Las enanas marrones son cuerpos cósmicos con una masa del 1-8% de la masa solar. Son demasiado masivas para los planetas, la compresión gravitacional posibilita reacciones termonucleares que involucran elementos "fácilmente combustibles". Pero su masa es insuficiente para "encender" el hidrógeno y, por lo tanto, a diferencia de las estrellas de pleno derecho, las enanas marrones no brillan por mucho tiempo.
Los astrónomos no experimentan, obtienen información a través de observaciones. Como dijo uno de los representantes de esta profesión, no hay dispositivos que sean lo suficientemente largos para llegar a las estrellas. Sin embargo, los astrónomos tienen a su disposición leyes físicas que permiten no solo explicar las propiedades de objetos ya conocidos, sino también predecir la existencia de objetos que aún no han sido observados.
La previsión de Shiva Kumar
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Muchos han oído hablar de estrellas de neutrones, agujeros negros, materia oscura y otras exóticas cósmicas calculadas por teóricos. Sin embargo, hay muchas otras curiosidades en el universo descubiertas de la misma manera. Estos incluyen cuerpos intermedios entre estrellas y planetas gaseosos. Fueron pronosticados en 1962 por Shiv Kumar, un astrónomo indio-estadounidense de 23 años que acababa de completar su tesis doctoral en la Universidad de Michigan. Kumar llamó a estos objetos enanas negras. Nombres posteriores como estrellas negras, objetos Kumar, estrellas infrarrojas aparecieron en la literatura, pero al final ganó la frase "enanas marrones", propuesta en 1974 por una estudiante graduada de la Universidad de California, Jill Tarter.
Durante cuatro años, un equipo internacional de astrónomos "pesó" la enana clase L ultra fría (6,6% de la masa solar) utilizando el telescopio Hubble, el VLT y el. Rizar.
Kumar iba a su inauguración durante cuatro años. En aquellos días, ya se conocían los conceptos básicos de la dinámica del nacimiento de estrellas, pero había importantes lagunas en los detalles. Sin embargo, Kumar en su conjunto describió tan correctamente las propiedades de sus "enanas negras" que más tarde incluso las supercomputadoras estuvieron de acuerdo con sus conclusiones. Después de todo, el cerebro humano ha sido y sigue siendo el mejor instrumento científico.
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El nacimiento de los entendidos
Las estrellas surgen del colapso gravitacional de las nubes de gas cósmico, que son principalmente hidrógeno molecular. También contiene helio (uno por cada 12 átomos de hidrógeno) y trazas de elementos más pesados. El colapso termina con el nacimiento de una protoestrella, que se convierte en una estrella en toda regla cuando su núcleo se calienta a tal punto que comienza allí una combustión termonuclear estable de hidrógeno (el helio no participa en esto, ya que se necesitan temperaturas diez veces más altas para encenderlo). La temperatura mínima requerida para encender el hidrógeno es de aproximadamente 3 millones de grados.
Kumar estaba interesado en las protoestrellas más ligeras con una masa que no exceda una décima parte de la masa de nuestro Sol. Se dio cuenta de que para desencadenar la combustión termonuclear de hidrógeno, deben espesarse a una densidad más alta que las predecesoras de las estrellas de tipo solar. El centro de la protoestrella está lleno de un plasma de electrones, protones (núcleos de hidrógeno), partículas alfa (núcleos de helio) y núcleos de elementos más pesados. Sucede que incluso antes de que se alcance la temperatura de ignición del hidrógeno, los electrones dan lugar a un gas especial, cuyas propiedades están determinadas por las leyes de la mecánica cuántica. Este gas resiste con éxito la compresión de la protoestrella y así evita el calentamiento de su zona central. Por lo tanto, el hidrógeno no se enciende en absoluto o se apaga mucho antes de que se agote por completo. En tales casos, en lugar de una estrella fallida, se forma una enana marrón.
La posibilidad de que un gas Fermi degenerado resista la compresión gravitacional no es de ninguna manera ilimitada, y es fácil demostrarlo por un lado. A medida que los electrones llenan niveles de energía cada vez más altos, sus velocidades aumentan y finalmente se acercan a la luz. En esta situación, prevalece la fuerza de la gravedad y se reanuda el colapso gravitacional. La demostración matemática es más complicada, pero la conclusión es similar. Entonces resulta que la presión cuántica del gas de electrones detiene el colapso gravitacional solo si la masa del sistema colapsante permanece por debajo de un cierto límite, correspondiente a 1,41 masas solares. Se denomina límite de chandrasekhar - en honor al destacado astrofísico y cosmólogo indio que lo calculó en 1930. El límite de chandrasekhar especifica la masa máxima de enanas blancas,que probablemente conozcan nuestros lectores. Sin embargo, los precursores de las enanas marrones son diez veces más ligeros y no tienen que preocuparse por el límite de chandrasekhar.
Kumar calculó que la masa mínima de una estrella naciente es de 0,07 masas solares cuando se trata de luminarias relativamente jóvenes de población I, que dan lugar a nubes con un mayor contenido de elementos más pesados que el helio. Para las estrellas de población II, que surgieron hace más de 10 mil millones de años, en un momento en que el helio y los elementos más pesados en el espacio exterior eran mucho menores, es igual a 0.09 masas solares. Kumar también descubrió que la formación de una enana marrón típica toma alrededor de mil millones de años y su radio no excede el 10% del radio del Sol. Nuestra Galaxia, al igual que otros cúmulos estelares, debería contener una gran variedad de tales cuerpos, pero son difíciles de detectar debido a su débil luminosidad.
Como se iluminan
Estas estimaciones no han cambiado mucho con el tiempo. Ahora se cree que la ignición temporal de hidrógeno en una protoestrella, nacida de nubes moleculares relativamente jóvenes, ocurre en el rango de 0.07-0.075 masas solares y dura de 1 a 10 mil millones de años (en comparación, las enanas rojas, las más ligeras de las estrellas reales, son capaces de brillar ¡decenas de miles de millones de años!). Como señaló Adam Burrows, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton, en una entrevista con PM, la fusión termonuclear compensa no más de la mitad de la pérdida de energía radiante de la superficie de una enana marrón, mientras que en las estrellas reales de secuencia principal, el grado de compensación es del 100%. Por lo tanto, la estrella fallida se enfría incluso con el “horno de hidrógeno” en funcionamiento, y más aún, continúa enfriándose después de su taponamiento.
Una protoestrella con una masa de menos de 0,07 masas solares no es capaz de encender hidrógeno en absoluto. Es cierto que el deuterio puede estallar en sus profundidades, ya que sus núcleos se fusionan con protones ya a temperaturas de 600-700 mil grados, dando lugar a helio-3 y gamma quanta. Pero no hay mucho deuterio en el espacio (solo hay un átomo de deuterio por cada 200.000 átomos de hidrógeno), y sus reservas duran solo unos pocos millones de años. Los núcleos de los racimos de gas que no han alcanzado 0,012 masas solares (que son 13 masas de Júpiter) no se calientan ni siquiera hasta este umbral y, por tanto, no son capaces de ninguna reacción termonuclear. Como enfatizó el profesor de la Universidad de California en San Diego Adam Burgasser, muchos astrónomos creen que aquí es donde pasa la frontera entre la enana marrón y el planeta. Según representantes de otro campamento,Un grupo de gas más ligero también puede considerarse una enana marrón si surgió como resultado del colapso de la nube primaria de gas cósmico y no nació de un disco de polvo de gas que rodea a una estrella normal que acaba de estallar. Sin embargo, estas definiciones son cuestión de gustos.
Otra aclaración está relacionada con el litio-7, que, al igual que el deuterio, se formó en los primeros minutos después del Big Bang. El litio entra en fusión termonuclear con un calentamiento ligeramente menor que el hidrógeno y, por lo tanto, se enciende si la masa de la protoestrella excede 0.055-0.065 solar. Sin embargo, el litio en el espacio es 2.500 veces menor que el deuterio y, por tanto, desde el punto de vista energético, su contribución es completamente insignificante.
Que tienen dentro
¿Qué sucede en el interior de una protoestrella si el colapso gravitacional no termina con una ignición termonuclear de hidrógeno y los electrones se han unido en un único sistema cuántico, el llamado gas degenerado de Fermi? La proporción de electrones en este estado aumenta gradualmente y no salta en un solo instante de cero a 100%. Sin embargo, en aras de la simplicidad, asumiremos que este proceso ya se ha completado.
El principio de Pauli establece que dos electrones que entran en el mismo sistema no pueden estar en el mismo estado cuántico. En un gas de Fermi, el estado de un electrón está determinado por su momento, posición y giro, que toma solo dos valores. Esto significa que en el mismo lugar no puede haber más de un par de electrones con el mismo momento (y, naturalmente, espines opuestos). Y dado que en el curso del colapso gravitacional los electrones se empaquetan en un volumen cada vez menor, ocupan estados con momentos crecientes y, en consecuencia, energías. Esto significa que a medida que la protoestrella se contrae, la energía interna del gas de electrones aumenta. Esta energía está determinada por efectos puramente cuánticos y no está asociada con el movimiento térmico; por lo tanto, en la primera aproximación, no depende de la temperatura (a diferencia de la energía de un gas ideal clásico,cuyas leyes se estudian en el curso de física escolar). Además, a una relación de compresión suficientemente alta, la energía del gas de Fermi es muchas veces mayor que la energía térmica del movimiento caótico de electrones y núcleos atómicos.
Un aumento en la energía del gas de electrones también aumenta su presión, que tampoco depende de la temperatura y crece mucho más fuerte que la presión térmica. Es precisamente esto lo que se opone a la gravitación de la materia protoestrella y detiene su colapso gravitacional. Si esto sucedió antes de que se alcanzara la temperatura de ignición del hidrógeno, la enana marrón se enfría inmediatamente después de un breve desgaste cósmico de deuterio. Si la protoestrella está en la zona fronteriza y tiene una masa de 0.07-0.075 solar, quema hidrógeno durante miles de millones de años, pero esto no afecta su final. Finalmente, la presión cuántica del gas de electrones degenerados reduce la temperatura del núcleo estelar hasta tal punto que se detiene la combustión del hidrógeno. Y aunque sus reservas serían suficientes para decenas de miles de millones de años, la enana marrón ya no podrá prenderles fuego. Esto es lo que la diferencia de la enana roja más clara, que apaga el horno nuclear solo cuando todo el hidrógeno se ha convertido en helio.
Todas las estrellas conocidas en el diagrama de Hertzsprung-Russell no están distribuidas uniformemente, sino que se combinan en varias clases espectrales teniendo en cuenta la luminosidad (clasificación de Yerkes, o IKC, por los nombres de los astrónomos que la desarrollaron a partir del Observatorio Yerkes: William Morgan, Philip Keenan y Edith Kellman). La clasificación moderna distingue ocho de estos grupos principales en el diagrama de Hertzsprung-Russell. Clase 0 - se trata de estrellas hipergigantes, masivas y muy brillantes, que superan en masa al Sol entre 100 y 200 veces, y en términos de luminosidad - en millones y decenas de millones. Clase Ia y Ib - estos son supergigantes, decenas de veces más masivos que el Sol y decenas de miles de veces superiores en luminosidad. Clase II - Gigantes brillantes que son intermedios entre supergigantes y gigantes de clase III. Clase V ymdash; este es el llamado la secuencia principal (enanas) en la que se encuentran la mayoría de las estrellas, incluido nuestro Sol. Cuando una estrella de la secuencia principal se queda sin hidrógeno y comienza a quemar helio en su núcleo, se convertirá en una subgigante de clase IV. Justo debajo de la secuencia principal está la clase VI - subenanas. Y la clase VII incluye las enanas blancas compactas, la etapa final en la evolución de las estrellas que no exceden el límite de masa de Chandrasekhar. Y la clase VII incluye enanas blancas compactas, la etapa final en la evolución de las estrellas que no exceden el límite de masa de Chandrasekhar. Y la clase VII incluye las enanas blancas compactas, la etapa final en la evolución de las estrellas que no exceden el límite de masa de Chandrasekhar.
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El profesor Burrows señala una diferencia más entre la estrella y la enana marrón. Una estrella ordinaria no solo no se enfría, perdiendo energía radiante, sino que, paradójicamente, se calienta. Esto sucede porque la estrella comprime y calienta su núcleo, y esto aumenta enormemente la tasa de combustión termonuclear (por ejemplo, durante la existencia de nuestro Sol, su luminosidad ha aumentado en al menos una cuarta parte). Una enana marrón es una materia diferente, cuya compresión es impedida por la presión cuántica del gas de electrones. Debido a la radiación de la superficie, se enfría como una piedra o un trozo de metal, aunque consiste en plasma caliente, como una estrella normal.
Búsquedas largas
La persecución de las enanas marrones se prolongó durante mucho tiempo. Incluso en los representantes más masivos de esta familia, que emiten un resplandor púrpura en su juventud, la temperatura superficial no suele superar los 2000 K, y en los que son más ligeros y mayores, en ocasiones ni llega a los 1000 K. La radiación de estos objetos también contiene un componente óptico, aunque muy débil. Por lo tanto, el equipo de infrarrojos de alta resolución, que apareció solo en la década de 1980, es el más adecuado para encontrarlos. Al mismo tiempo, comenzaron a lanzarse telescopios espaciales infrarrojos, sin los cuales es casi imposible detectar las enanas marrones frías (el pico de su radiación se produce en ondas con una longitud de 3-5 micrómetros, que se retrasan principalmente por la atmósfera terrestre).
Fue durante estos años que aparecieron informes de posibles candidatos. Al principio, tales declaraciones no resistieron la verificación, y el descubrimiento real de la primera de las pseudo estrellas predichas por Shiv Kumar tuvo lugar solo en 1995. La palma pertenece a un grupo de astrónomos dirigido por el profesor de la Universidad de California en Berkeley Gibor Basri. Los investigadores estudiaron el objeto extremadamente débil PPl 15 en el cúmulo de estrellas de las Pléyades, a unos 400 años luz de distancia, que fue descubierto previamente por el equipo del astrónomo de Harvard John Stauffer. Según datos preliminares, la masa de este cuerpo celeste era de 0,06 masas solares, y bien podría llegar a ser una enana marrón. Sin embargo, esta estimación era muy aproximada y no se podía confiar en ella. El profesor Basri y sus colegas pudieron resolver este problema utilizando una muestra de litio,que fue inventado recientemente por el astrofísico español Rafael Rebolo.
“Nuestro equipo trabajó en el primer telescopio de 10 metros del Observatorio Keck, que entró en funcionamiento en 1993”, recuerda el profesor Basri. - Decidimos utilizar la prueba del litio, ya que permitió distinguir en masa entre enanas marrones y enanas rojas cercanas a ellas. Las enanas rojas queman litio-7 muy rápidamente, y casi todas las enanas marrones no son capaces de hacerlo. Entonces se creía que la edad de las Pléyades era de unos 70 millones de años, e incluso las enanas rojas más claras durante este tiempo deberían haberse deshecho por completo del litio. Si encontráramos litio en el espectro PPl 15, tendríamos todas las razones para afirmar que estamos tratando con una enana marrón. La tarea no fue fácil. La primera prueba espectrográfica en noviembre de 1994 sí reveló litio, pero la segunda, de control, en marzo de 1995, no lo confirmó. Naturalmente,nos decepcionó: el descubrimiento se nos escapó de las manos. Sin embargo, la conclusión inicial fue correcta. PPl 15 resultó ser un par de enanas marrones que orbitaban un centro de masa común en solo seis días. Es por eso que las líneas espectrales del litio a veces se fusionaron y luego divergieron, por lo que no las vimos durante la segunda prueba. En el camino, descubrimos que las Pléyades son más antiguas de lo que se pensaba.
En el mismo 1995, hubo informes del descubrimiento de dos enanas marrones más. Raphael Rebolo y sus compañeros del Instituto de Astrofísica de Canarias descubrieron el Teide 1 enano en las Pléyades, que también se identificó mediante el método del litio. Y a finales de 1995, investigadores del Instituto de Tecnología de California y la Universidad Johns Hopkins informaron que la enana roja Gliese 229, que se encuentra a solo 19 años luz del sistema solar, tiene un compañero. Esta luna es 20 veces más pesada que Júpiter y contiene líneas de metano en su espectro. Las moléculas de metano se destruyen si la temperatura supera los 1500 K, mientras que la temperatura atmosférica de las estrellas normales más frías siempre está por encima de los 1700 K. Esto permitió que Gliese 229-B fuera reconocida como una enana marrón sin siquiera usar una prueba de litio. Ahora ya se sabeque su superficie se calienta a solo 950 K, por lo que este enano está muy frío.
Los astrónomos están constantemente aprendiendo algo nuevo sobre las enanas marrones. Entonces, a fines de noviembre de 2010, científicos de Chile, Inglaterra y Canadá anunciaron el descubrimiento en la constelación de Virgo, a solo 160 años luz del Sol, un par estelar de dos enanas de diferentes categorías de color - blanco y marrón. Esta última es una de las enanas de clase T más calientes (su atmósfera se calienta a 1300 K) y tiene una masa de 70 Júpiter. Ambos cuerpos celestes están ligados gravitacionalmente, a pesar de que están separados por una gran distancia - aproximadamente 1 año luz. Los astrónomos observaron un par estelar de enanas marrones utilizando el telescopio UKIRT (Telescopio Infrarrojo del Reino Unido) con un espejo de 3,8 metros. Este telescopio, ubicado cerca de la cima de Mauna Kea en Hawái a una altitud de 4200 m sobre el nivel del mar - - uno de los instrumentos más grandes del mundo,trabajando en el rango de infrarrojos.
L-enanos, E-enanos: ¿qué sigue?
En la actualidad, hay el doble de enanas marrones conocidas como exoplanetas, alrededor de 1000 frente a 500. El estudio de estos cuerpos obligó a los científicos a ampliar la clasificación de estrellas y objetos similares a estrellas, ya que la anterior era insuficiente.
Los astrónomos han clasificado durante mucho tiempo las estrellas en grupos de acuerdo con las características espectrales de la radiación, que, a su vez, están determinadas principalmente por la temperatura de la atmósfera. Hoy en día, el sistema se utiliza principalmente, cuyas bases fueron sentadas por el personal del Observatorio de la Universidad de Harvard hace más de cien años. En su versión más simple, las estrellas se dividen en siete clases, indicadas por las letras latinas O, B, A, F, G, K y M. La clase O incluye estrellas azules extremadamente masivas con temperaturas superficiales superiores a 33.000 K, mientras que la clase M incluye enanas rojas, gigantes rojas e incluso una serie de supergigantes rojas, cuya atmósfera se calienta a menos de 3700 K. Cada clase, a su vez, se divide en diez subclases, desde el cero más caliente hasta el noveno más frío. Por ejemplo, nuestro Sol pertenece a la clase G2. El sistema de Harvard también tiene variantes más complejas (por ejemplo, últimamente las enanas blancas han sido asignadas a una clase especial D), pero estas son sutilezas.
El descubrimiento de las enanas marrones dio como resultado la introducción de nuevos tipos espectrales L y T. La clase L incluye objetos con temperaturas superficiales de 1300 a 2000 K. Entre ellos se encuentran no solo las enanas marrones, sino también las enanas rojas más tenues, que anteriormente se clasificaban como clase M. La clase T incluye solo una enana marrón, cuyas atmósferas se calientan de 700 a 1300 K. Las líneas de metano son abundantes en sus espectros, por lo que estos cuerpos a menudo se denominan enanas de metano (esto es exactamente lo que es Gliese 229 B).
"A finales de la década de 1990, habíamos acumulado una gran cantidad de información sobre los espectros de las estrellas más débiles, incluidas las enanas marrones", dijo a PM el astrónomo de Caltech Davey Kirkpatrick, que forma parte de un grupo de científicos que iniciaron las nuevas clases. - Resultó que tienen una serie de características que no se habían encontrado anteriormente. Las marcas espectrales de óxidos de vanadio y titanio, típicas de las enanas M rojas, desaparecieron, pero aparecieron líneas de metales alcalinos: sodio, potasio, rubidio y cesio. Así que decidimos ampliar la clasificación de Harvard. Primero, se agregó la clase L, fui yo quien sugirió esta carta, simplemente porque todavía no había nada en la lista. Sin embargo, Gliese 229 B no se correspondía con la clase L debido a la presencia de metano. Tuve que usar una letra más gratis: T, por lo que apareció la clase T ".
Lo más probable es que esto no termine ahí. Ya se ha propuesto introducir la clase y, que está reservada para hipotéticas enanas marrones ultrafrías calentadas por debajo de 600K. Sus espectros también deben tener rasgos característicos, como líneas claras de absorción de amoníaco (y a temperaturas inferiores a 400 K, también aparecerá vapor de agua). Dado que todas las enanas marrones están condenadas a enfriarse, deben existir cuerpos de clase y, aunque aún no se han descubierto. Es posible que se abran después del lanzamiento del telescopio infrarrojo gigante James Webb, que irá al espacio en 2014. Quizás este observatorio incluso encuentre planetas en enanas marrones, cuya existencia, en principio, es bastante aceptable. Hay muchas más cosas interesantes que esperan a los astrónomos por delante.
Alexey Levin
