Hnědí trpaslíci a astrobiologie

Hnědí trpaslíci a astrobiologie

Igor Duszek, 2005

 

1. Co jsou vlastně zač?

Představme si obyčejné mezihvězdné prachoplynové mračno, v jehož blízkosti zazáří neskutečnou explozí supernova. Částice plynu a prachu v mračnu se tím dají do pohybu. Pomalu, ale nezvratně začne působit gravitace. Mračno se začne rozpadat na jednotlivé protohvězdné „chuchvalce“. Každý z nich je jinak hmotný. V jejich středu se začínají rodit hvězdy. Jedna z nich je velmi lehká a její počáteční hmotnost nedosahuje ani 8% hmotnosti našeho Slunce. Tento zárodek má na konci svého smršťování teplotu v jádru menší než 8x 106 K a proto se nikdy nedostane k dlouhodobému termonukleárnímu zdroji energie. Tyto „skoro-hvězdy“ s hmotnostmi 10-80 Jupiterů, pojmenovali vědci hnědými trpaslíky. Ne snad, že by měli hnědou barvu - jejich barva je červená, ale aby byly dobře odlišeni od standardních nízko hmotných hvězd - červených trpaslíků. Hnědí trpaslíci dostaly také od roku 1998 přidělenou novou spektrální třídu L. Nikdo přesně neví, kolik hnědých trpaslíků je např. v naší galaxii, ale můj osobní odhad je, že jich bude pravděpodobně ještě více než červených trpaslíků a ti tvoří až 80% hvězdné populace. Dnes již známe několik stovek těchto obtížně pozorovatelných objektů.

Často si můžeme klást otázku, jaký je vlastně rozdíl mezi super-planetou o hmotnosti např. 13 Jupiterů a stejně hmotným hnědým trpaslíkem? Největší rozdíl je dán právě způsobem vzniku, protože super-planety vznikají vždy až akrecí z proto-planetárního disku kolem centrální hvězdy.

Obr.1 Srovnání velikostí  a povrchových teplot hvězdných trpaslíků zleva doprava:

Žlutý trpaslík – Slunce; červený trpaslík – Gliese 229A; větší hnědý trpaslík – Teide 1; menší hnědý trpaslík  Gliese 229B; super-planeta - Jupiter 

 

 

2. Život hnědého trpaslíka

Osud hnědého trpaslíka je dán jeho počáteční hmotností. Pokud je tato větší než 15 Jupiterů, dochází v mládí hvězdy k termojaderným reakcím, které se jako přídavný zdroj energie udrží až několik set miliónů let. Poté se však deuterium vyčerpá a hlavním zdrojem energie pak zůstane pouze jeho vlastní smršťování. Objekt se gravitačně hroutí až do chvíle, kdy dojde k elektronové degeneraci nejprve jeho vnitřních a poté i vnějších vrstev. Hnědý trpaslík postupně ztrácí svou energii vyzařováním a chladne. Za první 3 miliardy let poklesne jeho svítivost až o 4 řády a chladne dále, až se nakonec za cca. 10 miliard let stane nezářícím černým trpaslíkem.

 

Obr. 2 – Životní fáze hnědého trpaslíka

 

 

3. Planetární soustavy kolem hnědých trpaslíků

Tak jako kolem ostatních hvězd i kolem hnědých trpaslíků se mohou vytvořit protoplanetární disky, ze kterých se postupně zformují planety. Tento logický předpoklad je již potvrzený i reálným pozorováním.

Nedávno oznámili astronomové, že získali první snímek planety obíhající kolem mladého hnědého trpaslíka 2M1207 o hmotnosti 25 Jupiterů, vzdáleného od nás 228 světelných let a starého 8 miliónů let (nachází se v souhvězdí Hydry).  Jeho planeta 2M1207b má hmotnost 5 Jupiterů, je vzdálená od centrální hvězdy cca. 55 AU a dobu oběhu má 2450 let. Tento objev se podařil týmu astronomů vedeném Gaelem Chauvinem z ESO s pomocí infračervené kamery VLT teleskopu ESO observatoře v Chile.

 

 Obr. 3 – Červený objekt je objevená planeta 2M1207b obíhající zářivějšího (ale stále velmi slabého) hnědého trpaslíka, zobrazeného zde modro-bíle. (ESO PR Photo 26a/04)

 

 

Poslední žhavou novinkou jsou snímky, které zachycují protoplanetární disk kolem mimořádně malého hnědého trpaslíka (hmotnost pouze 15 Jupiterů) s označením OTS44. Tento objev se podařil infrakameře výkonného kosmického dalekohledu Spitzer Space Telescope (NASA). Vedoucím autorem studie je Dr. Kevin Luhman  (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass.). Objekt OTS44 poprvé Dr. Luhman se svými kolegy detekoval v roce 2004 s využitím aparatury Gemini Observatory v Chile. Tento hnědý trpaslík je od nás vzdálen 500 světelných let a nachází se v souhvězdí Chameleon. Tým poté využil Spitzer teleskopu, který odhalil slabý žhavý prachový disk. Tento disk má dostatečně velkou hmotu k tomu, aby se vytvořily plynové obří planety a až několik planet zemského typu!

 

Obr. 4  Detekce planetárního disku pomocí Spitzerova teleskopu.

(NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA )

 

 

 

4. Obyvatelné planety u hnědých trpaslíků?

Shrňme si nejprve fakta:

Hnědý trpaslík je pravděpodobně velmi rozšířeným objektem ve vesmíru.  Proti klasické hvězdě je dosti chudý na energii. Prvních pár stovek miliónů let ještě mohou vypomoci termonukleární reakce, ale pak již zůstává jen energie získaná ze smršťování. Z počáteční povrchové teploty cca. 2500K zůstane po první miliardě let cca. polovina (viz. obr. 2) a zářivý výkon hnědého trpaslíka dramaticky klesá. Dále je také nutno si uvědomit, že hnědý trpaslík jakožto hmotný objekt samozřejmě ovlivňuje slapovými silami své blízké okolí.

 

Co z toho všeho plyne?

Vezměme v úvahu klasický model obyvatelné planety, který vychází z naší zkušenosti. Země obíhá kolem Slunce v zóně života (pokud by tomu bylo jinak, nevznikly by tyto řádky). Planeta která se pohybuje uvnitř takové zóny celou svojí drahou má vynikající podmínky pro vznik, rozvoj a udržení života. Prakticky každý spektrální typ hvězdy v hlavní posloupnosti má alespoň na krátký čas svoji zónu života - tedy pás, ohraničený dolní a horní mezí vzdálenosti planety od centrální hvězdy, ve kterém má planeta typu Země přijatelné tepelné podmínky pro život (řekněme 10oC až 45oC ale hlavně je důležité aby voda mohla být v kapalném stavu). Zóna života se také vývojem mateřské hvězdy posouvá nebo může i úplně zmizet.

U hnědého trpaslíka je zóna života užší a podstatně blíž, než u našeho Slunce (více než 10x). To znamená, že potenciální planeta v zóně života hnědého trpaslíka by v krátkém čase po svém vzniku pravděpodobně získala tzv. vázanou rotaci, tedy přivracela by mateřskému trpaslíkovi stále stejnou polokouli, čímž by mimo jiné mohlo docházet ke značnému rozdílu teplot mezi denní a noční stranou planety. To je stejný problém, který mají i planety v zóně života u červených trpaslíků, jak to velmi pěkně popsal ve svém článku kolega Tomáš Petrásek (Život u červeného trpaslíka; http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/ET/RedDwarfLife.htm). Abych zbytečně neopakoval jím uvedená fakta, omezím se pouze na závěr, že podle matematických simulací u planety s atmosférou a kapalnou vodou není vázaná rotace neřešitelný problém, protože atmosféra a oceány mohou účinně rozdíl teplot tlumit tak, že se voda udrží v kapalném stavu. Dalším řešením „lapálie“ vázané rotace by mohla být například také těsná dvoj-planeta obíhající kolem společného těžiště, planeta s hodně výstřednou drahou apod.

Zrovna tak jako s červenými trpaslíky je u hnědých trpaslíků velmi podobný problém infračervené vlnové délky jejich záření, která je odlišná od záření našeho slunce, které je převáženě ve viditelném světle. Opět se odkážu na výše zmíněný článek kolegy Petráska a převezmu závěr, že ani „rudá záře“ není nepřekonatelnou překážkou pro život.

Na rozdíl od červených se ale u hnědých trpaslíků navíc přidává dosti zásadní problém rychlého a značného snižování jejich zářivého výkonu, což má za následek neustálé posouvání zóny života stále blíž hnědému trpaslíkovi a to znamená neúprosné ochlazování povrchu planety. Hustá atmosféra planety s výrazným skleníkovým efektem by možná dokázala trend zabrzdit, ale zpočátku by zase naopak mohla způsobit na povrchu pekelnou výheň. Tedy na planetě typu Země by kapalná voda na povrchu planety patrně zamrzla a planetu by pokryla ledová krusta. Planeta by ale nemusela promrznout totálně a pod povrchovou vrstvou ledu by vodu v kapalném stavu mohlo udržet termální teplo uvolňované rozpadem radioaktivních prvků v nitru planety, ale také např. slapové síly případných souputníků této planety, mateřského trpaslíka, či dalších planet soustavy. Stejný princip se uvažuje např. u ledových měsíců Jupitera.

Takže planeta kolotající kolem hnědého trpaslíka by zpočátku mohla mít dobré podmínky pro vznik života. Tyto by se však relativně rychle začaly zhoršovat a život by se musel přizpůsobovat neustále se snižující teplotě. To by dávalo šanci na udržení pouze odolným, primitivním mikroorganismům. Všechno pak závisí především na tom, kolik energie by planeta mohla získat z jiných zdrojů, než je záření mateřského hnědého trpaslíka.

V soutěži o existenci obyvatelných planet jsou tedy hnědí trpaslíci oproti standardním hvězdám (jako jsou žlutí a červení trpaslíci) spíše outsidery. Rozhodně však nejsou zcela bez šance a určitě si zaslouží hlubší rozbor a simulaci podmínek panujících v jejich planetárních soustavách. Do klubu stálic pro hledání planetárních systémů bych je rozhodně zařadil a to tím spíše, že případné planety jsou u nich stávajícími metodami dobře detekovatelné!

Pozitivní v našich úvahách může být také fakt, že hnědí trpaslíci jsou ve vesmíru pravděpodobně velmi hojní a to dává přírodě v prakticky neomezeném čase nepřeberné možnosti „všelikých“ fyzikálně-chemických experimentů…

 

Obr. 5 - Mlhovina ρ Oph je kolébkou hvězd. Sonda ISO zde objevila okolo 30 hnědých trpaslíků

 

Představa malíře: I tak může vypadat pohled z doposud neznámé ledové planety

Obr. 6 – Pohled na zamrzlou planetu z povrchu jejího největšího měsíce v představě umělce (NASA)

 

Obr. 7 – Rodící se miniplanetární soustava u OTS44 v představě umělce (NASA)

 

 

 

Zdroje:

 

-        Informace JPL ze 7.2.2005 a jejich překlad uveřejněný na stránkách Expresní astronomické informace (http://astro.sci.muni.cz/clanek.php?id=338) a také na http://www.spitzer.caltech.edu a http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2005-06/ssc2005-06a.shtml
Odtud byl převzat i obr. 3  a obr. 7

-        Článek o hnědých trpaslících na serveru Aldebaran (http://aldebaran.cz/astrofyzika/hvezdy/stars_dwa.html). Odtud byly převzaty i obr. 1 a obr. 2

-        Článek od kolegy Tomáše Petráska „Život u červeného trpaslíka“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/ET/RedDwarfLife.htm

-        The Extrasolar Planets Encyclopeadia Jeana Schneidera (http://www.obspm.fr/encycl/encycl.html)

-        Stránka ze SolStation o hnědých trpaslících (http://www.solstation.com/stars/pc10bd.htm)

-        Server ESO, článek z 10.9.2004 (http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2004/pr-23-04.html)
Odtud byl převzat i obr. 3

-        Obr. 5 byl převzat z http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/temna/baryon/planety.html

-        Obr. 6 byl převzat z http://www.spaceart.org/lcook/extrasol.html