Коричневі карлики займають проміжне положення між зорями і планетами. Від перших їх відділяє слабкість термоядерних реакцій, а від других, що вони взагалі протікають. Нам про них відомо небагато, оскільки вони тьмяні і досліджувати їх досить незручно. Але телескопу TESS вдалося розгледіти п'ять таких, що наблизилися до межі, за якою їм би вистачило маси, щоб стати зорею. Чому ці об'єкти все ж не маломасивні зорі, вчені пояснили у Astronomy & Astrophysics.
Thibaut Roger / UNIGE
Кого побачив телескоп?
Зорі народжуються у молекулярних хмарах, так званих зоряних колисках, де під час стиснення газу утворюється центр тяжіння, на який нашаровується речовина і утворює протозорю. Затим у ній починається перша термоядерна реакція — горить дейтерій як найбільш легкозаймистий елемент. Якщо маси вистачить, то далі об'єкту стане сили плавити водень у гелій у своєму ядрі, а сам він стане називатися зіркою та потрапить на головну послідовність діаграми Герцшпрунга-Рассела. Детальніше про цей процес Nauka.ua розповідала у картках «Як довго живуть зірки?», а зараз варто зупинитися на етапі горіння дейтерію. Як сказано вище, якщо зорі вистачить маси, то за дейтерієм почне горіти водень. Це приблизно 80 мас Юпітера — найнижча межа, за якою об'єкт вже стане зорею. А якщо не вистачить? Для горіння дейтерію достатньо 13 мас Юпітера — це також немало, термоядерна реакція все ж відбувається, хоч і слабка — гріє всього до 400 градусів Цельсія. Тобто називати такий об'єкт планетою було б неправильним.
Тому на діаграмі з'являється аж три нових спектральних класи та новий клас об'єктів — коричневі карлики. Їх називають субзірковими об'єктами або об'єктами проміжної між планетами-гігантами та маломасивними зорями маси — між 13 та 80 масами Юпітера.
Але річ у тім, що ці межі дуже умовні, адже точна маса, якої вистачить для синтезу дейтерію і водню, залежить від хімічного складу об'єкта. А коричневі карлики мають надто низьку світність, щоб його можна було дослідити. Також на біду астрономам, вони досить рідко з'являються близ зірок головної послідовності — всього один відсоток із відкритих має орбіту на відстані у п'ять астрономічних одиниць від повноцінної зорі головної послідовності.
Такими знайдену п'ятірку коричневих карликів побачив інтерферометр Південного астрофізичного дослідного телескопа. TOI-148 згори зліва, TOI-587 згори справа, TOI-681 посередині зліва і TOI 746 поруч, та TOI 1213 внизу. Nolan Grieves et al. / Astronomy & Astrophysics, 2021
У цій роботі колаборації швейцарських вчених за допомогою телескопа TESS вдалося знайти аж п'ять нових коричневих карликів під час їхнього проходження повз диск зорі-хазяїна. Їх назвали TOI-148, TOI-587, TOI-681, TOI-746 і TOI-1213 та найбільшими серед тих, що знаходили досі. Наземні телескопи також підтвердили існування цих об'єктів, тож астрономи зробили їх об'єктом досліджень з метою розібратися із формуванням та еволюцією «зірок-невдах».
Яку межу вони майже перейшли?
Як ми вже зазначили, поки дослідники діляться на два табори, до кого все ж відносити коричневих карликів, окремі добре описані з них разом із зорями з дуже малою масою стануть вирішальними чинниками для створення універсальної моделі формування таких об'єктів. Особливо транзитні коричневі карлики, радіуси яких можна точно визначити, бо поки про більшість знайдених ми знаємо лише радіальні швидкості та не певні, чи не є вони насправді зірками малої маси. З огляду на дані TESS, цю п'ятірку точно можна віднести до міжзоряних об'єктів, бо вдалося зробити фотометричні і спектроскопічні вимірювання, які і вказали на близькість їхньої маси до межі горіння водню. Так першого, TOI-148, телескоп спостерігав з 25 липня до 22 серпня 2018. За цей час карлик здійснив шість транзитів, кожні 4,87 дня.
Криві блиску TOI-148, отримані з даних різних обсерваторій. Червоними лініями позначені найбільш відповідні моделі транзиту. Nolan Grieves et al. / Astronomy & Astrophysics, 2021
Другий коричневий карлик під назвою TOI-587 встиг всього двічі пройти по диску своєї зорі з 2 по 28 лютого 2019, тож вчені підозрюють, що його орбітальний період складає близько восьми днів. За TOI-681 телескопи дивилися і взимку, і влітку, і восени 2019-2020, за цей час він зробив два транзити з різницею у 15,8. Точність цих висновків підтвердили спостереження cтратосферної обсерваторії інфрачервоної астрономії (SOFIA). За 17 поміченими транзитами TOI-746 вдалося визначити, що його орбітальний період складає 10,9 дня. Транзит карлика TOI-1213 виявився найдовшим — 27,2 дня.
Криві блиску TOI-1213, який оминає свою зорю-хазяїна за 27,2 дня. Nolan Grieves et al. / Astronomy & Astrophysics, 2021
TOI-148 і TOI-746 виявилися найстаршими — їх вік оцінили у 7,7 та 6,5 мільярда років відповідно. Вони ж мали і найменші радіуси, що відповідає типовому закінченню життя коричневого карлика — він остигає і стискається. TOI-587 і TOI-681 виявилися найгарячішим та очікувано наймолодшими — їм дали менше за 0,1 та 0,2 мільярда років. TOI-1213 оцінили у 5,3 мільярда років та відмітили його стійкість до приливних сил зорі-хазяїна, бо він другий за часом транзиту. Загалом всі п'ять проаналізованих коричневих карликів мають маси близько межі необхідної для запуску процесів горіння водню, але недостатню, щоб дотягнути до нижньої межі зірок головної послідовності — 73-96 мас Юпітера. І ця саме ця межа між коричневим карликом і зіркою важлива, оскільки невеликі зміни маси можуть викликати абсолютно різні сценарії життя цих об'єктів. Маломасивні M-карлики можуть спалювати водень до трильйонів років в порівнянні з коричневими, у яких буде тільки короткочасна стадія горіння дейтерію і менше мільярда років до повного охолодження.
Коричневі карлики вже не вперше потрапляють на очі TESS, який шукає екзопланети. Так, наприклад, телескоп помітив одного такого на короткій орбіті біля червоного карлика — останній вже вважається зорею. Також він знайшов на цих об'єктах вітряну погоду — у їхніх атмосферах циркулювало тепло.