V astronómii sa pre rôzne druhy objektov, ktoré vidíme na oblohe, zvyknú používať krásne poetické názvy a prirovnania namiesto suchých terminus technicus, preto v tejto rozprávkovej ríši nájdeme aj obry a trpaslíky.
Trpaslíky sú veľmi rôznorodé objekty a poznáme ich viac druhov. Základné vlastnosti, ktoré ich charakterizujú, najlepšie vyjadríme tak, že si ukážeme, kde bývajú.
Hlavná postupnosť
Predstavte si mapu, ktorá však nie je klasická, keďže ide o diagram zobrazujúci základné vlastnosti hviezd. Namiesto zemepisnej šírky a dĺžky však na vodorovnej osi bude teplota objektov, ktorá klesá smerom doprava. Namiesto teploty sa častejšie používajú spektrálne typy: O, B, A, F, G, K, M, L, T, Y, ktoré prislúchajú objektom s postupne nižšou teplotou. Na zvislej osi je jasnosť objektov, ktorá stúpa smerom nahor. Jasnosť sa udáva v jednotkách, ktoré nazývame magnitúdy, alebo v jednotkách svietivosti Slnka a v logaritmickej škále. Na diagrame vidíme, že jednotlivé objekty, podobne ako ľudia, nebývajú osamote roztrúsené, ale vytvárajú hustejšie obývané oblasti, akoby osady.
Najviac objektov sa usadilo pozdĺž rieky smerujúcej zhora (vľavo) nadol (vpravo). Túto postupnosť osád rôznych farieb nazývame hlavná postupnosť. Práve tu bývajú bežné trpaslíky. Sú to obyčajné hviezdy. Na to, aby mohli žiariť, potrebujú nejakú obživu. Trpaslíky na hlavnej postupnosti majú o potravu postarané. Vo svojom jadre pomaly spaľujú vodík na hélium, pokým sa im jeho zásoby v jadre neminú. Keď k tomu dôjde, tak sa jednoducho presťahujú do inej osady – doprava a hore – do osady obrov. Tak sa z trpaslíka stane iná hviezda: obor.
Povrchové vrstvy trpaslíkov majú zhruba rovnaké chemické zloženie: asi 90 % vodíka, 10 % hélia a malé množstvá ťažších prvkov. Na spresnenie je potrebné poznamenať, že za hviezdu sa považuje každý svietiaci objekt približne guľového tvaru, držaný pokope vlastnou gravitáciou, ktorý počas značnej časti svojho života produkoval energiu spaľovaním vodíka termonukleárnymi reakciami. Vodíkom sa tu myslí iba tzv. ľahký vodík, zložený z protónu a elektrónu.
Trpaslíky môžu mať rôznu farbu v závislosti od ich povrchovej teploty.
Horúce trpaslíky
Sú to najhmotnejšie hviezdy, sú viac ako dvakrát ťažšie ako Slnko (M☼). Tie najhorúcejšie sú až 100-krát ťažšie. V dôsledku veľkej hmotnosti je v ich jadre vysoká teplota a tlak, čo spôsobuje, že svoj vodík veľmi rýchlo spália, a tak žijú pomerne krátko, iba milión až miliardu rokov. To je aj jeden z dôvodov, prečo je takýchto hviezd veľmi málo. Hmotnejšie z nich ukončia svoj život výbuchom supernovy. Ostane po nich prach, ktorý recyklujú nové hviezdy alebo z neho môžu vzniknúť planéty a tým aj život.
Teplota na ich povrchu dosahuje viac ako 8-tisíc kelvinov, a tak vyžarujú hlavne v ultrafialovej oblasti. Ich farbu ľudské oko vníma v porovnaní s chladnejšími hviezdami modrejšie, a tak ich niekedy nazývame aj modré trpaslíky, hoci nie sú modré. Ide o pomerne veľké hviezdy, 2- až 20-násobne väčšie ako polomer Slnka (R☼). Ich jadro je veľmi horúce a konvektívne, čo znamená, že sa silno premiešava, akoby vrelo.
Všetky hviezdy sa otáčajú okolo svojej osi. Horúce trpaslíky patria medzi tie rýchlejšie, keďže ich rýchlosť rotovania na rovníku dosahuje často stovky km/s. Podľa spektra ich delíme na typy O, B, A.
Niektoré z nich sú postihnuté zvláštnou chorobou. Na povrchu sa im vyhodia veľké škvrny, ktoré majú výrazne odlišné chemické zloženie ako ich okolie alebo vnútro hviezdy. Zistilo sa, že predispozíciu k takejto chorobe majú hviezdy s pomalšou rotáciou a silnými magnetickými poľami.
Okrem horúcich trpaslíkov poznáme aj chladné trpaslíky. Tie môžeme rozdeliť na žlté, oranžové a červené a opísané sú ďalej v texte.
Žlté trpaslíky
Sú chladnejšie a Slnku podobné hviezdy spektrálneho typu G. Teplota na povrchu dosahuje 5 200 – 6 000 K. Vyžarujú najmä vo viditeľnom svetle s maximom v zelenej farbe. Atmosféra Zeme z toho časť rozptýli (najmä modrú farbu) a potom ich vnímame ako biele, prípadne žltkasté. Ich hmotnosť je asi 0,8 – 1,2 M☼ a aj veľkosťou sú podobné Slnku, ktoré je asi 100-násobne väčšie ako naša Zem.
Chladnejšie trpaslíky rotujú výrazne pomalšie ako horúce trpaslíky, rýchlosťou iba pár kilometrov za sekundu. Sú to na prvý pohľad relatívne pokojné hviezdy. Keď sa na ne pozrieme bližšie, zistíme, že na ich povrchu to žije. Na rozdiel od horúcich trpaslíkov nemajú konvektívne jadro, ale konvektívne povrchové vrstvy, a preto to tam doslova vrie. S konvekciou a lokálnymi magnetickými poľami súvisia malé tmavé škvrny veľkosti asi Zeme, ako aj občasné erupcie, ktoré tiež môžeme vidieť na Slnku.
Oranžové
Takýto názov sa niekedy používa pre hviezdy spektrálneho typu K. Sú to objekty s teplotou povrchu 3 900 – 5 200 K a hmotnosťou 0,45 – 0,8 M☼. S klesajúcou teplotou sa ich farba posúva smerom k červenej. Povrchová konvektívna zóna hrubne a siaha do čoraz hlbších vrstiev.
Červené
Červené trpaslíky sú najmenšie a najchladnejšie hviezdy na hlavnej postupnosti. Ich hmotnosť je 0,075 – 0,45 M☼, veľkosť 0,1 – 0,6 R☼ a teplota na povrchu dosahuje 2 500 – 3 900 K. Sú to hviezdy najmä spektrálneho typu M. Sú veľmi aktívne a aj keď sú chladné, vydávajú silné ultrafialové a röntgenové žiarenie, súvisiace s výbuchmi, vzplanutiami a ich magnetickou aktivitou. Konvektívna zóna zachvátila už celú hviezdu a zabezpečuje efektívne premiešavanie materiálu a prísun nového vodíka do jadra.
Nízka teplota v ich jadre im však umožňuje žiť striedmo a šetriť zásobami vodíka, a tak sa dožijú dlhého veku, až jeden bilión (milión miliónov) rokov.
Väčšina hviezd sú práve takéto nenápadné červené trpaslíky. Je ich až dvojnásobne viac ako všetkých už zmienených trpaslíkov dohromady. Preto niet divu, že aj naša najbližšia hviezda (po Slnku) Proxima Centauri je práve takýto červený trpaslík.
Podobne ako Slnko, aj chladné trpaslíky zvyknú mať svoje planéty. V súčasnosti poznáme už tisíce takýchto extrasolárnych planét. Práve nedávno vedci objavili jednu planétu aj pri Proxima Centauri, dokonca podobnú našej Zemi, na ktorej by potenciálne mohol existovať život.
Podtrpaslíky
Okrem trpaslíkov poznáme aj podtrpaslíkov. Nachádzajú sa pod hlavnou postupnosťou (pri spektrálnych typoch G – M). Sú menšie ako trpaslíky a z toho pochádza aj ich meno. Inak sú veľmi podobné trpaslíkom, takže sú to hviezdy spaľujúce vodík. Rozdiel medzi nimi je najmä ten, že ich chemické zloženie sa mierne odlišuje. Sú to staršie hviezdy s menším obsahov kovov (ťažších prvkov), a tak sú trochu chladnejšie a menšie ako trpaslíky s tou istou hmotnosťou, alebo sú menej svietivé ako trpaslíky s podobnou povrchovou teplotou.
Ale pozor, jestvujú aj horúce podtrpaslíky! Sú to hviezdy úplne odlišné od chladných podtrpaslíkov alebo horúcich trpaslíkov. Tiež sa síce nachádzajú pod hlavnou postupnosťou, ale v oblasti odborne nazývanej extrémna horizontálna vetva. V tejto osade sa nespaľuje vodík, ale hélium. Sú to horúce hviezdy (spektrálneho typu O, B), zložené najmä z hélia, prípadne s jadrom z uhlíka a kyslíka. Keďže sú menej svietivé ako obyčajné trpaslíky s tou istou teplotou, musia byť menšie. Typický horúci trpaslík váži málo, asi iba pol hmotnosti Slnka, a meria približne pätinu polomeru Slnka. Teplota na povrchu však dosahuje 20- až 100-tisíc stupňov. Ich pôvod je ešte vždy záhadou. Sú to hviezdy v neskorom štádiu svojho vývoja, ktoré z nejakého dôvodu stratili vodíkovú obálku predtým, ako sa v ich jadre zapálilo hélium. Mnohé z nich pravdepodobne vznikli ako dôsledok vývoja v tesných dvojhviezdach.
Biele a čierne trpaslíky
Na hlavnej postupnosti sa nachádzajú hlboko dole pod hlavnou postupnosťou. Sú to hviezdy menej hmotné ako 1,4 M☼ a sú na sklonku svojho života. Jadrové reakcie v nich už ustali a ostal len popol (He, C, O), ktorý postupne chladne. Bez pomoci tepla a energie z jadra objekt už nedokáže udržať vlastnú hmotnosť a gravitácia ho zrúti. Takéto objekty sú potom veľmi malé, veľkosťou porovnateľné skôr s našou Zemou.
Pomerne veľká hmotnosť a malý polomer znamená, že gravitácia na povrchu je asi 10-tisíckrát väčšia ako na Slnku a doslova stiahne všetky ťažšie chemické prvky z atmosféry dovnútra. Z toho aj vyplýva, že majú obrovskú hustotu, dosahujúcu jednu tonu na jeden kubický centimeter. Materiál s takou hustotou a relatívne nízkou teplotou sa správa úplne odlišne ako plyn v bežných trpaslíkoch, takže sa tu prejavia vlastnosti niektorých častíc (elektrónov) popísané v kvantovej mechanike. Nazývame to degenerovaný plyn; jeho tlak nezávisí od teploty, a práve on zabráni gravitácii, aby sa objekt nezrútil ešte hlbšie na neutrónovú hviezdu alebo čiernu dieru, čo sa stáva pri hmotnejších objektoch. Takýto materiál je tiež veľmi vodivý a tým sa teplota vnútri objektu takmer vyrovná. Niektoré biele trpaslíky majú silné magnetické polia dosahujúce takmer 100-tisíc tesla.
Biele trpaslíky, ktoré sa nachádzajú v tesných dvojhviezdach, majú dobrodružný život. Kradnú si navzájom hmotu, môžu vybuchovať ako novy alebo efektne ukončiť svoj život výbuchom supernovy. Teplota niektorých bielych trpaslíkov môže zo začiatku presahovať 100-tisíc K.
Je pozoruhodné, že biely trpaslík by mohol vychladnúť až natoľko, že v jadre začne kryštalizovať, a ten, ktorý sa skladá z uhlíka, by sa potom mohol prirovnať k diamantu. Chladnutie je však veľmi pomalé preto, lebo má malý povrch a malú svietivosť, a bude trvať dlhšie, ako je terajší vek vesmíru, a tak by takýto objekt ešte nemal existovať. Astronómovia však preň už vymysleli meno a bude sa volať čierny trpaslík. Najchladnejšie známe biele trpaslíky majú v súčasnosti teplotu na povrchu asi 4 000 K.
Hnedé trpaslíky
Hnedé sú moje obľúbené. Sú to veľmi tmavé a malé objekty. Pôvodne ich chceli nazvať čiernymi trpaslíkmi, ale to meno si už rezervovali už spomínané hypotetické objekty.
