Белые карлики. Будущее Вселенной

Вернемся к электронному ферми-газу коричневых карликов. Принцип Паули утверждает, что два электрона, входящие в одну и ту же систему, не могут пребывать в одинаковом квантовом состоянии. В ферми-газе состояние электрона определяется его импульсом, положением и спином, который принимает всего два значения. Это означает, что в одном и том же месте может находиться не более двух электронов с одинаковыми импульсами (и, естественно, противоположными спинами). А поскольку в ходе гравитационного коллапса электроны пакуются во все уменьшающийся объем, они занимают состояния с возрастающими импульсами и, соответственно, энергиями. Это означает, что по мере сжатия протозвезды увеличивается внутренняя энергия электронного газа. Эта величина определяется чисто квантовыми эффектами и не связана с тепловым движением, а посему в первом приближении не зависит от температуры. Более того, при достаточно высокой степени сжатия энергия ферми-газа многократно превосходит тепловую энергию хаотического движения электронов и атомных ядер.

Отсюда проистекают важные последствия. Возрастание энергии электронного газа увеличивает его давление, которое также не зависит от температуры и растет гораздо сильнее давления теплового. Именно оно противостоит тяготению вещества протозвезды и прекращает ее гравитационный коллапс. Если это случается до достижения температуры поджога водорода, коричневый карлик остывает сразу после непродолжительного по космическим масштабам выгорания дейтерия. Если протозвезда пребывает в пограничной зоне и имеет массу 0,070–0,075 солнечной, она еще миллиарды лет жжет водород, однако на ее финал это не влияет. В конце концов квантовое давление электронного ферми-газа настолько понижает температуру звездного ядра, что горение водорода останавливается. И хотя его запасов хватило бы на десятки миллиардов лет, поджечь их коричневый карлик уже больше не сможет. Этим-то он и отличается от самого легкого красного карлика, выключающего ядерную топку, лишь когда весь водород превратился в гелий.

Существует еще одно отличие звезды главной последовательности от коричневого карлика, опять-таки связанное со свойствами ферми-газа. Обычная звезда не только не остывает, теряя лучистую энергию, но, как это ни парадоксально, нагревается. Это происходит потому, что звезда сжимает и разогревает свое ядро, что сильно увеличивает темпы термоядерного горения (так, за время существования нашего Солнца его светимость возросла по крайней мере на четверть). Иное дело — коричневый карлик, сжатию которого препятствует квантовое давление электронного газа. Вследствие излучения с поверхности он остывает подобно камню или куску металла, хотя, как и нормальная звезда, состоит из горячей плазмы. Перейти в кристаллическое состояние коричневые карлики не могут, для этого нет физических условий.

21. От теории к открытию

Погоня за коричневыми карликами была долгой. Даже у самых массивных представителей этого семейства, которые в юности излучают пурпурный свет, температура поверхности не превышает 2000 K, а у тех, что полегче и постарше, — порой не достигает и 1000 K. Хотя в излучении этих объектов присутствует и оптическая компонента, она очень слаба. Поэтому их лучше всего искать с помощью инфракрасной аппаратуры высокого разрешения, которая появилась лишь в 1980-е гг.

Именно тогда появились сообщения о претендентах на роль коричневых карликов. Первые подобные заявления не выдержали проверки, и реальное открытие предсказанных Кумаром псевдозвезд состоялось лишь в 1995 г. Пальма первенства принадлежит группе астрономов во главе с профессором Калифорнийского университета в Беркли Гибором Басри. Они изучали чрезвычайно тусклый объект PPl 15 из скопления Плеяд, который ранее обнаружила группа гарвардского астронома Джона Стауффера. По предварительным данным, его масса составляла 0,06 массы Солнца, и он вполне мог оказаться коричневым карликом. Но оценка была весьма приблизительной, и на нее нельзя было полагаться. Профессор Басри и его коллеги решили эту задачу с помощью литиевой пробы, которую незадолго до того придумал испанский астрофизик Рафаэль Реболо. Идея оказалась удачной — метод сработал.

Гибор Басри и его коллеги работали на первом десятиметровом телескопе гавайской обсерватории имени Кека, который вступил в действие в 1993 г. Они решили воспользоваться литиевой пробой, поскольку та позволяла отличить коричневые карлики от близких по массе красных карликов. Красные карлики очень быстро выжигают литий-7, а почти все коричневые карлики к такому не способны. Тогда считали, что возраст Плеяд составляет около 70 млн лет, и за это время даже наиболее легкие красные карлики должны полностью избавиться от лития. Если бы в спектре PPl 15 нашли литий, то появились бы основания утверждать, что это коричневый карлик.