Brązowe karły – nieudane gwiazdy

Droga Mleczna, podobnie jak cały Wszechświat, obfituje w miliony różnych gwiazd. Malutka część z nich świeci nad naszymi głowami każdej nocy, o ile tylko chmury nie zasłaniają nieba. W przeważającej większości są to olbrzymy - elita składająca się z największych, najcięższych i najjaśniejszych gwiazd w naszej galaktyce. Gdy podróżujemy w miejsca, gdzie zanieczyszczenie świetlne nie jest tak duże jak w miastach, możemy dostrzec nawet te średnie i małe gwiazdy. W gronie ciał, które nie są widoczne nawet przy idealnych warunkach, są obiekty, które trudno zakwalifikować do gwiazd. Mowa tu o brązowych karłach, swego rodzaju "niewypałach" wśród gwiazd. Jednakże, by podnieść ich status, można powiedzieć, że są one jedynym w swoim rodzaju ogniwem, łączącym cechy zarówno planet, jak i gwiazd. Teraz wydobędziemy je z cienia dla szerszej publiczności.

Historia Brązowych Karłów - dlaczego brązowy? Ile ich jest?

Istnienie obiektów tego typu było już teoretyzowane w celu zapełnienia luki między planetami a gwiazdami. Byłoby dziwne zakładać, że w przestrzeni między nimi nie znajdują się żadne obiekty astronomiczne. Po raz pierwszy istnienie brązowych karłów zaproponował w 1963 roku amerykański astronom Shiva Kumara. Wtedy wstępnie określano je mianem „czarnych karłów”. Dopiero później, w 1975 roku, amerykańska astronom Jill Tarter zaproponowała nazwę „brązowy karzeł”, jako bardziej adekwatną, która funkcjonuje do dnia dzisiejszego. Zabawne jest jednak to, że żadna z tych nazw nie do końca pasuje. Przyjęto nazwę "brązowy karzeł", zakładając, że będą one miały właśnie taki kolor - jednak teraz już wiemy, że brązowe karły zmieniają swoje kolory w czasie. Z tego powodu trudno je określić jednym kolorem. Teoretycznie najtrafniejszą nazwą byłby „czerwony karzeł”, jednak ta nazwa już opisywała inne ciała niebieskie. Dla ludzkiego oka większość brązowych karłów ma kolor ciemnoczerwony, pomarańczowy, a te starsze kolor podobny do magenty.

Po zaproponowaniu istnienia brązowych karłów rozpoczęto ich poszukiwanie. Nie było to proste zadanie z uwagi na technologię, którą posługiwali się astronomowie. Nie nadawała się ona do poszukiwania odległych obiektów o rozmiarze zbliżonym do Jowisza oddalonych o lata świetlne od Ziemi. Dopiero pod koniec lat 80. XX wieku znaleziono kilka kandydatów na brązowe karły. Aby odróżnić brązowe karły od innych obiektów, badano ich spektra w poszukiwaniu śladów litu (który gwiazdy niszczą, gdy rozpoczyna się fuzja wodoru). Alternatywnie, szukano obiektów poniżej minimalnej temperatury gwiazdowej. Obie metody pozwoliły w 1995 roku astronomom z Obserwatorium Palomar i Uniwersytetu Johna Hopkinsa na znalezienie i potwierdzenie odkrycia pierwszego brązowego karła. Znalezienie metanu w jego spektrum pokazało, że ma on temperaturę powierzchni niższą niż 1200 stopni Celsjusza. Na dodatek jego niezwykle niska jasność wyraźnie sugerowała, że obiekt ma masę około 50 mas Jowisza. To wystarczyło, by Gliese 229 B został sklasyfikowany jako brązowy karzeł.

Wedle wyliczeń naukowców brązowych karłów we Wszechświecie jest dość sporo. Oprócz Gliese 229 B w Drodze Mlecznej znajduje się od 25 do 100 miliardów brązowych karłów. Z kolei liczba gwiazd według szacunków wynosi od 100 do 400 miliardów. Skąd taki duży rozstrzał w szacunkach? Tutaj wychodzą ograniczenia technologiczne. Droga Mleczna jest bardzo rozległa i rozbudowana, co sprawia, że dokładne odpowiedzi na pytania statystyczne na tym etapie są praktycznie niemożliwe. Zostają nam więc tylko szacunki. Najbliższe znane brązowe karły znajdują się w systemie Luhman 16, który składa się z dwóch brązowych karłów, oddalonych o około 6,5 lat świetlnych od Słońca. Luhman 16 jest trzecim najbliższym układem słonecznym po Alfa Centauri i Gwieździe Barnarda.

Charakterystyka Brązowych Karłów

Porównując brązowe karły do Jowisza pod względem wielkości, byłyby one dosyć podobne do siebie - z tą różnicą, że te najbardziej masywne mogą być nieco większe od naszego największego gazowego olbrzyma. Większe różnice występują natomiast przy masie i gęstości - Jowisz jest znacznie mniej masywny. Karły są przynajmniej 13 razy cięższe, a maksymalnie 80 razy cięższe od Jowisza. Taki pułap masowy wyznacza sama fizyka. Powyżej 0,080 masy Słońca może już zachodzić stabilna fuzja wodoru w hel – od tej masy mamy już pełnoprawne gwiazdy. Poniżej 0,013 masy Słońca fuzja deuteru nie może zachodzić. To najczęściej podawane kryterium rozróżniające brązowe karły od planet i gwiazd. Dyskutowana jest także inna metoda definiowania brązowych karłów. Rozważane jest, czy nie lepiej byłoby definiować je przez proces powstawania niż przez teoretyczne granice mas oparte na reakcjach termojądrowych. Według tej interpretacji brązowe karły to obiekty, które reprezentują najmniejsze produkty procesu formowania gwiazd, podczas gdy planety to obiekty powstałe w dysku akrecyjnym otaczającym gwiazdę.

