Brązowe karły to ani planety, ani gwiazdy. Być może jest ich więcej niż sądzono

Laik zwykle dzieli obiekty kosmiczne na asteroidy i komety, planety i księżyce, gwiazdy i ich pozostałości ewolucyjne. Często ten podział jest zawężany do dwóch typów obiektów, planet i gwiazd. W tej systematyce jest jednak znacznie więcej elementów pośrednich, a odkąd odkrywamy masowo planety pozasłoneczne w naszej świadomości zagościło pojęcie brązowy karzeł.

Teraz okazuje się, że brązowe karły tak jak i kosmos mogły dotychczas skrywać przed nami swoją prawdziwą naturę, a raczej ich różnorodność.

Czym jest brązowy karzeł? Dlaczego to nie planeta, ani gwiazda?

Gwiazdę w jednym zdaniu można scharakteryzować tak. To obiekt tak masywny, że w jego wnętrzu panują warunki umożliwiające zachodzenie reakcje jądrowe. Planeta to z kolei obiekt o znacznie mniejszej masie, którego temperatura w centralnej części nie jest w stanie doprowadzić do inicjacji reakcji jądrowych. Planety dzielimy też na skaliste, posiadające sztywną zewnętrzną skorupę o masach zbliżonych do masy Ziemi, a także planety gazowe.

Te drugie osiągają ogromne rozmiary i masy. Przed epoką odkryć planet pozasłonecznych, największą znaną nam planetą był Jowisz. Dlatego też, często jego masa jest punktem odniesienia podczas opisu jeszcze masywniejszych obiektów, które nie są gwiazdami.

Dziś przyjmuje się, że każdy obiekt, który ma masę większą niż 13 mas Jowisza nie jest już planetą a właśnie wspomnianym brązowym karłem. Dlaczego? Są to na tyle masywne obiekty, że w początku swojej ewolucji „próbują być gwiazdami”. W ich wnętrzu zachodzą reakcje jądrowe, ale tylko przez pewien czas. Potem w brązowym karle zanika taka aktywność, a obiekt stopniowo stygnie. Widoczny jest wyłącznie w podczerwieni, czyli długościach fal, które można obserwować za pomocą instrumentów astronomicznych, ale też niewidocznych dla gołego oka.

Maksymalna z kolei masa brązowego karła, powyżej której próba rozpalenia gwiezdnego ognia się uda, to 80 mas Jowisza. Inaczej rzecz ujmując 8% masy Słońca i jest to minimalna masa gwiazd jakie wypełniają kosmos. Te najmniej masywne tworzą największą populację gwiazdową, a jednocześnie najbardziej żywotną. Bo im mniejsza masa gwiazdy, tym dłużej jest w stanie ona trwać jako zwykła gwiazda.

Brązowe karły są więc jak widać takimi niedoróbkami, kosmicznymi bękartami, które nie zasłużyły na miano ani planety, ani gwiazdy. Mogą występować samotnie pomiędzy gwiazdami, tak jak planety, mogą też stanowić element układów, w których brązowy karzeł obiega gwiazdę. Oszacowanie liczby brązowych karłów jest jednym z wyzwań jakie stoją przed astronomami.

Światło mówi wszystko, a nawet więcej

Klasyfikowanie obserwowanych obiektów jako brązowe karły odbywa się na podstawie analizy danych obserwacyjnych, w których głównym wskaźnikiem jest widmo obiektu. Obserwacje światła w różnych długościach fal jest bardzo dobrym wskaźnikiem własności obiektów o gazowej strukturze.

Dotychczas astronomowie uważali, że słuszne jest założenie iż brązowe karły najczęściej mają wiek około 5 - 7 miliardów lat. Oznacza to, że powstały już w czasach, gdy we Wszechświecie węgiel i bazujące na nim związki jak metan, były powszechne. Dlatego spodziewane są ślady metanu w składzie chemicznym brązowych karłów.

Mapa nieba stworzona na podstawie danych z teleskopu kosmicznego WISE. Najwięcej obiektów występuje w płaszczyźnie Galaktyki

Gdyby jednak istniała populacja znacznie starszych brązowych karłów, powiedzmy dwa razy starszych, to musiałyby one uformować się w czasach, gdy w kosmosie dominował wodór i hel. Wciąż są to dominujące pierwiastki, ale dziś mamy domieszkę cięższych pierwiastków, które powstały w wyniku ewolucji masywnych gwiazd. Dlatego też o naszym Słońcu mówi się jako o gwieździe, która powstała już w takim bogatym w różne związki kosmosie.

Dotychczas nie podejrzewano, aby taka populacja stanowiła znaczący przyczynek do liczby brązowych karłów, aż zdarzył się wypadek czy też przypadek podczas analizy danych obserwacyjnych z teleskopu NEOWISE.

