Hiszpańsko-meksykańska grupa astronomów odkryła pierwiastek lit w najstarszym i najchłodniejszym znanym brązowym karle. Jest to obiekt zwany Reid 1B, który zachował najwcześniejsze znane zasoby litu w naszym kosmicznym sąsiedztwie - z czasów przed powstaniem układu podwójnego, do którego należy.
Brązowe karły nazywane są „karłami w kolorze kawy” lub „nieudanymi gwiazdami”. Stanowią naturalne ogniwo łączące gwiazdy z planetami. Są bardziej masywne niż Jowisz, ale za mało masywne by w ich obszarach centralnych zapalił się wodór, który jest naturalnym źródłem energii świecących gwiazd. Z tej przyczyny te obiekty nie były obserwowane aż do połowy lat 90-tych XX wieku. Są one szczególnie interesujące, ponieważ przypuszcza się, że niektóre z nich mogły zachować nienaruszone zasoby litu, zwanego niekiedy „białym paliwem” ze względu na rzadkość występowania i znaczenie.
Teoria ewolucji brązowych karłów przewiduje, że jest wyraźna granica masy pomiędzy brązowymi karłami z litem i bez litu. Znajduje się ona blisko innej wartości granicznej - masy, która rozdziela gwiazdy od tych „pod-gwiazdowych” obiektów. Według najnowszych modeli teoretycznych z 2015 roku ta druga masa graniczna (gwiazda / brązowy karzeł) wynosi ~78,5 masy Jowisza.
Ponieważ lit jest niszczony (”spalany”) przez zderzenia z protonami w temperaturze około 2 miliony K (temperatura niewiele niższa niż wymagana do syntezy wodoru!), więc istnieje minimalna masa powyżej której następuje „spalanie” litu w wyniku ww. reakcji termonuklearnych. Przyjmuje się, że ta minimalna teoretyczna masa graniczna (brązowy karzeł z litem / bez litu) jest ~63 masy Jowisza.
Obiekty o temperaturze efektywnej mniejszej niż ~2700 K (typ widmowy M7 i późniejszy) z liniami widmowymi litu Li I λ6708Å w zakresie optycznym uważa się za wiarygodne i „certyfikowane” brązowe karły o masach poniżej 63 mas Jowisza.
W ciągu ostatnich 20 lat astronomowie odkryli w sąsiedztwie Słońca i śledzili ruch orbitalny wielu układów podwójnych z brązowymi karłami. Wyznaczyli oni dynamiczne masy brązowych karłów korzystając z praw Keplera - matematycznych równań uzyskanych w XVII wieku przez Johannesa Keplera, które opisują ruchy ciał niebieskich takich, jak na przykład układ Ziemia – Słońce pod wpływem wzajemnej grawitacji. Okazało się, że w niektórych z tych układów podwójnych składnik główny posiada wystarczającą masę by spalać lit, podczas gdy składnik wtórny może nie mieć wystarczającej masy.
Do tej pory modele teoretyczne brązowych karłów nie były testowane. Ale stało się to możliwe dzięki zarejestrowaniu w okresie luty-sierpień 2021 r. wysokiej jakości widm dwóch układów podwójnych z brązowymi karłami za pomocą spektrografu OSIRIS współpracującego z obecnie największym na świecie teleskopem GTC (skrót od Gran Telescopio Canarias), który obserwuje w zakresie optycznym i podczerwieni. Ten teleskop o średnicy lustra głównego 10,4 metra znajduje się na kanaryjskiej wyspie La Palma w Roque de los Muchachos Observatory. Obserwacje wykonała grupa astronomów z IAC (skrót od: the Instituto de Astrofísica de Canarias) oraz INAOE (skrót od: the Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica).
Astronomowie nie znaleźli litu w widmach trzech brązowych karłów, ale odkryli go w brązowym karle o nazwie Reid 1B, który jest najsłabszym i najchłodniejszym obiektem z badanej czwórki - temperatura powierzchniowa zaledwie ~1210 K. W brązowym karle Reid 1B odkryto zasoby litu, które nie zostały zniszczone w wyniku reakcji jądrowych. Pochodzenie tego pierwiastka odpowiada epoce powstania układu podwójnego, do którego należy Reid 1B. Faktycznie jest to najchłodniejszy i najsłabszy obiekt odkryty poza Układem Słonecznym, który zawiera ~13000 razy więcej litu niż jest go na Ziemi. Reid 1B powstał około 1,1 miliarda lat temu i aktualnie znajduje się w odległości około 16,9 lat świetlnych od nas. Jego masa dynamiczna jest ~41 razy większa niż masa największej planety w naszym Układzie Słonecznym, czyli Jowisza.
Skrzynia z ukrytym skarbem
Obserwacje spektroskopowe linii litu w brązowych karłach pozwalają oszacować ich masy z dokładnością bazującą na reakcjach termojądrowych. Masy termonuklearne określone w ten sposób muszą być spójne z wyznaczonymi masami dynamicznymi (te drugie wyznaczenia masy są mniej dokładne). Jednakże badacze odkryli, że lit jest zachowany dla mas dynamicznych 10% mniejszych niż przewidują to najnowsze modele teoretyczne. Ta rozbieżność wydaje się istotna i sugeruje, że jest coś ważnego czego nadal jeszcze nie rozumiemy w teorii brązowych karłów.
Badamy ślady litu w brązowych karłach od trzech dekad – powiedział główny autor publikacji Eduardo Lorenzo Martín Guerrero de Escalante (CSIS) – i w końcu potrafimy dokładnie określić masę graniczną pomiędzy jego zachowaniem i zniszczeniem, i porównać to z teoretycznymi przewidywaniami. Astronom dodał, że – są tysiące milionów brązowych karłów w Drodze Mlecznej. Lit zawarty w brązowych karłach jest największym znanym zasobem tego wartościowego pierwiastka w naszym kosmicznym sąsiedztwie.
Carlos del Burgo Díaz (INAOE współautor publikacji) powiedział – pomimo że pierwotny lit powstał 13,8 miliarda lat temu razem z wodorem i helem w wyniku reakcji jądrowych w pierwotnej kuli ognia podczas Wielkiego Wybuchu, to aktualnie we Wszechświecie jest go cztery razy więcej. Mimo, że ten pierwiastek może być zniszczony, ale może również powstać podczas gwałtownych zjawisk takich jak nowe i supernowe po to, aby brązowe karły podobne do Reid 1B pochłonęły go i chroniły tak, jakby to była skrzynia z ukrytym skarbem.
Masy dynamiczne układów podwójnych są wyznaczane na podstawie ruchów orbitalnych składników, korzystając z praw Keplera. Te masy są bardzo dokładnie wyznaczone i powinny dobrze zgadzać się z masami termonuklearnymi oszacowanymi na podstawie reakcji jądrowych zachodzących we wnętrzu brązowych karłów. Jednak, gdy porównamy masy dynamiczne z masami termonuklearnymi, to równowaga jest zachwiana jak na powyższym rysunku – co oznacza, że nie do końca rozumiemy jeszcze właściwości tych „pod-gwiazdowych” obiektów. Źródło: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC)
Więcej informacji:
Publikacja naukowa: New constraints on the minimum mass for thermonuclear lithium burning in brown dwarfs
Darmowa wersja – arXiv: New constraints on the minimum mass for thermonuclear lithium burning in brown dwarfs
Astronomers discover ancient brown dwarf with lithium deposits intact
Filmowa ilustracja : Comparison between dynamic and thermonuclear masses in binary brown dwarf systems
Źródło: IAC
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji jest porównanie ilości litu zawartego w różnych ciałach niebieskich. Zespół astronomów z Hiszpanii i Meksyku odkrył, że granica pomiędzy brązowymi karłami z litem i bez znajduje się około 51,5 masy Jowisza. Brązowy karzeł Reid 1B zawiera dużo litu, który nigdy nie zostanie zniszczony ze względu na zbyt niską temperaturę w centrum. Podobnie jest z planetami takimi jak Jowisz i Ziemia, które są mniej masywne od brązowych karłów. Natomiast Słońce spaliło cały lit w jądrze, ale zachowało pewną jego ilość w górnych warstwach, w których następuje powolne mieszanie się materii z jego wnętrzem. Źródło: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC
