تألیف و ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
کوتولههاى قهوه‌اى نه ستاره‌اند و نه سیاره. آنها همانند ستاره‌ها تشکیل مى‌شوند، ولى به علت عدم توانایى در هم جوشی هسته‌اى هیدروژنى، نمى‌توانند درخشش ستاره‌وار داشته باشند. در این جا با چگونگى پیدایش این اجسام ریز ستاره‌اى و حقایق شگفت انگیزى در مورد آنها، آشنا خواهیم شد.
یک کوتوله‌ى قهوه‌اى، جرمى آسمانى یا یک شىء سماوى است که اندازه‌اى کوچک‌تر از یک ستاره‌ى کوچک و بسیار بزرگ‌تر از یک اَبَر سیاره، مانند سیاره‌ى مشترى را دارد. به زبان دیگر، براى قرار دادن کوتولههاى قهوه‌اى در زمره‌ى سیاره‌ها، این اجرام بسیار بزرگ هستند و خیلى کوچک‌تر از آن هستند که آن ها را ستاره بنامیم.
تا جایى که به مبداء این کوتولههاى قهوه‌اى مربوط مى‌شود، کوتولههاى قهوه‌اى منشاء ستاره‌اى دارند، زیرا که هر دو جرم آسمانى، زمانى به وجود مى‌آیند که ابرهاى ریز ستاره‌اى سرد از جنس گاز و غبار، متلاشى مى‌شوند. ولى بر خلاف ستاره‌ها، کوتولههاى قهوه‌اى قادر به انجام هم جوشی هسته‌اى حرارتى هیدروژنى نمى‌باشند، که این هم جوشی هسته‌اى است که به ستارگان درخشندگى مى‌دهد. در نتیجه، آنها همانند ستارگان، درخشنده نیستند، ولى مشاهده مى‌شود که از خود درخشش کمى در نتیجه‌ى امواج حرارتى در محدوده‌ى مادون قرمزى که ساطع مى‌کنند، دارند. به این دلیل برخى دانشمندان به کوتولههاى قهوه‌اى "ستاره‌هاى مردود" اطلاق مى‌کنند. در این مقاله، در مورد حقایق سرگرم کننده‌اى راجع به کوتولههاى قهوه‌اى و نحوه‌ى تشکیل آنها بحث خواهیم کرد.
در نتیجه‌ى این هم جوشی حرارتى هسته‌اى هیدروژنى گرماى بسیار زیادى آزاد شده که، هیدروژن را به هلیم تبدیل مى‌کند. این تبدیل ماهیت است که باعث درخشش ستارگان شده و از ادغام شدن دوباره‌ى آنها جلوگیرى مى‌کند، که در نتیجه، اندازه و درخشندگى ستاره را براى مدت زمان بسیار زیادى ثابت نگاه مى‌دارد، این مقدار گاهى به میلیاردها سال مى‌رسد.
با این وجود، در هم تنیده شدن در اثر جاذبه، قادر به گرم کردن به اندازه‌ى کافى هسته‌ى پیش ستاره‌اى (جرم گازى قبل از انفجار هسته‌اى و تشکیل ستاره) که حجم آن کمتر از ٠٨ر٠ برابر خورشید است، نمى‌باشد. هسته‌ى این پیش‌ستاره به اندازه‌ى کافى منسجم شده است که از درهم تنیده شدن بیش از این، قبل از این که دماى هسته تا حد واکنش هسته‌اى هیدروژن بالا برود، جلو گیرى کند. چگونگى تشکیل یک کوتوله‌ى قهوه‌اى به این صورت مى‌باشد.
کوتولههاى قهوه‌اى با حجمى بیش از ٦٠ برابر سیاره‌ى مشترى، قادر به شروع واکنش هاى هسته‌اى هیدروژنى مى‌باشند، ولى با توجه به جرم کم آنها، قادر به ادامه‌ى این واکنش‌ها نمى‌باشند.
گروه ام با طیف نورى که توسط ملکول هاى اکسید تیتانیم (TiO2) و اکسید وانادیم (VO) ساطع مى‌شود، شناخته مى‌شود. تید ١، یک نمونه ازکوتوله‌ى قهوه‌اى کلاس ام مى‌باشد.
