Звезда R136a1 в туманности Тарантул в представлении художника / Sephirohq / [CC BY 3.0]Современные представления о звёздах сложились в середине ХХ века. К тому времени было доказано, что они «горят» за счёт термоядерной реакции, основанной на превращении водорода в гелий. Синтез проходит при очень высокой температуре, которая возникает в недрах звёзд под действием мощной гравитации. Скорость реакции напрямую зависит от температуры, поэтому большие звёзды «выгорают» быстрее, чем подобные нашему Солнцу. Теоретически доказано, что масса светила не может превышать 200 солнечных масс, иначе оно превратится в гиперновую. Известно только одно исключение — звезда R136a1 в туманности Тарантул (Большое Магелланово Облако). Она остаётся в стабильном состоянии, при том что её масса, по разным оценкам, находится в пределах от 265 до 315 солнечных. Как ей это удаётся — внятных объяснений пока нет.При какой минимальной массе начинается термоядерная реакция внутри звезды, тоже долго оставалось неясным. Чем меньше температура на поверхности объекта, тем меньше его светимость — и тем труднее обнаружить его традиционными оптическими инструментами. В то же время теоретики не могли отрицать существование небесных тел, представляющих собой промежуточное звено между звёздами и планетами. Такая гипотеза обсуждалась. И, что неудивительно, первыми ею воспользовались фантасты. Например, Иван Ефремов в романе «Туманность Андромеды» (1957) описал «железную» звезду — массивное тело, излучающее только в инфракрасном диапазоне; оно едва не погубило звездолёт «Тантра». Среди астрономов инициативу проявил американец Харлоу Шепли. В своей книге Of Stars and Men: The Human Response to an Expanding Universe («О звёздах и людях. Как человечество воспринимает расширение Вселенной», 1958) он высказал мнение, что сообщения об открытии у некоторых звёзд невидимых спутников, по массе в десятки раз превосходящих Юпитер, соответствуют действительности. А значит, придётся пополнить классификацию новым типом небесных тел — лилипутскими звёздами. Открытие, впрочем, не подтвердилось, и предложение Шепли не было принято.

Физические свойства гипотетических маломассивных звёзд (субзвёзд, или микрозвёзд) попытался описать астрофизик Шив Кумар из Университета Вирджинии. В начале 1960-х он создал модель чёрного карлика — объекта массой 7−9% от солнечной, который может разогреться только до температуры порядка 2000 К и излучает в инфракрасном диапазоне. Модель отличалась изяществом, но долгое время оставалась сугубо теоретической.В середине 1970-х годов астрономы установили, что, помимо наблюдаемых звёзд, в нашей и соседних галактиках есть огромное количество невидимого вещества. Разумеется, тут же возникло предположение, что это вещество сосредоточено в объектах, смоделированных Кумаром. После обсуждений за ними закрепилось название «коричневые карлики», придуманное студенткой-дипломницей Джилл Тартер из Калифорнийского университета в Беркли. На поиски субзвёзд были брошены значительные силы, но публике пришлось ждать ещё двадцать лет, прежде чем в мае 1995 года сотрудники испанской обсерватории Роке-де-лос-Мучачос Канарского института астрофизики заявили, что им удалось идентифицировать настоящий коричневый карлик в скоплении Плеяды созвездия Тельца — на расстоянии 400 световых лет от нас. На поверхности субзвезды, получившей обозначение Teide 1, сохраняется температура 2600 К, по массе она в шестьдесят раз превышает Юпитер, а по светимости в 1052 раза слабее Солнца; ей 120 миллионов лет. Пока статья об открытии готовилась к печати, в том же скоплении был выявлен ещё один похожий объект — Calar 3.Наблюдения наконец-то подтвердили теорию, и теперь нужно было понять, насколько коричневые карлики распространены во Вселенной и сколько их находится в непосредственной близости от нас.

