Коричневые карлики и их пары
Недавно попалась статья:
Два коричневых карлика могут слиться в полноценную звезду
Обнаружена сверхтесная пара коричневых карликов, каждый массой около 60-80 масс Юпитера. Они вращаются друг вокруг друга с периодом около часа. Пара действительно сверхтесная: оба компонента могли бы поместиться в пределах расстояния между Землей и Луной. При этом происходит переток вещества с меньшего компонента на больший.
Это интересно по целому ряду причин. Прежде всего, не так давно мне попадалась другая статья, где из факта одиночности старых коричневых карликов делался вывод, что они склонны терять свои вторые компоненты, то есть пара разрывается за счёт воздействия гравитации мимо проходящих звезд, других объектов, центра Галактики и так далее. Мне ещё тогда пришла в голову идея, что это может объясняться иначе, именно что слиянием тесных пар. Они ведь теряют энергию за счёт гравитационного излучения, точно так же, как и пары звезд, чёрных дыр и тому подобное. В первую очередь - из-за приливного взаимодействия, конечно.
Слившиеся коричневые карлики, если речь не об объектах экстремально малой массы, должны превратиться в нормальную, хоть и маленькую, звезду - красный карлик спектрального класса M. Насколько я помню расчёты, образующийся протопланетный диск из сброшенного при таком слиянии вещества удивительно массивен — до десятой части совокупной массы звезд. Это в расчёте на малые звёзды, но, думаю, у коричневых карликов ситуация аналогичная.
Вообще, интересна ситуация именно в этой паре карликов. Тут ведь неясно, сколько времени займёт слияние. У коричневых карликов есть такое явление, как предел геометрического размера. Дело в том, что в диапазоне масс где-то от половины от Юпитера до барьера превращения субзвезды в полноценную звезду (~78 масс Юпитера, "порог Кумара") геометрический размер объекта остаётся плюс-минус одинаковым. Если на него "лить" вещество, расти будет только плотность. Потом, когда в недрах объекта начинаются термоядерные реакции, начинает расти и размер, но даже Проксима Центавра, массивней Юпитера раз в 130, по размерам превосходит его всего в полтора раза.
По итогам процесса перетока в этой паре карликов должно получиться примерно следующее:
Вариант 1: Более массивный компонент за счёт набора массы пересечёт предел Кумара, в его недрах начнутся термоядерные реакции - и он станет красным карликом. У него будет парный объект - фактически бывшее ядро меньшего компонента, состоящее из менее летучих компонентов, вполне возможно, даже условно "каменистое". В дальнейшем объекты продолжают сближаться за счёт приливного взаимодействия и гравитационного излучения - и сольются.
Вариант 2: Процесс сжатия из состояния коричневого карлика в состояние полноценной звезды займёт много времени - и компоненты успеют окончательно слиться до того, как он завершится.
В обоих случаях произойдёт сброс части вещества сливающихся объектов в протопланетный диск. В первом случае, вероятно, он будет несколько более богат тяжёлыми элементами. Но и во втором случае в протопланетном диске окажется аномально много "камня" - в сравнении с "газом" (водород и гелий) и "льдом" ("летучие" оксиды). В итоге вокруг новой звезды совершенно точно будут существовать землеподобные планеты (ну, плотные каменистые планеты - "земной группы").
В результате мы получим очень маленькую и очень долгоживущую звезду — красный карлик — и очень крупные, и, наверное, многочисленные планеты типа Земли.
И?.. К чему мы всё это?
Судьба Вселенной и жизни в ней
Чем это интересно?
Тут мы упираемся в проблематику будущего нашей Вселенной.
Старый вопрос:
В какой момент времени Вселенная наиболее удобна для возникновения и развития жизни и разума нашего типа? То есть: когда проще всего возникнуть и развиться аналогу Земли - планете аналогичной массы, с подходящим уровнем освещения, стабильными условиями на протяжении миллиардов лет и т.п.?
Рассмотрим его вкратце.
Подходит ли для жизни наша космологическая эпоха?
Может быть, наиболее пригодна для жизни современная Вселенная - а не та, что будет существовать через сто миллиардов лет - или, там, сто триллионов?
Очень спорно. В наше время далеко не каждая галактика в принципе условно жизнепригодна. В частности, потому, что достаточно негативное воздействие на развитие жизни оказывают периодические вспышки сверхновых.
В галактике вроде нашего Млечного Пути есть спиральные ветви - и есть пространство между ними. Спиральная ветвь — это не какой-то объект. Это - процесс: волна плотности в межзвёздном газе (вроде звуковой). Когда она проходит через определенную зону галактического диска, то провоцирует там вспышку звездообразования (просто из-за уплотнения среды). Образуются, в том числе, и крупные звёзды, оказывающие непропорционально большое влияние на светимость этого района Галактики. Условно говоря, одна звезда массой в 10 раз больше Солнца несравнимо ярче 10 звёзд солнечной массы или, тем более, 100 звёзд с массой в 1/10 солнечной.
В связи с этим такие крупные звёзды быстро "прогорают" (быстрее растрачивают термоядерное "топливо" - водород). Соответственно, когда через определённую зону в галактическом диске проходит волна плотности, она, эта зона, становится ярче - за счёт молодых крупных звёзд. Долго они не "живут": исчерпав водород, вспыхивают сверхновыми второго типа и превращаются в нейтронные звёзды или чёрные дыры. Поэтому вне волны плотности светимость оказывается ниже (это пространство между спиральными рукавами).
При этом - важнейший момент: скорость движения волны плотности в газе совсем не обязана совпадать со скоростью движения звёзд вокруг центра галактики. Просто потому, что движение звёзд вокруг центра галактики происходит под действием гравитации, в то время как движение волны плотности в газе идет по законам газовой динамики, в соответствии с молекулярно-кинетической теорией газов.
В результате получается, что подавляющее большинство звёзд раз в несколько сотен миллионов лет погружаются в зону, где много молодых ярких звёзд - и, как следствие, постоянно происходят вспышки сверхновых. Это не слишком удобно для развития - ну, по крайней мере, сухопутной жизни. Иногда звёзды в движении "нагоняют" волну плотности (если движутся быстрее неё), иногда догоняются ею (если наоборот), но результат одинаковый.
Несложно догадаться, что есть, однако, и те звёзды, которым "везёт": их скорость движения вокруг центра галактики примерно совпадает со скоростью движения спиральных ветвей - ну, то есть тех самых волн плотности. Это так называемый "коротационный тор". Вернее, каким-то звёздам в нём радикально не повезло (они постоянно в окружении предшественников сверхновых), зато другим - наоборот (они не встречаются с ними примерно никогда).
Учитывая всё вышесказанное, вряд ли кого-то особенно удивит тот факт, что Солнце, судя по всему, в коротационном торе Млечного Пути и находится. Мы никогда не попадаем в спиральные ветви, и с близкими сверхновыми сталкиваемся нечасто.
Если исходить из принципа Коперника (мы - обычные), это было бы очень странной статистической аномалией - если бы не было принципиально важным для развития разумной жизни фактором. Но если это определяющий фактор, то тогда всё правильно, тут подключается уже антропный принцип: если других разумных существ, кроме тех, которые живут в коротационном торе, нет (не смогли эволюционировать под постоянными лучевыми ударами сверхновых), то именно такую картину мы и должны наблюдать (что мы находимся в коротационном торе). В этом случае принцип Коперника "не возражает".
Однако подавляющее большинство звёзд, в принципе подходящих для развития около них разумной жизни (идеально солнцеподобных, с планетными системами вроде нашей...), не находятся в коротационном торе. То есть галактика Млечный Путь в принципе подходит для развития разумной жизни (возле некоторой - весьма небольшой - доли своих звёзд), но она далеко не идеальна.
Скорее всего, примерно таким образом дело обстоит и в других галактиках. Только надо учесть ещё и то, что, в принципе, не факт, что именно в этой конкретной галактике коротационный тор вообще есть (может, спиральные ветви движутся слишком быстро или слишком медленно в сравнении со звёздами). И не факт, что, даже если в этой спиральной галактике коротационный тор есть, у неё не было серьёзного взаимодействия с другими галактиками за последние миллиарды лет, ведь вследствие такого взаимодействия какие-то звёзды могут быть выброшены из коротационного тора (что, наверное, погубит в итоге развивающуюся там сложноорганизованную жизнь), а то и весь он может сместиться (выросла масса галактического ядра, к примеру - и скорость движения звёзд по своим орбитам поменялась).
Млечный Путь действительно может быть одной из немногих галактик, где условия оставались стабильными последние 5 миллиардов лет. В нашем галактическом скоплении - Местной группе - Млечный Путь вторая по размерам спиральная галактика. Номера один и три - Туманность Андромеды и Треугольник - судя по всему, провзаимодействовали между собой не так давно, что существенно "взбаламутило" структуру более лёгкого Треугольника, но и на Туманность Андромеды не могло совсем не повлиять.
Существуют, конечно, ещё и галактики других типов. Есть неправильные, с очень большим количеством пыли и газа. Ну, здесь вообще нет "безопасных" относительно вспышек сверхновых зон. Есть эллиптические галактики, но там, в целом, старое звёздное население, скорее всего, относящееся к предыдущим поколениям звёзд, в составе которых вообще довольно мало тяжёлых элементов, и, в общем-то, не факт, что там могут формироваться планетные системы типа Солнечной.
Но тогда во всей Местной группе галактик теоретически коротационный тор мог бы существовать только в Млечном Пути, Андромеде и Треугольнике. При этом в Треугольнике его как стабильного явления нет практически наверняка, а в Андромеде - с большой вероятностью.
Выходит, Млечный Путь - единственное пристанище разумной жизни в нашем галактическом скоплении, при этом он подходит для развития разума отнюдь не идеально (но хоть как-то). И далеко не факт, что в каждом галактическом скоплении есть "везунчик" вроде Млечного Пути: тут дело случая, может и вовсе не быть ни одного...
Вселенная через триллион лет. Или через сто триллионов...
А как насчёт более поздних эпох? В какую сторону будет развиваться Вселенная потом?
Ну, вообще-то, темпы звездообразования будет снижаться. Будет рождаться всё меньше и меньше новых звёзд, причём крупные будут относительно быстро "прогорать", а вот долгоживущие мелкие - "копиться". Мелкие звёзды могут просуществовать гораздо более долгий срок. Группы галактик, скопления будут склонны сливаться, превращаясь в единые крупные галактики, которые по мере исчерпания потенциала звездообразования будут становиться сплошь эллиптическими.
Ну вот, к примеру, во что через триллион лет превратится Млечный Путь? Скорее всего, в часть единой галактики, объединяющей сегодняшний Млечный Путь, Туманность Андромеды, Треугольник и остальную Местную группу (притом остальная Вселенная может для неё и вовсе "уплыть" за пределы космологического горизонта). Эта эллиптическая мега-галактика будет состоять почти исключительно из звёзд спектрального класса M, весьма тусклых. Также там будет значительное количество остывших белых карликов, возможно, некоторое количество голубых карликов (в них превращаются "старые" красные карлики - перед тем, как стать "гелиевыми белыми"), а также нейтронных звёзд и чёрных дыр (но вряд ли они будут себя особо проявлять).
Могут ли там оказаться аналоги Земли?
Могут, по двум вариантам.
Голубые карлики и их планеты возрастом в триллион лет
Если правильны современные представления об эволюции красных карликов, то в конце их ждёт не фаза красного гиганта, а именно фаза голубого карлика. То есть звезда постепенно разогревается - и становится значительно ярче, размер при том меняя не принципиально. Крупнейшие голубые карлики сформируется уже через триллион лет, и будут иметь массу где-то 0.2 солнечной, а светимость - 0.25 солнечной (но принадлежать при этом к спектральному классу A, а по некоторым расчётам и более раннему B - от химического состава зависит). Зона "Маши и Медведя" (обитаемости) будет на расстоянии где-то около 0.5 а.е. от звезды - что-то около 75 млн км.
Если на орбиту в зоне Маши и Медведя в ходе сложной эволюции планетной системы (за триллион лет самые разные вещи могут произойти) была заброшена каменистая планета, то она "оттает" - и вполне может стать обитаемой (в фазе голубого карлика звезда тоже миллиарды лет пробудет). Вариант: на этой орбите может оказаться планета-гигант с крупным спутником. Тогда тот тоже может "оттаять" и стать обитаемым.
Проблемы: во-первых, мы не видим сейчас во Вселенной никаких голубых карликов - ибо появятся они именно что через триллион лет. Это только теоретические модели. Во-вторых, стабильность планетной системы на протяжении такого срока вызывает сомнения. Впрочем, об этом отдельно потом поговорим.
Слияние сверхтесных звёздных пар: "запоздавшие" оранжевые карлики
Периодически сверхтесные пары красных карликов будут сливаться с образованием звёзд чуть-чуть более крупных. Расчёт показывает, что их светимость сможет достигать 3%, а то и 4% солнечной. Это, в принципе, означает, что по такому сценарию сможет возникнуть даже планетная система типа Солнечной (но с более узкими орбитами планет). Гравитационное взаимодействие между звездой и планетой - аналогом Земли оказывается существенно более сильным, чем между Солнцем и Землёй, но есть шанс и избежать "приливного захвата" (когда планета всегда повёрнута к звезде одной стороной) - в случае наличия крупного близкого спутника. Тогда планета всё же будет вращаться вокруг своей оси, и может оказаться достаточно похожа на Землю. Плюс такого варианта ещё и в том, что считать динамику планетной системе в триллионолетнем горизонте нам не нужно: планеты заново формируются после слияния звёзд-предшественниц и формирования протопланетного диска.
Учитывая количество звёзд в "Милкомеде" — той единой эллиптической галактике, в состав которой Млечный Путь войдёт — их будет не так мало. Учитывая, что пригоден для жизни окажется не только нынешний объём коротационного тора — такого понятия вообще не будет, потому что не будет спиральных ветвей, — а вся толща галактики, в том числе и её центральная часть, где расстояние между звездами мало... Получается, что в то время возможностей для развития разумной жизни станет больше, чем сейчас, а не меньше, причём намного больше. А расстояние между очагами жизни окажется относительно небольшим: в центральной части Милкомеды, как в центральной части любой галактики, плотность звёздного населения окажется весьма велика.
Но...
Красные карлики минимальной массы: "рулит" статистика
Но зачем так сложно? Почему мы считаем, что возле самих мельчайших красных карликов не сможет существовать разумная жизнь?
В самом деле.
Это сейчас красные карлики считаются звёздами радиационно очень активными (периодически вспыхивающими). Но нужно учитывать, что они все, по звёздным меркам, объекты очень молодые, не прожившие и одного процента своей жизни. Солнце в возрасте 100–150 миллионов лет тоже было гораздо активнее, чем сейчас. Так что... "Если молодость - недостаток, то со временем я его исправлю..."
Да, планета окажется, скорее всего, в приливном захвате, но приемлемый уровень освещённости на части её поверхности будет. Да, скорее всего, эволюция в таких условиях займёт много времени: на ночном полушарии и на части дневного температурные условия окажутся уж слишком неподходящими. Но во времени-то мы не ограничены!
Так что даже если времени для развития высокоорганизованной жизни потребуется там больше, то, учитывая число таких звезд, при любой ненулевой вероятности возникновения там разума — он в основном там и будет возникать.
Правда, это будет уже не условная "Земля": мир будет сильно отличаться от нашего. Но лучше так, чем никак, правда же?
Запоздавшие красные карлики и их планетные системы: конечная (?) точка
Ну вот теперь возвращаемся к нашим коричневым карликам. При их слиянии возникает красный карлик минимальной (или по крайней мере небольшой) массы. Если его окрестности в принципе жизнепригодны, то именно такие звёзды именно такого генезиса с определённого момента и станут основой для существования разумной жизни.
Условно, через 10 триллионов лет звёзд будет возникать уже очень мало. Через 100 триллионов лет звездообразование прекратится полностью. Ещё через 10-20 трлн лет догорят даже мельчайшие красные карлики*...
Но потом ещё доооолго будут возникать по примерно такому варианту запоздавшие звёзды с их планетами: через слияние пар коричневых карликов.
Сколько именно?
А нет ограничений - кроме одного: гипотетического радиоактивного распада протонов.
Если гипотеза о радиоактивном распаде протонов верна, то время возникновения последней звезды - 10^34 - 10^37 лет от возникновения Вселенной (сейчас с него прошло чуть больше, чем 10^10 лет).
А если неверна, то вплоть до 10^1500 лет и больше. Но, конечно, происходить возникновение таких сильно запоздавших звёзд вместе с планетами будет оооочень редко.
Так что открытие сливающейся пары коричневых карликов интересно: оно показывает, как этот процесс будет происходить...
"Вылетаем в форточку!" **
Это все к чему?
В частности, к тому, что если все когда-либо возникшие планеты, в принципе подходящие для развития разума, выстроить в одну линию, то подавляющее большинство их придётся на красные карлики с планетами в приливном захвате.
Если красные карлики с планетами в приливном захвате окажутся по каким-либо причинам вообще никак не пригодными для развития разума, то большинство обителей разумной жизни окажутся возле голубых карликов.
Если не подойдут и они - то возле оранжевых карликов, слившихся из красных.
А вот звёзды солнечного типа, существующие на этапе ранней Вселенной (то есть сейчас), окажутся редчайшим исключением.
Мораль: наша цивилизация возникла практически "на заре времен". Мы протиснулись в узкую "форточку возможностей" сразу после того, как развитие высокоорганизованной жизни стало теоретически возможным.
Действительно: скоро начнётся взаимодействие Туманности Андромеды с Млечным Путём (в горизонте уже от 3 млрд лет) - и наш коротационный тор, вероятно, исчезнет... Восстановится же возможность развития сложноорганизованной жизни только тогда, когда звездообразование в основном прекратится (минимум - через десятки миллиардов лет).
Интересная деталь. Выводы из этого тоже интересные, но о них отдельно позже.
PS: Это не единственный вариант, кстати, формирования потенциальных обителей жизни в поздней Вселенной. Есть и другие, но это уже изыски — потом как-нибудь расскажу.
Сноски:
* По усреднённым оценкам. Мне попадались цифры продолжительности существования красного карлика наименьшей массы от 6 трлн до 290 трлн лет. Это показывает степень неопределённости наших знаний по этому вопросу.
** Это из "олдскульного" анекдота гаррипоттеровской серии. В книгах/фильмах Гарри в конце третьего эпизода 🙂 дарят метлу новейшей модели - "Нимбус-2000". А тогда была не забыта ещё операционная система "Виндоус-2000". Ну и вот - как бы реклама мётел в волшебном мире:
- Нимбус Миллениум, Нимбус Экс-Ти, Нимбус-2000: вылетаем в форточку!
Надо же, сколько мне уже, оказывается, лет... 😐
См. также:
Навигатор по каналу "Море Ясности"