از طرف دیگر، گروه طیفى کلاس ال، توسط اتصالات هیبردى بسیار محکم فلزى (FeH, CrH, MgH, CaH) و خطوط فلزات قلیایى (Na I, K I, Cs I, Rb I) در طیف ساطع شده از خود شناخته مى‌شود. عموماً رنگ کوتولههاى گروه اول قرمز تیره است.
گروه طیفى کلاس تى به نام "کوتولههاى متانى" شناخته مى‌شوند، زیرا که طیف از متان ساطع مى‌شود. یک نمونه از کوتولههاى قهوه‌اى کلاس تى، SIMP ٠١٣٦ مى‌باشد.
تا جایى که به گروه طیفى کلاس واى مربوط مى‌شود، این کلاس واقعاً در ساطع کردن طیف نورى با کم بود مواجه است. کوتولههاى کلاس واى معمولاً از کوتولههاى کلاس تى سردتر هستند. WISE 1828+2650 یک کوتوله‌ى گروه واى است و در عین حال سردترین کوتوله‌ى شناخته شده مى‌باشد.
ستارگان و کوتولههاى قهوه‌اى، هر دو، در چندین میلیون سال اول پیدایش‌شان، به وسیله‌ى هم‌جوشى ایزوتوپ کم‌یابى از هیدروژن، انرژى تولید مى‌کنند که به این ایزوتوپ بیوتریم گفته مى‌شود. در ستارگان، زمانى که دماى هسته تا مقدار لازم بالا مى‌رود، هم جوشى دیوتریوم کم کم جاى خود را به هم جوشى هیدروژن مى‌دهد، که با این وجود، این امر در مورد کوتولههاى قهوه‌ای اتفاق نمى‌افتد.
در کوتولههاى قهوه‌اى هم جوشى دیوتوریم، نسبتاً مدت زمان کوتاهى ادامه پیدا مى‌کند، که بعد از آن خنک شده و ناپدید مى‌شود. از آن جایى که کوتولههاى قهوه‌اى بسیار سردتر از ستارگان هستند، آنها اشعه‌هایى با طیف مرئى از خود ساطع نمى‌کنند بلکه اشعه‌هاى ساطع شده از آن در طیف طول موج‌هاى مادون قرمز قرار دارد. این خاصیت، متمایز کننده‌ترین خاصیت در میان اجرام آسمانى مى‌باشد.
یکی دیگر از خاصیت‌هاى مشخصه‌ى کوتولههاى قهوه‌اى، این است که در طیف‌هاى آنها مى توان رد لیتیوم را مشاهده کرد. در حالى که ستارگان در ١٠٠ میلیون سال اول کلیه لیتیوم موجود در خود را مى‌سوزانند، کوتولههاى قهوه‌اى هیچ گاه آن قدر گرم نمى‌شوند که لیتیوم موجود در خود را مصرف کنند. در نتیجه، یافتن لیتیم در اتمسفر اجرام آسمانى که بیش از ١٠٠ میلیون سال عمر دارند، معیار خوبى براى تشخیص ستاره از کوتولههاى قهوه‌اى مى‌باشد.
با این حال، کوتولههاى قهوه‌اى که جرمى بیش از ٦٥ برابر سیاره‌ى مشتری را دارند می‌توانند لیتیم موجود در خود را به همراه دیوتریم بسوزانند و به این طریق مقدار لیتیم موجود در خود را کاهش دهند و در طى نیم میلیارد سال کل لیتیم خود را مصرف کنند. در نتیجه، تست لیتیمى که در بالا جهت شناسایى کوتولههاى قهوه‌اى انجام شد، براى کوتوله‌هایى که جرمى بیشتر از ٦٥ برابر سیاره‌ى مشترى را دارند، کار برد ندارد.
با گذر زمان، هم ستارگان و هم کوتولههاى قهوه‌اى سرد مى‌شوند، در حالى که ستارگان مى‌توانند به کمک هم جوشى هیدروژن درخشندگى خفیفى داشته باشند.
با توجه به اتحادیه بین المللى ستاره شناسى، جسمى با حجم بالاى حداقل حجم مورد نیاز جهت هم جوشى حرارتى اتمى دیوتریم را مى‌توان یک کوتوله‌ى قهوه‌اى تصور کرد، در حالى که اجسامى که شامل این معیار نمى‌شوند را مى توان سیاره نامید. این حداقل حجمى که به آن اشاره شد، ١٣ برابر حجم سیاره‌ى مشترى، محاسبه شده است.
یک کوتوله‌ى قهوه‌اى از خود نورى در طیف مرئى ساطع نمى‌کند، این کوتوله‌ها به اندازه‌ى ستاره‌ها درخشان نیستند. آنها را بیشتر مى‌توان توسط تلسکوپ مادون قرمز مشاهده کرد، این دوربین‌ها مى‌توانند حرارت منتشر شده از اجرام آسمانى را رصد کنند.
مشاهده شده که کوتولههاى قهوه‌اى پیر، بعد از گذشت یک میلیارد سال دماى خود را به کلى از دست مى‌دهند، که این سرد شدن، به تشکیل متان در جو آن ها کمک مى کند. از این طریق نیز مى توان ستاره‌ها را از کوتولههاى قهوه‌اى تشخیص داد. در واقع کوتوله‌ى قهوه‌اى گلیسه ٢٢٩ بى را از این طریق متمایز کرده‌اند..
دماى بزرگ‌ترین و جوان‌ترین کوتوله‌ی قهوه‌اى به ٢٨٠٠ درجه‌ى کلوین مى‌رسد، در حالى که دماى کوچک‌ترین و مسن‌ترین کوتوله، حداقل به ٣٠٠ درجه‌ى کلوین مى رسد.
WISE 1506+7027 نزدیک‌ترین کوتوله‌ى قهوه‌اى شناخته شده به منظومه‌ى شمسى ما مى‌باشد. کوین لوهمان، دستیار پروفوسور در رشته‌ى ستاره شناسى و فیزیک ستاره‌اى از دانشگاه ایالتى پن، و محقق مرکز اگزو پلنت (سیاراتى که خارج از منظومه‌ى شمسى به دور ستاره‌اى مى‌چرخند) و جهان‌هاى قابل زندگى، در ایالت پن، اولین کسى بود که این کوتوله‌ى قهوه‌اى را کشف کرد.
تا کنون، صدها کوتوله‌ى قهوه‌اى با کمک رصد آسمان با تلسکوپ‌هاى مادون قرمز، و تکنیک‌هاى دیگر در جهان کشف شده‌اند. آنها علاقه بسیارى از دانشمندان و ستاره شناسان را به خود جلب کرده تا جایى که بسیارى از آن ها معتقدند که این اجرام ریز ستاره‌اى مى‌تواند به توضیح فرضیه "مشکل عدم وجود جرم" (که به مواد نامرئى تاریک نیز شناخته مى‌شوند) کمک کنند، که هنوز براى ستاره شناسى مدرن به صورت یک راز باقى مانده است.
آیا مى‌دانستید؟
وجود کوتولههاى قهوه‌اى، اولین بار توسط ستاره شناس آمریکایى ، شیو کومار، کسى که تئورى "اجسام گازى کم جرم نمى‌توانند در خود هم جوشی هسته‌اى هیدروژنى را انجام دهند" را بدیهى دانست، فرض شد.یک کوتوله‌ى قهوه‌اى، جرمى آسمانى یا یک شىء سماوى است که اندازه‌اى کوچک‌تر از یک ستاره‌ى کوچک و بسیار بزرگ‌تر از یک اَبَر سیاره، مانند سیاره‌ى مشترى را دارد. به زبان دیگر، براى قرار دادن کوتولههاى قهوه‌اى در زمره‌ى سیاره‌ها، این اجرام بسیار بزرگ هستند و خیلى کوچک‌تر از آن هستند که آن ها را ستاره بنامیم.
تا جایى که به مبداء این کوتولههاى قهوه‌اى مربوط مى‌شود، کوتولههاى قهوه‌اى منشاء ستاره‌اى دارند، زیرا که هر دو جرم آسمانى، زمانى به وجود مى‌آیند که ابرهاى ریز ستاره‌اى سرد از جنس گاز و غبار، متلاشى مى‌شوند. ولى بر خلاف ستاره‌ها، کوتولههاى قهوه‌اى قادر به انجام هم جوشی هسته‌اى حرارتى هیدروژنى نمى‌باشند، که این هم جوشی هسته‌اى است که به ستارگان درخشندگى مى‌دهد. در نتیجه، آنها همانند ستارگان، درخشنده نیستند، ولى مشاهده مى‌شود که از خود درخشش کمى در نتیجه‌ى امواج حرارتى در محدوده‌ى مادون قرمزى که ساطع مى‌کنند، دارند. به این دلیل برخى دانشمندان به کوتولههاى قهوه‌اى "ستاره‌هاى مردود" اطلاق مى‌کنند. در این مقاله، در مورد حقایق سرگرم کننده‌اى راجع به کوتولههاى قهوه‌اى و نحوه‌ى تشکیل آنها بحث خواهیم کرد.
حقایقى در مورد کوتولههاى قهوه‌اى
کوتولههاى قهوه‌اى چگونه به وجود آمدند؟
همان طور که قبلاً نیز به آن اشاره شد، ستاره‌ها از ادغام ابرهاى گاز و غبار ریز ستاره‌ایى بوجود آمده‌اند. این ادغام باعث آزاد سازى انرژى پتانسیل جاذبه‌اى شده، که در نتیجه‌ى آن، ابر را گرم مى‌کند. در نتیجه، دماى هسته تا حدى بالا مى‌رود که راه را براى شروع واکنش‌هاى حرارتى هسته‌اى هیدروژنى هموار مى‌کند.در نتیجه‌ى این هم جوشی حرارتى هسته‌اى هیدروژنى گرماى بسیار زیادى آزاد شده که، هیدروژن را به هلیم تبدیل مى‌کند. این تبدیل ماهیت است که باعث درخشش ستارگان شده و از ادغام شدن دوباره‌ى آنها جلوگیرى مى‌کند، که در نتیجه، اندازه و درخشندگى ستاره را براى مدت زمان بسیار زیادى ثابت نگاه مى‌دارد، این مقدار گاهى به میلیاردها سال مى‌رسد.
با این وجود، در هم تنیده شدن در اثر جاذبه، قادر به گرم کردن به اندازه‌ى کافى هسته‌ى پیش ستاره‌اى (جرم گازى قبل از انفجار هسته‌اى و تشکیل ستاره) که حجم آن کمتر از ٠٨ر٠ برابر خورشید است، نمى‌باشد. هسته‌ى این پیش‌ستاره به اندازه‌ى کافى منسجم شده است که از درهم تنیده شدن بیش از این، قبل از این که دماى هسته تا حد واکنش هسته‌اى هیدروژن بالا برود، جلو گیرى کند. چگونگى تشکیل یک کوتوله‌ى قهوه‌اى به این صورت مى‌باشد.
کوتولههاى قهوه‌اى با حجمى بیش از ٦٠ برابر سیاره‌ى مشترى، قادر به شروع واکنش هاى هسته‌اى هیدروژنى مى‌باشند، ولى با توجه به جرم کم آنها، قادر به ادامه‌ى این واکنش‌ها نمى‌باشند.
چه زمانى اولین کوتوله‌ى قهوه‌اى کشف شد؟
کوتولههاى قهوه اى تید ١ و گلیسه ٢٢٩ بى
اولین کوتوله‌ى قهوه‌اى که کشف شد، تید ١ است که واقع در خوشه‌ى پروین مى‌باشد که یک خوشه‌ى ستاره‌اى باز در صورت فلکى برج ثور است. این کوتوله‌ى قهوه‌اى در سال ١٩٩٥ شناسایى شد و سن آن ١٢٠ میلیون سال تخمین زده مى‌شود. محبوب‌ترین و عمومى‌ترین کوتوله‌ى قهوه‌اى، گلیسه ٢٢٩ بى مى‌باشد که در همان سال به عنوان قسمتى از سیستم دو تایى کشف شد. سیستم دو تایى را به این صورت مى‌توان تشریح کرد: سیستم دو تایى به سیستمى اطلاق مى‌شود که دو ستاره به دور یکدیگر بچرخند. گلیسه ٢٢٩ بى در مدار دو تایى، در حال چرخش به دور کوتوله‌ى قرمزى به نام گلیسه ٢٢٩ آ کشف شد.انواع کوتولههاى قهوه‌اى
اصولاً چهار نوع اصلى از کوتولههاى قهوه‌اى وجود دارد، که به صورت طیف گونه‌اى طبقه بندى مى‌شوند. این طبقه بندى‌ها عبارتند از: طیف کلاس ام، طیف کلاس ال، طیف کلاس تى و طیف کلاس واى.گروه ام با طیف نورى که توسط ملکول هاى اکسید تیتانیم (TiO2) و اکسید وانادیم (VO) ساطع مى‌شود، شناخته مى‌شود. تید ١، یک نمونه ازکوتوله‌ى قهوه‌اى کلاس ام مى‌باشد.
از طرف دیگر، گروه طیفى کلاس ال، توسط اتصالات هیبردى بسیار محکم فلزى (FeH, CrH, MgH, CaH) و خطوط فلزات قلیایى (Na I, K I, Cs I, Rb I) در طیف ساطع شده از خود شناخته مى‌شود. عموماً رنگ کوتولههاى گروه اول قرمز تیره است.
گروه طیفى کلاس تى به نام "کوتولههاى متانى" شناخته مى‌شوند، زیرا که طیف از متان ساطع مى‌شود. یک نمونه از کوتولههاى قهوه‌اى کلاس تى، SIMP ٠١٣٦ مى‌باشد.
تا جایى که به گروه طیفى کلاس واى مربوط مى‌شود، این کلاس واقعاً در ساطع کردن طیف نورى با کم بود مواجه است. کوتولههاى کلاس واى معمولاً از کوتولههاى کلاس تى سردتر هستند. WISE 1828+2650 یک کوتوله‌ى گروه واى است و در عین حال سردترین کوتوله‌ى شناخته شده مى‌باشد.
دیگر حقایق جالب
قبل از این که جیل تارتر که در انستیتوى SETI (جستجو براى پیدا کردن موجودات فضایى هوشمند) مشغول فعالیت است، در پایان نامه دکترى خود، نام "کوتولههاى قهوه‌اى" را روى این اجرام بگذارد، کوتولههاى قهوه‌اى را کوتولههاى سیاه مى‌نامیدند. کوتولههاى قهوه‌اى بر عکس نامشان، اکثراً رنگى قرمز و یا بنفش دارند.ستارگان و کوتولههاى قهوه‌اى، هر دو، در چندین میلیون سال اول پیدایش‌شان، به وسیله‌ى هم‌جوشى ایزوتوپ کم‌یابى از هیدروژن، انرژى تولید مى‌کنند که به این ایزوتوپ بیوتریم گفته مى‌شود. در ستارگان، زمانى که دماى هسته تا مقدار لازم بالا مى‌رود، هم جوشى دیوتریوم کم کم جاى خود را به هم جوشى هیدروژن مى‌دهد، که با این وجود، این امر در مورد کوتولههاى قهوه‌ای اتفاق نمى‌افتد.
در کوتولههاى قهوه‌اى هم جوشى دیوتوریم، نسبتاً مدت زمان کوتاهى ادامه پیدا مى‌کند، که بعد از آن خنک شده و ناپدید مى‌شود. از آن جایى که کوتولههاى قهوه‌اى بسیار سردتر از ستارگان هستند، آنها اشعه‌هایى با طیف مرئى از خود ساطع نمى‌کنند بلکه اشعه‌هاى ساطع شده از آن در طیف طول موج‌هاى مادون قرمز قرار دارد. این خاصیت، متمایز کننده‌ترین خاصیت در میان اجرام آسمانى مى‌باشد.
یکی دیگر از خاصیت‌هاى مشخصه‌ى کوتولههاى قهوه‌اى، این است که در طیف‌هاى آنها مى توان رد لیتیوم را مشاهده کرد. در حالى که ستارگان در ١٠٠ میلیون سال اول کلیه لیتیوم موجود در خود را مى‌سوزانند، کوتولههاى قهوه‌اى هیچ گاه آن قدر گرم نمى‌شوند که لیتیوم موجود در خود را مصرف کنند. در نتیجه، یافتن لیتیم در اتمسفر اجرام آسمانى که بیش از ١٠٠ میلیون سال عمر دارند، معیار خوبى براى تشخیص ستاره از کوتولههاى قهوه‌اى مى‌باشد.
با این حال، کوتولههاى قهوه‌اى که جرمى بیش از ٦٥ برابر سیاره‌ى مشتری را دارند می‌توانند لیتیم موجود در خود را به همراه دیوتریم بسوزانند و به این طریق مقدار لیتیم موجود در خود را کاهش دهند و در طى نیم میلیارد سال کل لیتیم خود را مصرف کنند. در نتیجه، تست لیتیمى که در بالا جهت شناسایى کوتولههاى قهوه‌اى انجام شد، براى کوتوله‌هایى که جرمى بیشتر از ٦٥ برابر سیاره‌ى مشترى را دارند، کار برد ندارد.
با گذر زمان، هم ستارگان و هم کوتولههاى قهوه‌اى سرد مى‌شوند، در حالى که ستارگان مى‌توانند به کمک هم جوشى هیدروژن درخشندگى خفیفى داشته باشند.
کوتولههاى دو قلوى 2M 0939 تاریک‌ترین کوتولههاى قهوه‌ای هستند که تا کنون شناخته شده‌اند.
کوتوله هاى دو قلوى 2M 0939 تاریک‌ترین کوتولههاى قهوه‌ای هستند که تا کنون شناخته شده‌اند. دماى اتمسفر آن ها بین ٥٦٥ تا ٦٣٥ درجه‌ى کلوین است.با توجه به اتحادیه بین المللى ستاره شناسى، جسمى با حجم بالاى حداقل حجم مورد نیاز جهت هم جوشى حرارتى اتمى دیوتریم را مى‌توان یک کوتوله‌ى قهوه‌اى تصور کرد، در حالى که اجسامى که شامل این معیار نمى‌شوند را مى توان سیاره نامید. این حداقل حجمى که به آن اشاره شد، ١٣ برابر حجم سیاره‌ى مشترى، محاسبه شده است.
یک کوتوله‌ى قهوه‌اى از خود نورى در طیف مرئى ساطع نمى‌کند، این کوتوله‌ها به اندازه‌ى ستاره‌ها درخشان نیستند. آنها را بیشتر مى‌توان توسط تلسکوپ مادون قرمز مشاهده کرد، این دوربین‌ها مى‌توانند حرارت منتشر شده از اجرام آسمانى را رصد کنند.
مشاهده شده که کوتولههاى قهوه‌اى پیر، بعد از گذشت یک میلیارد سال دماى خود را به کلى از دست مى‌دهند، که این سرد شدن، به تشکیل متان در جو آن ها کمک مى کند. از این طریق نیز مى توان ستاره‌ها را از کوتولههاى قهوه‌اى تشخیص داد. در واقع کوتوله‌ى قهوه‌اى گلیسه ٢٢٩ بى را از این طریق متمایز کرده‌اند..
دماى بزرگ‌ترین و جوان‌ترین کوتوله‌ی قهوه‌اى به ٢٨٠٠ درجه‌ى کلوین مى‌رسد، در حالى که دماى کوچک‌ترین و مسن‌ترین کوتوله، حداقل به ٣٠٠ درجه‌ى کلوین مى رسد.
WISE 1506+7027 نزدیک‌ترین کوتوله‌ى قهوه‌اى شناخته شده به منظومه‌ى شمسى ما مى‌باشد. کوین لوهمان، دستیار پروفوسور در رشته‌ى ستاره شناسى و فیزیک ستاره‌اى از دانشگاه ایالتى پن، و محقق مرکز اگزو پلنت (سیاراتى که خارج از منظومه‌ى شمسى به دور ستاره‌اى مى‌چرخند) و جهان‌هاى قابل زندگى، در ایالت پن، اولین کسى بود که این کوتوله‌ى قهوه‌اى را کشف کرد.
تا کنون، صدها کوتوله‌ى قهوه‌اى با کمک رصد آسمان با تلسکوپ‌هاى مادون قرمز، و تکنیک‌هاى دیگر در جهان کشف شده‌اند. آنها علاقه بسیارى از دانشمندان و ستاره شناسان را به خود جلب کرده تا جایى که بسیارى از آن ها معتقدند که این اجرام ریز ستاره‌اى مى‌تواند به توضیح فرضیه "مشکل عدم وجود جرم" (که به مواد نامرئى تاریک نیز شناخته مى‌شوند) کمک کنند، که هنوز براى ستاره شناسى مدرن به صورت یک راز باقى مانده است.
/م
