Что такое красный карлик
Красные карлики
Красные карлики — это маленькие и сравнительно холодные звёзды. Масса таких объектов не превышает третьей части солнечной массы. Светила этого типа излучают очень мало света, иногда в десятки тысяч раз меньше Солнца. Спектральный класс – М или поздний К. Это наиболее часто встречающиеся объекты звёздного типа в космосе. Они слишком тусклые, чтобы быть доступными невооружённому глазу.
Характеристика объектов
Красные карлики образуются как обычные звёзды. Самый малый вес – 7,67% от массы Солнца. Это значит, что они не могут весить меньше, чем 152х 10 24 тонн. Самый крупный представитель этого класса весит в 2 раза меньше Солнца. Температура фотосферы таких звёзд не превышает 3,5 тысячи градусов. Это немного выше температуры вольфрамовой нитки лампы накаливания. Некоторые красные карлики излучают в 10 тысяч раз меньше света, чем Солнце.
У этих светил очень низкая скорость сгорания водорода в процессе термоядерного синтеза. Это означает, что подобные космические объекты отличаются внушительной продолжительностью существования. Подсчитано, что красный карлик, который имеет всего лишь 10 процентов от веса Солнца, сможет гореть до десяти трлн. лет.
В ядре этих крохотных звёзд не могут происходить термоядерные реакции на основе гелия. Это значит, что на их месте не могут «вырасти» красные гиганты. Со временем красные карликовые звёзды становятся всё меньше, а их температура повышается. При расходовании водорода, они, медленно трансформируясь в голубые, а затем и в белые карлики. Однако с момента образования Вселенной прошло сравнительно мало времени, и красные карлики не сошли с главной последовательности. Учёные пока не обнаружили пока ни одного голубого карлика.
Из-за тусклого света красные карлики сложно обнаружить и ещё сложнее классифицировать при обнаружении.
Распространение во Вселенной
Большая часть звёзд, наблюдаемые невооружённым глазом – голубые или белые. На основании этого у наблюдателя складывается неверное впечатление, будто таких объектов больше всего во Вселенной. На самом деле наиболее распространёнными являются красные крошечные светила. Их просто не видно невооружённым глазом. Интересно, что красные карлики составляют около 80 % всего звёздного населения Галактики.
Ближайшая к Солнцу звезда рассматриваемого класса – Проксима Центавра. Она находится на расстоянии свыше четырёх световых лет от Земли (или 40 трлн. км). Её радиус составляет 15% от солнечного, а масса – 12%. Видимая звёздная величина этого космического объекта – 11.
В наблюдаемой части Вселенной находится слишком мало красных карликов, которые вовсе не содержат металлов. Между тем схема Большого взрыва предполагает, что в самых первых звёзд должны быть только легчайшие элементы и только немного лития. Если бы среди этих светил были красные карлики, то они были видимыми. Но такого не происходит. Учёные объясняют это тем, что красные карлики не могут формироваться и запустить термоядерную реакцию без участия металлов. Вот почему первые звёзды были очень огромными и тяжёлыми. Выбросив большое количество металлов, они погибли. Тяжёлые элементы пошли на образование более лёгких и крохотных звёзд.
Что такое вспыхивающие карлики
Среди тусклых красных карликов встречаются объекты с переменной яркостью. О них известно мало из-за скудной светимости астрономы мало о них знают. Вспыхивающий объект рассматриваемого класса называются переменными звёздами, типа UV Кита.
Блеск у такого небесного тела многократно возрастает в течение нескольких секунд. Возвращение же к первоначальной светимости происходит постепенно и медленно. Какие-либо закономерности в появлении таких вспышек не изучены и не обнаружены. Подобные вспышки встречаются на Солнце, однако они по сравнению с карликовыми небесными телами очень слабые.
Может ли быть жизнь вокруг крохотной красной звёзды
Длительное время астрономы исключают красные карлики из списка объектов, вокруг которых могла бы зарождаться и поддерживаться жизнь. Они приводят весомые аргументы. К примеру, из-за небольших размеров звезды все реакции в них должны протекать очень медленно. Чтобы на планете были условия, напоминающие земные, необходимо, чтобы её орбита располагалась близко к звезде. Так, если бы возле Проксимы Центавра была бы планета, на которой была подобная земной температуры, она бы находилась на расстоянии примерно 4,75 млн км от Проксимы Центавры, и год на ней длился бы немногим больше шести земных дней.
Если планеты находятся слишком близко к материнской звезде, они пребывают в так называемом приливном захвате. Это значит, что планета совершает оборот вокруг своей оси за такое же время, что и вокруг звёзды. Сутки в этих условиях длятся столько же, сколько и год. Жизнь на таких планетах должна существовать в пределах терминатора. Если же у планеты есть массивный спутник, то он мог бы взять на себя приливные силы. Вероятность возникновения жизни в этих условиях существенно повышается.
Последние исследования показывают, что, если на планетах, расположенных около красных крохотных карликовых светил имеется плотная атмосфера, она могла повысить температуру на «тёмной» стороне. Достаточно глубокие океаны с морской водой служили бы мощным аккумулятором тепла. Это означает, что планеты, расположенные на близком расстоянии от звёзд, могут быть пригодными для существования растений.
Эти звёзды очень изменчивы. На них возможно появление большого количества пятен, ослабляющих и без того скудный свет. Это приводило бы к снижению температуры. Увеличение альбедо отражало больше света, запускало бы положительную обратную связь. А если красные карлики образуют вспышки, увеличивающие во много раз светимость, то атмосфера должна была бы улетучиться. Наличие магнитного поля планеты повысило бы шансы на поддержание жизни.
Будущее звёзд
Чем меньше красный карлик, тем медленнее он будет расходовать водородное топливо при термоядерных реакциях и, следовательно, дольше светить. Однако он сжигает топливо и медленно эволюционирует. Конечная стадия этого процесса – белый карлик. Такая звезда состоит из электронно-ядерной плазмы и очень слабо светится, постепенно остывая. После остывания этот космический объект станет чёрным карликом. В настоящее время такие объекты не встречаются из-за сравнительно небольшого возраста Вселенной.
Красные карлики являют собой интересный и слабоизученный класс космических тел. Развитие астрономической науки, измерительных приборов позволит узнать больше об этих небесных телах. Они представляют интерес из-за планет, на которых возможно существование жизни.
Звездная зола. Чем закончится диаграмма Герцшпрунга-Рассела
Именно эта диаграмма, связывающая спектральный класс звезды с возрастом и массой светила, обладает примерно такой же замечательной периодичностью, как и таблица Менделеева. В ней есть эволюция и предсказуемость. Прослеживается и основная закономерность, характерная для Главной последовательности: вместе с массой звезды убывает ее температура и объем. При этом диаграмма Герцшпрунга-Рассела не демонстрирует еще одного важного свойства звезд: чем ниже температура, тем дольше будет гореть (тлеть) звезда. В результате длительного вырождения звезд, относящихся к известным ныне спектральным классам, также могут возникать странные объекты, которые можно назвать «гипотетическими» звездами. Они пока не образовались, так как Вселенная еще слишком молода. Но в теории такие звезды уже описаны, и именно о наиболее интересных из них я собираюсь рассказать ниже.
Голубые карлики, потомки красных карликов
Красные карлики (звезды спектрального класса M) – самые многочисленные во Вселенной. Так, почти все звезды, находящиеся в непосредственной близости от Солнца – красные карлики (из 50 самых ближних к нам звезд Солнце является 4-й по размеру). Интерес к красным карликам значительно повысился именно в последние годы, отчасти потому, что именно в системе очень тусклого и холодного красного карлика TRAPPIST-1 находится примерно семь компактно расположенных планет, как минимум три из которых должны располагаться в зоне обитаемости этой звезды.
Красные карлики завершают Главную Последовательность. Их эволюцию в настоящее время можно только моделировать, но расчеты Питера Боденгеймера из Калифорнийского университета в Беркли показывают, что срок жизни красных карликов может составлять несколько триллионов лет. При этом на протяжении всей жизни красный карлик светит ровно и стабильно, поскольку во всем объеме такой звезды происходит конвекция – перемешивание вещества.
Конвекция в красном карлике может продолжаться на протяжении почти 6 триллионов лет, поэтому звезда успевает «выработать» почти весь свой водород. Боденгеймер предполагает, что самые мелкие красные карлики в конце жизни не превратятся в красные гиганты, а, оставаясь физически компактными, вновь начнут разогреваться, став голубыми карликами.
Температура такой звезды превысит солнечную, а светимость все равно останется очень низкой. Для превращения в красный гигант масса красного карлика должна составлять не менее 0,25 M☉ (массы Солнца). Более мелкие звезды ждет превращение в голубые карлики. При этом самые мелкие из известных красных карликов имеют массу около 0,08 M☉ и могут гореть до 12 триллионов лет.
По-видимому, примерно через 800 миллиардов лет во Вселенной не останется звезд крупнее 0,3 M☉, и большинство из них окажется голубыми карликами. При этом жизнь таких звезд будет дополнительно продлеваться за счет нарастания их металличности. Металл сдерживает потерю звездной энергии, играя роль своеобразной заслонки, тем самым еще немного продлевая жизнь звезды. Вероятно, к окончанию первого триллиона лет все сохранившиеся к тому времени галактики будут иметь голубоватый оттенок, так как окажутся наполнены голубыми карликами.
Черные карлики, потомки белых карликов
В нижней части диаграммы Герцшпрунга-Рассела расположена последовательность белых карликов. Такие звезды образуются на месте красного гиганта, постепенно теряющего газовую оболочку. Ядерных реакций в них не происходит, а состоят белые карлики из постепенно остывающей раскаленной плазмы. Предполагается, что в таком состоянии белый карлик просуществует около 10 триллионов лет, после чего его поверхность перестанет излучать видимый свет. В таком случае потухшую звезду станет невозможно обнаружить в телескоп, но она все равно останется целостным объектом, который будет выдавать его гравитационное воздействие.
Самым старым белым карликам, известным в настоящее время – около 12 миллиардов лет. Таким образом, до появления первых черных карликов Вселенная должна состариться еще в тысячу раз. Тем не менее, периодичность диаграммы Герцшпрунга-Рассела позволяет уверенно предположить, что черные карлики когда-нибудь возникнут.
Блицар, потомок нейтронной звезды
Звезды такого типа – гипотетические объекты, существование которых могло бы объяснить быстрые радиовсплески (FRB), первый из которых был обнаружен в 2011 году. Про блицары на Хабре уже писали, вкратце напомню суть этого явления.
В физике известен предел Оппенгеймера-Волкова, максимальная масса, при которой нейтронная звезда еще не превращается в черную дыру. При этом данный предел рассчитывается без учета вращения, присущего многим нейтронным звездам и унаследованного от родительской звезды. Центробежная сила, возникающая при таком вращении, не дает звезде «упасть» в черную дыру, поэтому нейтронная звезда может некоторое время существовать выше предела Оппенгеймера-Волкова. В этот период звезда генерирует сильное магнитное поле, из-за которого вокруг нее исчезает аккреционный диск. В результате при падении нейтронной звезды за горизонт событий от нее «отстреливается» не вещество, а только мощное магнитное поле, что и может быть зафиксировано как быстрый радиовсплеск.
Блицары также можно считать гипотетическими объектами, поскольку непосредственно они не зафиксированы. Такие небесные тела также называются «суронами», где SURON – аббревиатура, означающая «SUpramassive Rotating Neuron star» (подмассивная вращающаяся нейтронная звезда). Физика суронов подробно изложена в этой работе; также отмечается (раздел 3.3.2), что в состоянии сурона (блицара) может удерживаться примерно 3% всех нейтронных звезд — большинству из них центробежной силы все-таки не хватает, чтобы балансировать на грани горизонта событий.
Объект Торна-Житков, потомок красного гиганта и нейтронной звезды
Кип Торн совместно с Анной Житков в 1977 году описали гипотетический объект, который мог бы возникать в случае поглощения нейтронной звезды красным гигантом. В этом случае звезда могла бы наблюдаться как пекулярная и содержать повышенные дозы лития, молибдена и рубидия. Существование звезд-гигантов с нейтронным ядром еще в 1938 году предположил Лев Ландау, почему такой объект иногда называют в честь Торна-Житков-Ландау. Наиболее вероятно, что такие звезды могут возникать при слиянии двойных звездных систем, в которые входит красный гигант и нейтронная звезда. Подобный объект должен получаться нестабильным и все равно коллапсировать в черную дыру, либо в двойную звездную систему, где вокруг общего центра масс будут обращаться нейтронная звезда и пульсар.
На практике объекты Торна-Житков пока не обнаружены. Вероятно, такая звезда должна напоминать красный сверхгигант с пекулярными линиями в спектре.
Замороженная звезда
В классической статье 1979 года Фримен Дайсон предполагал, что в далеком будущем все мелкие звезды, в особенности, белые карлики, станут превращаться в объекты звездной массы, состоящие из чистого железа. Предполагается, что в результате различных цепочек деления и слияния легких ядер, через 10 1500 лет практически все сохранившиеся светящиеся звезды должны превратиться в глыбы холодного и остывающего железа, а такие железные звезды могут далее превращаться в последнее поколение нейтронных звезд.
Заключение
Все описанные превращения, являющиеся маленькими шагами к тепловой смерти Вселенной, являются экстраполяцией на основе диаграммы Герцшпрунга-Рассела и не учитывают еще одного гипотетического процесса. Это распад протона, спонтанное превращение протонов в более легкие субатомные частицы. Такой процесс не противоречит известной физике частиц, но также до сих пор не зафиксирован. Именно для того, чтобы засечь распад хотя бы одного протона, в Японии появился проект Камиоканде: шахты близ города Камиока были превращены в огромные резервуары с водой, оборудованные детекторами. Ни один протон во всей этой воде за минувшие сорок лет так и не распался, а Камиоканде в итоге был превращен в один из самых крупных и успешных детекторов нейтрино – но это уже совсем другая история.
Возможно, именно распадом протонов закончится существование железных звезд, которые при этом просто медленно развоплотятся. Или же на последних этапах существования Вселенная породит какие-то новые состояния вещества. Надеюсь, в этой статье мне удалось не обойти вниманием никаких интересных объектов, существование которых проистекает из диаграммы Герцшпрунга-Рассела, но пока не доказано.
Красные карлики могут оказаться более дружелюбными к жизни, чем мы думали
Красные карлики — самый распространенный вид звезд в нашем районе галактики и, вероятно, во всем Млечном Пути. Из-за этого многие из обнаруженных нами экзопланет земного типа и потенциально поддерживающих жизнь экзопланет находятся на орбите возле красных карликов. Проблема в том, что красные карлики могут демонстрировать интенсивные вспышки, гораздо более энергичные, чем наше относительно спокойное Солнце.
Большая часть жизни на Земле и, вероятно, в других мирах, для выживания полагается на звездную энергию. Солнце было двигателем жизни на Земле с момента появления первых клеток и простейших организмов. Но иногда, как и все звезды, Солнце действует и испускает вспышки.
Иногда оно испускает чрезвычайно мощные вспышки. Мощная магнитная энергия в атмосфере Солнца становится нестабильной, и выделяется огромное количество энергии. Если она направлена к Земле, это может вызвать проблемы. Вспышка может привести к сбоям в радиосвязи и даже отключению электричества.
Но с точки зрения активности Солнце относительно слабое по сравнению с другими звездами. Некоторые звезды, особенно красные карлики, могут часто и сильно вспыхивать. Группа исследователей изучила, как такая активность влияет на атмосферу и потенциал жизни на планетах земного типа, вращающихся вокруг маломассивных звезд, включая звезды M-типа, звезды K-типа и звезды G-типа.
Новое исследование называется «Сохранение химического состава атмосферы, вызванного вспышками, в обитаемых скалистых мирах». Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
«Наше Солнце больше похоже на спокойного гиганта», — сказала Эллисон Янгблад, астроном из Университета Колорадо в Боулдере и соавтор исследования.
«Оно старше и не так активно, как молодые и меньшие звезды. Земля также имеет сильное магнитное поле, которое отклоняет разрушительные ветры Солнца».
Это помогает объяснить, почему Земля действительно «изобилует жизнью», как Карл Саган описал нашу планету. Но для планет, вращающихся вокруг маломассивных звезд, таких как красные карлики (M-карлики), ситуация совсем иная.
Мы знаем, что солнечные вспышки и связанные с ними выбросы корональной массы могут серьезно подорвать перспективы жизни на незащищенных экзопланетах. Авторы пишут, что « активность, которая включает звездные вспышки, выбросы корональной массы (CME) и звездные протонные события (SPE), — оказывает глубокое влияние на обитаемость планеты, в первую очередь через влияние на атмосферный озон.»
Отдельные вспышки здесь и там со временем не имеют большого эффекта. Но многие красные карлики показывают более частые и продолжительные вспышки.
Звезда красный карлик
«Мы сравнили химический состав атмосферы планет, испытывающих частые вспышки, с планетами, не испытывающими вспышек. Долгосрочная химия атмосферы сильно отличается», — сказал в пресс-релизе первый автор исследования Говард Чен из Northwestern.
«Непрерывные вспышки фактически приводят состав атмосферы планеты к новому химическому равновесию».
Одна из вещей, на которую обращала внимание команда ученых, — это озон и эффект, который на него оказывают вспышки. Здесь, на Земле, озоновый слой защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца. Но чрезмерная активность красных карликов может разрушить озон в атмосфере планет, вращающихся рядом с ним.
Когда уровень озона падает, планета становится менее защищенной от ультрафиолетового излучения, исходящего от ее звезды. Мощное ультрафиолетовое излучение может уменьшить вероятность появления и существования жизни.
В своем исследовании ученые использовали модели, чтобы помочь понять вспышки и их влияние на атмосферу экзопланет. Они использовали данные о вспышках, полученные с помощью телескопа NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), и долгосрочные климатические данные экзопланет из других исследований. Они обнаружили несколько случаев, когда озон сохранялся, несмотря на сжигание.
«Мы обнаружили, что звездные вспышки не исключают существования жизни», — добавил Дэниел Хортон, старший автор исследования. «В некоторых случаях звездные вспышки не разрушает весь атмосферный озон. У жизни на поверхности все еще есть шанс на существование».
Планеты, которые имеют способность поддерживать жизнь, по крайней мере потенциально, могут оказаться в трудном положении. Они должны быть достаточно близко к своим звездам, чтобы вода не замерзла, но не слишком близко, чтобы не оказалось слишком жарко. Но этот «танец» с приближением может подвергнуть их воздействию мощных вспышек.
Красные карлики меньше и холоднее, чем наше Солнце, а это означает, что обитаемая зона для любых планет, вращающихся вокруг них, меньше и намного ближе к звезде, чем Земля к Солнцу. Это не только подвергает их воздействию вспышек, но и приводит к приливной блокировке планет к своим звездам.
Комбинация вспышек и блокировок может плохо сказаться на жизненных перспективах планет. Вращение Земли создает ее защитную магнитосферу, но планеты, повернутые к звезде только одной стороной, не могут ее создавать и в значительной степени не защищены от звездного УФ-излучения.
«Мы изучали планеты, вращающиеся в обитаемых зонах карликовых звезд M и K — наиболее распространенных звезд во Вселенной», — сказал Хортон.
«Обитаемые зоны вокруг этих звезд уже, потому что звезды меньше и менее мощны, чем звезды, подобные нашему Солнцу. С другой стороны, считается, что карликовые звезды M и K имеют более частую вспышечную активность, чем наше Солнце, и их приливно-отливные планеты вряд ли имеют магнитные поля, помогающие отклонять их звездные ветры».
У этого исследования есть и более положительная сторона. Ученые обнаружили, что звездная активность действительно может помочь поиску жизни.
Вспышки могут облегчить обнаружение некоторых газов, которые являются биомаркерами. В этом случае исследователи обнаружили, что энергия от вспышек может указывать на присутствие таких газов, как азотная кислота, диоксид азота и закись азота, которые могут быть индикаторами жизненных процессов.
«Явления космической погоды обычно рассматриваются как ущерб для обитаемости», — говорят астрономы.
«Но наше исследование количественно показало, что некоторая космическая погода действительно может помочь нам обнаружить признаки важных газов, которые могут указывать на биологические процессы».
Но только некоторые. В других случаях их работа показала, что вспышки могут разрушить потенциальные биосигнатуры бескислородной жизни.
Другой интересный результат этого исследования касается магнитосфер экзопланет. Ученые обнаружили, что мощные звездные вспышки могут помочь раскрыть природу и размеры магнитосферы.
«Говоря более умозрительно, протонные события во время супервспышек могут выявить существование магнитных полей планетарного масштаба, выделяя определенные регионы планеты. Идентифицируя отпечатки потоков, излучающих оксид азота или водорода во время магнитных бурь, можно определить геометрическую протяженность экзопланетных магнитосфер».
Другие недавние исследования показали, что экзопланеты, подверженные вспышкам, особенно возле красных карликов, не являются хорошим местом для поиска жизни. Подобная звездная деятельность слишком вредна для живых организмов. Но новое исследование показывает, что ситуация гораздо сложнее.
В целом оно говорит, что вспышка может помочь нам обнаружить биосигналы в некоторых случаях. Оно также показывает, что, хотя вспышки могут нарушить атмосферу экзопланет, во многих случаях она возвращается в свое нормальное состояние. Кроме того, звезды с низкой массой живут намного дольше, чем звезды, подобные нашему Солнцу, а это означает, что на их планетах есть больше времени для развития жизни.
Красные карлики – вечные звезды
Большинство звезд в галактике прячется в тени, слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом с Земли. Их небольшое сияние помогает продлить их жизни, которые по продолжительности не идут ни в какое сравнение с нашим Солнцем.
Ученые считают, что 2/3 звезд относятся к, так называемым, красным карликам. Такие звезды нельзя увидеть без телескопа. Самая ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра относится к “красным карликам”.
Нет конкретного определения про “красные карлики”. Этот термин обычно относится к карликовым звездам со спектральным типом от K5V до M5V.
Формирование и характеристики
Красные карлики формируются как обычные звезды главной последовательности. Газово-пылевые облака притягивается под действием гравитации. Материал сгущается в центре и когда он достигает критической температуры, начинается слияние.
Но красные карлики представляют из себя самые маленькие звезды, весящие от 7,5% до 50% массы Солнца. Их небольшой размер значит, что они горят на более низкой эффективной температуре, достигая только 3 500º С. Если сравнивать с нашим Солнцем, то температура на его поверхности составляет 5 500º C. Из-за низкой температуры красных карликов светимость их на порядок меньше, чем звезды, подобных нашему Солнцу.
Сравнительно низкая температура значит, что их топливо расходуется гораздо медленнее и это растягивает время существования красных карликов до триллионов лет, далеко за пределы 10-миллиардной продолжительности жизни солнцеподобных звезд.
Классификация красных карликов
Из-за тусклого света коричневых карликов, а также холодных звезд, их очень сложно классифицировать при первом обнаружении.
Для выяснения разницы, берется температура атмосферы. Коричневые карлики холоднее 1 727º C, а звезды, плавящие водород, горячее 2 427º C.
Есть ли жизнь?
Планеты формируются из материала, оставшегося в диске после создания звезды. Многие красные карлики были найдены с планетами, окружающими их, хотя огромные газовые гиганты встречаются довольно редко.
Предполагалось, что возле красных карликов не возможна жизнь. Их тусклый свет и невысокая температура означали, что обитаемая зона, где может образоваться жидкая вода, и, следовательно, жизнь будет очень близка к звезде, помещая их под поток мощного излучения от звезды. Другие планеты могут оказаться прижатыми к звезде, одна сторона которой постоянно обращена к светилу.
Новые модели показали, что есть планеты, которые способны развиваться и в таких местах. Поскольку красные карлики столь многочисленны в галактике, это значительно увеличивает возможности для эволюции жизни во Вселенной. Открытие планеты Глизе 581g у красного карлика в 2010 году, была названа “первой потенциально обитаемой” планетой вне Солнечной системы.