„Mulaci Galaktyki” – czyli rzecz o brązowych karłach

Oh Be A Fine Girl, Kiss Me. To proste zdanie było jednym z pierwszych, których nauczyłem się na pamięć, gdy stawiałem niemowlęce kroki w astronomii. Prosta mnemotechnika, pierwsze słowa tego zdania składają się na typy widmowe gwiazd. Po jakimś czasie zacząłem się zastanawiać, czy zdanie to można rozszerzyć o np. Right Now. Okazało się, że owszem, rozwinąć je można, ale o litery L, T i Y. Do dzisiaj nie wpadłem na rozwinięcie, które jednocześnie by pasowało, jak i byłoby zabawne. Cóż, będę musiał się ograniczyć albo do przystawalności, albo do aspektu humorystycznego. Może ktoś z Was ma jakiś pomysł? O rozwiązania proszę w komentarzach, a nagrodą będzie chłodny uścisk ręki redaktora naczelnego.

The Smiths – Some Girls Are Bigger Than Others

Mamy więc typy widmowe L, T, oraz Y, które następują bezpośrednio po już przecież zimnym (w porównaniu do chociażby Słońca) typie M. Z neofickim zapałem zacząłem szukać rozwiązania dla zagadki. Czym może być obiekt tak lekki, że nie syntetyzuje wodoru, a jednocześnie tak ciężki, że Jowisz wygląda przy nim jak Adam Małysz przy Muhammadzie Alim? Podpowiedzią była kluczowa tutaj właśnie masa, a odpowiedzią okazały się być tak zwane brązowe karły, „gwiazdy, którym nie wyszło” (w przeciwieństwie do „gwiazdki, której się udało”, o której co tydzień możecie posłuchać w planetarium Laboratorium Wyobraźni PPNT w Poznaniu – przyp. red.). Jak to w przypadku każdego nowego odkrycia bywa, pojawiło się mnóstwo pytań. Jakie przybliżone masy mają te obiekty? Co za tym idzie, jaki mają zakres temperatur? Czy są masywnymi towarzyszami swoich gwiazd, czy to wokół nich krążą inne ciała? I przede wszystkim, czy to malutkie gwiazdy, za małe by zaszła w ich wnętrzach fuzja jądrowa, czy raczej są to ogromne masywne  planety, być może nawet posiadające atmosfery?

Znamy dzisiaj cały legion tych obiektów w sile około 4 tysięcy, a kilkaset z nich czeka jeszcze na ostateczne zatwierdzenie. Większość z nich jest typu widmowego L, czyli jeden “szczebel” niżej od typu M, najlżejszych i najzimniejszych znanych nam gwiazd. Część z nich faktycznie krąży wokół własnych gwiazd, a niektóre posiadają własne planety. Co ciekawe, pierwsze dwa odkryte brązowe karły (Gliese 229b i Teide 1), to odpowiednio obiekt krążący wokół gwiazdy, a drugi jest obiektem samodzielnym. Ich odkrycia w 1995 roku mniej więcej pokrywają się czasowo z odkryciami pierwszych egzoplanet, a teoretyczne ich istnienie przewidywane było już 30 lat wcześniej.

 

Shiv S. Kumar był amerykańskim fizykiem pochodzenia hinduskiego. Urodzony w Bannu (dzisiejszy Pakistan) naukowiec pracował nad problemem pochodzenia i ewolucji mało masywnych gwiazd od drugiej połowy lat 50-tych. Przez kolejne kilka lat rozwijał teorię gazowych obiektów o masie tak małej, że nie potrafiły one utrzymać, ani nawet zainicjować procesu fuzji wodoru. Założenia swoich badań przedstawił na zebraniu Amerykańskiego Stowarzyszenia Astronomicznego na Uniwersytecie Yale w sierpniu 1962. Oto jak napisał (wtedy jeszcze teoretycznie) o brązowych karłach: “Całkowicie konwekcyjne modele zostały zbudowane dla gwiazd o masach 0,09, 0,08, 0,07, 0,06, 0,05 i 0,04 (w jednostkach słonecznych), biorąc pod uwagę nierelatywistyczną degenerację materiału gwiazdowego. Wykazano, że istnieje dolna granica masy gwiazdy głównego ciągu. Gwiazdy o masie mniejszej niż ustalony limit zostały całkowicie zdegenerowanymi gwiazdami lub „czarnymi” karłami wskutek grawitacyjnego kurczenia, a zatem nigdy nie przechodzą normalnej ewolucji.”

