Кори́чневий ка́рлик — самосвітний астрономічний об'єкт, у якого домінує вивільнення гравітаційної енергії шляхом стискання, хоча деяку роль відіграє енерговиділення внаслідок ядерних реакцій. Цей клас об'єктів є проміжним між планетами й зорями з масою в діапазоні приблизно . На відміну від планет, коричневі карлики можуть підтримувати термоядерні реакції у своїх надрах, але, на відміну від зір, потужність реакцій у них ніколи не досягає їхньої світності, тому вони поступово стискаються та тьмяніють.

Коричневі карлики мають дуже низьку світність та температуру. Їх світність становить менше 0,04 і зазвичай на порядки менше. Температура не перевищує 2800 K, а найхолодніші коричневі карлики мають температуру близько 300 K. Радіуси коричневих карликів, незалежно від їх мас, близькі до радіусу Юпітера. У їх центральних областях деякий час відбуваються термоядерні реакції: ядерне горіння дейтерію може йти навіть у найменш масивних коричневих карликах, а масивніші здатні підтримувати ядерне горіння літію або навіть ядерне горіння водню. Однак дейтерій та літій швидко вичерпуються, а горіння водню в коричневих карликах, на відміну від зір, швидко припиняється.

Попри відмінності між коричневими карликами та зорями й планетами, їх важко відрізнити як від одних, так і від інших. Найпотужніші й наймолодші коричневі карлики мають світність, порівняну з тьмяними зорями, а старі й маломасивні схожі на планети-гіганти. У першому випадку для визначення типу об'єкта можна виміряти кількість літію, який зорі витрачають швидше за коричневі карлики, а в другому — прискорення вільного падіння на поверхні, яке в коричневих карликів значно більше, ніж у планет. Коричневі карлики можуть належати до одного з чотирьох спектральних класів (у порядку зменшення температури): M, L, T, Y. До перших двох класів можуть належати також маломасивні зорі.

Коричневі карлики в основному формуються так, як і зорі: шляхом колапсу молекулярних хмар, хоча можливо, що маломасивні коричневі карлики формуються як планети: у масивних навколозоряних дисках. У другому випадку вони повинні мати тверде ядро, але також здатні підтримувати термоядерні реакції. Як і зорі, коричневі карлики після утворення деякий час підтримують горіння дейтерію, а після його вичерпання випромінюють енергію за рахунок гравітаційного стискання. На відміну від зір, коричневі карлики не виходять на головну послідовність, де досягали б рівноваги між випромінюванням та виділенням енергії за рахунок термоядерних реакцій, а припиняють стискання через виродження електронного газу. Імовірно, наприкінці своєї еволюції, втративши джерела енергії, коричневі карлики продовжують тьмяніти, перетворюючись на чорні карлики.

Теоретично існування коричневих карликів передбачив Шив Кумар 1963 року, а 1995 їх було виявлено; першим підтвердженим вважається Глізе 229 B. Надалі теоретичні моделі коричневих карликів покращувалися, а інфрачервоні огляди неба призвели до відкриття великої кількості коричневих карликів. На 2019 рік було відомо понад 11 тисяч таких об'єктів.

Історія

Передбачення Припущення про існування коричневих карликів вперше висунув в 1963 році Шив Кумар з університету Вірджинії. З 1958 року Кумар досліджував еволюцію зір масою менше 0,1 і виявив, що існує мінімальна маса, коли зоря здатна підтримувати горіння водню. Він оцінив цю масу у 0,07 для об'єктів населення I та 0,09 для населення II, причому ця оцінка практично не змінилася з того часу.

Спочатку Кумар запропонував називати об'єкти меншої маси чорними карликами, але цей термін вже використовувався для опису інших об'єктів. Сучасну назву «коричневий карлик» запровадила Джилл Тартер у 1975 році: хоча колір цих об'єктів радше червоний, але назва «червоний карлик» також вже була зайнята. Для цих об'єктів пропонувалися інші назви, наприклад, «інфрачервоний карлик», «екстремальний червоний карлик», але вони не поширилися.

