Kas ir brūnais rūķis? Definīcija, masa un īpašības

Kas ir brūnais rūķis? Uzzini definīciju, masu un īpašības — deiterija un litija dedzināšana, atšķirības no zvaigznēm un milzu planētām, atklājumi (WISE 1049-5319).

Brūnais punduris (bieži saukts arī par brūno rūķi) ir objekts, kas sastāv no tām pašām galvenajām vielām kā zvaigznes — galvenokārt ūdeņraža un helija — taču tam nav pietiekamas masas, lai ilgstoši uzturētu ūdeņraža kodolsintēzi (ūdeņraža kodolsintēzei, t.i., ūdeņraža atomu savienošanai hēlija atomos). Kodolsintēze ir tas process, kas liek zvaigznēm spīdēt; brūnie rūķi to nespēj ilgstoši veikt, tādēļ tie atrodas starp zvaigznēm un planētām — bieži tos dēvē par "neizdevušām zvaigznēm". No otras puses, tie nav parastas milzu planētas, jo spīd termiski un tiem ir zvaigžņai līdzīgas atmosfēras īpašības.

Definīcija un masa

Brūno rūķu masa parasti ir starp smagākajiem gāzes milžiem un vieglākajām zvaigznēm. Augšējā robeža, kur sākas stabila ūdeņraža kodolsintēze, ir aptuveni 75–80 reizes lielāka par Jupitera masu (M _J); zem šīs robežas objekts netiek pārvērsts par parastu zvaigzni.

Ir vairāki fizikāli atšķirīgi "žesti", kas bieži lietoti brūno rūķu klasifikācijā:

• Ap 13 M _J — kļūst iespējam siltuma avots īslaicīgai deiterija (deiteriju) kodolsintēzei; tas tiek uzskatīts par zemo robežu, pēc kuras objekts spēj īslaicīgi "sadedzināt" deiteriju.
• Ap ~65 M _J — sākt var litija (litiju) iztukšošana.
• Ap 75–80 M _J — pietiekami karsti un blīvi, lai tiktu iedarbināta stabila ūdeņraža kodolsintēze; tas atdala īstas zvaigznes no brūnajiem rūķiem.

Ir svarīgi saprast, ka masu sliekšņi nav stingri — daudzi faktori (vecums, ķīmiskā sastāva metālitāte) ietekmē, vai un cik ilgstoši notiek deiterija vai litija dedzināšana. Tāpat atzīmējam, ka deiterija dedzināšana notiek salīdzinoši īsā laikā un tikai tad, ja objekts ir pietiekami masīvs.

Temperatūra, krāsas un spektrālās klases

Brūnie rūķi ir daudz vēsāki par zvaigznēm — to virsmas temperatūras aptver plašu diapazonu, aptuveni no dažiem simtiem Kelvina (pārnēsājamiem Y-klases rūķiem) līdz vairākiem tūkstošiem Kelvina (L-klases rūķiem). Šīs zemās temperatūras dod rezultātā molekulāras atmosfēras un īpašas absorbcijas līnijas.

Neraugoties uz nosaukumu, lielākā daļa brūno rūķu cilvēka acīm izskatās purpursarkani vai sarkanīgi — tas ir saistīts ar zemo temperatūru un molekulāro absorbciju, nevis ar "brūnu" pigmentu. Jāatzīmē arī, ka dažiem ļoti vēsiem rūķiem (T un Y spektrālajās klasēs) dominē infrasarkanais starojums un tie redzamajā gaismā būs ļoti vāji vai gandrīz neredzami.

Spektrālās klases, kas tiek lietotas brūnajiem rūķiem, parasti ir L, T un Y, kur:

• L-klase: silti brūnie rūķi ar metālu hidrīdu un alkālu līnijām, bieži redzamas debesis krāsas (sarkanīgas/oranžas).
• T-klase: vēsāki, dominē metāna (CH4) absorbcija infrasarkanajā zonā — atmosfēras molekulas padara signālu atšķirīgu no zvaigznēm.
• Y-klase: vēl vēsāki objekti ar iespējamām amonjaka (NH3) līnijām; tie ir tuvāk planētu temperatūrām.

Atmosfēra un mākoņu fenomens

Brūno rūķu atmosfēras satur molekulas kā ūdens (H2O), metānu (CH4), oglekļa oksīdu (CO), metāla hidrīdus un alkālmetālu līnijas. Karstākām L-klases rūķu atmosfērām raksturīgas dzelzs un silikāta mākoņu plēves, kas var ietekmēt to spilgtumu un krāsu. Ar atdzišanu mākoņi mainās, un T-klases rūķiem tipiska ir metāna absorbcija.

