Hnědý trpaslík, je to hvězda a nebo ještě planeta? Jaká je hmotnost a svítivost hnědých trpaslíků

Záhadný hnědý trpaslík, nejmenší a nejchladnější typ hvězdy

Existenci hnědých trpaslíků astronomové předpokládali dávno. Poprvé s pojmem hnědý trpaslík přišla americká astronomka Jill Cornell Tarter v roce 1975. Avšak první hnědý trpaslík byl objeven až o 20 let později v roce 1995. Byl jím objekt Gliese 229 B s hmotností 20 až 50 M_J a ve vzdálenosti 19 světelných let. Prvním známým kandidátem na hnědého trpaslíka byl však již v roce 1988 průvodce hvězdy GD 165, u nějž se ale dodnes nepodařilo potvrdit, zdali se jedná o hnědého trpaslíka a nebo obří exoplanetu.

Co to vlastně hnědý trpaslík je? Jaké má vlastnosti, jak vzniká a vyvíjí se? Hnědý trpaslík je objekt s nízkou hmotností, která nepřekročí 0,085 M_S.

Hranice mezi hnědými trpaslíky a exoplanetami je obvykle definována hmotností objektu - 13 M_J. Avšak někteří autoři upozorňují, že tato hranice není tak úplně ostrá a poněkud se rozvolňuje. Může se pohybovat v rozmezí od 11,0 do 16,3 M_J v závislosti na poměrném zastoupení hélia, počátečním obsahu deuteria i na metalicitě objektu. Takže by asi byla na místě jednoznačnější definice…

Hnědí trpaslíci tak představují přechodový typ objektu mezi obřími plynnými planetami (exoplanetami) podobnými planetě Jupiter a červenými trpaslíky. Jejich hmotnost je příliš nízká na to, aby v nitru těchto těles teplota a tlak vystoupily natolik, že by se v něm zažehly trvalé termonukleární reakce.

Čtěte také: První mapa počasí hnědého trpaslíka, dalekohled ESO/VLT zkoumal…

To je také jeden z důvodů, proč byli hnědí trpaslíci objeveni teprve před ani ne 20 lety. Září totiž velice slabě a to ještě jen v oboru infračerveného záření. Pouze ti nejsvítivější jedinci produkují energii i ve viditelné části spektra (velice slabě). Není divu, když povrchová teplota známých hnědých trpaslíků se pohybuje v rozmezí někde kolem 450 až 2 600 K. Nejchladnější známí hnědí trpaslíci tak mají povrchovou teplotu jen někde okolo 170 °C!

Jaká je teplota a svítivost hnědých trpaslíků?

"Nejžhavější" ze známých hnědých trpaslíků má tedy povrchovou teplotu pouhých cca +2 000 °C! A navíc. Hnědý trpaslík vůbec není hnědý, ale červený. Ano má červenou barvu. Avšak kategorie červených trpaslíků byla vyhrazena pro jiný typ hvězd s přece jen vyšší svítivostí a (většinou) povrchovou teplotou. A se stálými termonukleárními reakcemi v jádře. Zářivý výkon hnědých trpaslíků činí jen asi 10^-4 L_S, tedy pouhou setinu procenta svítivosti našeho Slunce.

Teplota v jádru hnědého trpaslíka nikdy nepřekročí 8×10⁶ K, což stačí k zažehnutí jaderné fůze pp cyklu (proton-protonový cyklus, fůze lehkého vodíku) a postačilo by setrvání objektu na hlavní posloupnosti HR diagramu po dobu miliard let. Gravitačnímu smršťování, které je u takto malých objektů poměrně slabé, totiž brání elektronová degenerace látky hnědého trpaslíka (tlak v takovémto plynu nezávisí na teplotě).

Hnědý trpaslík - hvězda a nebo planeta?

Je tedy hnědý trpaslík spíše hvězda a nebo spíše planeta. Přestože jejich hmotnosti se pohybují obvykle v rozmezí 13 ± 80 M_J (hmotností planety Jupiter) mají hnědí trpaslíci blíže ke hvězdám. Vznikají totiž v zárodečné mlhovině jako sourozenci větších (hvězdných) objektů, nikdy se nevyvíjejí z akrečního disku okolo některé z hvězd, jako je tomu v případě planet (ať již terestrických a nebo joviálních). Hnědý trpaslík se dá zařadit někde na resp. těsně pod dolní hranici červených trpaslíků, tedy málo hmotných hvězd spektrální třídy M a nebo L.

Jak jsem již uvedl výše, hnědí trpaslíci svítí především v IR oblasti. Musí tedy mít nějaký zdroj vnitřní energie. Vedle gravitační kontrakce, jejíž energetický výnos je prakticky zanedbatelný to jsou především deuteriové reakce

²D + ¹H = ³He + γ

které se v jádru hnědého trpaslíka mohou zažehnout při teplotách nad 10⁶ K. Podobně jako lithiové reakce

⁷Li + ¹H = 2 ⁴He

Tyto reakce mohou v nitru hnědého trpaslíka probíhat v časovém rozpětí desítek až stovek miliónů let.

Po zastavení těchto energeticky nepříliš vydatných termonukleárních reakcí hnědý trpaslík postupně chladne a jeho zářivý (již tak slabý) výkon nadále klesá. Jasnost klesá podle výpočtů o nějakých 10^m za 3×10⁹ let. Stejně jako jeho povrchová teplota. Postupně se tak hnědý trpaslík stává černým trpaslíkem. Velice chladným nezářícím tělesem složeným z elektronově degenerovaného plynu.

