Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Ядра газовых сгустков, меньших 0,012 массы Солнца (что составляет 13 масс Юпитера), не разогреваются даже до порога поджога дейтерия и посему не способны к термоядерным реакциям. Многие астрономы полагают, что именно здесь и проходит граница между коричневым карликом и планетой. По мнению представителей другого лагеря, коричневым карликом можно считать и газовый сгусток полегче, если он возник в результате коллапса первичного облака космического газа, а не родился из газопылевого диска, окружающего только что вспыхнувшую нормальную звезду. Впрочем, любые подобные определения — дело вкуса.

Еще одно уточнение связано с литием-7, который, как и дейтерий, образовался в первые минуты после Большого взрыва. Литий вступает в термоядерный синтез при несколько меньшем нагреве, нежели водород, и потому загорается, если масса протозвезды превышает 0,055–0,065 солнечной. Однако лития в космосе в 100 000 раз меньше, чем дейтерия, и поэтому с энергетической точки зрения его вклад совершенно ничтожен.

Вернемся к электронному ферми-газу коричневых карликов. Принцип Паули утверждает, что два электрона, входящие в одну и ту же систему, не могут пребывать в одинаковом квантовом состоянии. В ферми-газе состояние электрона определяется его импульсом, положением и спином, который принимает всего два значения. Это означает, что в одном и том же месте может находиться не более двух электронов с одинаковыми импульсами (и, естественно, противоположными спинами). А поскольку в ходе гравитационного коллапса электроны пакуются во все уменьшающийся объем, они занимают состояния с возрастающими импульсами и, соответственно, энергиями. Это означает, что по мере сжатия протозвезды увеличивается внутренняя энергия электронного газа. Эта величина определяется чисто квантовыми эффектами и не связана с тепловым движением, а посему в первом приближении не зависит от температуры. Более того, при достаточно высокой степени сжатия энергия ферми-газа многократно превосходит тепловую энергию хаотического движения электронов и атомных ядер.

Отсюда проистекают важные последствия. Возрастание энергии электронного газа увеличивает его давление, которое также не зависит от температуры и растет гораздо сильнее давления теплового. Именно оно противостоит тяготению вещества протозвезды и прекращает ее гравитационный коллапс. Если это случается до достижения температуры поджога водорода, коричневый карлик остывает сразу после непродолжительного по космическим масштабам выгорания дейтерия. Если протозвезда пребывает в пограничной зоне и имеет массу 0,070–0,075 солнечной, она еще миллиарды лет жжет водород, однако на ее финал это не влияет. В конце концов квантовое давление электронного ферми-газа настолько понижает температуру звездного ядра, что горение водорода останавливается. И хотя его запасов хватило бы на десятки миллиардов лет, поджечь их коричневый карлик уже больше не сможет. Этим-то он и отличается от самого легкого красного карлика, выключающего ядерную топку, лишь когда весь водород превратился в гелий.

Существует еще одно отличие звезды главной последовательности от коричневого карлика, опять-таки связанное со свойствами ферми-газа. Обычная звезда не только не остывает, теряя лучистую энергию, но, как это ни парадоксально, нагревается. Это происходит потому, что звезда сжимает и разогревает свое ядро, что сильно увеличивает темпы термоядерного горения (так, за время существования нашего Солнца его светимость возросла по крайней мере на четверть). Иное дело — коричневый карлик, сжатию которого препятствует квантовое давление электронного газа. Вследствие излучения с поверхности он остывает подобно камню или куску металла, хотя, как и нормальная звезда, состоит из горячей плазмы. Перейти в кристаллическое состояние коричневые карлики не могут, для этого нет физических условий.

Погоня за коричневыми карликами была долгой. Даже у самых массивных представителей этого семейства, которые в юности излучают пурпурный свет, температура поверхности не превышает 2000 K, а у тех, что полегче и постарше, — порой не достигает и 1000 K. Хотя в излучении этих объектов присутствует и оптическая компонента, она очень слаба. Поэтому их лучше всего искать с помощью инфракрасной аппаратуры высокого разрешения, которая появилась лишь в 1980-е гг.

Именно тогда появились сообщения о претендентах на роль коричневых карликов. Первые подобные заявления не выдержали проверки, и реальное открытие предсказанных Кумаром псевдозвезд состоялось лишь в 1995 г. Пальма первенства принадлежит группе астрономов во главе с профессором Калифорнийского университета в Беркли Гибором Басри. Они изучали чрезвычайно тусклый объект PPl 15 из скопления Плеяд, который ранее обнаружила группа гарвардского астронома Джона Стауффера. По предварительным данным, его масса составляла 0,06 массы Солнца, и он вполне мог оказаться коричневым карликом. Но оценка была весьма приблизительной, и на нее нельзя было полагаться. Профессор Басри и его коллеги решили эту задачу с помощью литиевой пробы, которую незадолго до того придумал испанский астрофизик Рафаэль Реболо. Идея оказалась удачной — метод сработал.