Остроту новой теме добавила гипотеза о существовании Немезиды — очень тусклой звезды, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии полутора световых лет. В апреле 1984 года с её помощью палеонтологи пытались объяснить массовые вымирания биологических видов на Земле, которые происходят с периодичностью 25−27 миллионов лет. В то время вымирания связывали с падением на нашу планету астероидов и комет, потому напрашивалось такое объяснение: Немезида движется по вытянутой эллиптической орбите, пересекающей облако Оорта, где сконцентрирован кометный материал; гравитация субзвезды подталкивает его в сторону Солнца, из-за чего на планеты обрушивается космический ливень. Мнения астрономов, поддержавших палеонтологов, о природе Немезиды разделились: одни считали её коричневым карликом (то есть субзвездой), другие — красным карликом (то есть малой звездой с очень длительным процессом «выгорания»). Ни один из вариантов не подтвердился в ходе наблюдений, но от гипотезы отказались не по этой причине, а потому, что сама теория вымираний в результате катастроф оказалась опровергнута. Скорее всего, в нашу эпоху у Солнца нет невидимого массивного компаньона, хотя он мог быть раньше.И всё же отсутствие Немезиды не значит, что поблизости от нас нет коричневого карлика. Если такой объект обнаружится на расстоянии менее четырех световых лет — ближе, чем Проксима Центавра, — это станет открытием века, потому что поможет объяснить некоторые странности устройства Солнечной системы (например, аномальные орбиты Плутона и Седны).Пока же учёные собирают данные о коричневых карликах в дальнем межзвёздном пространстве, чтобы определить их типичные свойства и распространённость во Вселенной. Решающую роль в поисках сыграли не только новые телескопы, снабжённые крупными инфракрасными ПЗС-матрицами, но и компьютерные модели субзвёзд, созданные группами Адама Барроуза из Аризонского университета и Такаси Цудзи из Токийского университета. Среди прочего, модели предсказывали влияние метана и пыли на спектр холодного карлика (с температурой ниже 1500 К): они искажают спектр, превращая красный цвет субзвезды в желтоватый.

Теоретические выкладки были блестяще подтверждены в ноябре 1995 года группой астрономов Калифорнийского технологического института, которые открыли у звезды Gliese 229 созвездия Зайца спутник массой 5% от солнечной и с температурой поверхности около 950 К. В точности соответствуя модели, спектр спутника содержал сильные полосы метана, а его цвет в ближнем инфракрасном диапазоне оказался желтоватым. В дальнейшем для поиска коричневых карликов начали использовать специальные светофильтры, центрированные на полосу поглощения метана. С другой стороны, в спектре не было полос оксидов титана и ванадия, характерных для самых холодных звёзд класса М, — следовательно, как и предсказывала модель, эти соединения сконденсировались в твёрдые частички пыли и не проявляли себя подобно молекулам.Классификация звёздных спектров, сложившаяся ещё в первой половине ХХ века, не включала в себя карликовые объекты с такими специфическими характеристиками. Астрономам пришлось ввести новый класс, учитывающий подавление полос оксидов и сильную полосу метана. В 1998 году Дэви Киркпатрик из Калифорнийского технологического института предложил расширить систему, добавив в неё класс L — маломассивные звёзды, излучающие в инфракрасном диапазоне. Однако далеко не все светила, вошедшие в него, относятся к коричневым карликам. Дополнительный критерий — так называемый литиевый тест. Дело в том, что литий быстро разрушается при высоких температурах, свойственных термоядерной реакции: например, в самых холодных звёздах он «сгорает» за 200 миллионов лет. Коричневый карлик способен «сжечь» такую же долю лития за 100 миллиардов лет — время, на порядок превышающее возраст Вселенной. Если у холодной звезды в спектре есть линия поглощения лития, то перед нами типичный коричневый карлик.В новом веке появились и новые способы обнаружения невидимых объектов в космосе. Измеряя колебания лучевой скорости звёзд, учёные могут с высокой точностью определить наличие планет рядом с ними. Чем больше планета, тем сильнее её гравитационное воздействие на звезды и тем значительнее колебания. Соответственно, остывшие или остывающие коричневые карлики легко обнаруживаются этим методом.

Однако карликов — компаньонов «нормальных» звёзд оказалось гораздо меньше, чем предполагали учёные. Чтобы объяснить феномен скрытой массы в Галактике астрономы переключились на поиски «изолированных» объектов. Первый карлик в свободном полёте был открыт в 1997 году Марией Руис из Чилийского университета. Она обнаружила его в созвездии Гидры и назвала Kelu-1; на языке народа мапуче, населявшего центральную часть Чили, келу означает «красный». Тип карлика был определен по его спектру, в котором хорошо видны линии поглощения метана и лития.Наиболее результативным при поиске «изолированных» карликов сегодня остаётся обзор неба в инфракрасном диапазоне. 14 декабря 2009 года NASA отправило на околоземную орбиту обсерваторию WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer). Помимо поиска астероидов и транснептуновых объектов, она занималась изучением протопланетных облаков в звёздных системах, а также выявлением холодных звёзд и коричневых карликов. Работа обсерватории WISE, сканировавшей всё небо на четырёх длинах инфракрасных волн с высокой чувствительностью, оказалась более чем успешной. В 2011 году было объявлено об открытии 104 коричневых карликов. Среди них, к примеру, система WISE 0458+6434 в созвездии Жирафа, состоящая из двух холодных карликов с температурами поверхностей 600 и 500 К. Полученных изображений неба оказалось так много, что к их анализу NASA привлекло интернет-общественность. Проект совместной обработки информации Backyard Worlds: Planet 9 был запущен в феврале 2017 года, и сегодня в нём принимает участие больше ста тысяч человек по всему миру.

Жизнь в темноте

Объект WD 0806-661 B в созвездии Летучей Рыбы в представлении художника / NASA Goddard Space Flight Center, Francis Reddy / [CC BY 2.0]Получив достаточно данных, учёные взялись за классификацию субзвёзд. Границу между ними и планетами провели по массе: чтобы в коричневом карлике начался процесс термоядерного синтеза, ему надо быть тяжелее Юпитера в тринадцать раз. По спектру карлики разделяют на классы М, L, T и Y. Класс M — самые горячие и молодые субзвёзды, такие как Teide 1. У карликов класса L, в отличие от них, есть полосы гидридов металлов и атомные линии щелочных металлов. Считается, что все карлики класса М по мере «выгорания» переходят в класс L. В спектрах класса Т метана так много, что такие карлики называют метановыми. Согласно теоретической модели, они по своим свойствам схожи с планетами-гигантами, однако температура на их поверхности колеблется от 700 до 1300 К. Класс Y, включающий самые холодные субзвёзды, долгое время оставался теоретическим, но в феврале 2011 года в созвездии Летучей Рыбы был наконец-то открыт карлик WD 0806-661 B с температурой от 325 до 350 К (от 52 до 77 °С), после чего их начали находить повсеместно. В настоящий момент «рекордсменом» считается WISE 0855-0714; он находится от нас на расстоянии 7,3 светового года в созвездии Гидры, с температурой от 225 до 260 К (от −48 до −13 °C). Поскольку его масса не превышает десяти юпитерианских, объект отнесли к подклассу коричневых субкарликов, или блуждающих планет.В августе 2014 года астрономы, работавшие на Магеллановых телескопах обсерватории Лас-Кампанас в Чили, сообщили, что обнаружили в спектре WISE 0855-0714 следы водяного пара. А если там есть вода, то есть и основа для возникновения жизни. Через два года команда планетологов из Эдинбургского университета (Великобритания) создала модель эволюции на этом субкарлике, опираясь на работы знаменитого астрофизика Карла Сагана, который теоретически исследовал возможность существования жизни на Юпитере. В качестве организма, гипотетически способного обитать в тучах WISE 0855-0714, учёные выбрали планктон и показали, что нет принципиальных препятствий для возникновения микроорганической биосферы в атмосфере коричневого карлика класса Y. Поскольку, по прикидкам, таких объектов в нашей Галактике не меньше миллиарда, теоретические границы распространённости жизни придётся расширить. Изучением холодных субкарликов занимается, среди прочего, Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope). Искать на них следы жизни гораздо проще, чем на планетах, поскольку спектры объектов с собственным излучением дают больше наглядной информации.