Dalším potvrzením toho, že hnědí trpaslíci jsou spíše hvězdy než planety je objev exoplanety 2M1207 b u hnědého trpaslíka v souhvězdí Kentaura ve vzdálenosti asi 170 světelných let od Země. Tento hnědý trpaslík má vlastní planetární soustavu s potvrzenou exoplanetou o hmotnosti 3 - 10 Jupiterů obíhající centrální hvězdu (hnědého trpaslíka) ve vzdálenosti asi 40 AU.

Kolik je hnědých trpaslíků?

Dodnes byly objeveny pouze stovky hnědých trpaslíků, zhruba 750 spektrálních tříd L a T. Neustále aktualizovaný katalog potvrzených hnědých trpaslíků naleznete na stránce www.ipac.caltech.edu.

Dá se však předpokládat, že hnědý trpaslík patří k nejpočetnějším hvězdným populacím ve vesmíru. Vždyť nejbližší dosud známý hnědý trpaslík, gravitačně vázaný pár Luhman 16AB nacházející se ve vzdálenosti pouhých 6 světelných let od nás byl objeven teprve v minulém roce (r. 2013). Dalším blízkým hnědým trpaslíkem je UGPS 0722-05 v souhvězdí Jednorožce ve vzdálenosti asi 9,6 l.y. a s povrchovou teplotou pouhých 230 °C.

O objev tohoto blízkého páru hnědých trpaslíků se zasloužil americký astronom Kevin Luhman, jenž analyzoval snímky z infračervené přehlídky oblohy z družice WISE, která krouží kolem Země ve výšce 525 km a je vybavena 40centimetrovým IR dalekohledem. Po hvězdách alfa Centauri (trojhvězda, 4,29 - 4,39 l.y.) a Barnardova hvězda (5,9 l.y.) je dvojhvězda Luhman 16AB třetí nejbližší známou hvězdou (vynecháme-li naše Slunce)! A podobných těles se v nejbližším slunečním okolí může nacházet podstatně více.

Atmosféry hnědých trpaslíků aneb aby nebylo paradoxů málo

Pomocí citlivých a důmyslných přístrojů se dnes daří mapovat horní vrstvy atmosféry hnědých trpaslíků. K tomu naleznete na našem webu samostatný článek. Paradoxní je, že atmosféry hnědých trpaslíků připomínají mnohem více atmosféry horkých obřích exoplanet než atmosféry hvězd. Chladnější třídy hnědých trpaslíků ve svých atmosférách mohou dokonce obsahovat metan, který je typický právě pro obří planety Jupiterova typu. Vedle toho se v jejich atmosférách pozorojí sloučeniny CO, CH₄, KCl, LiF, Li₂S, Na₂S aj.

Astronomům další nečekané překvapení připravila družice Chandra, která v roce 1999 pozorovala rentgenový výtrysk z hnědého trpaslíka LP 944-20, jehož hmotnost je odhadována na nějakých 60 M_J. Uvolněná energie během tohoto výtrysku byla srovnatelná s energií malé sluneční erupce a byla přitom asi 10⁶ × silnější než pozorovaná rentgenová emise planety Jupiter.

Další rentgenové záření hnědého trpaslíka potvrdila družice Newton u objektu Roque 14 v Plejádách v souhvězdí Býka. Sonda zaznamenala konstatntní rentgenové záření o výkonu asi 3×10²³ W, což je asi promile celkové bolometrické svítivosti tohoto hnědého trpaslíka. Zdrojem je pravděpodobně magnetická aktivita na povrchu objektu, podobně jako u hěvzd třídy M.

Tento hnědý trpaslík se nachází v souhvězdí Pece ve vzdálenosti asi 16 světelných let od Země. Jeho stáří je odhadována na 500 miliónů let, rotační perioda je kratší 5 hodin a jeho průměr činí sotva 10 % průměru našeho Slunce.

Spektrální klasifikace hnědých trpaslíků

• Spektrální třída M - hnědým trpaslíkům této spektrální třídy se někdy také říká pozdní M trpaslíci. Tato třída hnědých trpaslíků nejvíce laškuje s nejlehčími hvězdami, kterými jsou červení trpaslíci. Pro jasné odlišení hnědého trpaslíka od hvězdy se nejčastěji používá tzv. lithiový test. Zatímco ve spektrech hnědých trpaslíků se nachází lithium, u běžných hvězd nikoliv. Tento test však není 100% spolehlivý, neboť lithium lze pozorovat rovněž ve spektrech velice mladých hvězd.
• Spektrální třída L - povrchová teplota hnědého trpaslíka této spektrální třídy se obvykle pohybuje v rozmezí od 1 250 °C do 2 000 °C.
• Spektrální třída T - v atmosférách hnědých trpaslíků této spektrální třídy se často nachází metan, který je typický spíše pro obří exoplanety. Povrchová teplota je nižší než 1 200 °C.
• Spektrální třída Y - do této spektrální třídy nejspíše spadají někteří známí hnědí trpaslíci s neurčenou povrchovou teplotou. Jedná se o velice chladné hnědé trpaslíky s povrchovou teplotou někde okolo 300 °C a méně.

Použité zdroje

• Ancyklopédia astronómie, Obzor 1987; Bratislava, kol. autorov
• Vesmírní bubáci v okolí našeho Slunce? Aneb o hnědých trpaslících a Jodie Foster
• Ultracool field Brown Dwarf candidates selected at 4,5 µm

Další související články: