Co to są brązowe karły

Pochmurno z
możliwością
opadu żelaza…
Pogoda
na brązowych
karłach (BK)
Co to są brązowe karły ?
(ang. brown dwarfs)
“Nieudane gwiazdy” (ang.
„Failed stars”: obiekty, które
powstają jak gwiazdy, ale mają
za małą masę by podtrzymać
reakcję syntezy wodoru (H).
„Super-jowisze” (ang.“SuperJupiters”): obiekty o wielkości
i składzie atmosfery podobnym
jak planety–olbrzymy, które
powstały tak jak gwiazdy.
Skąd się wzięła nazwa „brązowe karły”…
Czarne gwiazdy - Dark stars
Gwiazdy nieudane - Failed stars
Podgwiazdy - Substars
Karły podczerwone - Infrared dwarfs
Karły lilipucie- Lillipution dwarfs
Planetary - Planetars
Super-jowisze (gorące jowisze) - Super Jupiters
Skąd się wzięła nazwa brązowe karły :
http://www.universetoday.com/23247/if-brown-isnt-a-color-what-color-are-brown-dwarfs/
J.Tarter(1975r.-owczesna dyrektor SETI Inst.) :
„Było oczywistym, że jest potrzebny opisujący te karły kolor, który
byłby pomiędzy czerwonym i czarnym. Zaproponowałam kolor
brązowy i Joe (Silk) oponował ponieważ brązowy nie jest
kolorem ...”
“Nie wiemy jaki kolor one mają, więc nazwijmy je po prostu
BRĄZOWE KARŁY.”
Brązowe karły – kolaps grawitacyjny
(2)
(1)
Ewolucja gwiazd
1. Kontrakcja adiabatyczna
(Hayashi tracks)
(3)
Hayashi (1965)
2. Zapłon, utworzenie
promienistego jądra,
grzanie – równowaga
dynamiczna (Henyey
tracks)
3. Dojście do Ciągu
Głównego - równowaga
promienista.
Brązowe Karły
Różnica
poziomów
192m
Brązowe karły – kolaps grawitacyjny
Jak ciasno można spakować gwiazdę?
Istnieje ograniczenie w mechanice kwantowej oparte na
zakazie Pauliego : Dwa elektrony nie mogą zajmować tego
samego stanu kwantowego w tym samym miejscu i czasie.
Brązowe karły – kolaps grawitacyjny
Brązowe karły – kolaps grawitacyjny
Reakcja jądrowa PPI:
p + p → d + e+ + e,
Tc = 3  106 K
Poniżej ~0.1 M, degeneracja e- staje
się znacząca we wnętrzu BK (Pcore ~
105 Mbar, Tcore ~ TFermi) i zatrzymuje
kolaps grawitacyjny.
Poniżej ~ 0.075 M, Tcore pozostaje
poniżej krytycznej temperatury PPI 
Nie może podtrzymać syntezy
jądrowej wodoru
Poniżej ~ 0.013 M (13MJowisza)–
planeta (brak reakcji jądrowych
spalania litu-7 lub deuteru w jądrze
brązowego karła).
Ból gwiezdnych narodzin
Rysunek z American Scientific 294 (2006r.)
Brązowy
karzeł
Brązowy karzeł
rozpoczyna drogę ku
gwiezdnym narodzinom.
100 tys. lat:
z pewnego powodu
(zakaz Pauliego) kolaps
się zatrzymuje.
1 do 10 mln lat:
Brązowy karzeł stał się
wystarczająco masywny,
aby rozpocząć syntezę deuteru.
100 mln lat:
Po wypaleniu się deuteru
brązowy karzeł staje się
podobny do planety (staje się
coraz ciemniejszy i zimniejszy).
Planeta
Planeta tworzy się w dysku
wokół gwiazdy w miarę jak
ziarna stopniowo się zlepiają.
Planeta nigdy nie osiągnie
masy potrzebnej do syntezy
wodoru. Planeta stopniowo
staje się coraz ciemniejsza.
Gwiazda
Gwiazda zaczyna powstawać jako
wydzielony obszar z chmury gazu i
pyłu międzygwiazdowego. Jego
centralna część tworzy zarodek
przyszłej gwiazdy.
100 tys. lat:
otaczający materiał zbiera
się w dysk otaczający
zarodek gwiazdy.
30 mln lat:
Protogwiazda skurczyła się
wystarczająco, aby rozpocząć
syntezę wodoru i aktualnie może
być uważana za prawdziwą gwiazdę.
1 do 10 mln lat:
Protogwiazda staje się coraz
cięższa, w miarę jak się kurczy.
Dysk się rozrzedza i w tym dysku
zaczynają się tworzyć planety.
Brązowe karły - ewolucja
90
80
Temperatura powierzchniowa (K)
Gwiazdy
Brązowe
Karły
75
70
60
10
20
30
Czas (miliardy lat)
40
50
Bez źródła energii,
brązowe karły szybko
ewoluują ku coraz
niższym Tpowierzchniowym
i niższym jasnościom.
Czas życia gwiazd
Mało masywne gwiazdy
Masa  0,1 masy Słońca,
Czas życia  około 10 bilionów lat.
Słońce
Masa  1 masa Słońca,
Czas życia  około 10 miliardów lat.
Masywne gwiazdy
Masa  80 mas Słońca,
Czas życia  około 10 milionów lat.
Śmierć gwiazd
supernowa
Masywna gwiazda
(> 8 mas Słońca)
Gwiazda
neutronowa
Pozostałości
supernowej
Utrata masy …
LUB
Czarna dziura
Biały karzeł
Małomasywna gwiazda
(< 8 mas Słońca)
Czerwony olbrzym
Brązowy karzeł
Mgławica
planetarna
Niektóre gwiazdy nigdy
nie umierają, one po
prostu powoli znikają …
(ang. Some stars never
die, they just fade away)
Brązowe karły - struktura
Brązowe karły – test litowy
Różnice w budowie pomiędzy planetami,
brązowymi karłami i gwiazdami
(Scientific American
IV 2000r.)
Liczba odkrytych brązowych karłów
W dwudziestym wieku :
Lata 60-te
Lata 70-te
Lata 80-te
Lata 90-te
……………. 0
……………. 0
…........... X
4 0
…..… mnóstwo
UWAGA!!!
1995 rok - Odkrycie pierwszych brązowych karłów
(Teide 1 i Gliese 229B)
Aktualna liczba znanych brązowych karłów.
Aktualna liczba znanych brązowych karłów.
http://www.johnstonsarchive.net/astro/browndwarflist.html
(ostatnia aktualizacja 14 marca 2014 r.)
Kryterium klasyfikacyjne dla brązowych karłów:
Obiekty o typie widmowym >= M9.5 (tzn. M9.5, L0…9, T, Y0…9)
LUB
Obiekty o szacowanych masach ~13- ~80MJowisz(spalające deuter).
Razem znanych jest 2647 obiektów (2085 potwierdzonych, 562 kandydatów na
brązowych karłów) o następujących typach widmowych:
• M – 326szt,
• L – 1329szt,
• T – 579szt,
• Y – 21szt,
• bez znanego typu widmowego – 392szt.
Najbliższe znane brązowe karły oraz gwiazdy.
Materiał źródłowy: http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/
Bardzo zimne gwiazdy są (pod) czerwone
Brązowe karły typu M, L, T i Y.
Karły M : dominują linie
absorpcyjne TiO, VO, H2O, CO
+ linie metali alkaicznych.
Karły L : linie absor.tlenków są
zastępowane przez wodorki
(FeH, CrH, MgH, CaH) i silne
są linie metali alkaicznych.
Karły T : widać silne linie CH4
i H2O oraz ekstremalnie
szerokie Na I i K I.
Karły Y : silne linie H2O.
Karły M (3500-2100 K, 326 jest znanych)
magnetycznie aktywne,najmłodsze b.k.
Karły L (2100-1300 K, 1329 jest
znanych) bogate w molekuły (CO,
H2O) atmosfery zawierają chmury z
„gorącym brudem”.
Karły T (1300-500 K, 579 jest znanych)
brązowe karły z atmosferami
zawierającymi H2O, CH4 i NH3.
Karły Y (<500 K, 21 jest znanych)
najzimniejsze brązowe karły odkryte
parę lat temu, prawdopodobnie
zawierające w atmosferze chmury H2O
Zmiana temperatury powierzchniowej B.K. w czasie.
zmiana temperatury
powierzchniowej gwiazd
w czasie (M>0.075M –
synteza wodoru)
zmiana temperatury
powierzchniowej B. K. w
czasie dla mas z przedziału
0.013M<MBK<0.075M–
brak syntezy jądrowej H,
ale jest „spalanie” Litu-7
(MBK>0.06M) lub deuteru
(MBK>0.013M).
