Katai coklat adalah benda kosmik dengan massa 1-8% dari massa matahari. Mereka terlalu masif untuk planet, kompresi gravitasi memungkinkan terjadinya reaksi termonuklir yang melibatkan elemen yang "mudah terbakar". Tetapi massa mereka tidak cukup untuk "menyalakan" hidrogen, dan oleh karena itu, tidak seperti bintang yang lengkap, katai coklat tidak bersinar lama.
Para astronom tidak bereksperimen - mereka mendapatkan informasi melalui observasi. Seperti yang dikatakan salah satu perwakilan dari profesi ini, tidak ada instrumen yang cukup panjang untuk mencapai bintang. Namun, para astronom memiliki hukum fisika yang memungkinkan tidak hanya menjelaskan sifat-sifat objek yang sudah diketahui, tetapi juga memprediksi keberadaan objek yang belum diamati.
Pandangan ke depan Shiva Kumar
Banyak yang telah mendengar tentang bintang neutron, lubang hitam, materi gelap, dan eksotik kosmik lainnya yang dihitung oleh para ahli teori. Namun, ada banyak keingintahuan lain di alam semesta yang ditemukan dengan cara yang sama. Ini termasuk benda yang berada di antara bintang dan planet gas. Mereka diprediksi pada tahun 1962 oleh Shiv Kumar, seorang astronom India-Amerika berusia 23 tahun yang baru saja menyelesaikan disertasi doktoralnya di University of Michigan. Kumar menyebut benda tersebut kurcaci hitam. Kemudian nama-nama seperti bintang hitam, objek Kumar, bintang inframerah muncul dalam literatur, tetapi pada akhirnya frase "katai coklat", yang diusulkan pada tahun 1974 oleh seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas California, Jill Tarter, menang.
Selama empat tahun, tim astronom internasional "menimbang" katai kelas-L yang sangat dingin (6,6% dari massa matahari) menggunakan teleskop Hubble, VLT, dan. Muntah.
Kumar telah menjalani pembukaannya selama empat tahun. Pada masa itu, dasar-dasar dinamika kelahiran bintang sudah diketahui, namun terdapat celah yang signifikan pada detailnya. Namun, Kumar secara keseluruhan menggambarkan sifat-sifat "kurcaci hitam" -nya dengan sangat tepat sehingga kemudian superkomputer pun setuju dengan kesimpulannya. Bagaimanapun, otak manusia telah dan tetap menjadi instrumen ilmiah terbaik.
Video promosi:
Lahirnya tumbuhan bawah
Bintang muncul dari keruntuhan gravitasi awan gas kosmik, yang sebagian besar merupakan hidrogen molekuler. Ia juga mengandung helium (satu untuk setiap 12 atom hidrogen) dan sejumlah kecil unsur yang lebih berat. Keruntuhan berakhir dengan lahirnya protobintang, yang menjadi termasyhur penuh ketika intinya memanas sedemikian rupa sehingga pembakaran termonuklir stabil hidrogen dimulai di sana (helium tidak berpartisipasi dalam hal ini, karena suhu sepuluh kali lebih tinggi diperlukan untuk menyalakannya). Suhu minimum yang dibutuhkan untuk menyalakan hidrogen adalah sekitar 3 juta derajat.
Kumar tertarik pada protobintang paling ringan dengan massa tidak melebihi sepersepuluh massa Matahari kita. Dia menyadari bahwa untuk memicu pembakaran termonuklir hidrogen, mereka harus menebal dengan kepadatan yang lebih tinggi daripada pendahulu bintang tipe matahari. Pusat protobintang diisi dengan plasma elektron, proton (inti hidrogen), partikel alfa (inti helium) dan inti unsur yang lebih berat. Itu terjadi bahkan sebelum suhu penyalaan hidrogen tercapai, elektron menghasilkan gas khusus, sifat-sifatnya ditentukan oleh hukum mekanika kuantum. Gas ini berhasil menahan kompresi protobintang dan dengan demikian mencegah pemanasan zona pusatnya. Oleh karena itu, hidrogen tidak menyala sama sekali, atau padam jauh sebelum terjadi pemadaman total. Dalam kasus seperti itu, sebagai pengganti bintang gagal, katai coklat akan terbentuk.
Kemungkinan gas Fermi yang mengalami degenerasi untuk menahan kompresi gravitasi sama sekali tidak terbatas, dan mudah untuk menunjukkannya di satu sisi. Saat elektron mengisi tingkat energi yang semakin tinggi, kecepatannya meningkat dan akhirnya mendekati cahaya. Dalam situasi ini, gaya gravitasi berlaku dan keruntuhan gravitasi berlanjut. Pembuktian matematisnya lebih rumit, tetapi kesimpulannya serupa. Jadi ternyata tekanan kuantum gas elektron menghentikan keruntuhan gravitasi hanya jika massa sistem yang runtuh tetap di bawah batas tertentu, sesuai dengan 1,41 massa matahari. Ini disebut batas chandrasekhar - untuk menghormati astrofisikawan dan kosmologi India yang luar biasa yang menghitungnya pada tahun 1930. Batas chandrasekhar menentukan massa maksimum katai putih,yang mungkin diketahui oleh pembaca kami. Namun, prekursor katai coklat puluhan kali lebih ringan dan tidak perlu mengkhawatirkan batas chandrasekhar.
Kumar menghitung bahwa massa minimum dari bintang yang baru lahir adalah 0,07 massa matahari jika dikaitkan dengan tokoh-tokoh yang relatif muda dari populasi I, yang menimbulkan awan dengan peningkatan kandungan unsur yang lebih berat daripada helium. Untuk bintang-bintang populasi II, yang muncul lebih dari 10 miliar tahun yang lalu, pada saat helium dan unsur-unsur yang lebih berat di luar angkasa jauh lebih sedikit, ia sama dengan 0,09 massa matahari. Kumar juga menemukan bahwa pembentukan katai coklat biasanya membutuhkan waktu sekitar satu miliar tahun, dan radiusnya tidak melebihi 10% dari jari-jari Matahari. Galaksi kita, seperti gugus bintang lainnya, seharusnya mengandung berbagai macam benda seperti itu, tetapi sulit dideteksi karena luminositasnya yang lemah.
Bagaimana mereka menyala
Perkiraan ini tidak banyak berubah dari waktu ke waktu. Sekarang diyakini bahwa penyalaan sementara hidrogen dalam protobintang, lahir dari awan molekul yang relatif muda, terjadi pada kisaran 0,07-0,075 massa matahari dan berlangsung dari 1 hingga 10 miliar tahun (sebagai perbandingan, katai merah, bintang paling ringan dari yang sebenarnya, mampu bersinar. puluhan miliar tahun!). Seperti yang dicatat Adam Burrows, profesor astrofisika di Universitas Princeton, dalam sebuah wawancara dengan PM, fusi termonuklir mengkompensasi tidak lebih dari setengah dari hilangnya energi radiasi dari permukaan katai coklat, sedangkan di bintang deret utama nyata, tingkat kompensasinya 100%. Oleh karena itu, bintang yang gagal mendingin bahkan dengan "tungku hidrogen" beroperasi, dan terlebih lagi ia terus mendingin setelah disambungkan.
Protobintang dengan massa kurang dari 0,07 massa matahari sama sekali tidak dapat menyalakan hidrogen. Benar, deuterium bisa menyala di kedalamannya, karena intinya bergabung dengan proton pada suhu 600-700 ribu derajat, menghasilkan helium-3 dan gamma quanta. Tetapi tidak banyak deuterium di luar angkasa (hanya ada satu atom deuterium untuk 200.000 atom hidrogen), dan cadangannya hanya bertahan beberapa juta tahun. Inti gugus gas yang belum mencapai 0,012 massa matahari (yaitu 13 massa Jupiter) tidak memanas bahkan hingga ambang batas ini dan oleh karena itu tidak mampu melakukan reaksi termonuklir. Seperti yang ditekankan oleh profesor di Universitas California di San Diego Adam Burgasser, banyak astronom percaya bahwa di sinilah batas antara katai coklat dan planet itu lewat. Menurut perwakilan dari kamp lain,Sekelompok gas yang lebih ringan juga dapat dianggap sebagai katai coklat jika muncul sebagai akibat dari runtuhnya awan primer gas kosmik, dan tidak lahir dari cakram debu-gas yang mengelilingi bintang normal yang baru saja berkobar. Bagaimanapun, definisi seperti itu adalah masalah selera.
Klarifikasi lain terkait dengan litium-7, yang, seperti deuterium, terbentuk pada menit pertama setelah Big Bang. Litium masuk ke dalam fusi termonuklir dengan pemanasan yang sedikit lebih sedikit daripada hidrogen, dan oleh karena itu menyala jika massa protobintang melebihi 0,055-0,065 matahari. Namun, litium di ruang angkasa 2.500 kali lebih kecil dari deuterium, dan oleh karena itu, dari sudut pandang energi, kontribusinya sama sekali dapat diabaikan.
Apa yang mereka miliki di dalam
Apa yang terjadi di bagian dalam protobintang jika keruntuhan gravitasi tidak berakhir dengan penyalaan termonuklir hidrogen, dan elektron telah bersatu menjadi satu sistem kuantum, yang disebut gas Fermi berdegenerasi? Proporsi elektron dalam keadaan ini meningkat secara bertahap, dan tidak melonjak dalam sekejap dari nol menjadi 100%. Namun, untuk kesederhanaan, kami akan menganggap bahwa proses ini telah selesai.
Prinsip Pauli menyatakan bahwa dua elektron yang memasuki sistem yang sama tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama. Dalam gas Fermi, keadaan elektron ditentukan oleh momentum, posisi, dan spinnya, yang hanya memiliki dua nilai. Ini berarti bahwa di tempat yang sama tidak boleh ada lebih dari sepasang elektron dengan momenta yang sama (dan, tentu saja, putaran berlawanan). Dan karena dalam perjalanan keruntuhan gravitasi elektron dikemas ke dalam volume yang terus menurun, mereka menempati keadaan dengan momentum yang meningkat dan, karenanya, energi. Ini berarti bahwa ketika protobintang berkontraksi, energi internal gas elektron meningkat. Energi ini ditentukan oleh efek kuantum murni dan tidak terkait dengan gerakan termal; oleh karena itu, pada perkiraan pertama, energi ini tidak bergantung pada suhu (berbeda dengan energi gas ideal klasik,hukum yang dipelajari dalam kursus fisika sekolah). Selain itu, pada rasio kompresi yang cukup tinggi, energi gas Fermi berkali-kali lipat lebih besar daripada energi termal gerakan semrawut elektron dan inti atom.
Peningkatan energi gas elektron juga meningkatkan tekanannya, yang juga tidak bergantung pada suhu dan tumbuh jauh lebih kuat daripada tekanan termal. Justru inilah yang melawan gravitasi materi protobintang dan menghentikan keruntuhan gravitasinya. Jika ini terjadi sebelum suhu penyalaan hidrogen tercapai, katai coklat mendingin segera setelah pembakaran deuterium kosmik singkat. Jika proto-star berada di zona perbatasan dan memiliki massa 0,07-0,075 matahari, ia membakar hidrogen selama miliaran tahun, tetapi ini tidak mempengaruhi finalnya. Akhirnya, tekanan kuantum gas elektron yang merosot menurunkan suhu inti bintang sedemikian rupa sehingga pembakaran hidrogen berhenti. Dan meskipun cadangannya akan cukup untuk puluhan miliar tahun, katai coklat tidak akan bisa lagi membakarnya. Inilah yang membuatnya berbeda dari katai merah paling ringan, yang mematikan tungku nuklir hanya jika semua hidrogen telah berubah menjadi helium.
Semua bintang yang diketahui pada diagram Hertzsprung-Russell tidak terdistribusi secara merata, tetapi digabungkan menjadi beberapa kelas spektral, dengan mempertimbangkan luminositas (klasifikasi Yerkes, atau MCC, berdasarkan nama para astronom yang mengembangkannya dari Observatorium Yerkes - William Morgan, Philip Keenan, dan Edith Kellman). Klasifikasi modern membedakan delapan kelompok utama pada diagram Hertzsprung-Russell. Kelas 0 - ini adalah hypergiants, bintang masif dan sangat terang, melebihi massa Matahari sebanyak 100-200 kali, dan dalam hal luminositas - dalam jutaan dan puluhan juta. Kelas Ia dan Ib - ini adalah raksasa super, puluhan kali lebih besar dari Matahari dan puluhan ribu kali lebih luminositas. Kelas II - raksasa terang yang menengah antara raksasa super dan raksasa kelas III. Kelas V - inilah yang disebut urutan utama (katai) tempat sebagian besar bintang berada, termasuk Matahari kita. Ketika sebuah bintang deret utama kehabisan hidrogen dan mulai membakar helium di intinya, ia akan menjadi subgiant kelas IV. Tepat di bawah urutan utama adalah kelas VI - subdwarfs. Dan kelas VII termasuk katai putih kompak, tahap terakhir dalam evolusi bintang yang tidak melebihi batas massa Chandrasekhar. Dan kelas VII termasuk katai putih kompak, tahap terakhir dalam evolusi bintang yang tidak melebihi batas massa Chandrasekhar. Dan kelas VII termasuk katai putih kompak, tahap terakhir dalam evolusi bintang yang tidak melebihi batas massa Chandrasekhar.
Profesor Burrows mencatat satu perbedaan lagi antara bintang dan katai coklat. Bintang biasa tidak hanya tidak mendingin, kehilangan energi radiasi, tetapi, secara paradoks, memanas. Hal ini terjadi karena bintang memampatkan dan memanaskan intinya, dan ini sangat meningkatkan laju pembakaran termonuklir (misalnya, selama keberadaan Matahari kita, luminositasnya meningkat setidaknya seperempat). Katai coklat adalah materi lain, yang kompresinya dicegah oleh tekanan kuantum gas elektron. Karena radiasi dari permukaan, ia mendingin seperti batu atau sepotong logam, meski terdiri dari plasma panas, seperti bintang biasa.
Pencarian panjang
Pengejaran katai coklat berlangsung lama. Bahkan di perwakilan paling masif dari keluarga ini, yang memancarkan cahaya ungu di masa muda mereka, suhu permukaan biasanya tidak melebihi 2000 K, dan untuk mereka yang lebih ringan dan lebih tua, kadang-kadang bahkan tidak mencapai 1000 K. Radiasi benda-benda ini juga mengandung komponen optik, meskipun sangat lemah. Oleh karena itu, peralatan inframerah resolusi tinggi, yang hanya muncul pada tahun 1980-an, paling cocok untuk menemukannya. Pada saat yang sama, teleskop antariksa inframerah mulai diluncurkan, yang tanpanya hampir tidak mungkin mendeteksi katai coklat dingin (puncak radiasi mereka jatuh pada gelombang dengan panjang 3-5 mikrometer, yang sebagian besar tertunda oleh atmosfer bumi).
Selama tahun-tahun inilah laporan tentang kandidat yang mungkin muncul. Pada awalnya, pernyataan seperti itu tidak sesuai dengan verifikasi, dan penemuan sebenarnya dari bintang semu pertama yang diprediksi oleh Shiv Kumar hanya terjadi pada tahun 1995. Telapak tangan di sini milik sekelompok astronom yang dipimpin oleh profesor di University of California di Berkeley Gibor Basri. Para peneliti mempelajari objek PPl 15 yang sangat redup di gugus bintang Pleiades, sekitar 400 tahun cahaya, yang sebelumnya ditemukan oleh tim astronom Harvard, John Stauffer. Menurut data awal, massa benda langit ini 0,06 kali massa Matahari, dan bisa jadi itu adalah katai coklat. Namun, perkiraan ini sangat kasar dan tidak dapat diandalkan. Profesor Basri dan rekan-rekannya mampu memecahkan masalah ini dengan menggunakan sampel litium,yang baru-baru ini ditemukan oleh astrofisikawan Spanyol Rafael Rebolo.
“Kelompok kami mengerjakan teleskop 10 meter pertama Keck Observatory, yang mulai beroperasi pada 1993,” kenang Profesor Basri. - Kami memutuskan untuk menggunakan uji litium, karena uji ini memungkinkan untuk membedakan antara katai coklat dan katai merah yang memiliki massa dekat. Katai merah membakar lithium-7 dengan sangat cepat, dan hampir semua katai coklat tidak mampu melakukannya. Kemudian diyakini bahwa usia Pleiades adalah sekitar 70 juta tahun, dan bahkan katai merah paling ringan selama ini seharusnya benar-benar menghilangkan litium. Jika kami menemukan litium dalam spektrum PPl 15, maka kami memiliki banyak alasan untuk menyatakan bahwa kami berurusan dengan katai coklat. Tugas itu tidak mudah. Uji spektrografi pertama pada November 1994 memang mengungkapkan litium, tetapi uji kedua, kontrol, pada Maret 1995, tidak mengkonfirmasi hal ini. Tentu saja,kami kecewa - penemuan itu lepas dari tangan kami. Namun, kesimpulan awal itu benar. PPl 15 ternyata adalah sepasang katai coklat yang mengorbit di pusat massa hanya dalam enam hari. Itulah sebabnya garis spektrum litium terkadang bergabung, lalu menyimpang - jadi kami tidak melihatnya selama pengujian kedua. Sepanjang jalan, kami menemukan bahwa Pleiades lebih tua dari yang diperkirakan sebelumnya.
Pada tahun 1995 yang sama, ada laporan tentang penemuan dua katai coklat lagi. Raphael Rebolo dan rekan-rekannya di Institut Astrofisika Kepulauan Canary menemukan katai Teide 1 di Pleiades, yang juga diidentifikasi menggunakan metode litium. Dan pada akhir tahun 1995, peneliti dari California Institute of Technology dan Johns Hopkins University melaporkan bahwa katai merah Gliese 229, yang hanya berjarak 19 tahun cahaya dari tata surya, memiliki pendamping. Bulan ini 20 kali lebih berat dari Jupiter dan mengandung garis metana dalam spektrumnya. Molekul metana akan hancur jika suhu melebihi 1500K, sedangkan suhu atmosfer bintang normal terdingin selalu di atas 1700K. Ini memungkinkan Gliese 229-B dikenali sebagai katai coklat bahkan tanpa menggunakan uji litium. Sekarang sudah diketahuibahwa permukaannya hanya dipanaskan hingga 950 K, jadi katai ini sangat dingin.
Para astronom terus mempelajari sesuatu yang baru tentang katai coklat. Jadi, pada akhir November 2010, ilmuwan dari Chili, Inggris dan Kanada melaporkan penemuan di konstelasi Virgo, hanya 160 tahun cahaya dari Matahari, pasangan bintang dari dua katai dengan kategori warna berbeda - putih dan coklat. Yang terakhir adalah salah satu katai kelas-T terpanas (atmosfernya dipanaskan hingga 1300 K) dan bermassa 70 Jupiter. Kedua benda langit tersebut terikat secara gravitasi, meskipun pada kenyataannya keduanya dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh - sekitar 1 tahun cahaya. Para astronom mengamati pasangan bintang katai coklat menggunakan teleskop UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope) dengan cermin 3,8 meter. Teleskop ini, terletak di dekat puncak Mauna Kea di Hawaii pada ketinggian 4.200 m di atas permukaan laut - - salah satu instrumen terbesar di dunia,bekerja dalam jangkauan inframerah.
L-dwarfs, E-dwarfs - apa selanjutnya?
Saat ini, ada dua kali lebih banyak katai coklat yang dikenal sebagai exoplanet - sekitar 1000 berbanding 500. Studi tentang benda-benda ini memaksa para ilmuwan untuk memperluas klasifikasi bintang dan objek mirip bintang, karena yang sebelumnya ternyata tidak cukup.
Para astronom telah lama mengklasifikasikan bintang-bintang ke dalam kelompok-kelompok sesuai dengan karakteristik spektral radiasi, yang pada akhirnya ditentukan oleh suhu atmosfer. Saat ini, sistem ini terutama digunakan, yang fondasinya diletakkan oleh staf Observatorium Universitas Harvard lebih dari seratus tahun yang lalu. Dalam versi yang paling sederhana, bintang dibagi menjadi tujuh kelas, dilambangkan dengan huruf Latin O, B, A, F, G, K dan M. Kelas O mencakup bintang biru yang sangat masif dengan suhu permukaan di atas 33.000K, sedangkan kelas M meliputi katai merah, raksasa merah, dan bahkan sejumlah super raksasa merah, yang atmosfernya dipanaskan hingga kurang dari 3700 K. Setiap kelas, pada gilirannya, dibagi menjadi sepuluh subclass - dari nol terpanas hingga kesembilan terdingin. Misalnya, Matahari kita termasuk kelas G2. Sistem Harvard juga memiliki varian yang lebih kompleks (misalnya, katai putih akhir-akhir ini telah dialokasikan ke kelas D khusus), tetapi ini hanyalah kehalusan.
Penemuan katai coklat menghasilkan pengenalan tipe spektral baru L dan T. Kelas L mencakup objek dengan suhu permukaan dari 1300 hingga 2000K. Di antara mereka tidak hanya katai coklat, tetapi juga katai merah paling redup, yang sebelumnya diklasifikasikan sebagai kelas-M. Kelas T hanya mencakup satu katai coklat, yang atmosfernya dipanaskan dari 700 hingga 1300 K. Garis metana berlimpah dalam spektrumnya, sehingga benda-benda ini sering disebut katai metana (ini persis seperti Gliese 229 B).
“Pada akhir 1990-an, kami telah mengumpulkan banyak informasi tentang spektrum bintang paling redup, termasuk katai coklat,” astronom Caltech Davey Kirkpatrick, yang merupakan bagian dari sekelompok ilmuwan yang memulai kelas baru, mengatakan kepada PM. - Ternyata mereka memiliki sejumlah fitur yang belum pernah kita jumpai sebelumnya. Tanda spektral vanadium dan titanium oksida yang khas untuk katai-M merah menghilang, tetapi garis logam alkali muncul - natrium, kalium, rubidium, dan sesium. Jadi kami memutuskan bahwa klasifikasi Harvard harus diperluas. Pertama, kelas L ditambahkan, akulah yang menyarankan surat ini - hanya karena belum ada yang terdaftar untuk itu. Namun, Gliese 229 B tidak sesuai dengan kelas L karena adanya metana. Saya harus menggunakan satu lagi huruf bebas - T, sehingga kelas-T muncul."
Kemungkinan besar, ini tidak akan berakhir di situ. Telah diusulkan untuk memperkenalkan kelas y, yang dicadangkan untuk katai coklat ultracold hipotetis yang dipanaskan di bawah 600K. Spektrumnya juga harus memiliki ciri khas, seperti garis absorpsi amonia yang jelas (dan pada suhu di bawah 400 K, uap air juga akan muncul). Karena semua katai coklat pasti akan mendingin, benda kelas-y pasti ada, meskipun belum ditemukan. Ada kemungkinan bahwa mereka akan dibuka setelah peluncuran teleskop inframerah james webb raksasa, yang akan pergi ke luar angkasa pada tahun 2014. Mungkin observatorium ini bahkan akan menemukan planet dalam katai coklat, yang keberadaannya pada prinsipnya cukup dapat diterima. Masih banyak hal menarik ke depan bagi para astronom.
Alexey Levin