NEOWISE to kontynuacja projektu o nazwie WISE, który zakładał wykorzystanie teleskopu przeznaczonego do obserwacji w podczerwieni, do poszukiwania takich właśnie chłodnych brązowych karłów. Teraz obserwacje koncentrują się na takich obiektach jak asteroidy i komety (dopisek NEOWISE przy nazwach komet sugeruje jak je odkryto), ale wciąż kilka instrumentów jest w stanie prowadzić obserwacje dalekiego kosmosu.

The Accident, czyli brązowy karzeł odkryty przez przypadek

Dan Caselden to naukowiec społecznik, który zajmuje się właśnie poszukiwaniem brązowych karłów w danych NEOWISE. Wykorzystuje autorskie oprogramowanie, które eliminuje z sekwencji obrazów oczywiste obiekty jak gwiazdy, a pozostawia te, które mogą być brązowymi karłami, ewentualnie znacznie bliższymi nam kometami czy asteroidami.

Jego uwagę przykuł obiekt o oznaczeniu WISEA J153429.75-104303.3. Choć poruszał się on szybko poprzez pole obserwacji, to jego własności kompletnie nie pasowały do zakładanego przez astronomów profilu brązowego karła. Dla uściślenia - ze względu na bardzo małą jasność wykrywamy tylko stosunkowo bliskie Słońcu brązowe karły, a te mają duży ruch własny (prędkość względem innych obiektów na niebie). Obecnie odkryto niewiele ponad 2000 brązowych karłów w Galaktyce.

Brązowe karły są tak słabe, że niemal mozna je pomylić z szumem tła

Dalsze obserwacje obiektu nazwanego The Accident (ang. przypadek) pokazały jak dziwne są jego własności. W pewnych długościach fal jest on bardzo słaby, tak słaby że nie były w stanie wykryć go teleskopy Kecka, a w innych jest wyjątkowo jasny. Dotychczas spodziewano się, że stare brązowe karły są ciemne, bo już mocno ostygły.

Inne obserwacje prowadzone z orbity wskazały, że The Accident na dodatek jest bliski Ziemi (znajduje się w odległości 50 lat świetlnych), a zarazem bardzo szybko przemierza przestrzeń kosmiczną (z prędkością 800 tysięcy km/h).

Mimo odmiennych od spodziewanych własności, The Accident prawdopodobnie jest brązowym karłem. I przedstawicielem wcześniej pomijanej w statystykach populacji.

Obiekt, który pamięta pierwsze eony Wszechświata

Własności The Accident jak sugeruje artykuł w Astrophysical Journal Letters, wyjaśniać może przytoczona kilka akapitów wcześniej populacja brązowych karłów uformowanych nawet kilkanaście miliardów lat temu. W ich składzie metan, który jest bardzo powszechny w dotychczas obserwowanych brązowych karłach, nie występuje. W efekcie część promieniowania dobiegającego od takiego bardzo starego brązowego karła nie jest absorbowana przez zawarty w nim metan.

Astronomowie oczywiście brali pod uwagę populację tak starych brązowych karłów, ale zakładali, że są one bardzo rzadkie jak podkreśla Federico Marocco, który prowadził obserwacje The Accident z pomocą teleskopów Keck i Hubble.

Wciąż istnieje możliwość, że The Accident to przypadek, szczęście obserwatora, że zaobserwował taki obiekt niedaleko Słońca. Lecz nie można już wykluczyć faktu, że być może brązowych karłów w kosmosie jest dużo więcej niż sądzono.

Punkt zwrotny dla nauk o kosmosie

Z perspektywy podręcznikowej, odkrycie The Accident, zaowocuje wpisem w materiałach, który sugeruje więcej niż jedną populację brązowych karłów. Dla naukowców to nie pierwszy już sygnał, że coraz doskonalsze techniki obserwacyjne wprowadzają nas w epokę astronomii, w której kosmos należy postrzegać bardzo kompleksowo. W przestrzeni, w czasie jak i pod względem składu chemicznego.

Wizualizacja Phaetona

Przykłady można znaleźć na naszym kosmicznym podwórku. Otóż okazuje się, że zachowanie typu kometarnego może wykazywać w Układzie Słonecznych znacznie szersza grupa asteroid. W przypadku asteroidy Phaeton, która jest źródłem deszczu meteorów Geminid, zachowanie kometopodobne nie jest wynikiem odparowania lodu w miarę zbliżania się do Słońca, a znajdującego się w skałach Phaetona sodu. Taki obraz wynika z modelowania, które ma wyjaśnić cyklicznego pojaśnienia Phaetona. Paradoksalnie ten sam model wyjaśnia brak sodu w znajdowanych na ziemi meteorytach z roju Geminid

Skład chemiczny obiektów klasyfikowanych w Układzie Słonecznym jako asteroidy czy też komety, jest dość różnorodny, dlatego przypadek Phaetona może być tylko zaczątkiem zmian w systematyce. Pewnie nie tak drastycznych jak sugerowana nowa definicja planety, ale nasi potomkowie, z pewnością będą uczyć się trochę innej astronomii w szkołach.

Źródło: NASA/JPL, NEOWISE, inf. własna