Коричневі карлики - космічні тіла з масою 1-8% сонячної. Вони занадто масивні для планет, гравітаційне стиснення робить можливим термоядерні реакції за участю «легкогорючих» елементів. Але для «запалювання» водню їх маса недостатня, і тому, на відміну від повноцінних зірок, світять коричневі карлики недовго.
Астрономи не ставлять експериментів - вони отримують інформацію за допомогою спостережень. Як сказав один з представників цієї професії, не існує настільки довгих приладів, щоб ними можна було дотягнутися до зірок. Однак у розпорядженні астрономів є фізичні закони, які дозволяють не тільки пояснювати властивості вже відомих об'єктів, але і передбачати існування ще не спостерігалися.
Передбачення Шива Кумара
Про нейтронні зірки, чорні діри, темну матерію та інші космічні екзоти, вирахувані теоретиками, чули багато. Однак у Всесвіті чимало інших дивин, відкритих у той самий спосіб. До їх числа належать тіла, що займають проміжне положення між зірками і газовими планетами. У 1962 році їх передбачив Шив Кумар, 23-річний американський астроном індійського походження, який щойно захистив докторську дисертацію в Мічиганському університеті. Кумар назвав ці об'єкти чорними карликами. Пізніше в літературі фігурували такі імена, як чорні зірки, об'єкти Кумара, інфрачервоні зірки, проте зрештою перемогло словосполучення «коричневі карлики» (brown dwarfs), запропоноване 1974 року аспіранткою Каліфорнійського університету Джилл Тартер.
Чотири роки міжнародна команда астрономів «зважувала» ультрахолодний карлик класу L (6,6% сонячної маси) за допомогою телескопа «Хаббл», VLT і телескопа ім. Кека.
Кумар йшов до свого відкриття чотири роки. У ті часи основи динаміки народження зірок вже були відомі, але в деталях залишалися неабиякі прогалини. Однак Кумар в цілому настільки вірно описав властивості своїх «чорних карликів», що згодом з його висновками погодилися навіть суперкомп'ютери. Все-таки людський мозок як був, так і залишається кращим науковим інструментом.
Народження недозвірок
Зірки виникають в результаті гравітаційного колапсу космічних газових хмар, які в основному складаються з молекулярного водню. Крім того, там є гелій (один атом на 12 атомів водню) і слідові кількості більш важких елементів. Колапс завершується народженням протозірки, яка стає повноправним світилом, коли її ядро розігрівається до такої міри, що там починається стійке термоядерне горіння водню (гелій у цьому не бере участі, оскільки для його підпалу потрібні температури в десятки разів вище). Мінімальна температура, необхідна для займання водню, становить близько 3 млн градусів.
Кумара цікавили найлегші протозірки з масою не вище однієї десятої маси нашого Сонця. Він зрозумів, що для запуску термоядерного горіння водню вони повинні згуститися до більшої щільності, ніж попередники зірок сонячного типу. Центр протозірки заповнюється плазмою з електронів, протонів (ядер водню), альфа-частинок (ядер гелію) і ядер більш важких елементів. Трапляється, що ще до досягнення температури підпалу водню електрони дають початок особливому газу, властивості якого визначаються законами квантової механіки. Цей газ успішно чинить опір стисненню протозірки і тим перешкоджає розігріву її центральної зони. Тому водень або взагалі не запалюється, або гасне задовго до повного вигорання. У таких випадках замість зірки, що не відбулася, формується коричневий карлик.
Можливість виродженого фермі-газу до опору гравітаційному стисненню аж ніяк не свавільна, і це легко показати на пальцях. У міру того як електрони заповнюють все більш високі рівні енергії, їх швидкості зростають і зрештою наближаються до світлової. У цій ситуації сила тяжіння бере гору і гравітаційний колапс відновлюється. Математичний доказ складніший, але висновок аналогічний. Так і виходить, що квантовий тиск електронного газу зупиняє гравітаційний колапс, лише якщо маса колапсуючої системи залишається нижче певної межі, що відповідає 1,41 маси сонця. Вона називається межею чандрасекара - на честь видатного індійського астрофізика і космолога, який вирахував її в 1930 році. Межа чандрасекара задає максимальну масу білих карликів, про що нашим читачам напевно відомо. Однак попередники коричневих карликів в десятки разів легше і про межі чандрасекара можуть не турбуватися.
Кумар вирахував, що мінімальна маса зірки дорівнює 0,07 маси Сонця, якщо мова йде про порівняно молодих світилах популяції I, яким дають початок хмари з підвищеним вмістом елементів важче гелію. Для зірок популяції II, що виникли понад 10 млрд років тому, у часи, коли гелію і важчих елементів у космічному просторі було набагато менше, вона дорівнює 0,09 сонячної маси. Кумар знайшов також, що формування типового коричневого карлика займає близько мільярда років, а його радіус не перевищує 10% радіусу Сонця. Наша Галактика, як і інші зоряні скупчення, повинна містити багато таких тіл, але їх важко виявити через слабку світність.
Як вони запалюються
З часом ці оцінки не особливо змінилися. Зараз вважають, що тимчасове загоряння водню біля протозірки, що народилася з відносно молодих молекулярних хмар, відбувається в діапазоні 0,07 ‑ 0,075 сонячної маси і триває від 1 до 10 млрд років (для порівняння, червоні карлики, найлегші зі справжніх зірок, здатні світити десятки мільярдів років!). Як зазначив у бесіді з «ПМ» професор астрофізики Прінстонського університету Адам Барроуз, термоядерний синтез компенсує не більше половини втрати променистої енергії з поверхні коричневого карлика, в той час як у справжніх зірок головної послідовності ступінь компенсації становить 100%. Тому зірка, що не відбулася, охолоджується навіть при працюючій «водневій топці» і тим більше продовжує остигати після її заглушки.
Протозірка з масою менше 0,07 сонячної підпалити водень взагалі не здатна. Правда, в її надрах може спалахнути дейтерій, оскільки його ядра сл "