Відкриття

Систематичні пошуки коричневих карликів у 1980-х та на початку 1990-х років тривалий час були безуспішними: було знайдено кілька кандидатів у коричневі карлики, але жоден з них не був підтверджений. Аж до 1994 року існування коричневих карликів ставилося під сумнів і було предметом наукових суперечок. Нарешті, в 1995 були підтверджені незалежні відкриття перших коричневих карликів:

Тейде 1 у Плеядах був відкритий у січні 1994 року, а до грудня того ж року було визначено його досить низьку температуру. Надалі була підтверджена належність Тейде 1 до Плеяд, і, з урахуванням невеликого віку Плеяд з'ясувалося, що об'єкт з такими параметрами може бути тільки коричневим карликом. Стаття і співавторів з цим відкриттям була опублікована в Nature 14 вересня 1995. PPl 15 — подвійний коричневий карлик з компонентами практично рівних мас, що також знаходиться в Плеядах. Цей об'єкт було відкрито 1989 року, а в листопаді 1994 року було отримано його спектр. Для перевірки, чи є PPl 15 коричневим карликом, був застосований літієвий тест. Ці результати, отримані зі співавторами, були вперше представлені на науковій конференції Keck Science Meeting 14 вересня 1995, а також опубліковані в Astrophysical Journal. Глізе 229 B — супутник червоного карлика Глізе 229 A. Коричневий карлик був відкритий у жовтні 1994 року при спостереженнях червоного карлика, при цьому був виявлений дуже червоний колір Глізе 229 B, не характерний для зір. У листопаді 1995 року Тадасі Накадзіма та співавтори опублікували статтю в Nature про це відкриття. Пізніше тією ж групою вчених було досліджено спектр Глізе 229 B, у якому було виявлено лінії метану, що вказувало дуже низьку температуру об'єкта і таким чином підтверджувало, що це коричневий карлик. У грудні 1995 року було опубліковано статтю і співавторів у Science, присвячена цьому дослідженню.

Серед цих відкриттів науковою спільнотою найбільш швидко й однозначно було прийнято останнє, і першим підтвердженим коричневим карликом зазвичай вважають Глізе 229 B.

Подальше вивчення З відкриттям коричневих карликів були введені спектральні класи L і T. Спочатку не були відомі карлики холодніше класу T, але був зроблений висновок, що в спектрах холодніших карликів повинні бути наявні спектральні лінії аміаку. Для них був виділений клас Y, першим відкритим об'єктом цього класу став , відкритий у 2011 році з масою близько 7.

Після відкриття коричневих карликів поліпшувалися і теоретичні моделі цих об'єктів. Зокрема, була докладніше описана їхня внутрішня структура з урахуванням більш точного рівняння стану речовини в них і були розроблені точніші моделі їх атмосфер, що враховують, серед іншого, наявність пилу та хмар. В результаті були отримані детальніші моделі еволюції коричневих карликів.

Відкриттю великої кількості коричневих карликів сприяли огляди неба в інфрачервоній ділянці спектра, такі як DENIS, 2MASS та SDSS, а також UKIDSS. Велика кількість холодних коричневих карликів була відкрита космічним інфрачервоним телескопом WISE. Станом на 2019 рік відомо понад 11 тисяч коричневих карликів.

Характеристика

Визначення Коричневі карлики — це субзоряні об'єкти, за фізичними характеристиками проміжні між планетами та зорями. На відміну від планет, вони можуть підтримувати термоядерні реакції у своїх надрах. Однак, на відміну від зір, коричневі карлики ніколи не досягають потужності енерговиділення в реакціях, достатньої для того, щоб компенсувати витрати на власну світність. Вони випромінюють за рахунок стискання й поступово тьмяніють, не виходячи на сталу світність. Це визначає граничні значення мас коричневих карликів: максимальна маса становить 0,075 (75) для об'єктів із сонячним хімічним складом, а мінімальна прийнята рівною 0,013 (або 13) як мінімальна маса для горіння дейтерію, хоча ці значення дещо змінюються залежно від хімічного складу. У зв'язку з цим коричневі карлики іноді називають «невдалалими зорями» ().

Іноді використовують інше визначення, яке відокремлює коричневі карлики від планет за походженням: коричневими карликами вважають об'єкти, що сформувалися подібно до зір. Згідно з цим визначенням, коричневими карликами вважаються також об'єкти, що сформувалися подібно до зір, але мають масу менше 13 і нездатні підтримувати термоядерні реакції. Навпаки, масивніші об'єкти, що сформувалися як планети, під це визначення не підходять і іноді не вважаються коричневими карликами. Проте Робоча група з позасонячних планет () Міжнародного астрономічного союзу ухвалила рішення використовувати як межу між планетами та коричневими карликами саме можливість горіння дейтерію в об'єкті. Об'єкти ж, сформовані подібно до зір, але з меншою масою, називаються субкоричневими карликами.

Загальні параметри У наймасивніших коричневих карликів світність у перші мільйони років життя не перевищує 0,04, а температура зазвичай становить менше 2800 K. У менш масивних об'єктів ці значення ще нижче, крім того, з часом температура і світність зменшуються. Так, наприклад, типовий коричневий карлик масою 0,04 та віком 1 мільярд років матиме температуру близько 1270 K, а світність ― 2 , а температура найхолодніших із відомих коричневих карликів становить 300 K. Коричневі карлики випромінюють, в основному, в інфрачервоному діапазоні, їхній видимий колір — темно-червоний. Радіуси цих об'єктів близькі до радіуса Юпітера. Як і в зір, у деяких коричневих карликів є планети.

Також примітно швидке обертання коричневих карликів: період обертання деяких з них становить близько 2 годин, а швидкість обертання близька до першої космічної швидкості. Коричневі карлики, як і зорі, набувають такої швидкості обертання нід час формуванні, але, на відміну від них, не втрачають кутовий момент надалі: їхні атмосфери не мають заряду, тому коричневі карлики не відчувають магнітного гальмування.

Відмінності від зір Центральна температура наймасивніших коричневих карликів може сягати 3 K. Центральна густина з часом може досягати г/см3. Для порівняння, у Сонця ці параметри становлять відповідно 1,5 K та г/см3. За таких умов у центральних областях можуть проходити термоядерні реакції.

За умов, які досягаються в ядрах таких об'єктів, їх стисканню з певного моменту перешкоджає внутрішній тиск. Для масивних коричневих карликів він викликаний електронним виродженням, як і в білих карликів, — енергія Фермі може більш ніж на порядок перевищувати теплову енергію частинок. Для маломасивних коричневих карликів основний внесок у тиск дає кулонівське відштовхування частинок, як у надрах планет. У будь-якому випадку, власне тяжіння коричневих карликів урівноважується тиском виродженого газу, і, таким чином, радіуси коричневих карликів дуже слабко залежать від їх мас — як та близькі до радіусу Юпітера. Водень у їх ядрах знаходиться у металевому стані. Також можливе існування коричневих карликів з твердими ядрами, як у планет.

Коричневі карлики повністю конвективні, як і маломасивні зорі. Виняток становлять лише найхолодніші коричневі карлики, в яких конвекція також відіграє важливу роль, але не поширюється до поверхні об'єкта.

В атмосферах коричневих карликів температури досить низькі, у них можуть існувати молекули та формуватися частинки пилу. За температур менше 2500 K в атмосферах коричневих карликів можуть утворюватися хмари. Ймовірно, через швидке обертання коричневих карликів хмари повинні утворювати візерунок, подібний до того, що спостерігається у Юпітера, а в атмосферах відбуваються метеорологічні явища, подібні до тих, що мають місце у планет-гігантів.

Нуклеосинтез