13 kwietnia 2021

Odkryto brązowe karły wirujące tak szybko, że wkrótce mogą się rozpaść

Brązowe karły, czasami nazywane „upadłymi gwiazdami”, mogą wirować z prędkością do 320 000 km/h, jednak może istnieć granica tego tempa rotacji.

Ilustracja przedstawia najszybciej wirującego brązowego karła 
2MASS J0348-6022, jakiego dotychczas odkryto. Źródło: Spitzer

Wykorzystując dane z Teleskopu Spitzera, naukowcy zidentyfikowali trzy najszybciej wirujące brązowe karły, jakie kiedykolwiek znaleziono. Bardziej masywne niż większość planet, ale nie dość ciężkie, aby zapalić się jako gwiazdy, brązowe karły są kosmicznymi obiektami pośrednimi między tymi dwoma gatunkami. I chociaż dla większości ludzi nie są one tak dobrze znane jak gwiazdy i planety, uważa się, że ich liczba w naszej galaktyce sięga miliardów.

W pracy opublikowanej w Astronomical Journal, zespół, który dokonał nowych pomiarów prędkości twierdzi, że te trzy szybko rotujące karły mogą zbliżać się do granicy prędkości wirowania dla wszystkich brązowych karłów, po przekroczeniu której rozpadną się na kawałki. Wszystkie one mają mniej więcej taką samą średnicę jak Jowisz, ale są od 40 do 70 razy masywniejsze. Każdy z nich obraca się mniej więcej raz na godzinę, podczas gdy inne najszybsze znane brązowe karły obracają się co 1,4 godziny, a Jowisz raz na 10 godzin. Biorąc pod uwagę ich rozmiary, oznacza to, że największy z nich porusza się z prędkością ponad 100 km/s.

Pomiary prędkości zostały wykonane przy użyciu danych z satelity Spitzer, który NASA wycofała z użycia w styczniu 2020 roku. Brązowe karły zostały odkryte przez teleskop naziemny Two Micron All Sky Survey (2MASS), który działał do 2021 roku. Następnie zespół potwierdził swoje niezwykłe odkrycia dzięki obserwacjom przy pomocy naziemnych teleskopów Gemini North i Magellan.

Brązowe karły, podobnie jak gwiazdy czy planety, wirują już w momencie powstania. W miarę jak stygną i kurczą się, wirują szybciej. Naukowcy zmierzyli prędkość rotacji około 80 brązowych karłów i okazało się, że wahają się one w przedziale mniej więcej od dwóch godzin (wliczając w to trzy nowe obiekty) do dziesiątek godzin.

Przy tak dużej różnorodności zmierzonych już prędkości brązowych karłów, autorów nowej pracy zaskoczył fakt, że trzy najszybsze dotychczas znalezione brązowe karły mają niemal identyczną prędkość wirowania (około jednego pełnego obrotu na godzinę) jak pozostałe. Nie można tego przypisać temu, że brązowe karły uformowały się razem lub są na tym samym etapie rozwoju, ponieważ fizycznie różnią się od siebie: jeden z nich jest ciepłym brązowym karłem, jeden jest zimny a inny plasuje się pomiędzy nimi. Ponieważ brązowe karły stygną z wiekiem, różnice temperatur sugerują, że są one w różnym wieku.

Autorzy pracy nie uznają tego za przypadek. Uważają, że wszyscy członkowie tego szybkiego trio osiągnęli limit prędkości wirowania, po przekroczeniu którego brązowy karzeł może się rozpaść.

Wszystkie wirujące obiekty generują siłę odśrodkową, która wzrasta im szybciej obiekt się obraca. Na karuzeli w wesołym miasteczku siła ta może grozić wyrzuceniem pasażerów z ich miejsc; gwiazdom i planetom może grozić rozerwanie. Zanim wirujący obiekt rozpadnie się, często zaczyna się wybrzuszać w środkowej części, ponieważ deformuje się pod wpływem ciśnienia. Naukowcy nazywają to oblacją. Saturn, który obraca się raz na 10 godzin, podobnie jak Jowisz ma wyczuwalną oblację. Według autorów pracy, na podstawie znanych cech brązowych karłów, prawdopodobnie mają one podobny stopień oblacji.

Biorąc pod uwagę fakt, że brązowe karły mają tendencję do przyspieszania w miarę starzenia się, czy obiekty te regularnie przekraczają limit prędkości wirowania i są rozrywane na kawałki? W przypadku innych wirujących obiektów kosmicznych, takich jak gwiazdy, istnieją naturalne mechanizmy hamujące, które powstrzymują je przed samozniszczeniem. Nie wiadomo jeszcze, czy podobne mechanizmy istnieją także w brązowych karłach.

Znalezienie brązowego karła, który wiruje tak szybko, że wyrzuca swoją atmosferę w kosmos, byłoby bardzo spektakularne. Ale jak dotąd nie znaleźliśmy czegoś takiego. Myślę, że to musi oznaczać, że albo coś spowalnia brązowe karły zanim osiągną tak ekstremalną prędkość, albo że nie są w stanie osiągnąć takiej prędkości w ogóle. Wynik naszej pracy przemawia za jakimś ograniczeniem tempa rotacji, ale nie jesteśmy jeszcze pewni przyczyny – powiedziała Megan Tannock, doktorantka z Western University w London, Ontario.

Maksymalna prędkość wirowania dowolnego obiektu zależy nie tylko od jego całkowitej masy, ale także od tego, jak ta masa jest rozłożona. Dlatego właśnie, gdy w grę wchodzą bardzo duże prędkości wirowania, zrozumienie struktury wnętrza brązowego karła staje się coraz ważniejsze: materia wewnątrz prawdopodobnie przesuwa się i deformuje w sposób, który może zmienić prędkość wirowania obiektu. Podobnie jak planety gazowe, takie jak Jowisz i Saturn, brązowe karły składają się głównie z wodoru i helu.

Są one również znacznie gęstsze niż większość planet olbrzymów. Naukowcy uważają, że wodór w jądrze brązowego karła znajduje się pod tak ogromnym ciśnieniem, że zaczyna zachowywać się jak metal, a nie jak gaz obojętny: ma swobodnie pływające przewodzące elektrony, podobnie jak w przypadku miedzianego przewodnika. Zmienia to sposób, w jaki ciepło jest przewodzone przez wnętrze, a przy bardzo dużych prędkościach wirowania może również wpływać na sposób rozkładu masy wewnątrz obiektu astronomicznego.

Fizycy wykorzystują obserwacje, dane laboratoryjne i matematykę do tworzenia modeli tego, jak powinny wyglądać wnętrza brązowych karłów i jak powinny się one zachowywać, nawet w ekstremalnych warunkach. Jednak obecne modele pokazują, że maksymalna prędkość wirowania brązowego karła powinna być o około 50% do 80% większa niż jednogodzinny okres rotacji opisany w nowych badaniach.

Możliwe, że te teorie nie mają jeszcze pełnego obrazu. Może wchodzić w grę jakiś niedoceniany czynnik, który nie pozwala brązowemu karłowi wirować szybciej – powiedział Stanimir Metchev, współautor pracy i Canada Research Chair in Extrasolar Planets w Institute for Earth and Space Exploration na Uniwersytecie Zachodnim. Dodatkowe obserwacje i prace teoretyczne mogą jeszcze ujawnić, czy istnieje jakiś mechanizm hamujący, który powstrzymuje brązowe karły przed samozniszczeniem i czy w ciemnościach istnieją brązowe karły, które wirują jeszcze szybciej.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Obserwowanie procesów gwiazdotwórczych w kosmiczne południe

Tworzenie się gwiazd w galaktykach wydaje się być mocno regulowane przez przepływ gazu do i z galaktyk. Naukowcom nadal nie udało się ustal...