---- zmiana temperatury
powierzchniowej planemo /
planet - poniżej 0.013 M
(13MJowisza) – brak syntezy
jądrowej jakichkolwiek
pierwiastków.
i pogoda na
brązowych karłach
Gazy w atmosferach brązowych karłów
Chmury w atmosferach brązowych karłów
Brązowe karły mają gorące atmosfery podobne do planet –
unikalne środowiska do zrozumienia zjawisk formowania
się chmur i pogody.
Chmury w atmosferach brązowych karłów L
≈ L7
≈ T7
Ackerman & Marley (2001)
Generalnie dana
warstwa chmur jest
przypisana do
≈ Y? wąskiego zakresu
temperatur  dla
chłodniejszych BK,
chmury będą
występowały
poniżej fotosfery
(fotosfera =
„powierzchnia”
brązowego karła).
Chmury w atmosferach brązowych karłów
W temperaturach i
ciśnieniach atmosfer
karłów późnych typów
widmowych M i L, wiele
gazowych związków
chemicznych może
tworzyć kondensaty
(chmury/skropliny).
np.:
Marley et al. (2002)
• TiO → TiO2(s), CaTiO3(s)
• VO → VO(s)
• Fe → Fe(l)
• SiO → SiO2(s), MgSiO3(s)
Zmienność fotometryczna brązowych karłów
Wiele brązowych karłów
późnego typu widmowego L i
T jest zmiennych, P ~ godziny,
podobnie jak tempo tworzenia
się pyłu w brązowych karłach.
Atmosfery brązowych karłów
są za zimne, aby podtrzymać
plamy magnetyczne 
chmury – bardziej
prawdopodobne.
Enoch, Brown, & Burgasser (2003)
Generalnie okresy tych zmian
nie są stabilne  szybkie
zmiany na powierzchni
brązowych karłów.
Bezpośrednia detekcja chmury z ziarnami krzemianów.
Dowody na kondensacje - spektroskopia
Zanikanie pasm TiO i VO przy
przejściu od późnego typu
widmowego M do L może być
bezpośrednio wyjaśnione ich
akumulacją w postaci
kondensatów.
Kirkpatrick et al. (1999)
Przykłady ciekawych
brązowych karłów
Brązowy karzeł WD 0806-661 B
http://science.psu.edu/news-and-events/2011-news/Luhman10-2011
Odległość – 63 lata świetlne,
Krąży w odległości 2500 j. a.
od białego karła WD 0806-661
Typ widmowy Y,
Masa ok. 6-8 mas Jowisza,
Temperatura fotosferyczna 27-70C,
Obserwacje teleskopem Spitzera 
Poniżej animacja …
Brązowy karzeł WD 0806-661 B
(wizja artystyczna – widok z brązowego karła w stronę białego karła)
Brązowy karzeł WD 0806-661 B
(wizja artystyczna – widok z brązowego karła w stronę białego karła)
Podwójny „zielony” brązowy karzeł WISE 0458+6434
Odkryty w 2010 r. (składnik A) / 2011r. (składnik B)
Separacja składników A-B  5 j.a., okres orbitalny 70lat,
Odległość  36 lat świetlnych (gw. Żyrafy),
 Obserwacje teleskopem WISE
Typy widmowe A/B  ok.T9,
Masa A/B  ok. 15/10 mas Jowisza,
Temperatura fotosfer A/B  600K/500K,
Na zdjęciu kolory są zamapowane do zakresu widzialnego.
Metanowa atmosfera pochłania najkrótsze promieniowanie podczerwone
(3,4μm - kolor niebieski). Widać tylko kolor „zielony” (4,6 μm) ponieważ
br.karły A/B są za zimne by promieniować w kolorze „czerwonym” (12μm).
Podwójny „zielony” brązowy karzeł WISE 0458+6434
 Obserwacje teleskopem WISE
Astronom Amy Mainzer (NASA):
„Gdyby tak zapuszkować galon atmosfery tego obiektu i sprowadzić go
na Ziemię - zapach nie zabiłby, ale śmierdziałoby całkiem nieźle
zgniłymi jajami z nutką amoniaku.”
Aktualnie najzimniejszy brązowy karzeł  WISE 0855-0714.
Wizja artystyczna WISE 0855-0714
Odkryty w kwietniu 2014r. przez Luhmana,
Typ widmowy Y?,
Odległość 7.3 roku świetlnego (gwiazdozbiór Hydry),
Szacowana masa 3-10MJowisza, („sub-brown dwarf”?)
Temperatura powierzchniowa od -48C do -13C,
Mogą występować chmury z lodem H2O ( http://arxiv.org/pdf/1408.4671v2.pdf)
Więcej informacji na temat WISE 0855-0714 można znaleźć tutaj:
http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/
Brązowy karzeł WISE1828+2650  fotosfera 25C.
Odkryty w 2011 r.
Odległość – 37 lata świetlne (gw. Lutni),
Obserwacje teleskopem kosmicznym WISE 
Typ widmowy Y2,
Masa ok. 0,5-20 mas Jowisza,
Wiek 0,1-10 mld lat,
Temperatura fotosfery ok. 25C,
(trochę chłodniejszy od
temperatury ciała ludzkiego!!!)
Wizja artystyczna tego obiektu

Planeta HD 189733b (V452 Vul) - tutaj pada gorące szkło.
http://astrobob.areavoices.com/2013/07/11/meet-hd-189733b-the-blue-planet-where-it-rains-hot-glass/
Odkryty w 2005 r.
Odległość – 63 lata świetlne (gw.Liska),
Masa ok. 1,16 masy Jowisza,
Wiek >0,6 mld lat,
Temperatura fotosfery ok. 1100C,
Wizja artystyczna tego obiektu
Planeta HD 189733b (V452 Vul)
(tutaj pada stopione szkło).
Wizja artystyczna tego obiektu.
Widok z HD189733b w stronę naszego Słońca (63l.św.).
Planeta obiega gwiazdę Sp=K1.5V w ciągu 2,2 dni
http://astrobob.areavoices.com/2013/07/11/meet-hd-189733b-the-blue-planet-where-it-rains-hot-glass/
Brązowy karzeł 2MASS 2139
Brązowy karzeł jest odległy
o 47 lat świetlnych od Ziemi,
w gwiazdozbiorze Wodnika
W czasie 8-godz. obserwacji
jego jasność zmieniała aż o 30%!!!
Są to największe wahania jasności
jakie dotychczas obserwowano
u brązowego karła.
Być może gigantyczna burza
na skalę całej planety szalała
w czasie obserwacji (większa od
Wielkiej Czerwonej Plamy na Jowiszu).
Możliwe jest też, że obserwowane
są niskie, gorące warstwy atmosfery
widziane przez dziurę w pokrywie chmur.
Brązowy karzeł 2MASS 2228-4310
obserwowany
jednocześnie przez teleskopy
Hubble’a (zakres 1,25mikrona)
i Spitzera (zakres 4,5mikrona)
Tutaj z chmur zamiast wody
pada gorący piasek,
krople stopionego żelaza,
i inne egzotyczne kondensaty.
Brązowy karzeł
2MASS 2228-4310
o okresie rotacji 1,4 godz.
Artystyczna wizja
deszczu ze stopionego żelaza
padającego w atmosferze
brązowego karła
Brązowe karły z układami planetarnymi
Wiek 8mln lat
Brązowe karły
z układami planetarnymi :
Mikrosoczewkowanie
masy Słońca
masy Ziemi
Widok zachodzącego
brązowego karła
na planecie krążącej
wokół niego.
Literatura:
Niniejszą prezentację przygotowałem w większości na podstawie wykładów
prof.Burgassera dostępnych pod odnośnikiem (przetłumaczyłem na j. polski) :
http://pono.ucsd.edu/~adam/presentations/
Polecam prezentację prof. Burgassera z kolokwium w słynnym FermiLab
w dn. 6 VIII 2003 r. na temat podstaw fizycznych pogody na brązowych karłach :
http://vmsstreamer1.fnal.gov/VMS_Site_02/Lectures/Colloquium/Burgasser/index.htm
http://vmsstreamer1.fnal.gov/VMS_Site_02/Lectures/Colloquium/Presentations/Burgasser.ppt
Aktualnie najzimniejszy brązowy karzeł (kwiecień 2014r.)
http://scitechdaily.com/spitzer-wise-discover-coldest-known-brown-dwarf/
Śmierdzący „zielony” brązowy karzeł:
http://io9.com/5687086/cold-smelly-failed-star-might-be-the-most-pathetic-thing-in-the-universe
Skąd się wzięła nazwa brązowych karłów
http://www.universetoday.com/23247/if-brown-isnt-a-color-what-color-are-brown-dwarfs
Ryszard Biernikowicz - PTMA Szczecin
KONIEC