Co to są brązowe karły

Pochmurno z możliwością opadu żelaza… Pogoda na brązowych karłach (BK)

Co to są brązowe karły ? (ang. brown dwarfs) “Nieudane gwiazdy” (ang. „Failed stars”: obiekty, które powstają jak gwiazdy, ale mają za małą masę by podtrzymać reakcję syntezy wodoru (H). „Super-jowisze” (ang.“SuperJupiters”): obiekty o wielkości i składzie atmosfery podobnym jak planety–olbrzymy, które powstały tak jak gwiazdy.

Skąd się wzięła nazwa „brązowe karły”… Czarne gwiazdy - Dark stars Gwiazdy nieudane - Failed stars Podgwiazdy - Substars Karły podczerwone - Infrared dwarfs Karły lilipucie- Lillipution dwarfs Planetary - Planetars Super-jowisze (gorące jowisze) - Super Jupiters Skąd się wzięła nazwa brązowe karły : http://www.universetoday.com/23247/if-brown-isnt-a-color-what-color-are-brown-dwarfs/

J.Tarter(1975r.-owczesna dyrektor SETI Inst.) :

„Było oczywistym, że jest potrzebny opisujący te karły kolor, który byłby pomiędzy czerwonym i czarnym. Zaproponowałam kolor brązowy i Joe (Silk) oponował ponieważ brązowy nie jest kolorem ...”

“Nie wiemy jaki kolor one mają, więc nazwijmy je po prostu BRĄZOWE KARŁY.”

Brązowe karły – kolaps grawitacyjny (2)

(1)

Ewolucja gwiazd 1. Kontrakcja adiabatyczna (Hayashi tracks)

(3)

Hayashi (1965)

2. Zapłon, utworzenie promienistego jądra, grzanie – równowaga dynamiczna (Henyey tracks) 3. Dojście do Ciągu Głównego - równowaga promienista.

Brązowe Karły Różnica poziomów 192m

Brązowe karły – kolaps grawitacyjny Jak ciasno można spakować gwiazdę?

Istnieje ograniczenie w mechanice kwantowej oparte na zakazie Pauliego : Dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego w tym samym miejscu i czasie.

Brązowe karły – kolaps grawitacyjny

Brązowe karły – kolaps grawitacyjny Reakcja jądrowa PPI: p + p → d + e+ + e, Tc = 3  106 K

Poniżej ~0.1 M, degeneracja e- staje się znacząca we wnętrzu BK (Pcore ~ 105 Mbar, Tcore ~ TFermi) i zatrzymuje kolaps grawitacyjny. Poniżej ~ 0.075 M, Tcore pozostaje poniżej krytycznej temperatury PPI  Nie może podtrzymać syntezy jądrowej wodoru Poniżej ~ 0.013 M (13MJowisza)– planeta (brak reakcji jądrowych spalania litu-7 lub deuteru w jądrze brązowego karła).

Ból gwiezdnych narodzin Rysunek z American Scientific 294 (2006r.)

Brązowy karzeł Brązowy karzeł rozpoczyna drogę ku gwiezdnym narodzinom.

100 tys. lat: z pewnego powodu (zakaz Pauliego) kolaps się zatrzymuje.

1 do 10 mln lat: Brązowy karzeł stał się wystarczająco masywny, aby rozpocząć syntezę deuteru.

100 mln lat: Po wypaleniu się deuteru brązowy karzeł staje się podobny do planety (staje się coraz ciemniejszy i zimniejszy).

Planeta

Planeta tworzy się w dysku wokół gwiazdy w miarę jak ziarna stopniowo się zlepiają. Planeta nigdy nie osiągnie masy potrzebnej do syntezy wodoru. Planeta stopniowo staje się coraz ciemniejsza.

Gwiazda

Gwiazda zaczyna powstawać jako wydzielony obszar z chmury gazu i pyłu międzygwiazdowego. Jego centralna część tworzy zarodek przyszłej gwiazdy.

100 tys. lat: otaczający materiał zbiera się w dysk otaczający zarodek gwiazdy.

30 mln lat: Protogwiazda skurczyła się wystarczająco, aby rozpocząć syntezę wodoru i aktualnie może być uważana za prawdziwą gwiazdę. 1 do 10 mln lat: Protogwiazda staje się coraz cięższa, w miarę jak się kurczy. Dysk się rozrzedza i w tym dysku zaczynają się tworzyć planety.

Brązowe karły - ewolucja 90

80

Temperatura powierzchniowa (K)

Gwiazdy Brązowe Karły 75

70

60 10

20

30

Czas (miliardy lat)

40

50

Bez źródła energii, brązowe karły szybko ewoluują ku coraz niższym Tpowierzchniowym i niższym jasnościom.

Czas życia gwiazd Mało masywne gwiazdy Masa  0,1 masy Słońca, Czas życia  około 10 bilionów lat.

Słońce Masa  1 masa Słońca, Czas życia  około 10 miliardów lat.

Masywne gwiazdy Masa  80 mas Słońca, Czas życia  około 10 milionów lat.

Śmierć gwiazd

supernowa Masywna gwiazda (> 8 mas Słońca)

Gwiazda neutronowa

Pozostałości supernowej

Utrata masy … LUB

Czarna dziura

Biały karzeł

Małomasywna gwiazda (< 8 mas Słońca) Czerwony olbrzym

Brązowy karzeł

Mgławica planetarna

Niektóre gwiazdy nigdy nie umierają, one po prostu powoli znikają … (ang. Some stars never die, they just fade away)

Brązowe karły - struktura

Brązowe karły – test litowy

Różnice w budowie pomiędzy planetami, brązowymi karłami i gwiazdami (Scientific American

IV 2000r.)

Liczba odkrytych brązowych karłów W dwudziestym wieku : Lata 60-te Lata 70-te Lata 80-te Lata 90-te

……………. 0 ……………. 0 …........... X 4 0 …..… mnóstwo

UWAGA!!! 1995 rok - Odkrycie pierwszych brązowych karłów (Teide 1 i Gliese 229B)

Aktualna liczba znanych brązowych karłów.

Aktualna liczba znanych brązowych karłów. http://www.johnstonsarchive.net/astro/browndwarflist.html (ostatnia aktualizacja 14 marca 2014 r.)

Kryterium klasyfikacyjne dla brązowych karłów: Obiekty o typie widmowym >= M9.5 (tzn. M9.5, L0…9, T, Y0…9)

LUB Obiekty o szacowanych masach ~13- ~80MJowisz(spalające deuter). Razem znanych jest 2647 obiektów (2085 potwierdzonych, 562 kandydatów na brązowych karłów) o następujących typach widmowych: • M – 326szt, • L – 1329szt, • T – 579szt, • Y – 21szt, • bez znanego typu widmowego – 392szt.

Najbliższe znane brązowe karły oraz gwiazdy.

Materiał źródłowy: http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/

Bardzo zimne gwiazdy są (pod) czerwone

Brązowe karły typu M, L, T i Y. Karły M : dominują linie absorpcyjne TiO, VO, H2O, CO + linie metali alkaicznych. Karły L : linie absor.tlenków są zastępowane przez wodorki (FeH, CrH, MgH, CaH) i silne są linie metali alkaicznych.

Karły T : widać silne linie CH4 i H2O oraz ekstremalnie szerokie Na I i K I. Karły Y : silne linie H2O.

Karły M (3500-2100 K, 326 jest znanych) magnetycznie aktywne,najmłodsze b.k.

Karły L (2100-1300 K, 1329 jest znanych) bogate w molekuły (CO, H2O) atmosfery zawierają chmury z „gorącym brudem”. Karły T (1300-500 K, 579 jest znanych) brązowe karły z atmosferami zawierającymi H2O, CH4 i NH3. Karły Y (0.075M – synteza wodoru) zmiana temperatury powierzchniowej B. K. w czasie dla mas z przedziału 0.013M0.013M).

---- zmiana temperatury powierzchniowej planemo / planet - poniżej 0.013 M (13MJowisza) – brak syntezy jądrowej jakichkolwiek pierwiastków.

i pogoda na brązowych karłach

Gazy w atmosferach brązowych karłów

Chmury w atmosferach brązowych karłów

Brązowe karły mają gorące atmosfery podobne do planet – unikalne środowiska do zrozumienia zjawisk formowania się chmur i pogody.

Chmury w atmosferach brązowych karłów L

≈ L7

≈ T7

Ackerman & Marley (2001)

Generalnie dana warstwa chmur jest przypisana do ≈ Y? wąskiego zakresu temperatur  dla chłodniejszych BK, chmury będą występowały poniżej fotosfery (fotosfera = „powierzchnia” brązowego karła).

Chmury w atmosferach brązowych karłów W temperaturach i ciśnieniach atmosfer karłów późnych typów widmowych M i L, wiele gazowych związków chemicznych może tworzyć kondensaty (chmury/skropliny). np.:

Marley et al. (2002)

• TiO → TiO2(s), CaTiO3(s) • VO → VO(s) • Fe → Fe(l) • SiO → SiO2(s), MgSiO3(s)

Zmienność fotometryczna brązowych karłów Wiele brązowych karłów późnego typu widmowego L i T jest zmiennych, P ~ godziny, podobnie jak tempo tworzenia się pyłu w brązowych karłach. Atmosfery brązowych karłów są za zimne, aby podtrzymać plamy magnetyczne  chmury – bardziej prawdopodobne.

Enoch, Brown, & Burgasser (2003)

Generalnie okresy tych zmian nie są stabilne  szybkie zmiany na powierzchni brązowych karłów.

Bezpośrednia detekcja chmury z ziarnami krzemianów.

Dowody na kondensacje - spektroskopia Zanikanie pasm TiO i VO przy przejściu od późnego typu widmowego M do L może być bezpośrednio wyjaśnione ich akumulacją w postaci kondensatów.

Kirkpatrick et al. (1999)

Przykłady ciekawych brązowych karłów

Brązowy karzeł WD 0806-661 B http://science.psu.edu/news-and-events/2011-news/Luhman10-2011

Odległość – 63 lata świetlne, Krąży w odległości 2500 j. a. od białego karła WD 0806-661

Typ widmowy Y, Masa ok. 6-8 mas Jowisza, Temperatura fotosferyczna 27-70C, Obserwacje teleskopem Spitzera  Poniżej animacja …

Brązowy karzeł WD 0806-661 B (wizja artystyczna – widok z brązowego karła w stronę białego karła)

Brązowy karzeł WD 0806-661 B (wizja artystyczna – widok z brązowego karła w stronę białego karła)

Podwójny „zielony” brązowy karzeł WISE 0458+6434 Odkryty w 2010 r. (składnik A) / 2011r. (składnik B) Separacja składników A-B  5 j.a., okres orbitalny 70lat, Odległość  36 lat świetlnych (gw. Żyrafy),  Obserwacje teleskopem WISE

Typy widmowe A/B  ok.T9, Masa A/B  ok. 15/10 mas Jowisza, Temperatura fotosfer A/B  600K/500K, Na zdjęciu kolory są zamapowane do zakresu widzialnego. Metanowa atmosfera pochłania najkrótsze promieniowanie podczerwone (3,4μm - kolor niebieski). Widać tylko kolor „zielony” (4,6 μm) ponieważ br.karły A/B są za zimne by promieniować w kolorze „czerwonym” (12μm).

Podwójny „zielony” brązowy karzeł WISE 0458+6434

 Obserwacje teleskopem WISE

Astronom Amy Mainzer (NASA): „Gdyby tak zapuszkować galon atmosfery tego obiektu i sprowadzić go na Ziemię - zapach nie zabiłby, ale śmierdziałoby całkiem nieźle zgniłymi jajami z nutką amoniaku.”

Aktualnie najzimniejszy brązowy karzeł  WISE 0855-0714. Wizja artystyczna WISE 0855-0714

Odkryty w kwietniu 2014r. przez Luhmana, Typ widmowy Y?, Odległość 7.3 roku świetlnego (gwiazdozbiór Hydry), Szacowana masa 3-10MJowisza, („sub-brown dwarf”?) Temperatura powierzchniowa od -48C do -13C, Mogą występować chmury z lodem H2O ( http://arxiv.org/pdf/1408.4671v2.pdf) Więcej informacji na temat WISE 0855-0714 można znaleźć tutaj: http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/

Brązowy karzeł WISE1828+2650  fotosfera 25C. Odkryty w 2011 r. Odległość – 37 lata świetlne (gw. Lutni), Obserwacje teleskopem kosmicznym WISE 

Typ widmowy Y2, Masa ok. 0,5-20 mas Jowisza, Wiek 0,1-10 mld lat, Temperatura fotosfery ok. 25C, (trochę chłodniejszy od temperatury ciała ludzkiego!!!)

Wizja artystyczna tego obiektu



Planeta HD 189733b (V452 Vul) - tutaj pada gorące szkło. http://astrobob.areavoices.com/2013/07/11/meet-hd-189733b-the-blue-planet-where-it-rains-hot-glass/

Odkryty w 2005 r. Odległość – 63 lata świetlne (gw.Liska), Masa ok. 1,16 masy Jowisza, Wiek >0,6 mld lat, Temperatura fotosfery ok. 1100C,

Wizja artystyczna tego obiektu

Planeta HD 189733b (V452 Vul) (tutaj pada stopione szkło).

Wizja artystyczna tego obiektu. Widok z HD189733b w stronę naszego Słońca (63l.św.). Planeta obiega gwiazdę Sp=K1.5V w ciągu 2,2 dni http://astrobob.areavoices.com/2013/07/11/meet-hd-189733b-the-blue-planet-where-it-rains-hot-glass/

Brązowy karzeł 2MASS 2139 Brązowy karzeł jest odległy o 47 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Wodnika W czasie 8-godz. obserwacji jego jasność zmieniała aż o 30%!!! Są to największe wahania jasności jakie dotychczas obserwowano u brązowego karła. Być może gigantyczna burza na skalę całej planety szalała w czasie obserwacji (większa od Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu). Możliwe jest też, że obserwowane są niskie, gorące warstwy atmosfery widziane przez dziurę w pokrywie chmur.

Brązowy karzeł 2MASS 2228-4310 obserwowany jednocześnie przez teleskopy Hubble’a (zakres 1,25mikrona) i Spitzera (zakres 4,5mikrona)

Tutaj z chmur zamiast wody pada gorący piasek, krople stopionego żelaza, i inne egzotyczne kondensaty.

Brązowy karzeł 2MASS 2228-4310 o okresie rotacji 1,4 godz.

Artystyczna wizja deszczu ze stopionego żelaza padającego w atmosferze brązowego karła

Brązowe karły z układami planetarnymi

Wiek 8mln lat

Brązowe karły z układami planetarnymi : Mikrosoczewkowanie

masy Słońca masy Ziemi

Widok zachodzącego brązowego karła na planecie krążącej wokół niego.

Literatura: Niniejszą prezentację przygotowałem w większości na podstawie wykładów prof.Burgassera dostępnych pod odnośnikiem (przetłumaczyłem na j. polski) : http://pono.ucsd.edu/~adam/presentations/

Polecam prezentację prof. Burgassera z kolokwium w słynnym FermiLab w dn. 6 VIII 2003 r. na temat podstaw fizycznych pogody na brązowych karłach : http://vmsstreamer1.fnal.gov/VMS_Site_02/Lectures/Colloquium/Burgasser/index.htm http://vmsstreamer1.fnal.gov/VMS_Site_02/Lectures/Colloquium/Presentations/Burgasser.ppt

Aktualnie najzimniejszy brązowy karzeł (kwiecień 2014r.)

http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/

Śmierdzący „zielony” brązowy karzeł: http://io9.com/5687086/cold-smelly-failed-star-might-be-the-most-pathetic-thing-in-the-universe

Skąd się wzięła nazwa brązowych karłów http://www.universetoday.com/23247/if-brown-isnt-a-color-what-color-are-brown-dwarfs

Ryszard Biernikowicz - PTMA Szczecin

KONIEC