Красный карлик — это самый маленький тип звезд на главной последовательности . Красные карлики — это, безусловно, самый распространенный тип сливающихся звезд в Млечном Пути , по крайней мере, в окрестностях Солнца . Однако из-за их низкой светимости отдельные красные карлики нелегко наблюдать. С Земли ни одна звезда, которая соответствует более строгим определениям красного карлика, не видна невооруженным глазом. [1] Проксима Центавра , ближайшая к Солнцу звезда, является красным карликом, как и пятьдесят из шестидесяти ближайших звезд . По некоторым оценкам, красные карлики составляют три четверти сливающихся звезд в Млечном Пути. [2]
Самые холодные красные карлики вблизи Солнца имеют температуру поверхности около2000 К и самые маленькие имеют радиусы около 9% от радиуса Солнца , с массой около 7,5% от радиуса Солнца . Эти красные карлики имеют спектральные типы от L0 до L2. Есть некоторое совпадение со свойствами коричневых карликов , поскольку самые массивные коричневые карлики при более низкой металличности могут быть такими же горячими, как3600 К и имеют поздние спектральные классы М.
Определения и использование термина «красный карлик» различаются в зависимости от того, насколько они содержательны на более горячем и массивном конце. Одно определение является синонимом звездных карликов M ( звезд главной последовательности M-типа ), что дает максимальную температуру3900 К и 0,6 М ☉ . Один включает в себя все звезды M-типа главной последовательности и все звезды K-типа главной последовательности ( K-карлики ), что дает максимальную температуру5200 K и 0,8 M ☉ . Некоторые определения включают любой звездный карлик M и часть классификации карликов K. Другие определения также используются. Многие из самых холодных, наименее массовых карликов M, как ожидается, будут коричневыми карликами, а не настоящими звездами, и поэтому они будут исключены из любого определения красного карлика.
Звездные модели показывают, что красные карлики менее 0,35 M ☉ полностью конвективны . [3] Следовательно, гелий, образующийся в результате термоядерного синтеза водорода, постоянно перемешивается по всей звезде, избегая накопления гелия в ядре, тем самым продлевая период синтеза. Поэтому красные карлики малой массы развиваются очень медленно, сохраняя постоянную светимость и спектральный тип в течение триллионов лет, пока их топливо не истощится. Из-за сравнительно короткого возраста Вселенной , красных карликов на продвинутых стадиях эволюции пока не существует.
Термин «красный карлик», когда он используется для обозначения звезды, не имеет строгого определения. Одно из самых ранних применений термина было в 1915 году, когда он использовался просто для противопоставления «красных» карликовых звезд более горячим «голубым» карликовым звездам. [4] Он стал общепринятым, хотя определение оставалось неопределенным. [5] В отношении того, какие спектральные типы квалифицируются как красные карлики, разные исследователи выбирали разные пределы, например, K8–M5 [6] или «позже, чем K5». [7] Также использовалась карликовая звезда M , сокращенно dM, но иногда она также включала звезды спектрального типа K. [8]
В современном использовании определение красного карлика все еще варьируется. При явном определении оно обычно включает в себя поздние звезды класса K и ранние и средние звезды класса M, [9] но во многих случаях оно ограничивается только звездами класса M. [10] [11] В некоторых случаях все звезды класса K включаются в красные карлики, [12] а иногда и более ранние звезды. [13]
Последние обзоры помещают самые холодные истинные звезды главной последовательности в спектральные типы L2 или L3. В то же время, многие объекты холоднее, чем M6 или M7, являются коричневыми карликами, недостаточно массивными для поддержания реакции слияния водорода-1 . [14] Это дает значительное перекрытие спектральных типов для красных и коричневых карликов. Объекты в этом спектральном диапазоне могут быть трудно категоризированы.
Красные карлики — это звезды с очень малой массой . [15] В результате они имеют относительно низкое давление, низкую скорость синтеза и, следовательно, низкую температуру. Вырабатываемая энергия является продуктом ядерного синтеза водорода в гелий посредством цепного механизма протон-протон (PP) . Следовательно, эти звезды излучают относительно мало света, иногда всего лишь 1 ⁄ 10 000 от солнечного, хотя это все равно означало бы выходную мощность порядка 10 22 Вт (10 триллионов гигаватт или 10 ZW ). Даже самые большие красные карлики (например, HD 179930, HIP 12961 и Lacaille 8760 ) имеют лишь около 10% светимости Солнца . [16] В целом, красные карлики менее 0,35 M ☉ переносят энергию из ядра на поверхность путем конвекции . Конвекция происходит из-за непрозрачности внутренней части, которая имеет высокую плотность по сравнению с температурой. В результате передача энергии излучением уменьшается , и вместо этого конвекция становится основной формой переноса энергии к поверхности звезды. Выше этой массы красный карлик будет иметь область вокруг своего ядра, где конвекция не происходит. [17]
Поскольку красные карлики малой массы полностью конвективны, гелий не накапливается в ядре, и по сравнению с более крупными звездами, такими как Солнце, они могут сжигать большую часть своего водорода, прежде чем покинуть главную последовательность . В результате красные карлики имеют предполагаемую продолжительность жизни, намного превышающую современный возраст Вселенной, а звезды менее 0,8 M ☉ не успели покинуть главную последовательность. Чем меньше масса красного карлика, тем больше продолжительность жизни. Считается, что продолжительность жизни этих звезд превышает ожидаемую продолжительность жизни Солнца в 10 миллиардов лет на третью или четвертую степень отношения солнечной массы к их массам; таким образом, красный карлик с массой 0,1 M ☉ может продолжать гореть в течение 10 триллионов лет. [15] [19] По мере того, как доля водорода в красном карлике расходуется, скорость синтеза снижается, и ядро начинает сжиматься. Гравитационная энергия, высвобождаемая при этом уменьшении размера, преобразуется в тепло, которое переносится по всей звезде посредством конвекции. [20]
Согласно компьютерному моделированию, минимальная масса красного карлика, необходимая для того, чтобы в конечном итоге превратиться в красного гиганта, составляет 0,25 M ☉ ; менее массивные объекты по мере старения будут увеличивать температуру своей поверхности и светимость, превращаясь в голубых карликов и, наконец, в белых карликов . [18]
Чем менее массивна звезда, тем дольше длится этот эволюционный процесс. Красный карлик массой 0,16 M ☉ (приблизительно масса близлежащей звезды Барнарда ) оставался бы на главной последовательности в течение 2,5 триллионов лет, а затем пять миллиардов лет в качестве голубого карлика, в течение которых звезда имела бы одну треть светимости Солнца ( L ☉ ) и температуру поверхности 6500–8500 кельвинов . [18]
Тот факт, что красные карлики и другие маломассивные звезды все еще остаются на главной последовательности, когда более массивные звезды сходят с главной последовательности, позволяет оценить возраст звездных скоплений , найдя массу, при которой звезды сходят с главной последовательности. Это дает нижний предел возраста Вселенной , а также позволяет установить временные шкалы формирования структур внутри Млечного Пути , таких как гало Галактики и диск Галактики .
Все наблюдаемые красные карлики содержат «металлы» , которые в астрономии являются элементами тяжелее водорода и гелия. Модель Большого взрыва предсказывает, что первое поколение звезд должно было иметь только водород, гелий и следовые количества лития, и, следовательно, иметь низкую металличность. С их экстремальной продолжительностью жизни любые красные карлики, которые были частью этого первого поколения ( звезды популяции III ), должны были бы существовать и сегодня. Однако красные карлики с низкой металличностью редки. Принятая модель химической эволюции Вселенной предполагает такую редкость звезд-карликов с низким содержанием металлов, поскольку считается, что только гигантские звезды образовались в бедной металлами среде ранней Вселенной. [ почему? ] Поскольку гигантские звезды заканчивают свою короткую жизнь во взрывах сверхновых , они выбрасывают более тяжелые элементы, необходимые для формирования меньших звезд. Поэтому карлики стали более распространенными по мере того, как Вселенная старела и обогащалась металлами. В то время как базовая редкость древних красных карликов с низким содержанием металлов ожидаема, наблюдения обнаружили даже меньше, чем предсказывалось. Считалось, что это несоответствие объясняется исключительной сложностью обнаружения объектов, столь тусклых, как красные карлики, но улучшенные методы обнаружения только подтвердили это несоответствие. [25]
Граница между наименее массивными красными карликами и наиболее массивными коричневыми карликами сильно зависит от металличности. При солнечной металличности граница проходит примерно на 0,07 M ☉ , а при нулевой металличности граница находится примерно на 0,09 M ☉ . При солнечной металличности наименее массивные красные карлики теоретически имеют температуру около1700 К , в то время как измерения красных карликов в окрестностях Солнца показывают, что самые холодные звезды имеют температуру около2075 К и спектральные классы около L2. Теория предсказывает, что самые холодные красные карлики при нулевой металличности будут иметь температуру около3600 К. Наименее массивные красные карлики имеют радиусы около 0,09 R ☉ , тогда как более массивные красные карлики и менее массивные коричневые карлики больше. [14] [26]
Спектральные стандарты для звезд класса М немного изменились за эти годы, но несколько стабилизировались с начала 1990-х годов. Частично это связано с тем, что даже ближайшие красные карлики довольно тусклые, и их цвета плохо регистрируются на фотографических эмульсиях, использовавшихся в начале-середине 20-го века. Изучение карликов среднего и позднего класса М значительно продвинулось только за последние несколько десятилетий, в основном из-за разработки новых астрографических и спектроскопических методов, отказа от фотографических пластин и перехода к приборам с зарядовой связью (ПЗС) и инфракрасно-чувствительным матрицам.
Пересмотренная система Yerkes Atlas (Johnson & Morgan, 1953) [27] перечислила только две спектральные стандартные звезды типа M: HD 147379 (M0V) и HD 95735/ Lalande 21185 (M2V). Хотя HD 147379 не считалась стандартом экспертными классификаторами в более поздних сборниках стандартов, Lalande 21185 по-прежнему является основным стандартом для M2V. Роберт Гаррисон [28] не перечисляет никаких «якорных» стандартов среди красных карликов, но Lalande 21185 сохранился как стандарт M2V во многих сборниках. [27] [29] [30] Обзор классификации MK Моргана и Кинана (1973) не содержал стандартов красных карликов.
В середине 1970-х годов стандартные звезды красного карлика были опубликованы Кинаном и Макнилом (1976) [31] и Боешаром (1976), [32] , но между стандартами было мало согласия. Поскольку в 1980-х годах были идентифицированы более холодные звезды, стало ясно, что необходим пересмотр стандартов красного карлика. Основываясь в первую очередь на стандартах Боешара, группа в обсерватории Стюарда (Киркпатрик, Генри и Маккарти, 1991) [30] заполнила спектральную последовательность от K5V до M9V. Именно эти стандартные звезды карлика типа М в значительной степени сохранились в качестве основных стандартов до наших дней. С 1991 года в спектральной последовательности красного карлика произошли незначительные изменения. Дополнительные стандарты красного карлика были составлены Генри и др. (2002), [33] и Д. Киркпатрик недавно рассмотрел классификацию красных карликов и стандартных звезд в монографии Грея и Корбалли 2009 года. [34] Первичные спектральные стандарты M-карликов: GJ 270 (M0V), GJ 229A (M1V), Lalande 21185 (M2V), Gliese 581 (M3V), Gliese 402 (M4V), GJ 51 (M5V), Wolf 359 (M6V), van Biesbroeck 8 (M7V), VB 10 (M8V), LHS 2924 (M9V).
Вокруг многих красных карликов вращаются экзопланеты , но крупные планеты размером с Юпитер встречаются сравнительно редко. Доплеровские исследования самых разных звезд показывают, что около 1 из 6 звезд с массой, вдвое превышающей массу Солнца, вращаются вокруг одной или нескольких планет размером с Юпитер, по сравнению с 1 из 16 для звезд, подобных Солнцу, а частота близких гигантских планет (размером с Юпитер или больше), вращающихся вокруг красных карликов, составляет всего 1 из 40. [35] С другой стороны, исследования микролинзирования показывают, что планеты с большим орбитальным периодом, равным массе Нептуна, находятся вокруг одного из трех красных карликов. [36] Наблюдения с помощью HARPS также показывают, что 40% красных карликов имеют планету класса « суперземля », вращающуюся в обитаемой зоне, где на поверхности может существовать жидкая вода. [37] Компьютерное моделирование формирования планет вокруг звезд с малой массой предсказывает, что планеты размером с Землю являются наиболее распространенными, но более 90% моделируемых планет состоят по меньшей мере на 10% из воды по массе, что позволяет предположить, что многие планеты размером с Землю, вращающиеся вокруг красных карликов, покрыты глубокими океанами. [38]
По крайней мере четыре, а возможно, и до шести экзопланет были обнаружены на орбите внутри планетной системы Gliese 581 между 2005 и 2010 годами. Одна из планет имеет массу Нептуна , или 16 масс Земли ( ME ). Она вращается всего в 6 миллионах километров (0,040 а.е. ) от своей звезды и , по оценкам, имеет температуру поверхности 150 °C (423 K ; 302 °F ), несмотря на тусклость своей звезды. В 2006 году была обнаружена еще меньшая экзопланета (всего 5,5 ME ) , вращающаяся вокруг красного карлика OGLE-2005-BLG-390L ; она находится в 390 миллионах километров (2,6 а.е.) от звезды, а температура ее поверхности составляет -220 °C (53,1 K; -364,0 °F).
В 2007 году была обнаружена новая, потенциально обитаемая экзопланета Gliese 581c , вращающаяся вокруг Gliese 581. Минимальная масса, оцененная ее первооткрывателями (группа под руководством Стефана Удри ), составляет 5,36 M E . Первооткрыватели оценивают ее радиус в 1,5 раза больше радиуса Земли ( R 🜨 ). С тех пор была обнаружена Gliese 581d , которая также потенциально обитаема.
Gliese 581c и d находятся в пределах обитаемой зоны звезды-хозяина и являются двумя наиболее вероятными кандидатами на обитаемость среди всех экзопланет, обнаруженных до сих пор. [39] Gliese 581g , обнаруженная в сентябре 2010 года, [40] имеет почти круговую орбиту в середине обитаемой зоны звезды. Однако существование планеты оспаривается. [41]
23 февраля 2017 года NASA объявило об открытии семи планет размером с Землю, вращающихся вокруг красного карлика TRAPPIST-1 примерно в 39 световых годах от нас в созвездии Водолея. Планеты были обнаружены транзитным методом, что означает, что у нас есть информация о массе и радиусе для всех из них. TRAPPIST-1e , f и g , по-видимому, находятся в пределах обитаемой зоны и могут иметь жидкую воду на поверхности. [42]
Современные данные свидетельствуют о том, что планеты в системах красных карликов вряд ли пригодны для жизни. Несмотря на их большое количество и долгую продолжительность жизни, есть несколько факторов, которые могут затруднить жизнь на планетах вокруг красного карлика. Во-первых, планеты в обитаемой зоне красного карлика будут находиться так близко к родительской звезде, что, скорее всего, будут приливно заблокированы . Для почти круговой орбиты это будет означать, что одна сторона будет находиться в постоянном дневном свете, а другая в вечной ночи. Это может создать огромные перепады температур от одной стороны планеты к другой. Такие условия, по-видимому, затруднят развитие форм жизни, подобных земным. И, по-видимому, существует большая проблема с атмосферой таких приливно заблокированных планет: вечная ночная зона будет достаточно холодной, чтобы заморозить основные газы их атмосфер, оставив дневную зону голой и сухой. С другой стороны, однако, теория предполагает, что либо толстая атмосфера, либо планетарный океан могут потенциально распространять тепло вокруг такой планеты. [43]
Изменчивость в выходе звездной энергии также может иметь негативное влияние на развитие жизни. Красные карлики часто являются вспыхивающими звездами , которые могут испускать гигантские вспышки, удваивая свою яркость за считанные минуты. Эта изменчивость затрудняет развитие и сохранение жизни вблизи красного карлика. [44] Хотя для планеты, вращающейся близко к красному карлику, возможно сохранение своей атмосферы, даже если звезда вспыхивает, более поздние исследования показывают, что эти звезды могут быть источником постоянных вспышек высокой энергии и очень больших магнитных полей, что уменьшает возможность существования жизни в том виде, в каком мы ее знаем. [45] [46]
Близкие расстояния (< 1 а.е.) были тщательно исследованы с помощью доплеровских и транзитных исследований, и получены следующие результаты: частота близких гигантских планет (1−10 M Юпитера ) составляет всего 2,5 ± 0,9% , что согласуется с моделями аккреции ядра и миграции.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )