 метров, снабженные инфракрасными приемниками изображения (ПЗС-матрицами большого размера) и мощными ИК-спектрографами, рассчитанными именно на тот диапазон излучения, в котором должны светиться коричневые карлики. Но даже такая мощная техника способна обнаружить эти слабые источники лишь на расстоянии не более 100 пк (300 св. лет) от Солнца, а в таком сравнительно небольшом объеме пространства их довольно мало. Чтобы выявить несколько коричневых карликов, пришлось провести детальный обзор всего неба. Некоторые из них обнаружились в соседнем молодом звездном скоплении Плеяды.

Строение и эволюция коричневых карликов.

Звезды наименьшей массы, обладающие ядерным источником энергии, очень экономно расходуют запас водорода: например, звезда с массой 0,085 солнечной может поддерживать свою невысокую светимость (около 0,1% от солнечной) в течение 6000 млрд. лет, что в 400 раз больше нынешнего возраста Вселенной. Но коричневые карлики с массой чуть ниже предела Кумара практически лишены ядерной энергии; после быстрого сгорания дейтерия и остановки гравитационного сжатия они быстро остывают и становятся невидимыми всего за несколько миллиардов лет. Поэтому в Галактике может быть много холодных и совершенно невидимых коричневых карликов, которые могли бы составлять немалую долю ее скрытой массы.

Как мы знаем, температура поверхности коричневых карликов никогда не превышает 2800 К. Для таких холодных объектов в спектральную классификацию звезд потребовалось ввести новые классы. Принятая сейчас классификация звездных спектров сложилась в первой половине 20 в. Известная гарвардская последовательность спектральных классов O-B-A-F-G-K-M отражает ход температуры звездных фотосфер (от горячих O и B к прохладным К и М), а дополнительные классы R, N и S отражают вариации химического состава у холодных звезд-гигантов с температурой около 3000 К. Эта схема надежно служила астрономам почти целый век, и даже создалось впечатление ее завершенности. Однако последние годы показали, что развитие спектральной классификации не прекратилось: обнаружение коричневых карликов привело в конце 1990-х годов к введению новых спектральных классов L и T для тел с эффективной температурой менее 2000 К.

Таким образом, подавление спектральных полос TiO и VO в результате конденсирования этих молекул в пылинки при T

Непредвиденная проблема в изучение коричневых карликов

Эти небесные тела разделяют стартовую точку с остальными звездами на небе, но им не суждено достигнуть главной стадии. Еще до того, как температура успеет подняться к необходимой отметке плотный материал застынет и не сможет больше трансформироваться.

Коричневые карлики считаются пробелом между газовыми гигантами (Юпитер) и красными карликами.

Особенности и классификация коричневых карликов

Коричневый карлик ISO-Oph 102 в молекулярном облаке Ро Змееносца

Все коричневые карлики отличаются по массе и температуре. Могут достигать 13-90 масс Юпитера (примерно 1/10 солнечной). Классификация строится на спектральном типе или на излучаемой энергии.

М – это не только наиболее красные звезды во Вселенной, но и самые распространенные. Большинство из них превращаются в красных карликов, но некоторые становятся коричневыми. Классы L и T отличаются по элементам, наблюдаемым в спектрах. Y-карлики – самый холодные. Некоторые достигают температуры человеческого организма.

Из-за того, что коричневые карлики выделяют мало света и энергии, их сложно обнаружить. До 1980-х годов вообще считались теоретическими объектами. Но технологии набирали чувствительность и смогли наконец их увидеть.

Красные круги – обнаруженные коричневые карлики в объективе WISE

Почему коричневые карлики не считаются планетами?

Из-за небольшой массы коричневые карлики можно спутать с массивными планетами. На это же намекает и отсутствие слияния. У них также есть атмосфера, сияния, облака и даже штормы. Подобно другим звездам, они могут располагать планетами.

Отличие в том, что коричневые карлики продолжают излучать свет, но это рентгеновские лучи и инфракрасный свет. Они вырабатывают их, пока тело не остынет. Поэтому лучше всего искать в инфракрасном диапазоне. Обычно расположены в пределах 100 световых лет.

Но черта между коричневым карликом и планетой тонкая. Некоторые из них настолько холодные, что им удается поддержать атмосферу, как это делают газовые гиганты. Карлик может приютить планеты, а газовый гигант – спутники. Как же точно определить границу?

Международный астрономический союз постановил, что объекты, чья масса меньше 13 масс Юпитера, считаются планетами. Но коричневые карлики вписываются в этот диапазон, поэтому могут быть одновременно и тем, и другим. Как известно, что в Солнечной системе коричневые карлики не наблюдаются и мы располагаем лишь одной звездой - Солнцем.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Коричневые Карлики выполнил ученик 11а класса: Черепанов Сергей

Коричневые Карлики Субзвёздные объекты с массами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 массы Солнца. Как и в звёздах, в них идут термоядерные реакции ядерного синтеза на ядрах лёгких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора). В коричневых карликах отсутствуют шаровые слои лучистого переноса энергии, в отличии от звёзд главной последовательности Герцшпрунга — Рассела.

Коричневые Карлики Сравнительные размеры коричневых карликов Глизе 229B и Тейде 1 с Юпитером и Солнцем.

Коричневые Карлики: Происхождение Один из механизмов происхождения коричневых карликов схож с планетарным. Коричневый карлик формируется в протопланетном диске на его окраине. На следующем этапе их жизни они под воздействием окружающих звёзд выбрасываются в окружающее пространство их родительской звезды и образуют большую популяцию самостоятельных объектов. Как и обычные звезды, коричневые карлики могут образовываться независимо от других объектов. Они могут формироваться по отдельности или в непосредственной близости от других звезд. В 2015 году была изучена группа коричневых карликов, находящихся в процессе формирования, и некоторые из них демонстрировали такие же джеты, что и более массивные звезды, находящиеся в процессе формирования.

Коричневые Карлики Астероидный диск вокруг коричневого карлика. Вид с гипотетической планеты с расстояния около 3 млн километров.

Коричневые Карлики: Наблюдения В отличие от звёзд главной последовательности температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3000 К ( 27-2727 градусов Цельсия), коричневые карлики на протяжении своей жизни постоянно остывают, при этом чем крупнее карлик, тем медленнее он остывает.

Спектральные классы коричневых карликов Спектральные классы коричневых карликов с указанием температуры и массы объектов.

Спектральные классы коричневых карликов Несмотря на то, что коричневые карлики не способны поддерживать термоядерные реакции в какой-то момент жизни они всё же это делают. Температура поверхности коричневых карликов варьируется в зависимости от массы и возраста коричневого карлика от планетной до температуры звёзд нижней части класса M. Поэтому для коричневых карликов были выделены специальные спектральные классы: L и T

Спектральный класс M Коричневые карлики близки по массе к красным карликам. Они постепенно переходят в более характерный для коричневых карликов класс L.

Спектральный класс L Главной особенностью спектрального класса M, самого холодного спектрального класса звёзд главной последовательности, является наличие полос поглощения. Было установлено, что спектральный класс Lне имеет линий поглощения.

Спектральный класс T Коричневый карлик Глизе 229 B является прототипом второго нового спектрального класса, который назвали T-карликом. В то время как в ближнем инфракрасном диапазоне спектра L-карликов преобладают полосы поглощения воды и монооксида углерода, в спектре Глизе 229 B доминируют полосы метана, которых нет в Т-карликах. Эти различия позволили ввести отдельный спектральный класс T.

Спектральный класс Y Этот спектральный класс долгое время существовал только в теории. Он был смоделирован для ультра-холодных коричневых карликов. Температура поверхности коричневых карликов теоретически должна была быть ниже 700 K (или 400 °C), что делало такие коричневые карлики невидимыми в оптическом диапазоне, а также существенно более холодными В 2011 году группа учёных заявила об обнаружении коричневого карлика CFBDSIR 1458+10 B с температурой поверхности 97±40 °C.

Случалось ли Вам смотреть в телескоп в инфракрасном диапазоне? Видели ли Вы тела, которые, родившись звездой, не смогли стать ей? Их судьба – остывать миллионы лет, пережив своих ярко сияющих соседей. Имя им – коричневые карлики.

Общие сведения

Обделенные теплом, размерами, они изучаемы астрономами всего мира. И есть уникальная возможность заглянуть в эти исследования.

Материалы по теме

Рождение звезды

Изображение туманности M42 получено с использованием фильтров серы (красный цвет), водорода (зеленый цвет) и кислорода (синий цвет).

Рождение коричневого карлика

В 1995 году описанные процессы нашли свое подтверждение. Американские ученые обнаружили в созвездии Плеяды объект массой 0,06 массы Солнца. Чтобы окончательно подтвердить свое открытие, им предстояло проделать немало специализированных тестов.

Идентификация

Двойная система коричневых карликов

Чтобы подтвердить свои предположения, американские ученые применили литиевый тест, сформулированный испанским астрофизиком Рафаэлем Реболо. Суть его проста. Звезды главной последовательности, сжигая водород, достигают крайне высоких температур. Атомы лития, в малом количестве присутствующие в их недрах, сгорают быстро и бесследно. А у коричневых субзвезд, даже с горящим дейтерием, его испарение растягивается на миллионы лет. Поэтому верный способ удостовериться, что обнаружен коричневый карлик – литиевая проба.

Малые размеры субзвезд, их низкая температура, соответствуют средним планетарным показателям. Отличия заключаются в плотности объекта и в наличии у некоторых карликов Х-излучения. Большинство их излучают в инфракрасном диапазоне. Отсюда и название – коричневые.

Существует градация самих коричневых карликов, подразделяющая их на три группы. Вашему вниманию предлагается блиц-осмотр каждого спектрального класса:

Новые загадки

Коричневый карлик (вверху)

Примером этому служит исследование, проведенное учеными Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Открыв 623 неизвестных коричневых карлика, спектроскопическому анализу подверглись четыре. Полученная информация противоречит представлению о том, что карлики и соседние звезды главной последовательности формируются одновременно в процессе коллапса. Оказалось, что субзвезды образовались существенно позднее звезд, находящихся с ними в одной системе. Пришлось формулировать новую теорию об одиночном формировании исследуемых объектов.

Новые открытия

Самыми активными в изучении коричневых карликов являются сотрудники NASA. Им удалось найти остывающий газовый шар с температурой всего 29 о С. Также они смогли описать агрессивную атмосферу, с бушующими штормами, с возможными дождями из раскаленных камней и расплавленного металла на поверхности субзвезд.

Карта поверхности Luhman 16B

Ближайшими к нам коричневыми карликами являются компаньон маленькой красной звезды SCR-1845-6357, вращающейся вокруг Солнца, и компаньоны звезды Эпсилон Индейца. Расстояние от нас до них – 12,7 и 11,8 световых лет соответственно. Такая близость дает возможность полномасштабного изучения этих тел.

Рождение новой планеты

Астероидный диск вокруг коричневого карлика (рисунок)

Важным открытием стало формирование протопланетного диска вокруг одного из инфракрасных тел.

Были обнаружены даже пылинки, которых при холодных температурах подобных объектов быть не должно. Атомы вещества, даже в неблагоприятной среде, тянутся друг к другу, образуя твердые космические тела. Это открытие наводит на мысль о дополнении, если не о пересмотре, представлений о планеторождении.

Заключение

Исследования в этой области сегодня достаточно интенсивны. Значит, новые открытия еще впереди. Чтобы не пропустить ничего занимательного, оформляйте подписку на обновления блога.

Читайте также: