Pięć obiektów astronomicznych odkrytych przez teleskop kosmiczny Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) może pomóc nam zrozumieć, gdzie przebiega granica między gwiazdami i brązowymi karłami.
Podobnie jak Jowisz i inne gazowe olbrzymy, gwiazdy składają się głównie z wodoru i helu. Jednak w przeciwieństwie do planet gazowych, gwiazdy są wystarczająco masywne, aby w ich wnętrzach zachodziła fuzja jądrowa, w wyniku której atomy wodoru łączą się w hel, uwalniając ogromne ilości energii i światła.
Brązowe karły nie są wystarczająco masywne, aby zachodziła w nich fuzja wodoru do helu i dlatego nie mogą wytworzyć tyle światła i ciepła co gwiazdy. Nie oznacza to jednak, że nie produkują energii. W fuzji zachodzącej w brązowych karłach bierze udział cięższa atomowa wersja wodoru: deuter. Proces z jego udziałem jest mniej wydajny, a światło brązowych karłów jest znacznie słabsze niż blask gwiazd. Dlatego naukowcy często nazywają brązowe karły „nieudanymi gwiazdami”.
Trudność w badaniu brązowych karłów polega na tym, że ich masy przyjmują wartości pomiędzy planetarnymi i gwiazdowymi. Pytanie, gdzie dokładnie kończą się brązowe karły, a zaczynają gwiazdy pozostaje kwestią dyskusyjną, zwłaszcza że budowa brązowych karłów jest bardzo podobna do budowy gwiazd o małej masie. Co gorsza, granica między brązowymi karłami i gwiazdami zmienia się w zależności od składu chemicznego brązowego karła, sposobu, w jaki się uformował, a także od wartości jego początkowego promienia. Skąd więc wiemy, czy mamy do czynienia z brązowym karłem, czy gwiazdą o bardzo małej masie?
Aby lepiej zrozumieć, czym są te tajemnicze obiekty, konieczne jest szczegółowe badanie wszystkich znanych przypadków. Okazuje się jednak, że jest ich bardzo niewiele. Dobrze zbadanych brązowych karłów jest zaledwie około 30. To bardzo niewiele w porównaniu z setkami dobrze przestudiowanych planet pozasłonecznych.
Najnowsze prace prowadzone przez międzynarodowy zespół, kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) i Szwajcarskiego Narodowego Centrum Kompetencji Badawczych (NCCR) PlanetS, we współpracy z Uniwersytetem w Bernie, dotyczą pięciu obiektów zaobserwowanych teleskopem TESS, które mają masy w pobliżu granicy oddzielającej gwiazdy od brązowych karłów.
Poniższy wykres pokazuje zależność między promieniem a masą dla 54 brązowych karłów i małomasywnych gwiazd. Pięć obiektów odkrytych przez TESS zaznaczonych jest na czerwono. Szare pionowe linie przerywane, przypadające na wartościach 13 i 80 mas Jowisza, pokazują przybliżone granice obszaru, w którym powinny znajdować się brązowe karły. Kolorowymi liniami zaznaczone są izochrony, czyli linie jednakowego wieku wyrażonego w miliardach lat (giga-year, Gyr) dla obiektów o różnej masie. Histogram nad górną osią pokazuje częstość występowania obiektów w badanej próbie.
Zależność między promieniem a masą dla 54 brązowych karłów i małomasywnych gwiazd. Źródło: Grieves i in. (2021).
Obiekty nazwane TESS - TOI-148, TOI-587, TOI-681, TOI-746 i TOI-1213, krążą wokół swoich gwiazd macierzystych. Robią to z okresami od 5 do 27 dni, mają promienie od 0,81 do 1,66 razy większe od promienia Jowisza i są od 77 do 98 razy bardziej od niego masywne. To stawia je na pograniczu brązowych karłów i gwiazd. Mogą one dać wskazówki dotyczące natury brązowych karłów, które pozwolą lepiej zrozumieć, w jaki sposób brązowe karły powstają i dlaczego są tak rzadkie.
Na ilustracji poniżej można zobaczyć sfazowane krzywe blasku pokazujące tranzyt TOI-148 obserwowany przez TESS (punkty czarne i szare) oraz teleskopy naziemne w Południowoafrykańskim Obserwatorium Astronomicznym (SAAO) (niebieskie punkty), Siding Spring Observatory (SSO) w Australii (zielone punkty) i chilijskim obserwatorium El Sauce (fioletowe punkty). Krzywa prędkości radialnej TOI-148 uzyskana za pomocą obserwacji spektroskopem CORALIE pokazana jest na dolnym wykresie.
Tranzyt i krzywa prędkości radialnej TOI-148. Źródło: Grieves i in. (2021).
Jednym z argumentów za tym, że badając te pięć obiektów nie mamy do czynienia z małomasywnymi gwiazdami, jest związek między rozmiarem, a wiekiem brązowych karłów. Zgodnie z naszą wiedzą, w miarę upływu czasu i spalania zapasów deutery, brązowe karły ochładzają się i kurczą. Badania obiektów zaobserwowanych przez TESS pokazało, że dwa najstarsze, TOI 148 i 746 6.5 o wieku, odpowiednio, 7.7 i 6.5 miliarda lat, mają mniejsze promienie niż TOI-587 i TOI-681, który wiek wynosi, odpowiednio, 0.2 i 0.17 miliarda lat, co potwierdza wspomnianą teorię.
To jednak wciąż tylko poszlaki. Uznawana za graniczną wartość masy koniecznej do zachodzenia fuzji wodorowej wynosi około 73 - 97 mas Jowisza i jest dość niepewna. Obiekty badane przez zespół UNIGE znajdują się tak blisko tej granicy, że nie można wykluczyć, że w istocie są gwiazdami o bardzo małej masie. Definitywne określenie ich statusu będzie wymagało dodatkowych obserwacji i analiz. Oznacza to również, że tajemnice natury brązowych karłów wciąż czekają na swojego odkrywcę.
Więcej informacji: publikacja „Populating the brown dwarf and stellar boundary: Five stars with transiting companions near the hydrogen-burning mass limit”, Grieves i in. Astronomy & Astrophysics, vol. 652, str. A127, 20 sierpnia 2021
Na ilustracji: Wizja artystyczna pokazująca pięć brązowych karłów odkrytych za pomocą teleskopu kosmicznego TESS. Źródło: Thibaut Roger - UNIGE
Autor: Joanna Molenda-Żakowicz