Simply Red – If You Don’t Know Me By Now

Kumar założył pionową ewolucję gwiazd na diagramie H-R. Dodał też do tego zmienną w czasie wykorzystując mechanizm Kelvina-Helmholtza. Polega on na stygnięciu planety, lub gwiazdy. W trakcie tego procesu dany obiekt zmniejsza swoją objętość. Na skutek zmniejszenia objętości maleje energia grawitacji, ale rośnie temperatura w jego wnętrzu. Ustalenia Kumara wyznaczyły dolną granicę masy niezbędną do zainicjowania fuzji jądrowej na 0.07 M⊙ (masy Słońca). Późniejsze badania Grossmana i Graboskego (1974) mówiły o 0.08 M⊙, jednak dzisiejsze badania wskazują na masę gdzieś pomiędzy tymi wartościami. Kumar używał początkowo nazwy „czarne karły”, jednak nazwa ta była już zarezerwowana dla zimnych białych karłów, w dodatku owe „czarne karły” mogłyby być widoczne w świetle widzialnych w początkowym stadium swojego istnienia. W roku 1975 Jill Tarter (jedna z szefów projektu SETI) zaproponowała nazwę „brązowy karzeł”, która to funkcjonuje w dzisiejszej astronomii. Dodatkowo jej teoria zakładała istnienie brązowych karłów, jako brakującej masy we Wszechświecie, jako element ciemnej materii.

 

Następne lata przyniosły ze sobą doniesienia o odkryciach egzoplanet i brązowych karłów – jedne miały być obiektami zupełnie swobodnymi, inne miały rzekomo znajdować się w gromadach (szczególnie w Hiadach i Plejadach), czy być towarzyszami swoich gwiazd. Problem polegał na tym, że nikt nie wiedział jak naprawdę wygląda rozszerzenie diagramu H-R w świetle widzialnym. Jednym z takich przykładów był obiekt GD 165B (w gwiazdozbiorze Wolarza), o Mbol = 14.99. M­­­­bol to bolometryczna magnituda gwiazdy. „Bolometryczna” oznacza zaś zintegrowanie energii w całym rozkładzie widmowym. Dla przykładu: Mbol Słońca = 4.74. GD 165B zostało kandydatem na brązowego karła w roku 1989 za sprawą badań Becklina i Zuckermana i faktycznie, ich interpretacja została potwierdzona w połowie lat 90-tych, ale po kolei. D’Antona i Mazzitelli przewidzieli (w roku 1985), że główny ciąg gwiazd może rozszerzać się o jasność dziesięciokrotnie niższą, niż przewidywały modele. Wskazali na możliwość istnienia obiektów, które nazwali „obiektami masy przejścia”. Ich obliczenia wskazały, że blisko 0.07 M⊙ może zostać zainicjowane spalanie protonów na okres czasu, który zmniejsza się wraz z masą. Jednakże, wsparcie cieśnienia generowanego w reakcjach jądrowych nigdy nie uzyskuje poziomu, który zapobiegłby powolnemu skurczowi gwiazd. Rosnąca gęstość powoduje coraz większe ciśnienie ze strony zdegenerowanych elektronów. Transport energii w procesie przewodzenia powoduje powolny spadek temperatury w środku obiektu, ale dla ich modelu dla masy 0.07 M⊙, dopiero po 1010 latach. Okazuje się, że dolna granica diagramu H-R wydaje się być trochę „rozmyta”. Podobnie wydaje się być z definicją brązowego karła. Czy model obiektu o masie 0.07 M⊙ jest jeszcze gwiazdą, czy brązowym karłem? Niezależnie od tego, relacja masy i jasności obiektu jest bardzo wrażliwa na czas. Niewielkie różnice w Teff (temperatura efektywna mierzona w K) dla danej jasności są znacznie niższe od dokładności aktualnych modeli. Podkreślało to znaczenie poszukiwań brązowych karłów w najbliższych gromadach. Wiek gromad (poza paroma wyjątkami) jest znany, a młode brązowe karły są jaśniejsze niż ich starsi bracia. Jednakże ciężar dowodu jest najważniejszy – konieczne było określenie masy obiektu niezależnie od diagramu H-R.

 

Rok 1992 za sprawą Rebolo, Martina i Magazzu przyniósł dość proste i sprytne rozwiązanie problemu detekcji brązowych karłów. Był to tak zwany „test litu”, polegający na spektralnej detekcji tego pierwiastka. Ponieważ lit jest niszczony w temperaturach setek tysięcy stopni, jego wykrycie w widmie oznacza, że fuzja wodoru (ponad milion stopni) nie została zainicjowana.  Wymagane jest jednak do tego spektrum w dużej rozdzielczości z powodu jego małej ilości w podczerwieni.

Widmo Gliese 229b w bliskiej podczerwieni (źródło: Brown Dwarfs: From Mythical to Ubiquitous – James Liebert)

Gliese 229 jest czerwonym karłem znajdującym się w gwiazdozbiorze Zająca. Stosunkowo bliski (18 lat świetlnych) obiekt obserwowali Nakajima i Kulkarni (CalTech) wraz z Golimowskim i Durrance’m z John Hopkins University. Przy użyciu sześćdziesięciocalowego teleskopu w Palomar udało im się w październiku 1994 roku bezpośrednio zaobserwować jego towarzysza, a obserwację tę potwierdził HST rok później. Gliese 229b był pierwszym brązowym karłem będącym satelitą gwiazdy. Jego większa towarzyszka jest „zwykłym” i pospolitym karłem klasy M, jednak G229b jest już tym, czego szukamy. Orbituje on w odległości około 35 AU (niewiele więcej niż peryhelium Plutona), jego średnica odpowiada mniej więcej średnicy Jowisza, ale jego masa to już od 20 do nawet 50 mas największej planety naszego układu. Jego temperatura szacowana jest na 1000K, czyli trochę ponad 700 stopni C. Dzięki tym własnościom G229b został sklasyfikowany jako brązowy karzeł typu T.

Na powyższej grafice znajduje się jego widmo w bliskiej podczerwieni. Od razu zauważalna jest wysoka absorpcja H­­2O i CH­4. Dużą zawartość metanu w atmosferze posiadają również Uran, czy Neptun, a sam Gliese 229b do dzisiaj jest rzadkim przedstawicielem metanowych brązowych karłów.

Porównanie pierwszego obrazu Gliese 229b z obrazem z HST

Wszyscy mamy ogólne pojęcie o procesach gwiazdotwórczych. Ogromna masa gazu zapada się na skutek grawitacji, energia potencjalna grawitacji zamienia się w cieplną energię kinetyczną i voila! W rdzeniu protogwiazdy zachodzi fuzja jądrowa i mamy nową gwiazdę. Dlaczego więc nie każdy taki proces prowadzi do powstania gwiazdy ciągu głównego? Mechanizmów jest kilka. Grawitacyjna kompresja w ogromnym zapadającym się rdzeniu stwarza fragmenty w szerokim zakresie mas. Rozrywanie pływowe i duże prędkości w takiej gromadzie zapobiega akrecji i obiekty o mniejszej masie na mają szans na „nabranie masy”. Te dynamiczne interakcje między fragmentami mogą doprowadzić do odpadnięcia fragmentów od rdzenia i zawczasu powstrzymuje akrecje.

 

Brązowe karły przez swoją naturę nie dają się łatwo zaklasyfikować według standardu Morgana-Keenana (czyli właśnie O, B, F, G, K, M) z powodu ich degeneracji masy i temperatury na przestrzeni czasu. Obiekt o konkretnym typie widmowym może być starszy i mieć większą masę, może też okazać się młody i lekki. Brązowy karzeł klasy L powiedzmy w Plejadach (100-125 mln lat) może mieć masę około 25 M­­Jup ­­(masy Jowisza)­­, a znajdujący się zupełnie gdzie indziej posiada masę 70 MJup. Generalnie istnieją trzy sposoby identyfikowania typów widmowych brązowych karłów. Pierwszy polega na porównaniu szablonów widmowych, jak dla zwykłych gwiazd. Drugi jest oparty na użyciu wskaźników uzyskanych z parametrów widmowych, a trzecim jest porównanie fotometrii do standardów widmowych. Najczęściej stosuje się porównywanie widm obiektów z „szablonami” danych widm i używanie wskaźników widma jako dodatkowej kalibracji, na przykład dla oceny metaliczności (zawartości pierwiastków cięższych od wodoru i helu), czy masy.

Ciekawym przypadkiem są brązowe karły o niskiej metaliczności (podkarły), które są naszym wglądem w najstarsze i najzimniejsze tego typu obiekty. Ich istnienie sugeruje, że wiele gwiazd o małej masie formowało się we wczesnym Wszechświecie, gdzie cięższych pierwiastków było znacznie mniej, niż obecnie. Jedynie garstka takich podkarłów jest obecnie znana, a jeszcze mniej z nich ma typ widmowy niższy niż L2. Schemat nazewnictwa podkarłów wynika z opracowanych dla nich etapów zmniejszania metaliczności, a dla karłów typu M wygląda to mniej więcej tak: Mdwarfes (Mkarły), subdwarfes (sdM – podkarły), „ekstremalne podkarły” (extreme subwarfes – esdsM), „ultra podkarły” (ultra subdwarfes – usdM). Cóż, czasem łatwiej jest poradzić sobie z paradoksami czasu w całej serii Terminatora…

Joy Division – Atmosphere

Ktoś może zadać pytanie: „no dobrze, ale czy w widmach brązowych karłów znajduje się linia Hα (wodoru alfa), który to powstaje podczas reakcji jądrowych, tak jak w gwiazdach?” Co ciekawe, linia ta jest widoczna w obrazie spektograficznym naszych bohaterów. Jak można się jednak domyślić, ilość wodoru alfa zmniejsza się wraz z masą i typem spektralnym. Znaczna większość, bo 95% karłów typu M7 posiada tę linię w swoich widmach. Drastycznie ona jednak spada dla karłów typu L, praktycznie będąc nieobecną w widmach typów jeszcze zimniejszych. Jeśli jeszcze 50% karłów typu L0 wykazuje obecność linii Hα, to już tylko co dziesiąty karzeł L2 posiada tę cechę. Brązowe karły potrafią być jednak obiektami lubiącymi odstępstwa od reguły. Ciekawy jest przypadek karła 2MASS1315-26 (znajdujący się około 12 parseków od nas), który będąc karłem typu L5 posiada spektrum Hα około 100 razy wyraźniejsze, niż jego kuzyni.

 

W przypadku sporej grupy brązowych karłów zaobserwowano także szum radiowy. Ich emisja radiowa może mieć niski stan spoczynkowy, wykazywać zmienność związaną z obrotem, być silnie spolaryzowana, pulsująca synchronicznie z okresem rotacji, bądź też wykazywać jednocześnie kilka z tych cech. Niektóre z nich (2MASSJ0036+18, LSRJ1835+3259) emitują spolaryzowane promieniowanie, wykrywalne przy 4-8 GHz. Spowodowane jest to mechanizmem, który występuje także na Jowiszu. Wymaga to małej ilości cząstek wysokoenergetycznych, w stosunku do dość silnego pola magnetycznego. Wskazuje to na dynamiczne procesy zachodzące w atmosferze. Brązowe karły posiadają gazowe atmosfery, w temperaturach pomiędzy 3000K a 500K, generalnie zmniejszających się ku zewnątrz ich powłok.

Do niedawna skupiano się na badaniu chmur brązowych karłów w kierunku wertykalnym. Obserwacje obiektów posiadających silne promieniowanie sugeruje, że globalna cyrkulacja występuje także na nich. Oczywiście, efekt ten może być przede wszystkim zdominowany przez rotację, jednak obserwacje w różnych skalach czasowych nie do końca pokrywają się z okresami obrotu. Bogactwo związków w atmosferze, cząsteczki, atomy itp. jest zdeterminowana przez częstotliwość ich występowania w całej atmosferze. Jednak różne długości fali ukazują nam inne warstwy, ze swoimi charakterystycznymi składami i właściwościami.

Dead or Alive – You Spin Me Round (Like a Record)

Sprawą dla każdego oczywistą jest, że nasze brązowe karły muszą posiadać właściwość rotacji. Jednak mierzenie jej jest dość kłopotliwe, należy mierzyć rotację dla każdego obiektu indywidualnie. Dodatkowym utrudnieniem jest różne pochodzenie zmienności okresu obrotu, dla zimnych, starszych brązowych karłów jest nią raczej niehomogeniczność atmosfery.

Dla zimnych karłów „w polu” (czyli samodzielnych obiektów) okres rotacji jest niski – poniżej 20 h. Oczywiście, znajdują się tutaj odstępstwa od reguły. Kilka lat temu zmierzono okres obrotu kilku karłów w „górnym Skorpionie” (okolice Antaresa).

Wykres zależności masa-rotacja dla planet

Jak widać, brązowe karły wyłamują się z prostego schematu masa-prędkość rotacji. Może być to efektem ich formowania, czy ewolucji, jak i też obojga z nich. Brązowe karły, bądź, co bądź, w początkowej fazie przechodzą jednak podobne procesy jak gwiazdy. Jedynie najszybciej rotujące (5-10 h) zbliżają się co najwyżej do tej zasady. W przeciwieństwie do planet, moment pędu gwiazdy nie jest silnie zależny od masy i brązowe karły dobrze dopasowują się do tego trendu. Można (chyba dość bezpiecznie) założyć, że karły wpasowujące się do relacji masa-prędkość rotacji, są wyjątkami, które tworzą się bardziej jak planety i są we wczesnym etapie wyrzucane z dysku protoplanetarnego. Pod względem ewolucji rotacji brązowe karły zachowują się jednak bardziej jak planety, niż gwiazdy. Zachowują one swoje prędkości obrotu w dużych skalach czasowych. Jak widać na powyższej grafice, planety Układu Słonecznego zachowują związek masy i rotacji. Ziemia trochę wyłamuje się „w dół”, jednak jest to spowodowane bliskim sąsiedztwem Księżyca. Z drugiej strony brązowe karły także z czasem zwalniają, jednak zajmuje im to bardzo dużo czasu. Planety nie dotknięte siłami pływowymi mogą być jedynymi obiektami, które zachowują swoją pierwotną prędkość obrotową. Przez dodanie brązowych karłów do tego diagramu możemy niebawem odnaleźć odpowiednie mechanizmy, które powodują spadek prędkości rotacji gwiazd.

Brązowe karły lubię nazywać „mulatami”, dzięki ich charakterystyce, łączącej gwiazdy i planety. Ich nieuchwytność (jeśli chodzi o np. relację typu widmowego i masy) powoduje oczywiście wiele pytań. Przedstawione tutaj fakty są „suche”, pozbawione tak naprawdę głębszej analizy. W końcu jak to powiedział Einstein „byłoby możliwe opisać wszystko w sposób naukowy. Jednak nie miałoby to sensu, to tak, jakby opisać symfonię Beethovena jako ruch fal dźwiękowych”.

  • Ewa

    Mój komentarz do seksistowskiego wydźwięku zdania Oh Be A Fine Girl, Kiss Me (for I’m a man): Listen To Yourself! A tak serio to bardzo fajny artykuł 🙂

    • Rrradek

      Nie dość, że rasistowski to jeszcze seksistowski. 😉 Ten typ tak już ma 😀

  • Wojciech Stańczak

    Proponuję rozwinąć „Oh Be A Fine Girl, Kiss Me” o „Like True Yoda”