Brązowe karły, czyli niedorobione gwiazdy

Ryc. 1. Diagram Hertzsprunga–Russella wielkości i widma gwiazd. W prawym dolnym rogu brązowe karły. Licencja CC BY-SA 2.5. Richard Powell. 

Są gwiazdy i są planety. Znamy gwiazdy karłowate oraz gwiazdy-olbrzymy. Rozpiętość wielkości planet też jest ogromna. Nie każdy obiekt niebędący gwiazdą można automatycznie nazwać planetą. Nie może być za mały ani za duży. Z jednej strony ograniczeniem jest nieprecyzyjna definicja planetoid i planet karłowatych, z drugiej zaś… Istnieją gazowe olbrzymy wielkości naszego Jowisza, który jest jeszcze planetą, ale gwiazdą już nie jest. Dlaczego? Bo nie świeci własnym światłem? Ale przecież Lucas Bergowsky już tłumaczył w tekście Rozgrzany do czerwoności!, że każde ciało materialne świeci, emituje promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło podczerwone. 

Jowisz jest planetą, gdyż nie zachodzą w nim reakcje termojądrowe. Mamy więc gotową definicję, kiedy „kończą się” planety. Ale kiedy zaczynają się gwiazdy? Reakcji jądrowych jest wiele. W prawdziwej, “rasowej” gwieździe zachodzi reakcja syntezy wodoru w hel, a przynajmniej od tej reakcji zaczyna się „życie” gwiazdy, gdyż zachodzą w niej także inne reakcje syntezy jąder cięższych pierwiastków, tzw. „metali” (które wcale metalami być nie muszą). Powyższy wywód sugeruje, że każdy duży obiekt kosmiczny jest albo planetą albo gwiazdą, a ostrym i wyraźnym rozróżnieniem jest istnienie albo nieistnienie reakcji syntezy jądrowej. Niestety tak nie jest! Jak to w życiu: jest czekolada, jest nie-czekolada i są wyroby czekoladopodobne. Są też obiekty gwiazdopodobne. To tak zwane brązowe karły

Ryc. 2. Brązowe karły Teide 1 , Gliese 229 B i WISE 1828+2650 w porównaniu do czerwonego karła Gliese 229A , Jowisza i Słońca. 
Licencja CC BY 3.0, MPIA/V. Joergens – Pierwsze wydanie w „
Joergens, Viki, 50 Years of Brown Dwarfs – From Prediction to Discovery to Forefront of Research, Astrophysics and Space Science Library 401, Springer

Słońce jest typową, przeciętną gwiazdą, jego masa jest około 1000 razy większa od masy planety-olbrzyma, czyli Jowisza. Taka różnica wielkości sugeruje istnienie obiektów o masach pośrednich rzędu kilkudziesięciu mas Jowisza, czyli kilku procent masy Słońca. Nazywamy je brązowymi karłami. Są zbyt małe, aby mogła w nich zachodzić reakcja przemiany wodoru w hel, ale wystarczająco masywne, by zachodziła reakcja syntezy jąder deuteru:

p + p → D + e+ + νe

gdzie:
p to proton (jądro wodoru),
D to deuter (izotop wodoru z jednym protonem i jednym neutronem),
e+ to pozyton (antycząstka elektronu),
νe​ to neutrino elektronowe.

Reakcja ta zachodzi tylko przez kilka pierwszych milionów lat istnienia brązowego karła, mają wtedy typ widmowy L (temperatura 1400-2200 K) i słabo świecą na czerwono, pomarańczowo lub brązowo. Przez pozostały czas tylko stygną i stygną, stopniowo obniżając typ widmowy do T i kończąc na Y. Dlatego są tak trudno wykrywalne, także ze względu na niewielką masę.

Początkowo (lata 60.) nazywano je czarnymi karłami, ale “zbrązowiały” po tym, jak zaczęto je mylić z całkowicie wystygłymi białymi karłami. Aby jeszcze bardziej zamącić w głowach PT Czytelników wspomnę, że istnieją czerwone karły, a brązowe po całkowitym ostygnięciu także stają się „czarne”. 

Podstawowym kryterium uznania obiektu kosmicznego za brązowego karła jest obecność pierwiastka litu 7Li. W „normalnych” gwiazdach lit występuje przez krótki czas gdyż szybko przekształca się w hel 4He w reakcji z jądrami wodoru. 

Drugim charakterystycznym wyróżnikiem brązowego karła jest dużo większy udział promieniowania podczerwonego w emitowanym widmie. Nic dziwnego, jego temperatura i czerwonawa barwa widmowa jednoznacznie determinuje rozkład częstotliwości promieniowania w okolicach podczerwieni.

Trzecim wyróżnikiem brązowych karłów są obserwowalne ilości metanu, bo (nie wiem, czy wspominałem) mogą one mieć one coś w rodzaju atmosfery. Zimniejsze, już ostygłe obiekty mogą gromadzić w atmosferze metan, który jest wykrywalny metodą spektrografii. Atmosfera brązowych karłów jest w ogóle dość egzotyczna. Dość powiedzieć, że unoszą się w niej chmury krzemionki i padają żelazne deszcze.

Pierwszego brązowego karła odkryto w 1995 roku, ale wcześniej, w latach osiemdziesiątych XX wieku, istniały takie podejrzenia wobec kilku niesklasyfikowanych jeszcze obiektów. Trudności w obserwacji spowodowały, że wiedza o brązowych karłach była (i dalej jest) wątła i pełna niepotwierdzonych hipotez. Szacowano na przykład, że ich liczebność we Wszechświecie dwukrotnie przekracza liczbę gwiazd. Dopiero teleskop kosmiczny WISE skorygował te szacunki do ⅙, czyli na każde sześć gwiazd przypada jeden brązowy karzeł. 

Pozostając przy hipotezach, pierwszy brązowy karzeł nazwany Gliese 229 B jest prawdopodobnie układem podwójnym. Tak przynajmniej wynika z ostatnich obserwacji W. M. Keck Observatory na Hawajach i Very Large Telescope w Chile. 

Ryc. 3. Wizualizacja czerwonego karła Gliese 229 B. K. Miller, R. Hurt/Caltech/IPAC, źródło: https://www.caltech.edu/about/news/its-twins-mystery-of-famed-brown-dwarf-solved

Wcześniej nazwałem brązowe karły obiektami gwiazdopodobnymi. Niestety, jest to nieco nieprecyzyjne określenie. Po wypaleniu się, które następuje dość szybko, obiekty te zaczynają stygnąć. Proces szybko postępuje, a w wielu z nich synteza termojądrowa zatrzymuje się całkowicie. Wspomniany wcześniej Gliese 229 B jest wielkości Jowisza (widać to na Ryc. 2), może więc być uznany po wypaleniu się za planetę o większej (80x) niż zwykle gęstości. Tak więc z obiektu gwiazdopodobnego staje się obiektem planetopodobnym. Brązowe karły mogą być też omyłkowo uznane za planety. Nie po raz pierwszy zdarza się więc, że klasyfikacja naukowa, zwłasza ta uświęcona tradycją, musi zostać zrewidowana. Przekonaliśmy się o tym dobitnie na przykładzie systematyki zwierząt (i roślin), kiedy to klasyczna systematyka linneuszowska, oparta na podobieństwie, musiała się poddać w konfrontacji z badaniami genetycznymi, a zewnętrzne podobieństwo nagle przestało się przekładać na bliskie pokrewieństwo ewolucyjne.

To dobrze, że nauka jest żywym organizmem, nieskostniałym. Powyższe przykłady dowodzą, że jest de facto procesem doskonalenia się przez nieustanne wątpienie i kwestionowanie istniejącego stanu, nie ma w niej świętości i dogmatów ani autorytetów. Taką świętością wydawała się klasyczna mechanika newtonowska no i proszę, co się z nią stało. Minęło 200 lat i została zdegradowania do roli przybliżenia, szczególnego przypadku mechaniki relatywistycznej w warunkach „ciepłej wody w kranie”. A wydawała się nie do ruszenia. Podobnie dzieje się z odkrywaniem elementarnej struktury materii oraz w kosmologii.