Wiele obiektów astronomicznych gra według jasnych zasad i pasuje do zgrabnych kategorii, ale brązowe karły (obiekty niebieskie zbyt masywne, aby były zwykłymi planetami, ale zbyt małe, aby były prawdziwymi gwiazdami) w dalszym ciągu odmawiają współpracy.
Astronomowie zbadali niedawno próbkę 70 obiektów, od planet o masach Jowisza po brązowe karły którzy są o krok od sławy. Szukając związku między masą tych obiektów a pewnymi cechami ich układów gwiezdnych (np. czy gwiazda macierzysta zawiera pierwiastki cięższe od helu lub jak okrągłe są orbity obiektów), badacze mieli nadzieję narysować wyraźną linię dzielącą masywne obiekty tworzące się jak gwiazdy i mniejsze, które tworzą się jak planety. Ale było im skazane rozczarowanie, ponieważ rzeczywisty wszechświat jest nieuporządkowany i skomplikowany.
Planety i gwiazdy powstają inaczej – z wyjątkiem tej grupy pośrodku
Gwiazdy z definicji mają masę co najmniej 80 razy większą od Jowisza i powstają od zewnątrz do wewnątrz. Kiedy skupisko gazu w obłoku molekularnym zapada się pod własnym ciężarem, gęsto upakowane atomy w jego rdzeniu zaczynają się łączyć, uwalniając ciepło i światło; rodzi się gwiazda.
Z drugiej strony, gigantyczne planety gazowe o rozmiarach do masy Jowisza powstają od środka na zewnątrz. Po pierwsze, kilka ziaren pyłu zbija się w dysk materii wokół nowonarodzonej gwiazdy, a ich łączna grawitacja wystarcza, aby zacząć przyciągać jeszcze więcej pyłu. Materiał gromadzi się coraz szybciej, tworząc skaliste jądro otoczone grubymi warstwami gazu.
Pomiędzy nimi znajduje się jednak cała masa obiektów, które astronomowie nie są pewni, czy sklasyfikować jako „nieudane gwiazdy” lub “zarośnięte planety”.
Przy masie od 13 do 80 mas Jowisza brązowe karły nie są wystarczająco masywne, aby bezpiecznik wodoru w hel jak prawdziwą gwiazdę, ale są wystarczająco duże, aby stopić deuter, izotop wodoru zawierający neutron wraz ze standardowymi protonami i elektronami. (Co dziwne, deuter wymaga mniejszego ciśnienia, aby stopić się w hel niż zwykły wodór.) Są też „podbrązowe karły”, gazowe olbrzymy, które są naprawdę gigantyczne jak na standardy planet, ale nie są wystarczająco duże, aby być prawdziwymi brązowymi karłami.
W idealnym przypadku powinna istnieć wyraźna linia: obiekty powyżej określonej masy powinny być nieudanymi gwiazdami, które powstały z zapadających się obłoków gazu, a obiekty poniżej tej masy powinny być przerośniętymi planetami, które powstały z dysków planetarnych.
Jednak jak dotąd astronomom nie udało się znaleźć takiej linii.
W 2024 roku astrofizyk Steven Giacalone, jeden ze współautorów obecnego badania, odkrył brązowego karła, który prawdopodobnie powstał w wyniku akrecji jądraco czyni ją w zasadzie największą planetą w historii. Wydaje się, że niektóre subbrązowe karły – gigantyczne planety, które nie są wystarczająco duże, aby można je było uznać za brązowe karły – powstały w wyniku zapadania się grawitacyjnego, co oznacza, że tak bardzo nie udało im się zostać gwiazdami, że nie udało im się nawet zostać brązowymi karłami.
„Dokładne ustalenie, jak duży obiekt może uformować się w wyniku akrecji rdzenia lub jak mały obiekt może powstać w wyniku niestabilności dysku lub fragmentacji chmur” – napisali Gilbert i jego współpracownicy w swojej niedawnej pracy.
„Być może… nie sprawdziliśmy jeszcze właściwej kombinacji parametrów”
Gilbert i jego współpracownicy wykorzystali modele statystyczne do sprawdzenia związku masy obiektów ze składem chemicznym gwiazd macierzystych i kształtem orbit obiektów.
Analiza ekscentryczności orbity tych obiektów (miara tego, jak blisko idealnego koła znajduje się orbita) mówi mniej więcej tę samą historię. Mniej masywne obiekty mają zwykle bardziej okrągłe orbity, podczas gdy najbardziej masywne, przypominające brązowe karły obiekty, różnią się bardziej pod względem mimośrodu. Gilbert i jego współpracownicy zauważyli jednak, że tendencja ta była bardzo stopniowa.
„Możemy rozsądnie założyć, że wraz ze wzrostem masy obiektu spada prawdopodobieństwo, że powstał on w wyniku akrecji jądra, a prawdopodobieństwo, że powstał w wyniku niestabilności grawitacyjnej [a gas cloud collapsing in on itself] rośnie” – napisali naukowcy w swoim niedawnym artykule, ale chodzi tu raczej o widmo niż o czyste podzielenie obiektów na dwie grupy.
A potem pojawia się metaliczność. Planeta może akreować wystarczającą ilość materiału i wystarczająco szybko, aby urosnąć do gazowego olbrzyma, jeśli uformuje się w układzie gwiezdnym, który jest bardzo metaliczny – co oznacza, że jest pełen pierwiastków cięższych od helu (głównie węgla, tlenu i żelaza). Jeśli więc istniałaby wyraźna linia podziału między bardziej masywnymi obiektami powstałymi w wyniku zapadania się obłoków molekularnych i mniej masywnymi obiektami powstałymi w wyniku akrecji, badacze tacy jak Gilbert i jego współpracownicy spodziewaliby się zobaczyć formujące się mniejsze, ciemnobrązowe karły tylko w układach gwiezdnych bogatych w metale. Ale w swoich danych Gilbert i jego współpracownicy tak naprawdę nie to zauważyli.
Zamiast tego wydaje się, że nie ma związku pomiędzy masą gazowego nadolbrzyma a metalicznością jego układu gwiezdnego. Sugeruje to, że niektóre z tych obiektów powstały w wyniku akrecji jądra, podczas gdy inne uformowały się bardziej jak gwiazdy – z tym samym efektem końcowym i często o tej samej masie. Oznacza to, że w tej chwili nie możemy stwierdzić, patrząc, czy coś jest nieudaną gwiazdą, czy planetą, która odniosła ogromny sukces.
„Być może istnieje wyraźna linia podziału między kanałami formacji, ale jeszcze jej nie znaleźliśmy, albo dlatego, że nie mamy wystarczającej liczby obiektów, albo dlatego, że nie zbadaliśmy jeszcze właściwej kombinacji parametrów” – napisali Gilbert i jego współpracownicy w swojej niedawnej pracy.
