Išeikite giedrą naktį į lauką ir pažiūrėkite į viršų. Gausybė žvaigždžių, mirgančių danguje, ne vienam mūsų sukelia gilių jausmų – Visatos didybės, žmogaus menkumo ar paslapties, kurią be galo norisi išsiaiškinti. Nuo pamąstymų apie tai, kas yra tie mirgantys taškeliai danguje, dar priešistoriniais laikais prasidėjo astronomija – žmonės įžiūrėjo derinius, kuriems davė vardus ir pasakojo apie juos istorijas, pastebėjo atsikartojimus, kurie davė pradžią pirmiesiems kalendoriams. Vėliau atkreipė dėmesį, kad kai kurie taškeliai juda kitų atžvilgiu, ir pavadino juos klajokliais – planetomis. Bėgant šimtmečiams, po truputį išsiaiškinome vis daugiau apie planetas ir žvaigždes – jų dydžius, formą, sandarą, judėjimą… Taip pat supratome, kaip jos formuojasi ir kuo skiriasi. Ir tada atėjo mintis, kad turėtų būti kažkas tarpinio – nei planeta, nei žvaigždė. Nuo minties suformulavimo iki atradimo praėjo trys dešimtmečiai, bet dabar tokių objektų žinome tūkstančius. Tai – rudosios nykštukės.
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, paremti mane galite ir jūs.
Žvaigždžių formavimosi procesą šiuo metu suprantame gana neblogai, net jei ne visos detalės iki galo aiškios. Tarpžvaigždinių dujų debesys dėl savo gravitacijos traukiasi, o dėl turbulencijos byra į fragmentus. Tankesni fragmentai traukiasi greičiau, nei retesni, tai skatina jų atsiskyrimą ir tolesnį traukimąsi, kol galiausiai tankis išauga tiek, kad fragmentai tampa nepermatomi savo pačių spinduliuotei. Tada fragmentacija sustoja, traukimasis sulėtėja, tačiau centras tankėja ir toliau. Galiausiai ten pasiekiamas pakankamas tankis ir temperatūra, kad prasidėtų vandenilio jungimasis į helį – termobranduolinės reakcijos, kurios žymi žvaigždės gimimą ir yra pagrindinis jos energijos šaltinis.
O kas, jei sąlygos niekad netampa tam tinkamos? Dar 1962 metais indų kilmės amerikietis astronomas Shivas S. Kumaras apskaičiavo, kad jei besitraukiančio fragmento masė neviršija 0,07 Saulės masės, centre temperatūra nepakyla tiek aukštai, kad galėtų prasidėti vandenilio branduolių jungimasis. Tuo metu objektai buvo vadinami „subžvaigždiniais kūnais“, planetarais ir juodosiomis nykštukėmis. 1975 metais pasiūlytas dabartinis pavadinimas, paremtas tikėtina apytikre jų spalva. Vėliau riba buvo šiek tiek patikslinta – ji priklauso ir nuo objekto cheminės sudėties, bet yra maždaug 0,08 Saulės masės.
Kodėl tokie maži kūnai nesusitraukia pakankamai, kad pradėtų termobranduolines reakcijas? Atsakymas slypi kvantinėse dujų savybėse. Protonai, elektronai ir panašios dalelės, iš kurių sudaryta medžiaga, bendrai vadinamos fermionais. Joms galioja vadinamasis Pauli negalimumo principas (angl. Pauli exclusion principle): dvi vienodos dalelės negali būti pernelyg arti viena kitos, nes priešingu atveju jų bangos funkcijos susilietų ir taptų neįmanoma atskirti, kur yra viena dalelė, o kur – kita. Taigi jei bandome suspausti didelį šių dalelių skaičių į rutulį, pasiekus tam tikrą koncentraciją staigiai pakyla slėgis, kuris priešinasi tolesniam spaudimui. Geriausi šiandieniniai modeliai prognozuoja, kad rudųjų nykštukių centruose temperatūra neviršija trijų milijonų laipsnių, o tankis – kilogramo į kubinį centimetrą (arba tūkstančio tonų į kubinį metrą). Palyginimui, Saulės centre temperatūra yra 15 milijonų laipsnių, o tankis – apie 160 gramų į kubinį centimetrą. Žvaigždėse kvantinis slėgis irgi pasireiškia, tačiau jų gravitacijos pakanka suspausti medžiagą tiek, kad termobranduolinės reakcijos prasideda anksčiau, nei pasiekiama slėgio pusiausvyra.
Tarpžvaigždines dujas sudaro ne vien vandenilis, bet ir įvairūs kiti cheminiai elementai ir jų atmainos. Kai kurie iš jų gali pradėti jungtis ir rudųjų nykštukių sąlygomis. Pagrindinis iš jų yra deuteris – vandenilio atmaina, kurios branduolyje prie protono prisijungęs vienas neutronas. Deuteriui jungtis į helio branduolius pakanka žemesnės temperatūros ir tankio, tad šios reakcijos gali vykti net ir maždaug 0,013 Saulės masių kūnuose. Tokia masė atitinka 13 Jupiterio masių, mat Jupiteris yra beveik tiksliai tūkstantį kartų mažesnės masės, nei Saulė. Ši riba dažnai laikoma apatine rudųjų nykštukių masės riba, bet toks atskyrimas nėra visuotinai pripažintas – apie tai pakalbėsime truputį vėliau. Kita svarbi termobranduolinė reakcija yra ličio jungimasis su protonu ir staigus suskilimas į du helio branduolius. Tai vyksta ir žvaigždėse – dėl šios priežasties mažos žvaigždės per maždaug 100 milijonų metų nuo gimimo netenka viso pradžioje turėto ličio. Rudosiose nykštukėse reakcija vyksta ne visada, taigi ličio egzistavimas kartais naudojamas kaip kriterijus atskirti rudąsias nykštukes nuo žvaigždžių. Visgi ličio reakcijoms reikalinga masė yra šiek tiek žemesnė, nei rudųjų nykštukių ir žvaigždžių masės riba – apie 65 Jupiterio mases arba 0,065 Saulės masės. Tad masyviausios rudosios nykštukės pagal šį kriterijų gali būti neteisingai pavadintos žvaigždėmis.
Aukščiau aprašyti skaičiavimai rėmėsi vis gerėjančiomis branduolių fizikos žiniomis, tačiau pačios rudosios nykštukės ilgą laiką liko teorinių apmąstymų objektu. Devintajame dešimtmetyje atrasti keli objektai, vėliau įvardinti kaip rudosios nykštukės, tačiau tuometinių duomenų nepakako aiškiai klasifikacijai. Pirmieji neabejotini rudųjų nykštukių – netgi dviejų – egzistavimo įrodymai gauti 1994 metais, o paskelbti 1995-aisiais. Taigi realių rudųjų nykštukių tyrimai prasidėjo tuo pat metu, kaip ir egzoplanetų. Iš dalies toks sutapimas paaiškinamas tuo, kad ir vieni, ir kiti objektai yra labai blausūs, tad juos aptikti reikėjo galingų teleskopų ir jautrių detektorių, kurių anksčiau tiesiog nebuvo. Iš kitos pusės, aptikimo metodai gerokai skiriasi, taigi sutapimas didele dalimi yra atsitiktinis. Rudosios nykštukės daugiausiai aptinkamos pagal infraraudonąją spinduliuotę; gerėjant teleskopams, jautriems šiai elektromagnetinio spektro daliai, nykštukių randama vis daugiau. Šiuo metu jų žinoma virš keturių tūkstančių. Remdamiesi jų masių pasiskirstymu, mokslininkai vertina, kad Paukščių Take rudųjų nykštukių turėtų būti nuo 25 iki 100 milijardų – keletą kartų mažiau, nei žvaigždžių, tačiau skaičiai palyginami. Panašų jų skaičių iliustruoja ir faktas, kad trečia artimiausia Saulei sistema yra rudųjų nykštukių pora Luhmano 16. Tiesa, bendra aplinkinių objektų statistika kiek kitokia – 10 parsekų atstumu nuo Žemės randame 239 mažas žvaigždes ir tik 12 rudųjų nykštukių, taigi santykis atrodo 1:20, tačiau reikia nepamiršti, kad nykštukes aptikti daug sunkiau nei žymiai ryškesnes žvaigždes.
