Astrofizycy rozwiązują zagadkę narodzin brązowych karłów

Astrofizycy rozwiązują zagadkę narodzin brązowych karłów
Astrofizycy rozwiązują zagadkę narodzin brązowych karłówOriginal Press Release
Pochodzenie brązowych karłów pozostaje jedną z największych tajemnic stojących przed współczesną astrofizyką.

Znacząca część masy Wszechświata może znajdować się w brązowych karłach i tym samym przynajmniej częściowo stanowić brakującą ciemną materię Wszechświata. Ponadto powszechne przekonanie, że pierwszymi gwiazdami wczesnego Kosmosu były tylko bardzo masywne gwiazd także może wymagać zrewidowania.

prof. Shantanu Basu
University of Western Ontario

Brązowe karły to obiekty astronomiczne, których masa jest zbyt mała, by zapłonęły jako gwiazdy, ale jednocześnie zbyt duża – by nazwać je planetami. Choć do połowy lat 90. XX wieku brązowe karły były jedynie koncepcją teoretyczna, obecnie znamy kilkaset tych obiektów, które zostały zidentyfikowane w ramach przeglądów nieba przez teleskopów podczerwone.

Obecnie przyjmuje się za kryterium odróżniające brązowego karła od planety 13 krotność masy Jowisza. Przy tej masie w ewolucji brązowego karła występuje okres, w którym w jego jądrze ma miejsce termojądrowe spalanie deuteru. Masywniejsze brązowe karły – o masie 60 razy większej od Jowisza – spalają także lit. Obiekt o masie 65 razy większej od Jowisza rozpala stabilne spalanie wodoru w jądrze stając się gwiazdą ciągu głównego. Co ciekawe – wszystkie brązowe karły mają średnice zbliżone do Jowisza – w dolnym zakresie masy ich rozmiary (objętość) kontroluje ciśnienie Coulumba, podobnie jak u planet. Przy górnej granicy jest ono zastępowane przez ciśnienie degenerujących elektronów – tak jak u gwiazd.

Jedna z czołowych teorii sugeruje, że brązowe karły powstają w ten sam sposób co gwiazdy – poprzez bezpośredni kolaps mało masywnych fragmentów obłoku molekularnego. Alternatywna teoria proponuje, że powstają w następstwie kolapsu bardziej masywnych fragmentów obłoków molekularnych, które prowadzi do powstania wielu obiektów, w tym brązowych karłów, które są następnie wyrzucane z obszaru formatywnego  w wyniku wzajemnego oddziaływania ciał niebieskich. W oba scenariuszach pojawiają się pojęciowe i teoretyczne problemy i oba są w równym stopniu kwestionowane i wspierane przez naukowców.

Wykorzystując numeryczne hydrodynamicznych symulacje – możliwe dzięki możliwościom obliczeniowym SHARCNET Uniwersytetu Zachodniego Ontario – Basu i Worobiow wykazali, że ewolucja wirującego dysku mgławicowego gazu wokół nowo powstałej protogwiazdy (gwiazdy, która wciąż jeszcze nabiera masy) ma krytyczne znaczenie dla powstania brązowego karła. Od dawna postuluje się istnienie takiego dysk gazu wokół wczesnego Słońca – wskazując, że wykondensowały się z niego planety Układu Słonecznego.

W swych symulacjach Basu i Worobiow udowodnili, że początkowe etapy istnienia dysku charakteryzują się tworzeniem wielu fragmentów, które okrążają centralną protogwiazdę, a interakcja jego fragmentów prowadzi do wyrzucenia niektórych z nich, o masach brązowych karłów, które dopiero później w pełni się formują. Prędkości wyrzucenia są w tym mechanizmie znacznie niższe niż w modelu, gdzie wyrzucenie występuje tylko dla w pełni uformowanych brązowych karłów. W efekcie wyniki zdają się lepiej zgadzać z obserwacjami, które pokazują, że brązowe karły są obecne w pobliżu młodych gwiazd.

Źródła:

Astrophysicist uncovers secret origin of brown dwarfs

The origin of brown dwarfs is one of the great unsolved mysteries facing astrophysicists today. In a new study published in The Astrophysical Journal, Western’s Shantanu Basu and University of Vienna’s Eduard Vorobyov present a new model of brown dwarf formation that unites the best parts of existing theories and has far-reaching implications for understanding the population of low mass objects in the universe.

Brown dwarfs are astronomical objects that have too little mass to be called stars and too much mass to be called planets. Only a theoretical concept until discovered in the mid-1990s, several hundred brown dwarfs have now been identified through infrared telescopes and surveys.

“There could be significant mass in the universe that is locked up in brown dwarfs and contribute at least part of the budget for the universe’s missing dark matter,” said Basu, a professor in Western’s Department of Physics and Astronomy. “And the common idea that the first stars in the early universe were only of very high mass may also need revision.”

One leading theory suggests that brown dwarfs form like stars through the direct collapse of low mass interstellar gas cloud fragments while another speculates that they are formed after the collapse of more massive cloud fragments yield multiple bodies including brown dwarfs that are ejected due to the mutual interaction of the bodies. Both scenarios produce conceptual and theoretical problems and are equally challenged and supported by scientists.

Employing numerical hydrodynamic simulations – carried out in part by utilizing the high performance computing capabilities of Western's SHARCNET – Basu and Vorobyov show the evolution of the swirling nebular disc of gas around a newly formed protostar (or a star that is still forming) is critical to brown dwarf formation. Such a disc of gas has long been postulated to exist around the early Sun and the planets in the Solar System are thought to have condensed out of such a disc.

In the study, Basu and Vorobyov prove that the early life of a disc is characterized by the formation of multiple fragments that orbit the central protostar and that the interaction of fragments leads to the ejection of some brown dwarf fragments that have yet to fully form. The ejection speeds in this mechanism are much lower than in a model where ejections occur only for fully formed brown dwarfs and provide a more favorable comparison with observations that show that brown dwarfs are present in close proximity to young stars.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *