Самая маленькая звезда

Насколько нам известно, это 2MASS J0523–1403, крошечный красный карлик в нижнем конце главной последовательности.

В детстве я был ошеломлен и очарован, увидев изображение в разделе астрономии Enciclopedia del Tesoro (энциклопедии для мальчиков 60-70-х годов). На рисунке сравнивается размер Солнца с размером Бетельгейзе. Наша звезда выглядела незначительной точкой по сравнению с красным сверхгигантом в созвездии Ориона. Может быть, тогда я впервые увлекся астрономией.

Конечно, наше воображение стимулируют самые большие звезды, а не звезды среднего или меньшего размера. И не случайно, что существует огромное количество научной литературы о Бетельгейзе, Антаресе, Эта Киле, VY Canis Majoris, Арктуре, Денебе, Ригеле и многих других крупных звездах.

2MASS J0523–1403, звезда в нижней части категории

Но противоположный конец диапазона звездных размеров, занятый самыми маленькими звездами, не менее интересен, хотя и по другим причинам. По правде говоря, небо заполнено множеством маленьких и очень маленьких звезд. Они представляют собой безмолвное большинство звездной вселенной, в то время как большие и очень большие звезды представляют собой редкие исключения. Бесчисленное множество крошечных звезд не стимулирует наше воображение, но ставит важную научную проблему: каков минимальный размер небесного тела, чтобы считаться звездой? Точнее, каковы нижние пределы радиуса, массы, яркости и температуры звезды? Более того, какие наблюдательные характеристики отличают звезду от объекта, не являющегося звездой, на нижнем пределе массы и радиуса?

Астрономы десятилетиями пытались ответить на все эти вопросы. Сложные модели звездной эволюции существуют уже несколько лет, и, исходя из нескольких известных наблюдательных параметров (например, яркости и металличности), удается экстраполировать основные свойства звезд. Эти модели могут определять с высокой точностью массу, радиус, температуру и возраст звезды. Но что касается минимальных значений, которые может принимать каждый параметр, модели основаны на теоретических экстраполяциях, для которых нет убедительного эмпирического подтверждения. На это есть веская причина: звезды в нижней части категории невероятно тусклые, и поэтому их трудно наблюдать. Только самые близкие к Земле могут быть изучены действительно точно. Итак, существует реальная нехватка «исходного материала», который можно было бы использовать для определения на твердой эмпирической основе минимальных свойств звезды в рамках универсально действующей модели звездной эволюции.

Чтобы попытаться решить проблему хотя бы частично, группа исследователей во главе с Серджио Б. Дитрихом из Университета штата Джорджия провела длительное и точное исследование группы из 63 объектов на границе между звездами крошечной массы и субзвездными объектами. Результаты были опубликованы в марте 2014 года в "The Astronomical Journal".

63 объекта исследования были отобраны по спектральному классу, возрасту и расстоянию. Все они принадлежали к спектральным классам между M6V и L4, что указывает на очень холодные объекты с температурой поверхности от 3000 до 1500 К (для сравнения, Солнце имеет температуру 5772 К). Выбор был продиктован основной целью исследования, то есть поиском элементов, способных определить, какова граница между телом, которое является звездой, и телом, которое ею не является.

Что касается возраста, то исследователи удалили из выборки все объекты, которые, по разным данным, казались молодыми, причем под молодыми мы подразумеваем возраст менее 1 миллиарда лет (понятие «молодость» в астрономии, очевидно, весьма своеобразно). Этот выбор был сделан потому, что молодость в некоторой степени стирает различия между звездными и субзвездными объектами.

Что касается третьего параметра, а именно расстояния, то выбор пал на объекты с расстояниями до 25 парсеков от Земли, что составляет более 81 светового года. В таком диапазоне расстояний метод тригонометрического параллакса дает точные результаты. Расстояние, по сути, является важным параметром для получения всех остальных свойств звезды. Чем точнее известно расстояние, тем меньше пределы неопределенности в свойствах, вычисленных на его основе (таких как, например, абсолютная яркость).

Каждый из 63 выбранных объектов наблюдался не менее двух лет с использованием 0,9-метрового телескопа Межамериканской обсерватории Cerro Tololo в Чили. В конце этого длительного периода наблюдения и после столь же длинной серии сравнений с существующими данными в литературе авторы наконец сделали выводы.

Был сделан вывод, что звезда на нижнем пределе главной последовательности, т. е. наименьший объект, который можно надлежащим образом рассматривать как звезду, способную поддерживать свое гидростатическое равновесие за счет термоядерного синтеза водорода в ядре, это 2MASS J0523–1403.

Ее название было присвоено в результате исследования, в ходе которого эта звезда впервые была идентифицирована во время инфракрасного сканирования неба: «Two Micron All-Sky Survey» или, если кратко, 2MASS. Остальная часть названия: J0523–1403, относится к небесным координатам, которые позволяют нам определить ее положение на небе.

Звезда в центре изображения, взятого из обзора PanSTARRS DR1, это 2MASS J0523–1403.

2MASS J0523–1403 находится в созвездии Lepus (Заяц), непосредственно к югу от Ориона, на расстоянии 12,35 парсека от Земли (40 световых лет). Это очень тусклая звезда с видимой визуальной величиной 21,05. Она принадлежит к спектральному классу L2.5 и имеет эффективную температуру всего 2,074 ± 27 К (менее половины температуры Солнца). Яркость в 7943 раза ниже солнечной. Если бы 2MASS J0523–1403 находилась на месте нашей звезды, она освещала бы Землю чрезвычайно тусклым и красноватым светом, настолько слабым, что наша планета стала бы более подходящим местом для вампиров, чем для дневных существ.

2MASS J0523–1403 также очень мала. Ее радиус составляет всего 0,086 радиуса Солнца, то есть 60 000 км. На практике она больше, чем Сатурн, и несколько меньше Юпитера. Так что же делает ее звездой, а не планетой? Ответ - масса. Различные модели звездной эволюции согласны в том, что 2MASS J0523–1403 имеет массу 0,08 массы Солнца . Это значение намного выше, чем у Юпитера (0,00095 массы Солнца) и Сатурна (0,00028). Эта маленькая звезда в 84 раза массивнее Юпитера, а ее масса сжата до меньшего объема, чем у газового гиганта Солнечной системы. Таким образом, она достигла в своем ядре давления и температуры, необходимых для запуска водородного ядерного синтеза, и вышла на так называемую главную последовательность.

Сравнение размеров Солнца, Проксимы Центавра, 2MASS J0523–1403 и Юпитера.

Короче говоря, этот объект меньше Юпитера - звезда во всех отношениях. Насколько нам известно в настоящее время, 2MASS J0523–1403 представляет, с ее восьмью сотыми солнечной массы и яркостью, составляющей всего 1,26 десятитысячных солнечной, нижний предел главной последовательности. Другими словами, это объект с минимальными свойствами, необходимыми для того, чтобы загореться как звезда. Однако эти минимальные свойства гарантируют невероятную долговечность. 2MASS J0523–1403 похожа на свечу с тонким, но почти неугасаемым пламенем. По оценкам, она пробудет на главной последовательности около 12000 миллиардов лет, что почти в тысячу раз больше, чем текущий возраст Вселенной, и более чем в тысячу раз больше, чем максимальная продолжительность жизни Солнца.

На данный момент мы не знаем звезд меньше или холоднее 2MASS J0523–1403. Согласно используемым теоретическим моделям, могут быть более холодные звезды, до 400 К, по сравнению с этим крошечным красным карликом. Тем не менее, это именно теоретические модели, а не данные наблюдений. Задача будущих исследований, расширенных более чем на 25 парсеков, заключается в том, чтобы выяснить, могут ли существовать звезды со свойствами даже более минимальными, чем 2MASS J0523–1403, и является ли граница, которую представляет эта звезда, лишь статистическим обманом из-за малого размера выборки.

Отличия звезд от коричневых карликов

Но если действительно 2MASS J0523–1403 можно считать основной единицей измерения звезд, что отличает ее с точки зрения наблюдений от объектов, не являющихся звездами? А что это за другие объекты? Чтобы получить четкий ответ, мы должны начать со следующего графика, который показывает размер и температуру 63 объектов, проанализированных в исследовании Дитериха и его коллег.

[P. Marenfeld & NOAO / AURA / NSF]

Глядя на график, мы можем увидеть некоторые важные элементы:

• в звездах радиус и температура связаны очевидной зависимостью, согласно которой температура увеличивается с увеличением радиуса. Это нормальное следствие звездной физики: чем выше давление и температура в звездном ядре, тем выше энергия, производимая реакциями термоядерного синтеза; и чем выше энергия, производимая ядерным синтезом, тем больше звезда расширяется для поддержания гидростатического равновесия и увеличивает ее эффективную температуру;
• начиная с минимального размера звезды, соответствующего 2MASS J0523–1403, начинается пустая область. Нет других объектов, которые продолжали бы вниз ту же зависимость между радиусом и температурой, которая начинается в позиции 2MASS J0523–1403;
• начиная с температуры около 1750 К появляется новая серия объектов, гораздо менее многочисленная, чем звезды. Эти объекты показывают обратную зависимость между температурой и радиусом. Это коричневые карлики, категория, образованная небесными телами, считающимися несостоявшимися звездами.

Почему у коричневых карликов радиус уменьшается с повышением температуры, а не наоборот, как у звезд? Это происходит потому, что ими управляют физические механизмы, отличные от тех, которые действуют в звездах. Даже в самых массивных коричневых карликах массы недостаточно для того, чтобы ядро достигло температуры и давления, необходимых для запуска ядерного синтеза водорода, который, как мы видели, является основным механизмом, определяющим звезду.

В отсутствие ядерного синтеза коричневый карлик под неуравновешенным давлением собственной гравитации продолжает безжалостно сжиматься, пока сжатие не будет остановлено давлением вырождения, оказываемым электронами в его атомах.

Это условие достигается только тогда, когда плотность вещества превышает определенный порог. В общем, центростремительное движение силы тяжести заставляет электроны занимать самые низкие энергетические уровни. Но квантовая физика выступает против бесконечного сжатия. Принцип запрета Паули гласит, что два фермиона (электроны являются фермионами) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Следовательно, когда все нижние энергетические уровни заполнены, электроны начинают занимать орбитали с более высокими энергетическими уровнями. При этом они оказывают давление, направленное наружу, что рано или поздно останавливает сжатие.

В коричневом карлике, который еще не достиг этой точки, радиус и температура являются функциями массы и возраста, но связаны обратной зависимостью. Чем массивнее коричневый карлик, тем больше уменьшается его радиус из-за центростремительного давления, оказываемого гравитацией. В то же время температура поверхности увеличивается, чтобы рассеять избыточное тепло, выделяемое при сжатии. Короче говоря, противоположное тому, что происходит у звезд.

Но почему на диаграмме есть разрыв между положением 2MASS J0523–1403 в нижнем конце главной последовательности звезды и началом кривой, населенной коричневыми карликами?

С возрастом коричневый карлик становится тусклее и холоднее. Фактически, не будучи поддержанным ядерным синтезом, он может лишь медленно рассеивать тепло, накопленное внутри во время фазы сжатия. Но, хотя охлаждение уже идет, коричневые карлики еще некоторое время продолжают немного сжиматься. Это означает, что самые массивные коричневые карлики достигают своего минимального радиуса, когда они становятся слишком тусклыми, чтобы попасть в спектральные категории, принимаемые во внимание в описанном здесь исследовании. Таким образом, скорее всего, пробел на диаграмме справа от наблюдаемого минимального радиуса звезды мог быть заполнен объектами, принадлежащими к типу L5 и далее, включая карликов, принадлежащих к типам T и Y.

Другой вопрос, возникающий при рассмотрении распределения объектов на диаграмме, заключается в следующем: почему коричневые карлики гораздо менее многочисленны, чем звезды в выборке из 63 звезд, проанализированной группой Дитериха? Настоящие звезды, достигнув главной последовательности, на неопределенное время сохраняют свое положение на диаграмме, поскольку их яркость и температура остаются постоянными с течением времени. Вместо этого коричневые карлики, яркость и температура которых достаточны для включения в выборку, выбранную авторами исследования, принадлежат лишь к ограниченному сочетанию возраста и массы. Итак, мы можем сделать вывод, что коричневых карликов не меньше, чем звезд с малой массой. Их труднее обнаружить только из-за очень низкой яркости, которую они достигают, когда становятся достаточно взрослыми.

Последний вопрос, на который нужно ответить: что такое коричневый карлик? Или лучше сказать: чем он отличается от обычной планеты? Ответ заключается в том, что, насколько нам известно, между планетами и коричневыми карликами нет очевидной структурной разницы.

Категория коричневых карликов была создана для обозначения объектов, которые выглядели как звезды, даже не будучи звездами. Они казались слишком большими, теплыми и яркими, чтобы их можно было классифицировать как планеты. Более того, у них часто не было родительской звезды, из чего астрономы пришли к выводу, что процесс их формирования был подобен процессу образования звезд.

Но исследование, опубликованное в 2016 году, показало, что коричневые карлики - это не что иное, как миры юпитерианского типа, или, лучше сказать, та часть планет, подобных Юпитеру, наиболее близких к звездным свойствам. Это небесные тела, которые, как и Юпитер, имеют обратную зависимость между массой и радиусом, то есть чем они массивнее, тем меньше. Связь того же типа появляется в исследовании Дитериха и его коллег, которое изучалось до сих пор. Таким образом, мы можем сделать вывод, что коричневый карлик является одновременно массивной планетой и неудавшейся звездой, близкой к пределу массы, при превышении которой в ядре запускаются реакции синтеза водорода.

Коричневый карлик (или мир типа Юпитера, что то же самое) светит только ограниченное время и в основном в инфракрасном диапазоне. Затем он становится все более тусклым, так как расходует свой внутренний запас тепла. Вместо этого маленький красный карлик 2MASS J0523–1403 немного превысил предел минимальной массы, равный примерно 84 юпитерианским массам, что позволяет ему быть звездой во всех отношениях. Он светит благодаря энергии (по правде говоря, небольшой), вырабатываемой водородным ядерным синтезом, и будет продолжать это делать почти все оставшееся время, практически вечность.

Оригинал: The Smallest Star