Tikslų žinomų (ir bendrą) rudųjų nykštukių skaičių įvardinti sudėtinga, nes skirtumas tarp jų ir planetų toli gražu nėra toks aiškus, kaip tarp nykštukių ir žvaigždžių. Oficiali Tarptautinės astronomų sąjungos priimta riba, 13 Jupiterio masių (0,013 Saulės masės), paremta senais skaičiavimais apie sąlygas, reikalingas deuterio jungimuisi į helį. Tačiau tos sąlygos nėra griežtas slenkstis, priešingai nei vandenilio sintezės į helį atveju. Mažesni už ribą objektai dalį pradinio deuterio pavers heliu; didesniuose šiek tiek deuterio liks net ir pasibaigus šioms reakcijoms. Net ir priklausomybė tarp sunaudoto deuterio dalies ir masės pati priklauso nuo objekto cheminės sudėties, formavimosi greičio ir kitų savybių. Dėl šios priežasties į egzoplanetų katalogus dažnai įtraukiami objektai, kurių masė siekia net 30 Jupiterio masių. O rudųjų nykštukių katalogai kartais apima objektus, kurių masė tesiekia apie šešias Jupiterio mases.
Gali būti, kad geresnis ir prasmingesnis būdas atskirti rudąsias nykštukes nuo planetų yra formavimosi kelias. Rudosios nykštukės gimsta kaip ir žvaigždės – iš fragmentuojančio dujų debesies. Tuo tarpu planetos gimsta protoplanetiniuose diskuose aplink jau susidariusias prožvaigždes. Pirmuoju būdu gali susiformuoti ir planetų masės objektai; panašu, kad jų apatinė masės riba yra penkios Jupiterio masės. Antruoju būdu gali susidaryti ir masyvesni už 13 Jupiterio masių.
Pačios rudosios nykštukės irgi gali turėti planetų, nors kol kas atradimų buvo nedaug ir jie nėra šimtu procentų patvirtinti. Tikrai žinome, kad nemaža dalis jaunų rudųjų nykštukių turi protoplanetinius diskus, taigi juose gali susiformuoti planetos. Greičiausiai ne dujinės milžinės – tam tiesiog nepakanka disko medžiagos. Tačiau uolinės, Žemės dydžio ar kiek didesnės, planetos susidaryti galėtų. Teoriškai įmanoma, kad kai kurios iš jų netgi būtų tinkamos gyvybei. Visgi toks scenarijus daug labiau komplikuotas, nei prie žvaigždžių, mat rudųjų nykštukių gyvybinė zona laikui bėgant traukiasi, tad į ją patenka naujos planetos, kurios anksčiau buvo per karštos ir sudegintos.
Vienas įdomus, ir vis daugiau dėmesio sulaukiantis, rudųjų nykštukių tyrimo aspektas yra jų atmosferos. Nykštukių paviršiaus temperatūra siekia nuo kelių šimtų iki maždaug 2200 kelvinų (tiesa, esama ir karštesnių, bet jas kaitina jų kompanionės-žvaigždės dvinarėse sistemose). Tokios temperatūros dujose gali formuotis įvairios molekulės. Ir tikrai – rudųjų nykštukių spektre dažnai aptinkama vandens garų, metano, amoniako, anglies monoksido ir panašių molekulių. Taip pat jose dažnai debesuota, o debesys sudaryti iš įvairių silikatų, sulfidų ir chloridų. Kaip ir kiti nykštukių stebėjimai, jų atmosferos geriausiai atsiskleidžia infraraudonųjų spindulių ruože, taigi James Webb teleskopas čia turėtų ypatingai suspindėti. Ir tikrai – vien per paskutinius metus šis prietaisas mums parodė mažiausią laisvai skrajojančią rudąją nykštukę, silikatų vėjus dviejose kitose, pašvaistės požymių trečioje bei pirmąsias jaunas rudąsias nykštukes už Paukščių Tako ribų. Ir tai – tik dalis jo atradimų, susijusių su šiais (palyginus) mažyčiais objektais, kurie nėra nei planetos, nei žvaigždės, bet panašūs į abi grupes.
Rudųjų nykštukių tyrimai padeda mums suprasti tiek planetas, tiek žvaigždes. Ekstremalių atmosferų ir magnetosferų analizė leidžia patobulinti modelius, kurie taikomi ir Jupiterio ar Saturno bei įvairių egzoplanetų analizei. Galų gale, net ir Žemės klimato modelius kartais galima patobulinti, patikrinant juos ekstremaliomis sąlygomis. Žinios apie cheminės sudėties variacijas priklausomai nuo masės bei amžiaus gali padėti tobulinant termobranduolinės sintezės ir apskritai branduolių fizikos modelius. Šie gali pasitarnauti kuriant termobranduolinės sintezės reaktorius ir Žemėje.
Laiqualasse