Спросите Итана: могут ли недозвёзды всё-таки стать звёздами?

Ближайшая к Земле система с коричневым карликом, Луман 16, в целом содержит достаточно массы, чтобы сформировать звезду-красного карлика, если бы собрать всё, что там есть, вместе. Вопрос, произойдёт ли это когда-нибудь в нашей Вселенной, достаточно интересный

В ночном небе отлично видны звёзды, находящиеся в любом направлении от нас, куда бы мы ни посмотрели. Но на каждую звезду, собравшую достаточно массы для того, чтобы запустить ядерный синтез у себя в центре, сжигая водород, превращая его в гелий, и преобразуя материю в энергию через E = mc², найдётся множество других объектов, не достигших этого. Большая часть комков массы, начинающих формироваться в туманности, никогда не вырастают до достаточно больших размеров, чтобы стать звездой — вместо этого они становятся фрагментированными газовыми облаками, астероидами, скалистыми мирами, газовыми гигантами или коричневыми карликами. Коричневые карлики — это «недозвёзды» Вселенной, собравшие достаточно массы для того, чтобы запустить реакции синтеза редких изотопов, но недостаточно для того, чтобы стать истинными звёздами. Но многие коричневые карлики существуют в парах, из-за чего наш читатель и задался следующим вопросом:

Будет ли орбита этих коричневых карликов со временем становиться всё меньше из-за потери энергии на гравитационные волны? Сольются ли они в итоге? Если так, что произойдёт после этого? Станут ли они настоящей звездой, осуществляющей синтез? Или чем-то совсем другим?

В астрономии, как и в жизни, просто потому, что у вас что-то не получилось с первого раза, не означает, что у вас этого никогда не получится. Начнём с тех звёзд, которые смогли.


Иллюстрация гигантской планеты, вращающейся вокруг звезды-красного карлика. Разница между планетой, недозвездой и истинной звездой заключается только в массе

Чтобы зажечь ядерный синтез в центре звезды, и заставить ядра водорода вступать в реакцию синтеза, необходимо достичь температур порядка 4 000 000 К. Газ в межзвёздном пространстве, из которого формируются звёзды, достаточно холодный — всего несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Но потом подключается гравитация и заставляет облако газа схлопываться. В это время атомы внутри набирают скорость, сталкиваются друг с другом и разогреваются. Если бы атомов было немного, они бы излучили это тепло в межзвёздное пространство, отправляя потоки света путешествовать сквозь всю галактику. Но если собрать вместе множество атомов, они не выпускают этот свет, из-за чего внутренности газового облака начинают разогреваться.


Созвездие Ориона, вместе с огромным комплексом молекулярного облака и самыми яркими звёздами. Многие новые звёзды формируются из-за коллапса газа, не дающего теплу убегать из места формирования звезды

Если сформируется что-то небольшое, массой с астероид, Землю или даже Юпитер, оно сможет разогреться до тысяч или даже десятков тысяч градусов в ядре — но это всё равно будет очень далеко от температуры синтеза. Но достигнув определённой критической массы — примерно тринадцати масс Юпитера — вы получите температуры порядка 1 000 000 К. Этого недостаточно для синтеза гелия из водорода, но это критическая температура для определённой реакции: синтеза дейтерия. У порядка 0,002% водорода во Вселенной в ядре находится не просто протон, а протон, связанный с нейтроном, то есть, дейтрон. При температурах в миллион градусов дейтрон и протон способны синтезировать гелий-3 (не очень распространённый изотоп гелия), и эта реакция происходит с выделением энергии.

g
Цепная реакция протон-протон, отвечающая за большую часть энергии Солнца — пример ядерного синтеза. При синтезе дейтерия может происходит только реакция ²H (дейтерий) + ¹H (протон) -> ³He (гелий-3)

Это важно! Этот выход энергии, особенно в фазе протозвезды, выдаёт излучение высокой энергии, сопротивляющееся внутреннему гравитационному схлопыванию, и предотвращающее слишком сильный разогрев центра, который мог бы поднять температуры до 4 000 000 К. Это даёт дополнительное время — десятки тысяч лет и более — на то, чтобы собрать ещё больше массы. Ведь как только звезда начинает синтез из чистого водорода (протонов), выход энергии становится таким большим, что звезда уже не растёт — поэтому ранние этапы развития критичны. Если бы не участие дейтерия в синтезе, самые крупные звёзды превышали бы Солнце по массе максимум в три раза, а не в сотни раз, как те, что сейчас имеются у нас поблизости.


Композитное изображение первой экзопланеты из когда-либо наблюдавшихся напрямую (красная) и её материнского коричневого карлика. Истинная звезда была бы физически больше и её масса была бы больше, чем у этого коричневого карлика.

Чтобы добраться до температуры ядра в 4 000 000 К и стать истинной звездой, необходимо набрать не менее 7,5% солнечной массы: порядка 1,5 ? 10²⁹ кг. Чтобы стать коричневым карликом и запустить синтез с использованием дейтерия, необходимо от 2,5 ? 10²⁸ кг до 1,5 ? 10²⁹ кг. И точно так же часто, как двойные звёзды, в космосе встречаются двойные коричневые карлики.


Два коричневых карлика, составляющих систему Луман 16, и они в итоге могут слиться вместе и создать звезду

На самом деле, ближайший к нам коричневый карлик, система Луман 16 — двойная система. Также известно, что вокруг других коричневых карликов двигаются по орбитам гигантские планеты. В случае Лумана 16 были определены следующие массы двух коричневых карликов:

1. Основной — от 8,0 ? 10²⁸ до 1,0 ? 10²⁹ кг.
2. Вторичный — от 6,0 ? 10²⁸ до 1,0 ? 10²⁹ кг.

Иначе говоря, существует отличный шанс, что если эти две недозвезды, вращающиеся вокруг друг друга на расстоянии, примерно в три раза превышающем расстояние от Солнца до Земли, объединятся, они сформируют настоящую звезду. Любое добавление массы, переносящее недозвезду через рубеж массы, необходимый для запуска сжигания водорода, превратит её в звезду.


Два коричневых карлика, составляющих Луман 16, были 12 раз сфотографированы телескопом Хаббла, и мы определили их движение и относительные орбиты за период в несколько лет

Интуиция не подводит нашего читателя: да, вращающиеся вокруг друг друга массы испускают гравитационные волны, и это излучение заставит орбиты уменьшаться. Но для подобных масс и расстояний на это уменьшение уйдёт где-то порядка 10²⁰⁰ лет, что гораздо, гораздо дольше времени жизни Вселенной. Это даже дольше, чем время жизни вообще любой звезды, или даже галактики, или даже центральной чёрной дыры в галактике. Если вы соберётесь подождать, пока гравитационные волны превратят эту пару коричневых карликов в звезду, ждать вам придётся разочаровывающе долго.


Сценарий падения друг на друга по спирали из-за гравитационных волн для двух так хорошо разделённых коричневых карликов, как эти, займёт очень долгое время. Но столкновения весьма вероятны. Точно так же, как красные звёзды при столкновении производят отдельные голубые звёзды, столкновения коричневых карликов могут породить звёзды-красные карлики.

Периодически объекты в космосе сталкиваются. Тот факт, что звёзды, недозвёзды, бродячие планеты и всё остальное движется в галактике, в основном под воздействием гравитации, означает, что существует конечная вероятность того, что два объекта случайно столкнутся. Это гораздо лучше, чем ожидать уменьшения орбиты благодаря гравитационным волнам, кроме особо экстремальных случаях. На временной шкале порядка 10¹⁸ лет, «всего» в 100 млн раз больше, чем текущий возраст Вселенной, коричневые карлики случайно будут сталкиваться либо с другими коричневыми карликами, либо со звёздными трупами, и порождать новую жизнь у недозвезды. По нашим оценкам, эта судьба ждёт порядка 1% всех коричневых карликов.


