Ультрахолодні карлики — перші 10 років
Я. В. Павленко
доктор фізико-математичних наук
Головна астрономічна обсерваторія НАН України
З давніх-давен людям відомі зорі — далекі космічні об’єкти, а також планети, які обертаються навколо Сонця — найближчої до нас зорі. У XX ст. з’ясовано природу джерел енергії зір — ними виявилися термоядерні реакції горіння водню, які забезпечують світність зір різних спектральних класів. Донедавна в астрофізиці використовували так звану Гарвардську спектральну класифікацію зір, розроблену в середині минулого століття. Кожен школяр знає про спектральні класи О—В—А—F—G—К—М, які відображають зменшення температури в атмосферах зір від спектрального класу О до М. Зазначимо, що ще не так давно найменшими тілами далекого космосу астрономи вважали білі карлики (розміром з Юпітер) і нейтронні зорі (розміром з велике сучасне місто). Однак маси цих об’єктів великі, а температура їхніх атмосфер, як правило, перевищує 10000 К. Теорія чудово пояснювала походження таких малих за розмірами об’єктів — вони є результатом еволюції масивніших зір.
Донедавна було загадкою, які об’єкти є проміжними між маломасивними зорями, у надрах котрих горить водень, та планетами, у надрах яких термоядерні реакції не проходять через невеликі маси цих небесних тіл. Можливості наземних телескопів і приймальної апаратури не дозволяли ставити завдання пошуку маломасивних об’єктів поза межами Сонячної системи. Зазначимо, що з погляду теорії не було жодних обмежень на формування й дальше існування об’єктів з масами більшими від планетних і меншими від зоряних. Відповідно до уявлень про природу таких об’єктів, вони мають бути дуже холодні, тобто максимум розподілу енергії в їхніх спектрах має розміщуватися в інфрачервоній ділянці.
Завдяки значному прогресові спостережної астрономії наприкінці XX ст. ситуація в астрофізиці докорінно змінилася. У місцях із хорошим астрокліматом (Гавайї, Чилі, Канари) збудовано великі телескопи (4—8—10 м), оснащені сучасною прймальною апаратурою, чутливою як в оптичному, так і в інфрачервоному діапазонах спектра.
Новий етап розвитку астрофізики розпочався з пошуку так званих коричневих карликів. Учені вважали, що недалеко від Сонця, поряд з найближчими зорями або між ними й Сонцем, є об’єкти з масами меншими від 0,08 маси Сонця (80 мас Юпітера). Теоретичні розрахунки показували, що температура в надрах цих об’єктів на всіх етапах їхньої еволюції недостатня для горіння водню, тобто вони ніколи не стануть зорями в класичному розумінні.
Пошуки коричневих карликів були розпочаті у двох описаних нижче напрямках.
1. Декілька груп астрономів, зокрема американські вчені Басрі Г., Марсі Дж. і Накаджіма та ін., послуговуючись великими телекопами, стали систематично обстежувати найближчі зорі й зоряні скупчення, сподіваючись виявити перші коричневі карлики.
2. Практично тоді ж група іспанських астрономів під керівництвом Рафаеля Реболо в обсерваторії на Канарських островах розпочала дослідження центральної частини Плеяд — близького до нас зоряного скупчення. Маломасивні об’єкти там ще не встигли проеволюціонувати і мають бути достатньо яскравими для спостережень із наземними телескопами. До речі, ці роботи проводила Марія Роза Запатеро Озоріо за допомогою відносно невеликого інструмента (80-см телескоп обсерваторії Тейде).
Треба зазначити, що 1992 р. Реболо та ін. запропонували дуже практичний метод для виявлення коричневих карликів серед сукупності інших маломасивних об’єктів. Ідея методу полягала в спостереженні ліній літію в спектрах карликів пізніх спектральних класів. У випадку маломасивних об’єктів на ранніх стадіях їхньої еволюції конвекція є дуже ефективною — у зорях вона переносить атоми літію з поверхні у внутрішню частину, де літій інтенсивно вигорає. Однак у надрах коричневих карликів температура нижча від 2,6 МК, а тому горіння літію там не починається за жодних умов. Сильні резонансні лінії літію розміщені в зручній для спостережень спектральній ділянці (670,8 нм), але їх сильно блендують смуги поглинання молекули ТіО. Проте, як показано в роботі Павленка та ін. (1994), у спектрах карликів пізніх спектральних класів ці лінії все ж можна спостерігати. Такий суто теоретичний результат був блискуче підтверджений прямими спостереженнями.
Описані роботи виявилися досить трудомісткими, і, щоб виконати їх, потрібно було багато часу. Так, спеціальний симпозіум «Нижче межі Головної послідовності», проведений у Німеччині 1994 р., закінчився нічим — коричневі карлики не були відкриті. Проте величезні зусилля спостерігачів не могли пропасти безрезультатно. Я добре пам’ятаю передчуття близьких відкриттів, що буквально заполонило нашу астрономічну спільноту.
І час настав... У травні 1995 р. з’явилося повідомлення про відкриття маломасивного об’єкта PPl15, у спектрі якого були лінії літію; цей об’єкт виявили Басрі та Марсі за допомогою 10-м телескопа. Астрономи стверджували, що це перший коричневий карлик. Проте описане відкриття було якесь непевне, зокрема, лінії літію були не такими сильними, як очікувалось. І пізніші спостереження показали, що знайдений об’єкт є насправді подвійною системою з майже однаковими за масою компонентами.
Приблизно тоді ж дві інші групи (Реболо та Накаджіма) вже готували свої повідомлення. Іспанським астрономам вдалося ототожнити низку маломасивних об’єктів у центрі Плеяд, що явно належали до цього молодого розсіяного зоряного скупчення. Вони були дуже червоні й мали невелику світність, що свідчило про їхні малі маси. Інакше кажучи, у цьому випадку були всі ознаки коричневих карликів. Публікація про це відкриття з’явилася в американському виданні Nature (1995, 377, 129).
Практично одночасно з ними опублікували результати своїх досліджень Накаджіма та ін. (Nature (1995, 378,463)). Це відкриття здійснено так. 27 жовтня 1994 р. під час спостережень із паломарським 5-м телескопом поблизу близької зорі G1229 (на відстані 0,2 радіуса зорі) був відмічений невеликий за розмірами й світністю об’єкт, що міг бути коричневим карликом. Ореол від головного компонета був значним, тому наявність компонента G1229В біля G1229А потрібно було підтвердити новими незалежними спостереженнями. 17 грудня 1995 р. за допомогою Космічного телескопа Хаббла було здобуте чіткіше зображення коричневого карлика. Проте історія з G1229В на цьому не закінчилася. Виявилось, що оптичні та інфрачервоні спектри цього ультрахолодного карлика аж ніяк не можна класифікувати в рамках Гарвардської класифікації — в оптичному спектрі не було смуг ТіО та VО, які, власне, і визначають спектральну класифікацію вже давно відомих М-карликів. Більше того, в інфрачервоному спектрі G1229В були ідентифіковані смуги поглинання метану, відомі зі спостережень планет-гігантів Сонячної системи.
Перші повідомлення про відкриття коричневих карликів привели до інтенсифікації зусиль щодо пошуків таких об’єктів. У 1996—1997 рр. проведено масові спостереження маломасивних небесних тіл. Виявилося, що крім об’єктів типу G1229В у Всесвіті є інші об’єкти з невеликою масою, спектри яких відмінні як від зоряних спектрів, так і від спектрів небесних тіл типу G1229В. Форма оптичних спектрів таких об’єктів визначається поглинанням випромінювання резонансними лініями калію та натрію, причому внаслідок низьких температур і високого тиску в атмосферах згаданих небесних тіл ці лінії розширені — еквівалентні ширини їх можуть досягати кількох тисяч ангстрем. По суті, у цьому випадку астрономи спостерігають найсильніші лінії поглинання, відомі сучасній науці.
Постало питання про розширення спектральної класифікації в бік низьких ефективних температур. У 1997 р. для ультрахолодних карликів запропоновано нові спектральні класи: L і Т. Зазначимо, що, як і у випадку масивніших зір, спектральний клас маломасивних об’єктів може змінюватись із часом. Так, на початку еволюції коричневих карликів з масами 50 мас Юпітера і більшими їхні спектри схожі на спектри М-карликів. Проте з часом такі об’єкти охолоджуються, їхні фотосфери зміщуються в бік високого тиску. При цьому атоми Ті, V та деяких інших металів виявляються частково чи повністю зв’язаними в пилинки, тому смуги поглинання відповідних молекул поступово слабшають і повністю зникають у спектрах пізніх L-карликів. В їхніх атмосферах формуються хмари, що зумовлюють фотометричну змінність, яка спостерігалася для деяких L-карликів.
Успіхи спостережної астрономії у відкритті коричневих карликів, L- і Т-карликів ініціювали ще один бум — відкриття й дослідження позасонячних планетних систем. Підтверджене відкриття першої такої системи (51 Реg) відбулося 1995 року. Тепер таких систем відомо приблизно півтори сотні. Якщо взяти до уваги, що досліджено тільки найближчі околиці Сонця, то стає зрозумілим, що маломасивні об’єкти й зорі (включаючи і пізні М-карлики, серед яких і молоді коричневі карлики) є найчисленнішою популяцією Галактики.
Детальнішу інформацію про сучасний стан описаної проблеми можна почерпнути з Інтернету:
www.exoplanet.org
www/cgt/planet/aat.html
www.obspm.fr/encycl/encycl.html
Джерело: Астрономічний календар 2005, С. 214—216.