Kā rodas brūnie rūķi

Brūnie rūķi, visticamāk, veidojas līdzīgi zvaigznēm — gravitācijas kolapsa procesā no gāzes un putekļu mākoņiem. Tomēr ir gadījumi, kad līdzīgas masas objekti var veidoties arī protoplanētas disku procesos un vēlāk tikt izmesti, tādēļ brūno rūķu rašanās mehānisms var būt dažāds.

Atklāšana un novērošana

Brūnos rūķus ir grūti atrast, jo to absolūtā lieluma lielums un redzamais spožums ir zems — daudz no to izstarošanas notiek infrasarkanajā diapazonā. Galvenās metodes to atklāšanai ir:

• infrasarkanās debesu kartēšanas (piem., 2MASS, WISE),
• mērījumi par pareizajiem kustības (proper motion) — tuvie brūnie rūķi parāda salīdzinoši lielu kustību pret fona zvaigznēm,
• spektrālā analīze, kas ļauj noteikt molekulāras līnijas un klasifikāciju (L, T, Y),
• bināro sistēmu studijas — brūnie rūķi reizēm sastopami pāros vai zvaigžņu tuvumā, kas palīdz noteikt masu ar dinamiskām metodēm.

Tuvākais zināmais brūnais rūķītis ir WISE 1049-5319, kas (pazīstams arī kā Luhman 16) — tas atrodas aptuveni 6,5 gaismas gadu attālumā no Saules. 2013. gadā tika atklāta brūno rūķīšu bināra sistēma, kas kļuva par svarīgu objektu masas, temperatūras un atmosfēras pētījumiem.

Fizikālie rādītāji un noteikšanas testi

Daži no biežāk lietotajiem testiem un rādītājiem, lai atšķirtu brūna rūķa un planētu vai zemas masas zvaigznes, ir:

• deiterija dedzināšanas slieksnis ~13 M _J — objekti, kas to pārsniedz, var īslaicīgi dedzināt deiteriju;
• litija tests — litija saglabāšana spektrā liecina par to, ka objekts nav sasniedzis pietiekami augstu temperatūru, lai to iznīcinātu; litiju parasti dedzina objekti, kas ir masīvāki par ~65 M _J;
• vecums — jo vecāks brūnais rūķis, jo vairāk tas atdziest un kļūst tumšāks, tāpēc masas un vecuma noteikšana prasa modelēšanu un salīdzināšanu ar novērojumiem.

Kāpēc brūnie rūķi ir svarīgi

Brūnie rūķi palīdz saprast:

• zvaigžņu un planētu veidošanās procesus un to pārejas reģionu,
• atmosfēru fizikā — mākoņu, molekulārās ķīmijas un siltuma pārneses procesus, kas ir līdzīgi eksoplanētām,
• lokālo zvaigžņu apgabalu — jo daudzi tuvākie objekti var būt tieši brūnie rūķi.

Piemēri un novērojumi

Bez jau minētā WISE 1049-5319, kas (Luhman 16) ir atrastas daudzas citas brūno rūķu sistēmas, gan brīvi pārvietojošās, gan kopā ar zvaigznēm vai citiem rūķiem. Pēdējo desmitgažu laikā, pateicoties infrasarkanajām misijām (piem., WISE) un uzlabotai instrumentācijai, brūno rūķu skaits zināmajā katalogā ir strauji pieaudzis, tomēr tie joprojām ir salīdzinoši grūti novērojami objektu vājā spožuma dēļ.

Kopsavilkums

Brūnie rūķi ir starpposma objekti starp planētām un zvaigznēm: tiem nav pietiekami daudz masas ilgstošai ūdeņraža kodolsintēzei, taču tiem ir daudzas zvaigznēm līdzīgas iezīmes — termiska spīdēšana, molekulāras atmosfēras un īpašas spektrālās pazīmes. To masas robežas parasti atrodas starp dažu Jupitera masu un aptuveni 75–80 M _J. Brūnie rūķi ir nozīmīgi, lai saprastu debess ķermeņu veidošanos, atmosfēru fizikā un tuvās kosmiskās vides sastāvu.

Atklājums

Par brūnajiem rūķīšiem sāka runāt pagājušā gadsimta 60. gados. Brūnajiem rūķīšiem tika piedāvāti alternatīvi nosaukumi, tostarp planetārs un subzvaigzne. Desmitiem gadu desmitu tie palika hipotētiski.

Agrīnās teorijas liecināja, ka objekts, kura masa ir mazāka par 0,09 Saules masām, nekad nepārdzīvos normālu zvaigžņu evolūciju. Deitērija sadegšanas līdz 0,012 Saules masām atklāšana un putekļu veidošanās ietekme brūno rūķīšu vēsajās ārējās atmosfērās 80. gadu beigās lika apšaubīt šīs teorijas. Tomēr šādus objektus bija grūti atrast, jo tie gandrīz neizstaro redzamo gaismu. To spēcīgākā emisija ir infrasarkanajā (IR) spektrā, un tolaik uz zemes esošie IR detektori bija pārāk neprecīzi, lai viegli identificētu brūnos rūķīšus.

