На Luhman 16B облачно с прояснениями

Тигран Оганесян
10 февраля 2014, 00:00

Благодаря открытию в последние годы новых космических объектов — коричневых карликов — все более популярной становится новая научная дисциплина экзометеорология

Рисунок: Константин Батынков

В выходные через экваториальные области Luhman 16B будет перемещаться обширный атмосферный фронт, в зоне которого ожидается образование многочисленных вихревых потоков и сильных песчаных бурь, а также долговременное усиление ветра с порывами не менее 3000 км/час.

В северных регионах после длительного кислотного тумана возможны кратковременные прояснения при видимости 3–5 метров. Южнее экватора пройдут проливные железные дожди, и жара несколько ослабеет: к понедельнику температура на поверхности может упасть до 1400 градусов Кельвина.

Тем не менее любителям экстремального туризма ради собственной безопасности настоятельно советуем в эти дни не посещать Luhman 16B. Кроме того, повышенные меры предосторожности рекомендуется принять капитанам всех транспортных кораблей, осуществляющих полеты в непосредственной близости от данного космического объекта».

Если эта мрачноватая сводка в стиле сайенс-фикшен вызовет у читателей лишь ироническую ухмылку, сразу поспешу их несколько приструнить: все вышеописанные экстремальные погодные явления с высокой степенью вероятности регулярно происходят в атмосфере пресловутых коричневых карликов и в приведенном тексте почти все правда.

Во-первых, коричневый карлик Luhman 16B — реальный космический объект, хотя о его существовании ученым стало известно лишь около года назад. Он и его напарник Luhman 16А находятся на расстоянии всего около 6,6 светового года от Земли в созвездии Паруса и на текущий момент являются двумя самыми близкими к нам коричневыми карликами, открытыми астрономами.

Во-вторых, и это, пожалуй, самое главное, информация о бурной атмосферной активности на Luhman 16B, в том числе о наличии у него мощной облачности и о возможных дождях из раскаленного железа, — это тоже не фантазия неудавшегося автора фантастических романов, а результат недавних исследований, осуществленных двумя группами западноевропейских астрофизиков. На днях они опубликовали две статьи о нашем новом карликовом соседе в журналах Nature и The Astrophysical Journal Letters.

Иными словами, профессия экзометеоролога, то есть специалиста по прогнозированию погодных явлений на космических объектах вне нашей Солнечной системы, уже сегодня постепенно начинает приобретать вполне отчетливые очертания. Причем, как это ни удивительно, особенно заметными успехами в этой специфической научной области в последние несколько лет могут похвастаться именно астрономы, специализирующиеся на изучении коричневых карликов, первый из которых был официально открыт в 1995 году, то есть менее двух десятков лет назад.

Промежуточное звено

Первые теоретические предположения ученых о том, что во Вселенной может и должен существовать особый класс космических объектов, занимающих промежуточное положение между звездами и планетами, появились еще в начале 60-х годов прошлого века.

Пионером в этой области стал молодой американский астрофизик с индийскими корнями Шив Кумар, которому удалось рассчитать примерную границу, отделяющую «нормальные» звезды от «звезд-неудачников», чья масса составляет примерно 0,07 массы нашего Солнца.

Сам Кумар предложил назвать эти несостоявшиеся звезды, в недрах которых так и не смогла зажечься устойчивая термоядерная реакция (слияние атомов водорода и образование атомов гелия), черными карликами, но впоследствии научное сообщество выбрало другой цветовой вариант, и к середине 70-х годов они стали «коричневыми», тогда как черными карликами предпочли назвать другой гипотетический звездный класс — финальную стадию жизни экс-звезд, белых карликов, на которой последние должны охлаждаться до абсолютного нуля и усыхать до совсем игрушечных размеров (по мнению ученых, текущий возраст нашей Вселенной, 13,8 млрд лет, пока еще слишком мал для того, чтобы породить таких звездных зомби).

Вкратце напомним: согласно прихотливой астрофизической терминологии карликами называются не только выродившиеся космические объекты, но и вполне здоровые небесные тела. В частности, желтые и красные карлики — это нормальные звезды, например к желтым карликам относится и наше Солнце. Лишь на поздней эволюционной стадии, после полного выгорания водородных запасов, желтые карлики окончательно коллапсируют, становясь маленькими и очень плотными объектами — уже упоминавшимися выше белыми карликами. Правда, перед этим они проходят через относительно кратковременную фазу разбухания — превращения в так называемые красные гиганты.

Наконец, красные карлики — тип самых холодных и маленьких по размерам звезд, которые способны на протяжении длительного времени поддерживать термоядерные реакции. Вплоть до недавнего времени четкой границы между ними и нашими главными героями, коричневыми карликами, ученые провести не могли.

Однако, судя по всему, эта принципиальная проблема уже близка к своему окончательному разрешению. Непосредственный повод для подобного оптимизма — еще одна недавняя публикация группы американских исследователей из Университета штата Вирджиния в The Astronomical Journal за декабрь прошлого года.

Серджио Дитрих и его коллеги провели масштабную ревизию всех известных науке к настоящему времени типов звезд и «недозвезд», скомбинировав данные длительных наблюдений за этими космическими объектами четырех различных телескопов — трех наземных, расположенных в чилийской обсерватории CTIO (Cerro Tololo Inter-American Observatory), и одного космического — WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer — «обзорный инфракрасный телескоп с широкоугольной оптикой»). Итогом этого анализа стал важнейший вывод: теоретически предсказанный ранее физический порог, отделяющий самые маленькие холодные звезды от коричневых карликов, можно обозначить при помощи конкретных количественных характеристик по трем ключевым параметрам: температуре, радиусу и светимости (яркости).

При этом главным принципиальным различием между звездами и коричневыми карликами, о котором ученые подозревали уже давно, является их противоположная реакция на приращение общей массы этих космических объектов. В то время как звезды, согласно образному сравнению Серджио Дитриха, можно в данном случае уподобить воздушным шарам — увеличение их массы (а также яркости) обязательно приводит к росту их пространственных размеров, у коричневых карликов (эдаких «пружинных матрасов», по Дитриху), наблюдается обратная картина: их размеры и температура с ростом массы уменьшаются.

Руководствуясь этим простым исходным ориентиром и произведя скрупулезные математические расчеты температур и радиусов выявленных ранее при помощи телескопов космических объектов двух сравниваемых категорий, американские исследователи смогли подтвердить, что звезды четко следуют поведению «воздушных шаров», то есть их радиус уменьшается параллельно уменьшению температуры вплоть до достижения «магической отметки» 2100 градусов Кельвина (аналог этой температуры по более привычной нам шкале Цельсия — 1826 градусов). Далее по температурной нисходящей, согласно Дитриху, неожиданно возникает своеобразная мертвая зона, в которой ученым до сих пор не удалось обнаружить ни одного реального космического объекта, а затем начинается царство коричневых карликов, самые горячие из которых имеют температуру порядка 1700–1800 градусов Кельвина, и все они дружно прибавляют в размерах (радиусе) по мере охлаждения.

Согласно оценкам Дитриха и его коллег, помимо выявленной температурной границы в 2100 градусов Кельвина, отделяющей звезды от «недозвезд», можно также обозначить аналогичные пороговые значения по радиусам (звездами следует считать все объекты, радиус которых составляет не менее 8,7% радиуса Солнца) и по светимости/яркости («звездный минимум» в данном случае установлен на отметке 1/8000 нашего Солнца). Более того, авторы исследования утверждают, что им удалось также идентифицировать конкретную звезду (известную под условным названием 2MASS J0513-1403), которая в настоящее время носит почетный титул самой маленькой из известных науке.

Пока же, согласно промежуточному определению Международного астрономического союза (IAU), коричневыми карликами следует называть космические объекты, масса которых находится в диапазоне от 13 до 75–80 масс Юпитера (крупнейшая планета нашей Солнечной системы уже давно является условной единицей массы в различных официальных документах). Ученые экспериментально подсчитали, что именно при достижении 13 юпитерианских масс становится возможным запуск термоядерного синтеза дейтерия (тяжелого изотопа водорода), тогда как верхний предел (75–80 масс Юпитера) — это порог, превышение которого приводит к началу самоподдерживаемой реакции превращения водорода в гелий.

Возвращаясь к коричневым карликам, напомним, что они, в отличие от нормальных звезд, не способны долго поддерживать в своих недрах термоядерные реакции, благодаря которым звезды не только не остывают на протяжении очень длительного времени, но и умудряются постепенно разогреваться (благодаря увеличению интенсивности процесса термоядерного горения), поэтому их температурная динамика прямо противоположна во времени.

Быстро исчерпав ограниченные исходные запасы горючего (отправив в «топку» весь дейтерий) и не сумев достигнуть минимальной критической массы, необходимой для запуска устойчивой термоядерной реакции, приводящей к образованию гелия, коричневые карлики с возрастом медленно, но достаточно равномерно остывают, излучая в окружающее космическое пространство свою остаточную внутреннюю тепловую энергию. Впрочем, их быстрому параллельному сжатию препятствует специфический физический процесс, называемый давлением вырожденного электронного газа: при достаточно высокой температуре и плотности вещества скапливающиеся на нижних энергетических уровнях электроны оказывают давление, которое активно противодействует силам гравитации.

Вал открытий

Первым космическим объектом, получившим официальный статус коричневого карлика, стал Teide 1, обнаруженный в 1994 году группой испанских астрофизиков под руководством Рафаэля Реболо в звездном скоплении Плеяды на расстоянии примерно 400 световых лет от Земли. Своим названием объект обязан телескопу обсерватории Тейде на острове Тенерифе (Канарские острова), при помощи которого его и удалось засечь. Спустя год после своего формального открытия Teide 1 был признан научным сообществом именно коричневым карликом. Тогда же объявился коричневый карлик номер два — объект Gliese 229, найденный японскими астрономами в небольшом созвездии Заяц, расстояние до которого составляло лишь 19 световых лет. Далее в течение весьма короткого времени астрофизики смогли выявить порядка нескольких десятков схожих объектов в самых различных регионах Вселенной.

Эти быстрые успехи охотников за коричневыми карликами объяснялись прежде всего заметным технологическим прогрессом, достигнутым земными астрономами с конца 80-х годов прошлого века в конструировании новых телескопов, работающих в инфракрасном диапазоне и оборудованных высокочувствительными матрицами большого размера.

Именно в этом световом диапазоне относительно слабое излучение, исходящее от коричневых карликов, оказалось наиболее уловимым, и после запуска в эксплуатацию целой серии таких гигантских инфракрасных наземных телескопов процесс их обнаружения ускорился.

В новом тысячелетии дополнительную важную лепту в поиск таких объектов, безусловно, внесли и космические телескопы, оснащенные детекторами инфракрасного излучения. Особенно отличились на этом фронте специализированный телескоп-обсерватория NASA Spitzer, запущенный на гелиоцентрическую орбиту в августе 2003 года, и новейший телескоп, отправленный NASA в космос в декабре 2009 года.

Отметим также, что заметному ускорению процесса экспериментального обнаружения коричневых карликов в немалой степени способствовало появление достаточно простого и при этом высокорезультативного аналитического метода, предложенного пионером этого направления Рафаэлем Реболо, — так называемого литиевого теста. Дело в том, что у всех «нормальных» звезд процесс полного сжигания лития занимает немногим более 100 млн лет, тогда как в коричневых карликах этот легчайший химический элемент сохраняется на протяжении свыше 10 млрд лет. Отталкиваясь от этой понятной арифметики, при условии обнаружения в спектре «холодной звезды» литиевой линии вероятность того, что она на самом деле является коричневым карликом, составляет почти 100%.

Впрочем, в формировании спектра холодных (с температурой меньше 1500 градусов Кельвина) коричневых карликов заметную роль должен играть также метан (СН4). В частности, такие сильные метановые полосы в спектре были обнаружены у объекта Gliese 229В.

К настоящему времени число официально зарегистрированных коричневых карликов разных типов, температур и возрастов составляет уже около двух тысяч, и с каждым годом число открытий возрастает.

Так, коричневые карлики найдены почти во всех ближайших к нам звездных системах: в 2003 году в окрестностях звезды Эпсилон Индейца, находящейся от Земли на расстоянии около 12 световых лет, была обнаружена система, состоящая сразу из двух сравнительно холодных коричневых карликов с четко выраженными молекулярными линиями метана в спектре. Несколько позднее в телескопы попался одинокий карлик WISE 1506+7027 в созвездии Малая Медведица (11,1 светового года от Земли). Наконец, как уже упоминали выше, последними и самыми близкими нашими соседями из коричневокарликового семейства стала пара Luhman 16А и 16В, открытая в феврале 2013 года американским астрономом Кевином Луманом в созвездии Паруса.

Быстро растет и выявленное разнообразие спектральных классов коричневых карликов. Астрофизическим истеблишментом уже официально признаны четыре больших семейства: коричневые карлики спектральных классов M, L, T и Y. М-класс — самые горячие, звездоподобные космические объекты (более того, к этому классу относят и самые холодные из обычных звезд), и далее по нисходящей. Объекты последнего, пока еще самого малочисленного, спектрального класса Y очень холодные, с поверхностной температурой менее 500 градусов Кельвина. Обнаружить Y-карлики из-за их низкой температуры намного сложнее, и первый объект этого класса был открыт лишь в августе 2011 года.

По прикидкам некоторых астрофизиков, общее число коричневых карликов во Вселенной может быть вполне сопоставимо с числом обычных звезд. Из чего, в частности, следует, что в одной только нашей галактике Млечный Путь этих космических малышей может насчитываться более ста миллиардов.

Правда, эти оптимистические оценки недавно были поставлены под сомнение группой Дэйви Киркпатрика, астрофизика из Калифорнийского технологического института в Пасадене и по совместительству — одного из ведущих экспертов, осуществляющих контроль над работой космического инфракрасного телескопа WISE. Согласно проведенной Киркпатриком и его коллегами подробной переписи открытых на текущий момент коричневых карликов в окрестностях нашей Солнечной системы (условно говоря, в пределах 26 световых лет от нас), на 211 известных науке нормальных звезд, которые имеются по соседству с Землей, пока приходится лишь 33 коричневых карлика. Если исходить из этой статистики, вроде бы получается, что текущая экспериментально выявленная пропорция коричневые карлики/звезды составляет примерно один к шести, а вовсе не один к одному.

Понятно, авторы этой промежуточной переписи вовсе не утверждают, что в дальнейшем в околосолнечной зоне не будут найдены новые коричневые карлики. Тем не менее они полагают, что даже с учетом пока невидимого резерва эта пропорция вряд ли превысит один к трем.

Однако подобные консервативные прогнозы, на наш взгляд, все-таки несколько занижены, поскольку, скажем, достаточно очевидно, что в холодной спектральной группе коричневых карликов (Y-класс) процесс экспериментального обнаружения фактически еще только стартовал. Более того, по мнению ряда теоретиков, именно многочисленные сверххолодные и почти неуловимые коричневые карлики могут на самом деле составлять значительную долю скрытой массы Вселенной — пресловутой темной материи.

Буйные карлики

Сильные атмосферные аномалии, обнаруженные на коричневом карлике Luhman 16В сразу двумя независимыми группами исследователей при помощи крупнейшего наземного телескопа Европейской южной обсерватории (ESO; несмотря на свое официальное название, расположена в Чили), — еще одна весьма примечательная характеристика этих загадочных космических объектов.

Ученые из немецкого Астрономического института Макса Планка в Гейдельберге и британского Эдинбургского университета не только смогли выявить в атмосфере Luhman 16В мощную облачность, но и составили первую в истории экзосолнечных астрономических наблюдений подробную погодную карту, детально описывающую хронологические вариации облачности в его различных регионах.

Как не без иронии отметил в одном из интервью ведущий автор публикации в Nature Иэн Кроссфилд, «достигнутые успехи в “облачном картировании” Luhman 16В позволяют нам надеяться на то, что в самом скором времени мы сможем рассмотреть во всех подробностях то, как формируются, перемещаются и рассеиваются в его атмосфере различные группы облачных скоплений. И тогда у экзометеорологии наконец появится первый внятный погодный прогноз, позволяющий будущим путешественникам загодя рассчитывать, придется ли им по прибытии на тот же Luhman 16В пробиваться сквозь плотные и малоприятные по своему химическому составу облака или, напротив, им улыбнется удача и они попадут туда в редкий ясный день».

Впрочем, о том, что погода на многих коричневых карликах, по всей видимости, весьма паршивая, ученые впервые заговорили годом ранее: еще в январе 2013 года было опубликовано исследование астрономов из Аризонского университета (Тусон, США), предметно изучивших при помощи космических телескопов Spitzer и Hubble коричневый карлик с заковыристым названием 2MASSJ22282889-431026. Коллектив под руководством Дэниела Апаи сумел также обнаружить циклическую последовательность «помутнений» и «просветлений» в инфракрасном диапазоне, свидетельствующую о том, что в атмосфере этого объекта имеются очень крупные зоны с сильной облачностью. Более того, ученым удалось разглядеть различные атмосферные слои и на основании анализа полученных от телескопов данных прийти к выводу о сложном, многоуровневом составе гигантских облачных образований.

По словам одного из участников этого исследования Марка Марли, «в отличие от земных облаков, состоящих из водяного пара, или аммиачных юпитерианских, облака коричневых карликов — это адская смесь из раскаленных зерен песка (силикатных испарений), жидкого железа и прочих экзотических компонентов. И выявленные Spitzer и Hubble у 2MASS колоссальные атмосферные возмущения на разных высотах позволяют внести некоторые коррективы в наше понимание того, что на самом деле представляют собой экстремальные погодные условия».

Наконец, следует отдельно упомянуть о представленных Станимиром Мечевым (Университет Западного Онтарио, Канада) и его коллегами уже в начале января 2014 года на ежегодном собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне предварительных результатах интересного сравнительного исследования довольно большой группы коричневых карликов на предмет все той же погодной переменчивости.

Проанализировав данные телескопа Spitzer, отснявшего более четырех десятков таких объектов, расположенных в различных созвездиях, ученые обнаружили, что примерно у половины карликов из этой выборки наблюдается заметная вариативность в яркости в зависимости от времени наблюдений, что однозначно свидетельствует в пользу теории о наличии в атмосфере многих из них мощной облачной турбулентности.