Brune dverger: De kuleste stjernene eller de heteste planetene?

Brun dverg 2MASSJ22282889-431026

Brune dverger blander trekk ved stjerner og planeter, men de er deres egne unike enheter. Denne kunstnerens illustrasjon viser den brune dvergen 2MASSJ22282889-431026, som NASAs romteleskoper Spitzer og Hubble samtidig observerte. (Bildekreditt: NASA/JPL-Caltech)



Paul M. Sutter er astrofysiker i Ohio State University , vert av ' Spør en rommann 'og' Romradio , 'og forfatter av' Din plass i universet '(Prometheus Books, 2018). Sutter bidro med denne artikkelen til guesswhozoo.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.



Det høres ut som starten på en virkelig dårlig gåte: 'Jeg er større enn en planet, men jeg er ikke en stjerne. Og jeg er mindre enn en stjerne, men jeg er ikke en planet. Hvem er jeg?'

Men i stedet for en frekk hjernetrim, er dette faktisk et inngangspunkt for å utforske hvordan astronomer klassifiserer de eksotiske objektene i universet vårt. Det er også en mulighet til å forstå noen av de merkeligste innbyggerne i Melkeveien.



Svaret på gåten er forresten 'Jeg er en brun dverg.' [ Brown Dwarfs: Strange Failed Stars of the Universe Explained (Infographic) ]

Hva står i navnet?

Til tross for navnet er brune dverger ikke veldig brune. Disse objektene, med masser som spenner fra 12 ganger Jupiters masse til halvparten av solens masse, avgir lys alene ... bare vanligvis ikke så veldig mye. De største og yngste er ganske varme, og gir en jevn glød av varmt lys. På avstand ville stjernene se ut som de ikke kunne skilles fra sine stjernefettere røde dverger . De minste og eldste, derimot, er knapt synlige, og avgir stråling fast i den infrarøde delen av spekteret. Du ville ikke engang kunne plukke dem ut uten hjelp av nattsynsbriller.

For det meste sitter imidlertid brune dverger et sted i midten og lyser mildt, med svake magenta -fargetoner. Dette gjør dem ganske unike i den galaktiske rollebesetningen.



Men helt ulikt stjernene lyser ikke brune dverger fra varmen fra atombranner som raser i deres hjerter. I stedet er lyset og varmen ganske enkelt rester fra den første formasjonen. Gjenstandene ble født fra kollapsende skyer av gass og støv (akkurat som stjernene, bare mindre av det), og det gravitasjonelle kollapset frigjorde en enorm mengde energi. Men energien ble fanget i det fallende materialet, låst inne i titalls millioner år, selv om varmen langsomt stråler ut i verdensrommet i form av lunkent lys.

Når denne varmen slipper ut, fortsetter den brune dvergen å gli fra ildrød til flekkete magenta til usynlig infrarød. Jo større masse ved objektets fødsel, jo mer varme kan den fange og jo lenger kan den etterligne en skikkelig stjerne. Men den endelige skjebnen er den samme for hver brun dverg, uansett stamtavle.

Klissete sentre

Så det kan være fristende å klassifisere brune dverger som bare et merkelig utvalg av veldig store planeter. Tross alt, avkjøles også planeter etter hvert som de blir eldre og har ingen nye energikilder for å holde brannene tent i milliarder eller billioner år.



Men de fleste brune dverger får spille et spesielt spill. Det tar en viss terskel i masse (rundt 80 ganger Jupiters) for å nå de vanvittige temperaturene og trykket i kjernen til et objekt som er nødvendig for å smelte hydrogen til helium, noe som er nødvendig for å gjøre deg selv til en stjerne. Men det er en mye lavere terskel, rundt bare 13 ganger massen av Jupiter, hvor en annen form for fusjon kan finne sted.

I dette mye kjøligere oppsettet kan deuterium (som bare er et enkelt proton og et enkelt nøytron limt sammen i en kjerne) bli slått av en streif proton, konvertere deuterium til helium-3 og frigjøre en liten bit energi. Riktige stjerner går gjennom en kort deuteriumforbrenningsfase når de blir varmet opp, men brune dverger kan holde prosessen i gang lenger, siden de aldri går over til fullstendig hydrogenfusjon.

Det varer imidlertid ikke for alltid. De største brune dvergene bruker opp alt deuterium på noen få millioner år. Grunnen til dette er at interiøret i disse skapningene ikke er pent skilt i forskjellige lag.

I stjerner som vår sol har du en tett ferskengrope kjerne av hydrogen og helium, omgitt av et lag med plasma dominert av strålingsenergier, med det laget omgitt av en kokende, kokende suppe. Men i de minste stjernene og brune dvergene er det ingen kjerne i seg selv, bare et enkelt konveksjonstopp-til-hale-skall som er i stand til å transportere materiale inn og ut fra de innerste delene til kanten av rommet og tilbake igjen.

Så ethvert deuterium hvor som helst i en stor brun dverg vil til slutt finne seg selv dratt til sin undergang i midten av den brune dvergen og sulten omgjort til helium-3. (I et objekt med lag kan noe deuterium lure seg andre steder uten å bli fortært.)

Når det gjelder de mindre brune dvergene? De kjøler seg raskt ned og senker sine indre temperaturer under terskelen som trengs for å opprettholde reaksjonene. Så, uansett, lyser det raskt deuterium for disse objektene.

Størrelse

Brune dverger blir født som stjerner, utstråler varme en stund og til og med smelter sammen elementer i sentrene. Så er det noen grunn til ikke å sette dem fast på stjernesiden av spekteret og kalle det en dag?

Vel, de er små. Som, veldig liten. Pinlig lite. Du skulle tro at noe 50 ganger massen av Jupiter kan være, jeg vet ikke, vesentlig større enn Jupiter, men i stedet bukker brune dverger trendene og nekter å være mye større enn en typisk gassgigantplanet.

Stjerner klarer å hindre seg i å krympe for langt via de frastøtende fusjonspartiene som skjer i kjernene deres. De frigjorte energiene konkurrerer stadig mot tyngdekraftens innadvendte knuse, og prøver å utvide stjernens ytterste lag på nytt.

Men som vi vet, har brune dverger ikke den fordelen (i det minste ikke på lang sikt). Og i motsetning til planeter, har de ikke steinete kjerner eller isete mantler for å støtte seg. I stedet er alt som gjenstår den eksotiske kvantekraften kjent som degenerasjonstrykk, som gjør det slik at du bare kan presse så mange partikler til et så lite volum. I dette tilfellet støttes brune dverger helt av degenerasjonstrykk, så de er minst mulig størrelse for massen.

Grensen mellom store planeter og små stjerner er ikke bare uklar; det er en helt ny klasse av objekter - ting som samtidig fungerer som både planeter og stjerner og fungerer som ingen av dem. Med andre ord er brune dverger tweens i det himmelske riket.

Lær mer ved å lytte til episoden 'Hva skjer når galakser kolliderer?' på podcasten 'Ask a Spaceman', tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com . Takk til Ted W., Gisele S. og Ardent D. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og på facebook.com/PaulMattSutter . Følg oss på Twitter @Spacedotcom og på Facebook . Original artikkel om guesswhozoo.com .