Daudzus gadus pūliņi atklāt brūnos rūķus bija veltīgi. Tomēr 1988. gadā tika atklāts GD 165B, kuram nepiemita neviena no pazīmēm, kas būtu raksturīgas mazmasīvai sarkanajam rūķim. Mūsdienās GD 165B tiek uzskatīta par prototipu objektu klasei, ko tagad dēvē par "L pundurzvaigznēm". Lai gan vēsākā rūķa atklāšana tolaik bija ļoti nozīmīga, tika diskutēts, vai GD 165B klasificēt kā brūno rūķi vai vienkārši kā ļoti mazmasu zvaigzni, jo novērojumu ziņā tās ir ļoti grūti atšķirt.

Drīz pēc GD 165B atklāšanas tika ziņots arī par citiem brūnajiem rūķīšiem. Tomēr lielākā daļa no tiem neattaisnoja savu kandidatūru, jo litija trūkums liecināja, ka tie ir zvaigžņu objekti. Īstās zvaigznes sadedzina litiju nedaudz vairāk nekā 100 miljonu gadu laikā, bet brūnie rūķīši - nē. Mulsinoši ir tas, ka brūno rūķu temperatūra un spožums ir līdzīgi dažām īstām zvaigznēm. Citiem vārdiem sakot, litija atklāšana objekta atmosfērā nozīmē, ka, ja tas ir vecāks par 100 my, tas ir brūnais punduris.

1994./5. gadā brūno rūķu pētījumi mainījās, jo tika atklāti divi noteikti zemzvaigžņu objekti (Teide 1 un Gliese 229B).

Pirmais apstiprinātais brūnais rūķītis tika atklāts 1994. gadā. Šo objektu nosauca par Teide 1, un tas tika atrasts Plejāžu atklātajā zvaigznājā. Nature tā paša numura pirmajā lappusē izcēla "Atklāti brūnie rūķīši, oficiāli". Teide 1 attālums, ķīmiskais sastāvs un vecums tika noteikts, jo tas atrodas jaunajā Plejāžu zvaigžņu kopienā. Teide 1 masa ir 55 reizes lielāka par Jupitera masu, un tā ir nepārprotami zem zvaigžņu masas robežas.

Ievērojamāka bija Gliese 229B, kuras temperatūra un spožums bija krietni zemāki par zvaigžņu rādītājiem. Ievērības cienīgs ir fakts, ka tās tuvā infrasarkanajā spektrā skaidri bija redzama metāna absorbcijas josla 2 mikrometru attālumā, kas iepriekš bija novērota tikai milzu planētu un Saturna mēness Titāna atmosfērās. Šis atklājums palīdzēja izveidot vēl vienu spektrālo klasi, kas ir vēl vēsāka par L punduriem, tā sauktos T pundurus, kuru prototips ir Gliese 229B.

Brūnais punduris, kura masa ir mazāka par 65 Jupitera masām, nespēj sadedzināt litiju termonukleārās kodolsintēzes procesā jebkurā evolūcijas laikā. Augstas kvalitātes spektrālie dati parādīja, ka Teide 1 ir saglabājusi sākotnējā molekulārā mākoņa, no kura veidojās Plejādes zvaigznes, sākotnējo litija daudzumu. Tas pierādīja, ka tās kodoltermiskās kodolsintēzes kodolā nav.

Teide 1 kādu laiku tika uzskatīta par mazāko objektu ārpus Saules sistēmas, kas tika identificēts tiešā novērojumā. Kopš tā laika ir identificēti vairāk nekā 1800 brūnie rūķīši. Daži no tiem atrodas ļoti tuvu Zemei, piemēram, Epsilon Indi Ba un Bb - brūno rūķu pāris, kas gravitācijas spēkiem saistīts ar Saulei līdzīgu zvaigzni aptuveni 12 gaismas gadu attālumā no Saules, un WISE 1049-5319 - brūno rūķu bināra sistēma aptuveni 6,5 gaismas gadu attālumā.

L rūķa mākslinieka nospiedums


Mākslinieka radīts T-nabadzenes iespaids


Mākslinieka radīts Y rūķa nospiedums

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir brūnais punduris?

J: Kāpēc brūnie rūķīši netiek uzskatīti par parastām milzu planētām?

J: Kāpēc brūnos pundurus ir grūti atrast?

J: Kāds ir brūnā rūķa masas diapazons?

J: Kas notiek, ja brūnā rūķa masa pārsniedz 13 MJ?

J: Kas notiek, ja brūnā rūķa masa pārsniedz ~65 MJ?

J: Kādas krāsas brūnie rūķīši izskatās cilvēka acīm?

Meklēt pēc burta