Атмосфера Солнца не ограничена фотосферой или даже короной, но простирается на миллионы километров в космосе, даже при условиях отсутствия вспышек и выбросов

Но даже если вы не можете ждать, пока сработает гравитационное излучение, и вам не повезёт столкнуться с ещё одним коричневым карликом в межзвёздном пространстве, у вас всё равно будет шанс объединиться. Обычно мы представляем себе, что у звёзд есть определённое пространство, которое они занимают в космосе, определённый объём. Мы точно так же представляем себе, например, атмосферу Земли: будто у неё есть чёткое окончание, граница, между тем, что мы считаем атмосферой, и космосом. Это глупо! На самом деле атомы и частицы простираются на миллионы километров, а вспышки от звёзд бывают больше, чем радиус орбиты Земли. Недавно было обнаружено, что коричневые карлики тоже испускают вспышки — точно так же, как спутник на низкой орбите в итоге упадёт обратно на Землю, так и трение, оказываемое друг на друга коричневыми карликами, в итоге притянет их друг к другу. Для Лумана 16 это не сработает, но если бы расстояние между двумя недозвёздами было сравнимо с расстоянием от Солнца до Меркурия, а не с расстоянием от Солнца до Цереры, этот эффект мог бы сработать.


Многолетнее исследование Луиджи Бедина по наблюдению за недозвёздами Лумана 16 показало нам, как их расположение и движение меняются со временем, с циклической последовательностью, происходящей из-за годового движения Земли

Так что же произойдёт после слияния или столкновения? Такие события редки, и отнимут времени больше, чем текущий возраст Вселенной. К тому времени даже коричневый карлик израсходует весь свой дейтерий, а его труп охладится до температуры всего в несколько градусов выше абсолютного нуля на поверхности. Но энергии столкновения или слияния должно быть достаточно, чтобы создать такие давление и жар в ядре, которые всё же смогут — если рубеж критической массы будет перейдён — запустить ядерный синтез. Звезда будет обладать малой массой, красным цветом и жить очень долго, более 10 триллионов лет. Когда недозвезда наконец зажжётся, она, скорее всего, за время своей жизни станет единственной звездой, светящейся в галактике; такие события будут редкими и далеко разнесёнными по времени. Однако тип этой звезды окажется интересным сам по себе.


Когда два коричневых карлика в отдалённом будущем всё же сольются, они, вероятно, станут единственным светом в ночном небе, поскольку все остальные звёзды уже догорят. Полученный красный карлик станет основным источником света, оставшимся к тому времени во Вселенной.

Она будет так медленно жечь своё горючее, что гелий-4, который при этом получается — результат реакции синтеза с участием водорода в ядре — в результате конвекции будет уходить из ядра, что позволит поучаствовать в синтезе дополнительному водороду. Конвекция будет настолько эффективной, что в звезде до конца сможет сгореть 100% водорода, в результате чего останется сплошная масса атомов гелия. Для горения этого гелия массы будет недостаточно, поэтому звёздные останки сожмутся до такого типа звезды, которого пока ещё нет в нашей Вселенной: гелиевого белого карлика. На то, чтобы этот белый карлик остыл и перестал светится, уйдёт порядка квадриллиона лет, а в это время другие коричневые карлики галактики будут сталкиваться и зажигаться. К тому времени, как недозвезда наконец добьётся успеха и пройдёт через весь свой жизненный цикл, став чёрным карликом, своей возможности дождётся ещё одна недозвезда.


Сравнение по цветам и размерам белого карлика (слева), Земли, отражающей солнечный свет (в середине) и чёрного карлика (справа). Когда белые карлики наконец испустят остатки своей энергии, все они в итоге станут чёрными карликами

Если бы вы могли стать бессмертным, вы, в принципе, могли бы путешествовать от одной недозвезды до другой, получая энергию от последних редких удач Вселенной. Большая часть недозвёзд останется в таком состоянии навсегда, но некоторые, которым улыбнётся удача, будут гореть гораздо позже того, как все остальные источники света потухнут. Как гласит знаменитая фраза Уинстона Черчилля: «Успех не окончателен, неудачи не фатальны, значение имеет лишь мужество продолжать». Возможно, это справедливо даже для звёзд, и даже больше, чем для нас с вами.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .

Источник: geektimes.ru