Brązowe karły, w odróżnieniu od gwiazd, posiadają całkiem dynamiczną atmosferę. W trakcie ochładzania się atmosfera brązowego karła w wyniku reakcji tlenków węgla z metanem zmienia swój skład – następuje przejście z atmosfery zdominowanej przez tlenek węgla u karłów typu L do atmosfery zdominowanej przez metan u karłów typu T. Dzięki tym zmianom w składzie atmosfery możliwe jest nawet powstanie cząsteczek wody. Atmosfera na planetach jowiszopodobnych i na brązowych karłach jest równie nieprzyjazna - występują tam potężne burze i wiatry przekraczające prędkość dźwięku. Podobne schematy zachodzące w atmosferze brązowych karłów upodabniają je do planet gazowych, jednak w przeciwieństwie do planet są one w stanie przez pewien czas podtrzymywać fuzję deuteru. Pozwala im to generować ciepło i emitować nieco światła, głównie w podczerwieni. Fuzja deuteru zasila również procesy zachodzące w atmosferze brązowych karłów, dzięki czemu burze mają jeszcze większą moc niż na planetach gazowych. Oprócz fuzji deuteru, brązowe karły o masie powyżej 60 mas Jowisza są w stanie prowadzić również fuzję litu. Naukowcy spekulują, że przy masie w zakresie od 0,075 do 0,08 masy Słońca, ewolucja brązowego karła może przebiegać zgoła inaczej niż w standardowym schemacie.

Ewolucja brązowego karła

Zanim przejdziemy do tych wyjątkowo ciężkich brązowych karłów, musimy sobie odpowiedzieć na podstawowe pytanie - jak wygląda standardowa ewolucja brązowego karła? W jego wnętrzu panują warunki umożliwiające fuzję deuteru, jednak zasoby deuteru we wnętrzu karłów są bardzo ograniczone. Deuter to izotop wodoru, który ogólnie występuje rzadko we wszechświecie - tysiące razy rzadziej niż wodór. Jego ilość w brązowym karle zamyka się w 1 procent jego masy. To sprawia, że zapasy deuteru są zużywane w ciągu kilkudziesięciu milionów lat. Co potem? Niestety dla brązowego karła nie ma więcej opcji na produkcję energii. W związku z tym przez kolejne miliardy lat będzie wypromieniowywał nagromadzone ciepło, głównie w postaci fal podczerwonych, a im mniejszy brązowy karzeł, tym szybciej będzie tracił ciepło. Stopniowe ochładzanie się wpłynie na kolor brązowego karła. Zacznie on przechodzić z czerwono-pomarańczowego koloru w coraz ciemniejsze barwy, aż stanie się praktycznie niewidoczny dla ludzkiego oka. Najzimniejsze brązowe karły osiągają temperaturę poniżej punktu zamarzania wody i są najtrudniejsze do zaobserwowania. Na tym kończy się ich ewolucja.

Jednakże jeśli brązowy karzeł mieści się w przedziale między 0,075 a 0,080 mas Słońca, to jego ewolucja zaczyna przebiegać drastycznie inaczej. To dolna granica, przy której fuzja wodoru jest jeszcze możliwa. Zatem na pewien czas brązowy karzeł jest w stanie przeprowadzać fuzję wodoru, stając się tym samym pełnoprawną gwiazdą. Przynajmniej na pewien czas - proces fuzji wodoru w końcu stanie się niemożliwy przez konsekwentną utratę masy, prowadzącą do spadku temperatury i ciśnienia w jądrze. Maksymalnie po 10 miliardach lat fuzja wodoru w hel ustanie. Wtedy karzeł zacznie "starzeć się" jak standardowy obiekt tego typu o niższej masie.

Czy mogłoby powstać życie na planetach krążących wokół Brązowych Karłów?

Tu robi się ciężko. Brązowy karzeł to zdecydowanie nie jest sprzyjający generator ciepła dla życia. Nie będzie on również generował zbyt dużo światła widzialnego. Jedyna opcja na ogrzanie się planety wokół takiego karła to ruchy pływowe – taki sam proces daje szanse na istnienie płynnej wody pod skutą lodem powierzchnią Europy, jednego z czwórki największych księżyców Jowisza. To jednak maksimum na co może liczyć potencjalne życie wokół brązowego karła – chyba, że opierałoby się one na kompletnie innych zasadach od tych znanych na ziemi, ale tutaj wchodzimy na grunt głębokich spekulacji. Planeta krążąca wokół brązowego karła, będzie dodatkowo zablokowana pływowo. Oznacza to, że jedna strona jest stale zwrócona do karła, a druga skryta pod wieczną ciemnością. Planety zablokowane w taki sposób zwykle oferują bardzo okrojone obszary do rozwoju życia skupione wokół obszaru pomiędzy jasną a ciemną stroną. Jednak w przypadku brązowych karłów to nie jest aż tak duży problem. O wiele większym problemem byłoby potencjalne stałe bombardowanie planety promieniowaniem z pola magnetycznego brązowego karła (chyba, że ten ma wyjątkowo słabe pole magnetyczne). Przy takim scenariuszu życie nie miałoby opcji na rozwój. Reasumując cały temat – życie wokół brązowych karłów jest niemal niemożliwe, ale nie da się stwierdzić, że na pewno jest niemożliwe. Życie gdzieś daleko wokół tych mało przyjaznych obiektów ma pełne prawo zaskoczyć nas wszystkich swoją wytrzymałością. Byłoby zabawnie gdyby akurat wokół brązowego karła odkryto pierwszy ślad pozaziemskiego życia.