Hnedé trpaslíky sa nachádzajú na akomsi predĺžení hlavnej postupnosti dole a doprava. Na rozdiel od všetkých spomínaných trpaslíkov a podtrpaslíkov to nie sú hviezdy, skôr sa podobajú hmotným planétam. Ich hmotnosť sa začína tam, kde sa končia hviezdy, t. j. asi pri 0,075 M☼. Teplota vnútri takého objektu nedosahuje hodnotu potrebnú na spaľovanie vodíka (cca 3 milióny stupňov); skrátka ho nedokážu stráviť, a preto nemajú dosť energie, aby mohli žiariť ako hviezdy. To je hlavný dôvod, prečo sú také tmavé a chladné. Zvyknú ich nazývať aj nepodarené hviezdy. Predsa ich však vidíme a tak nejakú energiu musia produkovať a vydávať. Tú čerpajú z ľahšie stráviteľných prvkov, napríklad spaľovaním ťažkého vodíka (deutéria) a lítia, ktoré horia pri nižších teplotách ako vodík. Tých však nie je veľa a hnedého trpaslíka veľmi nenasýtia. Energiu potom čerpajú už len z vlastných zásob tepla a gravitácie, a tak pomaly chradnú, scvrkávajú sa a chladnú. Objavili ich pomerne nedávno, v roku 1995, a to dokonca neskôr ako extrasolárne planéty. Predstavujú moderný a rýchlo sa rozvíjajúci výskumný smer.
Rozhoduje hmotnosť
Hnedé trpaslíky sa delia podľa spektrálnych typov na M, L, T, Y. Tu však treba zdôrazniť, že definícia hnedého trpaslíka nesúvisí so spektrálnym typom, ale s hmotnosťou. Spektrálny typ odráža najmä povrchovú teplotu objektu a môže sa stať, že mladý ľahší hnedý trpaslík bude horúcejší (napríklad spektrálny typ M) ako ťažší, ale starší hnedý trpaslík, alebo dokonca ako niektoré staršie hviezdy.
Ich chemické zloženie je podobné Slnku, teda prevažuje najmä vodík a hélium. V chladnom a hustom prostredí sa aj plyn správa inak, ako je pri iných trpaslíkoch na hlavnej postupnosti. Namiesto ideálneho plynu sa z neho stáva plyn čiastočne degenerovaný, podobne ako pri bielych trpaslíkoch.
Teplota na povrchu hnedého trpaslíka je pod 2 500 K. Objavujú sa však čoraz chladnejšie hnedé trpaslíky s teplotou už aj hlboko pod bodom mrazu (vody). Pri takých teplotách už kondenzujú rôzne materiály a začínajú sa formovať mraky, z ktorých potom aj prší. Najprv hlboko dole v atmosfére, pri najvyššej teplote, skondenzuje železo, nad ním pri teplote asi 1 500 K zase sklo (skala) a ešte vyššie pri nižších teplotách mraky zo soli. Najchladnejšie na samom vrchu sú mračná z vody a amoniaku.
Ostáva nám ešte zadefinovať spodnú hranicu hmotnosti hnedých trpaslíkov. Podobne ako horná hranica sa definuje ukončením spaľovania vodíka vo hviezdach, spodná hranica sa stanovila ukončením spaľovania ťažkého vodíka. Pri hmotnosti objektu pod 13 hmotností Jupitera (M_J) teplota vnútri už nedosiahne hodnotu potrebnú na zapálenie deutéria (cca 600-tis. K). Tu si treba všimnúť, že hmotnosti hnedých trpaslíkov sa uvádzajú v hmotnostiach nášho Jupitera, a nie v hmotnostiach Slnka. Vzťah medzi nimi je veľmi jednoduchý. Slnko je zhruba 1 000-násobne hmotnejšie ako Jupiter.
Podhnedé trpaslíky
Čo to však budú za objekty s hmotnosťou pod 13 M_J? Poznáme vôbec také? Áno, také objekty za hranicami Slnečnej sústavy už poznáme. Sú to práve extrasolárne planéty. Tiež ich objavili relatívne nedávno, v roku 1992. Extrasolárna planéta je objekt menej hmotný ako 13 M_J a obieha okolo hviezdy (alebo jej pozostatku) alebo okolo hnedého trpaslíka.
Možno sa opýtate ďalej, čo je to však za objekt, ktorý je menej hmotný ako 13 M_J, ale neobieha okolo iného objektu? Nuž, aj také objekty tiež existujú. Názory na ich definitívne označenie sa však rôznia. Niektorí ich nazývajú voľne lietajúce planéty. Väčšina astronómov ich však volá podhnedé trpaslíky.
Hnedé podtrpaslíky
Zistilo sa, že existuje skupina objektov, ktoré majú podobné vlastnosti ako hnedé trpaslíky. Sú však staršie a majú výrazne menší obsah kovov (podobne ako chladné podtrpaslíky) a to sú práve ony – hnedé podtrpaslíky. Tieto objekty uzatvárajú náš prehľad o trpaslíkoch v astronómii.
Ján Budaj
Astronomický ústav SAV