Grupa europejskich astronomów obserwowała osiem brązowych karłów (obiektów o masie zbyt małej do rozpoczęcia reakcji termojądrowych i przemiany w gwiazdę). Użyli oni rejestrującego promieniowanie podczerwone urządzenia TIMMI2 zainstalowanego na 3,6-metrowym teleskopie ESO w Chile.

Promieniowanie podczerwone zaobserwowano w przypadku dwóch obiektów. To pierwsza obserwacja tego światła od tego typu obiektów, jaką udało się uczynić za pomocą teleskopu naziemnego. Młodszy brązowy karzeł ma kilka milionów lat i jest otoczony przez dysk pyłowym. Jego starszy kolega nie ma wokół siebie takiego dysku.

Obserwacje te są dowodem poprawności następującej hipotezy dotyczącej powstawania brązowych karłów: Rodzą się one tak jak “zwykłe” gwiazdy – przez zapadanie się międzygwiezdnego obłoku pyłu i gazu. W końcowych etapach tego procesu wokół gwiazdy wytwarza się dysk pyłowo-gazowy, z którego mogą formować się planety.

Brązowe karły to “nieudane gwiazdy”. Ich masy są mniejsze niż około 7 procent masy Słońca (75 mas Jowisza). To zbyt mało aby wytworzyć w jądrach temperatury i ciśnienia potrzebne do uruchomienia produkcji energii w procesach termojądrowej przemiany wodoru w hel. Część astronomów uważa brązowe karły za “brakujące ogniwo” pomiędzy planetami i gwiazdami, obiekty które są podobne i do gwiazd i do planet.

Nie spalają one wodoru tak jak zwykłe “gwiazdy”, lecz kontynuują emisję słabego światła na skutek powolnego zapadania się. Ich jednoczesne ochładzanie trwa wiele milionów lat. Kończą w końcu swoje życie i odchodzą w przeszłość.

Istnienie brązowych karłów zostało przewidziane w 1963 roku. Jednak na pierwsze odkrycie musieliśmy czekać aż do roku 1995. Przyczyną tego była wyjątkowo mała jasność tych obiektów w porównaniu z typowymi gwiazdami. Nawet najjaśniejsze brązowe karły mogą być obserwowane jedynie przez największe teleskopy świata. W związku z tym, że brązowe karły są chłodne, emitują większość energii w zakresie podczerwonym i w tym zakresie najlepiej je obserwować.

Jednak rozwijająca się technika pozwoliła na wykrycie dotychczas kilkuset brązowych karłów. Wiele z nich znajduje się w dobrze znanej Mgławicy Oriona. Inne wędrują samotnie przez przestrzeń kosmiczną, jak samotny KELU-1 odkryty w 1997 roku w ESO (European Southern Observatory, Europejskie Obserwatorium Południowe). Znajduje się on 33 lata świetlne od nas i jest jednym z najbliższych znanych obiektów tego typu.

Astronomowie wciąż nie wiedzą dokładnie jak powstają brązowe karły. Wśród wielu pomysłów znajduje się hipoteza zapadania się obłoku gazowo-pyłowego oraz teoria oparta na “wyrzucaniu gwiezdnych embrionów”. Ta ostatnia hipoteza mówi, że młode gwiazdy, wciąż ściągające na siebie materie są “wyrzucane z gniazda” przez masywniejszych braci powstających w tych samych obłokach. Odarte z dysku gwiazdy przerywają proces ściągania materii oraz dalszego wzrostu i kończą jako brązowe karły.

Ostatnie obserwacje poczynione w ESO wskazują na to, że brązowe karły w Mgławicy Oriona prawdopodobnie powstały jak gwiazdy, to znaczy poprzez zapadanie się obłoku pyłu i gazu. Kluczową obserwacją było zarejestrowanie promieniowania podczerwonego od takich obiektów. Interpretowane jest to jako sygnał od otaczających niedoszłe gwiazdy dysków. Astronomowie zgadzają się, że jeśli wokół brązowych karłów istnieją dyski, obiekty te muszą powstawać w podobny jak zwykłe gwiazdy sposób.

Obserwacje zostały poczynione w bliskiej podczerwieni (na fali o długości 1,2-2,2 mikrona) za pomocą 3,5-metrowego teleskopu New Technology Telescope (NTT). Jednak dyski pyłowe wokół młodych gwiazd (a prawdopodobnie i wokół brązowych karłów) wyświecają większość energii w promieniowaniu o większej długości fali. Dokładne ich badanie najlepiej więc czynić za pomocą instrumentów czułych na taki właśnie zakres fal (aż do fal o długości 10-1000 mikronów). To tak naprawdę jedyny zakres, w którym emisja pochodząca od stałych cząstek może być obserwowana bezpośrednio i w którym można analizować ich skład.

Pionierskie obserwacje brązowych karłów w tym zakresie fali przeprowadzono w połowie 1995 roku za pomocą satelitarnego Obserwatorium Podczerwonego ESA (Infrared Space Observatory, ISO). Jednak instrumenty te dawały kiepską jakość zdjęć i promieniowanie brązowych karłów było zakłócanie przez światło podczerwone innych obiektów. Poza tym misja ISO skończyła się zanim odkryto znaczącą ilość brązowych karłów.

Astronomowie musieli długo czekać na zaobserwowanie niedoszłych gwiazd w podczerwieni za pomocą urządzeń naziemnych. Obiekty są tak słabe, że obserwować je mogły jedynie najwieksze teleskopy. A i one potrzebowały długich czasów ekspozycji.

W końcu jednak udało się to astronomom europejskim. Zaobserwowano brązowe karły w zakresie podczerwonym za pomocą instrumentu naziemnego. Użyli oni instrumentu nazywanego Thermal Infrared Multimode Instrument (TIMMI2) zainstalowanego na 3,6-metrowym teleskopie w obserwatorium La Silla w Chile.

Teleskopy zwrócono w kierunku ośmiu brązowych karłów i rejestrowano emisję w trzech zakresach fal (5, 9.8 i 11.9 mikronów). “Byliśmy zachwyceni wykryciem promieniowania tych dwóch obiektów” – powiedział kierownik zespołu Daniel Apai. “To pierwsze naziemne obserwacje tego typu. I chociaż dla pięciu innych obiektów byliśmy w stanie ustalić jedynie górne ograniczenie na ilość emitowanego promieniowania, to jednak nasze obserwacje są bardzo ważne dla zrozumienia powstawania i ewolucji brązowych karłów“.

Jeden z odkrytych obiektów jest znany jako Cha HA 2 i znajduje się w Kameleonie, konstelacji nieba południowego. Wcześniej był obserwowany przez ISO. Obrazy z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a pozwalają wysnuć przypuszczenie, że jest on obiektem podwójnym. To stosunkowo młody obiekt. Ma około 2-4,5 milionów lat i jest on członkiem regionu formowania się gwiazd oznaczonego Cha I.

Obserwacje ISO wskazywały, że wokół tego obiektu rozciąga się pyłowy dysk. Zostało to potwierdzone przez TIMMI2. Co więcej, obserwacje w średniej podczerwieni wskazują na brak silnej emisji pochodzącej od krzemianów. Astronomowie twierdzą, że to znak tego, że dysk wokół Cha HA 2 jest stosunkowo gęsty, płaski i nie posiada rozgrzanych warstw zewnętrznych.

Znajdujący się w centrum fotografii pobliski brązowy karzeł, LP 944-20. Zdjęcie wykonano w promieniowaniu niebieskim (reprodukcja z Cyfrowego Przeglądu Nieba [STScI Digitized Sky Survey]).

Znajdujący się w centrum fotografii pobliski brązowy karzeł, LP 944-20. Zdjęcie wykonano w promieniowaniu czerwonym (reprodukcja z Cyfrowego Przeglądu Nieba [STScI Digitized Sky Survey]).

Znajdujący się w centrum fotografii pobliski brązowy karzeł, LP 944-20. Zdjęcie wykonano w promieniowaniu podczerwonym (reprodukcja z Cyfrowego Przeglądu Nieba [STScI Digitized Sky Survey]).

Drugi z brązowych karłów, w przypadku których TIMMI2 wykrył promieniowanie podczerwone jest jednocześnie jednym z najbliżej położonych. Oznaczony przez LP 944-20, znajduje się w południowym gwiazdozbiorze Pieca, w odległości około 15 lat świetlnych od Ziemi. Jest dużo starszy niż Cha HA 2, ma około 500-650 milionów lat. Wiek został oszacowany przez pomiar jasności linii spektralnej litu. Im starszy obiekt, tym mniej tego pierwiastka się w nim znajduje.

Obserwacje wskazują na to, że promieniowanie z LP 944-20 pochodzi z samej chłodnej gwiazdy, która nie posiada wokół siebie dysku podobnego do tego, który otacza dużo młodszego Cha HA 2.

Daniel Apai wyjaśnia: “Współczesny obraz ewolucji brązowych karłów staje się klarowny. Rodzą się one przez zapadanie międzygwiazdowego obłoku pyłu i gazu. Jednak dysk w końcu znika i dlatego dyski znajdujemy jedynie wokół stosunkowo młodych obiektów tego typu“.

Nikt nie wie czy w takich dyskach mogą tworzyć się planety. Jednak nie jest to wykluczone. Przyszłe obserwacje, czynione doskonalszymi instrumentami pozwolą odpowiedzieć na to pytanie.

W przyszłości, należący do ESO Bardzo Wielki Teleskop (Very Large Telescope, VLT) zostanie zaopatrzony w spektrometr podczerwieni (VLT Mid Infrared Spectrometer/Imager, VISIR), bardzo czułe urządzenie doskonale nadające się do tego typu badań.

W dalszej przyszłości, Wielka Matryca Promieniowania Milimetrowego (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) da możlwość dokładnego badania brązowych karłów. Będzie możliwe bardzo szcegółowe badanie dysków wokół nich i obserwowanie śladów powstawania ewentualnych planet.

Autor

Michał Matraszek