Barna törpe – mi az? Definíció és főbb jellemzők

Barna törpe: mi ez, hogyan különbözik a csillagoktól és bolygóktól? Fedezze fel definícióját, tömeghatárait, fúziós jellemzőit és híres példáit.

Mi az a barna törpe? A barna törpe olyan égitest, amely ugyanabból az anyagból (főleg hidrogénből és héliumból) áll, mint a csillagok, de nincs elég tömege ahhoz, hogy tartósan beindítsa a csillagok belsejében zajló hidrogénfúziót: azaz a hidrogénfúzióhoz (a hidrogénatomok héliumatommá történő egyesüléséhez). Mivel a magfúzió adja a csillagok hosszú távú izzó fényét és energiatermelését, a barna törpék nem sorolhatók a hagyományos csillagok közé, ugyanakkor sem egyszerű gázóriások: bizonyos korai időszakokban és megfelelő tömegtartományban rövidebb ideig izzanak és magfúziós reakciókat (pl. deutériumfúziót) is fenntarthatnak.

Tömeghatárok és fúzió

A barna törpék tömege a legnehezebb gázóriások és a legkönnyebb csillagok közé esik. A felső határuk körülbelül a Jupiter tömegének 75–80-szorosa (M_J), ezen felül már tartós hidrogénfúzióra képes csillagok keletkeznek. Ennél kisebb tömegek esetén azonban előfordulhat rövidebb ideig tartó deutérium-fúzió: a deutériumfúzió küszöbe nagyjából ~13 M_J körül van, és a ~65 M_J fölötti barna törpékről feltételezik, hogy deutériumot, a ~65 M_J fölöttiek pedig lítiumot is fuzionálnak. (A pontos határértékek a kémiai összetételtől, illetve a korától is függenek.)

Fizikai jellemzők

• Méretek: a barna törpék sugara általában hasonló a Jupiteréhez (nagyjából 0,8–1,2 R_J), mivel a belső nyomást részben az elektron-degeneráció nyomása tartja fenn.
• Hőmérséklet és fényesség: felszíni hőmérsékletük a több ezer kelvintől néhány száz kelvinig terjedhet a tömegtől és kortól függően, ezért abszolút fényességük kicsi, és főleg az infravörös tartományban sugároznak.
• Spektrális jegyek: atmoszférájukban jelen lehetnek molekulák (például vízgőz, metán, ammónia), amelyek erősen befolyásolják a spektrumukat és színképüket.

Spektrális típusok és hőmérsékleti skála

A barna törpéket a spektrális osztályok L, T és Y kategóriákkal jellemzik, amelyek a csillagoknál használt osztályoktól eltérőek és a hőmérsékletük alapján rendeződnek:

• L típus: a melegebb barna törpék tartománya (körülbelül 1300–2500 K), erőteljes fém- és molekulaelnyelési vonalakkal.
• T típus: jellemzően 500–1300 K közötti hőmérséklet; a metán jellegzetes nyomai megjelennek a spektrumban.
• Y típus: a legehűvösebbek (<500 K), amelyek atmoszférája különleges kémiai jelenségeket mutathat.

Miért nehéz őket megtalálni?

A barna törpék abszolút nagysága kicsi, és főként infravörös sugárzást bocsátanak ki, ezért nehezebb őket észlelni a látható tartományban. Ennek ellenére nagy infravörös felmérések (például a 2MASS és a WISE) sok új példányt fedeztek fel. Emellett az életkoruk és tömegük határozza meg, mennyire fényes egy adott barna törpe: az idő múlásával hűlnek és halványulnak.

Színük és észlelésük

Nevük ellenére a legtöbb barna törpe emberi szemmel nem feltétlenül barna színű: sokuk a látható tartományban erősen vöröses vagy akár magenta árnyalatúnak tűnhet a spektrális elnyelési vonalak és a detektálási módok miatt. Fontos azonban, hogy a legtöbb sugárzásuk az infravörösben történik, ezért hamis színű kompozitképeken észlelt árnyalatok gyakran nem a tényleges látható színt tükrözik (magenta színűnek tűnhetnek a felvételeken).

Érdekességek és példák

• Legközelebbi ismert: a legközelebbi ismert barna törpe-rendszer a 6,5 fényévre található WISE 1049-5319 (más néven Luhman 16), amely egy 2013-ban felfedezett barna törpékből álló kettős rendszer.
• Azonosítás: a lítiummintázat vizsgálata (a lítiumesemények hiánya vagy jelenléte) egy klasszikus módszer annak eldöntésére, hogy egy objektum barna törpe-e vagy alacsony tömegű csillag, mivel a csillagok a korai fázisban elég melegek a lítium elpusztításához bizonyos tömeghatárok felett.
• Változatos jelenségek: egyes barna törpék mágneses aktivitást, rádiókitöréseket és auroraszerű jelenségeket mutatnak; előfordul, hogy saját bolygórendszerekkel vagy porsávokkal rendelkeznek.

Miért fontosak a csillagászatban?

A barna törpék tanulmányozása fontos, mert átmenetet képeznek a csillagok és a bolygók között: segítenek megérteni a csillagkeletkezés folyamatát, a csillagok kezdeti tömegoszlását, valamint a bolygó- és törpeobjektumok atmoszférájának fizikáját. Bár sok barna törpe lehet a Tejútrendszerben, csak a fejlett infravörös és pontos mozgásméréseket végző felmérések tették lehetővé nagyszámú felfedezésüket és osztályozásukat.

Discovery

Az 1960-as években kezdtek beszélni a barna törpékről. A barna törpékre alternatív neveket javasoltak, többek között planetar és substar. Évtizedekig hipotetikusak maradtak.

A korai elméletek szerint a 0,09 naptömegnél kisebb tömegű objektumok soha nem mennek keresztül a normális csillagfejlődésen. A deutérium-égés felfedezése 0,012 naptömegig, valamint a barna törpék hűvös külső légkörében történő porképződés hatása az 1980-as évek végén megkérdőjelezte ezeket az elméleteket. Az ilyen objektumokat azonban nehéz volt megtalálni, mert szinte egyáltalán nem bocsátanak ki látható fényt. A legerősebb sugárzásuk az infravörös (IR) spektrumban van, és a földi IR-detektorok akkoriban még túl pontatlanok voltak ahhoz, hogy könnyen azonosítani tudjanak barna törpéket.

A barna törpék felfedezésére tett erőfeszítések sok éven át eredménytelenek voltak. 1988-ban azonban felfedezték a GD 165B-t, amely nem mutatta a kis tömegű vörös törpecsillagoktól elvárt jellemzők egyikét sem. Ma a GD 165B-t az "L-törpéknek" nevezett objektumok osztályának prototípusaként ismerik el. Bár a leghűvösebb törpe felfedezése akkoriban nagy jelentőséggel bírt, vitatott volt, hogy a GD 165B-t barna törpének vagy egyszerűen csak nagyon kis tömegű csillagnak kell-e minősíteni, mivel megfigyelési szempontból nagyon nehéz különbséget tenni a kettő között.

Nem sokkal a GD 165B felfedezése után más barna törpejelöltekről is beszámoltak. A legtöbbjük azonban nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, mert a lítium hiánya miatt csillagszerű objektumoknak bizonyultak. A valódi csillagok valamivel több mint 100 millió év alatt (my) elégetik a lítiumot, míg a barna törpék nem. Zavaró módon a barna törpék hőmérséklete és fényessége hasonló néhány valódi csillagéhoz. Más szóval, a lítium kimutatása egy objektum légkörében azt jelenti, hogy ha az objektum 100 my-nál idősebb, akkor barna törpéről van szó.

1994/5-ben a barna törpék tanulmányozása két határozott csillagközi objektum (Teide 1 és Gliese 229B) felfedezésével megváltozott.

Az első megerősített barna törpét 1994-ben fedezték fel. Az objektumot Teide 1 néven emlegették, és a Plejádok nyílt halmazában találták meg. A Nature az akkori szám címlapján kiemelte: "Barna törpéket fedeztek fel, hivatalosan". A Teide 1 távolságát, kémiai összetételét és korát azért állapították meg, mert a fiatal Plejádok csillaghalmazban található. A Teide 1 tömege 55-ször nagyobb, mint a Jupiteré, és egyértelműen a csillagtömeg-határérték alatt van.

Figyelemre méltóbb volt a Gliese 229B, amelynek hőmérséklete és fényessége jóval a csillagászati tartomány alatt volt. Figyelemre méltó, hogy a közeli infravörös spektrumában 2 mikrométernél egyértelműen kimutatható volt egy metánelnyelési sáv, amit korábban csak az óriásbolygók és a Szaturnusz Titán holdjának légkörében figyeltek meg. Ez a felfedezés hozzájárult egy újabb, az L-törpéknél is hűvösebb színképi osztály, a T-törpék létrehozásához, amelyeknek a Gliese 229B a prototípusa.

A 65 Jupiter tömeg alatti barna törpék nem képesek lítiumot égetni termonukleáris fúzióval a fejlődésük során. A kiváló minőségű színképi adatok azt mutatták, hogy a Teide 1 megőrizte az eredeti molekulafelhő eredeti lítiummennyiségét, amelyből a Plejádok csillagai keletkeztek. Ez bizonyította a magjában a termonukleáris fúzió hiányát.

A Teide 1 egy ideig a Naprendszeren kívüli legkisebb objektumnak számított, amelyet közvetlen megfigyeléssel azonosítottak. Azóta több mint 1800 barna törpét azonosítottak. Némelyikük nagyon közel van a Földhöz, mint például az Epsilon Indi Ba és Bb, amely egy napszerű csillaghoz gravitációsan kötött barna törpepár, mintegy 12 fényévre a Naptól, vagy a WISE 1049-5319, amely egy barna törpékből álló kettős rendszer, mintegy 6,5 fényévre.

Egy L-törpe művészi lenyomata


Egy T-törpe művészi lenyomata


Egy Y-törpe művészi lenyomata

Kérdések és válaszok

K: Mi az a barna törpe?

K: Miért nem tekintik a barna törpéket szabályos óriásbolygóknak?

K: Miért nehéz megtalálni a barna törpéket?

K: Milyen tartományban mozog egy barna törpe tömege?

K: Mi történik, ha egy barna törpe tömege meghaladja a 13 MJ-t?

K: Mi történik, ha egy barna törpe tömege meghaladja a ~65 MJ-t?

K: Milyen színűnek tűnik a legtöbb barna törpe az emberi szem számára?

Keresés betűvel