کوتوله قهوه‌ای چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
ستاره کوتوله قهوه‌ای چیست: کوتوله‌های قهوه‌ای در اصل شبه‌ستاره هستند زیرا برخلاف «ستارگان رشته اصلی»، جرم و دمای آن‌ها به‌حدی نیست که هم‌جوشی در هسته آن‌ها تداوم یابد. در واقع، هم‌جوشیِ ناقصی در هسته‌ی آن‌ها شکل می‌گیرد که خیلی زود فروکش می‌کند. اندک گرمای ناشی از هم‌جوشی ناقص که درون کوتوله قهوه‌ای باقی مانده است، تدریجا به‌شکل نوری کم‌فروغ منتشر می‌شود و پس از مدت کوتاهی کوتوله قهوه‌ای کاملاً خاموش می‌شود. دمای کوتوله‌های قهوه‌ای ۱۰۰۰ کلوین یا کمتر است، یعنی حتی از ستاره‌های سرخ نیز خنک‌ترند. اخترشناسان مختلف می‌گویند، حداقل جرم کوتوله‌های قهوه‌ای باید حدود ۱۳ الی ۷۵ برابر جرم سیاره مشتری باشد. لذا کوتوله‌های قهوه‌ای نه‌چنان پُرجِرم هستند که گرمای کافی تولید کنند و در دسته‌ی ستاره‌ها جای بگیرند و نه‌چنان کم‌جِرم هستند که بتوان آن‌ها را در دسته‌ی سیاره‌ها جای داد.
بعضی از اخترشناسان بر این باورند که کهکشان راه شیری تقریبا به تعداد ستاره‌های خود، کوتوله قهوه‌ای دارد. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که کوتوله قهوه‌ای چیست، چگونه تشکیل می‌شود و چه ویژگی‌هایی دارد.
کوتوله قهوه‌ای چیست و چگونه پدید می‌آید؟
کم‌دماترین ستاره‌ها را اصطلاحا کوتوله قهوه‌ای (brown dwarf) می‌نامند. آن‌ها در اصل، نَه ستاره‌ی کامل بلکه «شبه‌ستاره» هستند. دمای کوتوله‌های قهوه‌ای ۱۰۰۰ کلوین یا کمتر است، یعنی محدوده‌ی دمای متفاوتی دارند که بسته به دمای‌شان در یکی از گروه‌های ستارگان R، N، T یا Y جای می‌گیرند. آن‌ها نه چنان پرجرم و داغند که بتوان ستاره نامیدشان و نه چنان کم‌جرم و خنک‌اند که سیاره محسوب شوند.
کوتوله‌های قهوه‌ای را ستاره‌های خاموش یا ستاره‌های ناکام نیز می‌خوانند. آن‌ها نیز مثل سایر ستاره‌ها ابتدا پیش‌ستاره (protostar) بوده‌اند، یعنی از به‌هم پیوستن و متراکم شدن ابرهای کیهانیِ حاوی گاز و غبار پدید آمده‌اند، اما جرم و چگالی آن‌ها به حدی نمی‌رسد که بتوانند هم‌جوشی هسته‌ای را کاملاً آغاز کنند و ادامه دهند. لذا در اثر تراکم جرم در هسته آن‌ها گرمای اندکی تولید می‌شود اما به هم‌جوشی کامل هسته‌ای نمی‌انجامد و زود فروکش می‌کند. گرمای اندکی که در هسته کوتوله قهوه‌ای ذخیره شده بود، تدریجا بیرون نشت می‌کند و چون دمای آن بسیار کم است، نور سرخ و بنفشِ ضعیفی ساطع می‌کند و به‌همین سبب آن‌ها را کوتوله قهوه‌ای می‌نامند.
نور و دمای کوتوله‌های قهوه‌ای چنان اندک است که حتی تلسکوپ‌های پیشرفته‌ی امروزی نیز بسیاری از آن‌ها را نمی‌توانند رصد کنند. کوتوله‌های قهوه‌ای مدتی نورافشانی می‌کنند و بعد از مدت کوتاهی خاموش می‌شوند. در واقع، دمای کوتوله‌های قهوه‌ای حتی از ستاره‌های سرخ نیز کمتر است.
اندک نوری که از آن‌ها منتشر می‌شود احتمالا ناشی از گرمایی است که در همان مراحل آغازین تولدشان در درون‌شان ایجاد و ذخیره شده بود. پس از آنکه همان ذخیره گرمایی نیز پایان یافت، همان اندک نوری که منتشر می‌کنند نیز رو به خاموشی می‌نهد. اکثر کوتوله‌های قهوه‌ای حول ستاره‌ی والد خود در گردشند اما کوتوله‌های قهوه‌ای تنها نیز در کیهان کشف شده‌اند.
جرم کوتوله‌های قهوه‌ای
کوتوله‌های قهوه‌ای در مقایسه با ستاره‌های کامل، جرم کمتری دارند و اصلا چون جرم‌شان کافی نیست، نمی‌توانند دمای لازم برای تداوم هم‌جوشی را در هسته‌ی خود ایجاد کنند. جرم کوتوله‌های قهوه‌ای کمتر از ۷.۵ درصدِ جرم خورشید است.
اما معمولا جرم کوتوله‌های قهوه‌ای را با جرم سیاره مشتری مقایسه می‌کنند. پس، اگر سیاره مشتری را ملاک بگیریم، جرم کوتوله‌های قهوه‌ای حداقل ۱۳ و حداکثر ۷۵ برابر (و طبق برخی تعاریف دیگر، حداقل ۱۰ و حداکثر ۹۰ برابرِ) جرم مشتری است که در مقایسه با جرم ستارگان واقعی، رقم کوچکی محسوب می‌شود. اما چرا ۱۳ برابر؟ چون حداقل جرم لازم برای شروع هم‌جوشی هسته‌ایِ ایزوتوپ‌های تک‌نوترونیِ هیدروژن موسوم به دوتریوم، ۱۳ برابر جرم مشتری است و اگر جرم ستاره کمتر از آن باشد، نمی‌تواند گداختِ کامل را آغاز کند و آن‌را ادامه دهد. از نظر حجم نیز بسیاری از کوتوله‌های قهوه‌ای فارغ از مقدار جرم‌شان، تقریبا هم‌اندازه مشتری هستند.
اندازه (شعاع) کوتوله‌های قهوه‌ای
کوتوله‌های قهوه‌ای در مقایسه با ستاره‌ها اجسام آسمانی کوچکی هستند. شعاع آن‌ها حدود ۰.۶۴ تا ۱.۱۳ برابر شعاع مشتری است. لذا حتی از ستاره‌های کم‌جرم و کوچک نیز کوچکترند.
تصویر ۱. مقایسه اندازه (شعاع) کوتوله قهوه‌ای با بعضی دیگر از اجرام آسمانی: (از چپ به راست) خورشید، ستاره‌ی کم‌جِرم، کوتوله قهوه‌ای، سیاره مشتری، زمین (در این تصویر، اندازه‌ها درست و واقعی مقیاس شده‌اند، اما فاصله‌ها واقعی نیستند (برای مشاهده تصویر در اندازه اصلی روی آن کلیک کنید).
دمای کوتوله‌های قهوه‌ای
دمای هسته‌ی کوتوله قهوه‌ای کمتر از تقریبا ۳ میلیون کلوین است. اگر دمای هسته‌ی آن بیشتر بود، می‌توانست هم‌جوشی را ادامه دهد. دمای سطح کوتوله‌های قهوه‌ای نیز ۱۰۰۰ کلوین یا کمتر از آن است. طی سال‌های گذشته چند کوتوله قهوه‌ای کشف شده‌اند که دمای سطح آن‌ها ۳۰۰ کلوین یعنی تقریبا مثل دمای بدن انسان است. این کوتوله‌های قهوه‌ای به‌سبب دمای بسیار کم‌شان در جو یا اتمسفر خود مولکول‌های فراوانی شامل متان و حتی آب دارند.
کوتوله‌های قهوه‌ای به سبب دمای کم و اندازه‌ی کوچک‌شان تابندگی بسیار اندکی دارند که حدود یک‌صد‌هزارم (۱/۱۰۰,۰۰۰) تابندگی خورشید است و به همین سبب مشاهده و رصد آن‌ها بسیار سخت است. اگر فاصله کوتوله‌های قهوه‌ای از ما بیش از دویست یا سیصد سال نوری باشد، حتی تلسکوپ‌های پیشرفته امروزی نیز تقریبا نمی‌توانند آن‌ها را بیابند.
نور کوتوله‌های قهوه‌ای
هرچند کوتوله‌های قهوه‌ای از نظر حجم تقریبا هم‌اندازه سیاره مشتری هستند، جرم آن‌ها بیشتر است، پس هسته متراکم‌تری دارند و به همین سبب برخلاف سیاره‌ها، خودشان اندکی نور تولید می‌کنند که عمدتا به‌شکل پرتوهای فرسرخ رصد می‌شود. اما مشتری و سایر سیارات نور خورشید را منعکس می‌کنند.
کوتوله‌های قهوه‌ای اجرام آسمانی بسیار جوانی هستند و تابشی هرچند اندک دارند که بشکل انرژی تابشی ناشی از هم‌جوشیِ دوتریوم (ایزوتوپ سنگین هیدروژن) و تبدیل آن به هسته هلیوم ایجاد می‌شود. اما همین سوخت طی چند‌ده میلیون سال مصرف می‌شود. نتیجتا کوتوله‌های قهوه‌ای ضمن آنکه بآرامی متراکم و درهم‌فشرده می‌شوند، در اثر گرمای تولید شده‌ی ناشی از انرژی گرانشی نورشان بسیار ضعیف‌تر می‌شود. اخترشناسان می‌گویند، دمای هسته‌ی شیء آسمانی باید کمتر از ۳ میلیون درجه باشد تا کوتوله قهوه‌ای محسوب شود، زیرا ۳ میلیون درجه حداقل دمای لازم برای انجام واکنش‌های زنجیره‌ایِ هسته‌ای در هسته ستاره است که به تداوم هم‌جوشی منجر می‌شود. اما دمای سطح آن‌ها به جرم‌شان بستگی دارد. هرچه جرم کمتر، دمای سطح کمتر.
مطلب مرتبط: رنگ ستاره‌ها و ارتباط آن با دمای سطح ستاره
رنگ کوتوله‌های قهوه‌ای
کوتوله‌های قهوه‌ای به‌رغم نام‌شان در گروه‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند و طیف رنگ‌های متفاوتی دارند. ستاره‌های کوتوله‌ی سرخ کوچکتر، کوتوله‌های قهوه‌ای و سیاره‌های بزرگ گازی (معروف به غول‌های گازی، مثل مشتری و زحل) همگی تقریبا هم‌اندازه هستند و قطر آن‌ها کمتر از یک‌دهم (۱/۱۰) قطر خورشید است. ستاره‌های کوتوله سرخ و کوتوله‌های قهوه‌ای نوع L تقریبا یک میلیارد سال بعد از تولدشان نور سرخ منتشر می‌کنند، اما آن‌ها که در گروه ستارگان T می‌گنجند و جرم کمتری دارند، نور ارغوانی می‌پراکنند. کوتوله‌های قهوه‌ای و کوتوله‌های گروه L در محدوده‌ی نور فروسرخ نزدیک (near-infrared) تقریبا نور نارنجی یا سرخ منتشر می‌کنند، اما رنگ نور کوتوله‌های گروه T که حاوی متان هستند، مشخصا به آبی می‌زند. در ادامه، موضوع را کمی بیشتر توضیح می‌دهیم:
تصویر ۲. تصویرسازی گرافیکی از کوتوله قهوه‌ای
گروه ستارگان M: ستاره‌های گروه طیف نوری M در اصل کوتوله‌های سرخ هستند، اما آن‌هایی که در انتهای این دسته‌بندی جای می‌گیرند و خنک‌ترند، کوتوله قهوه‌ای محسوب می‌شوند و اصطلاحا آن‌ها را کوتوله‌های انتهاییِ گروه اِم (late-M dwarfs) می‌نامند. در تصویرسازی‌های گرافیکی، آن‌ها را با رنگ سرخ تیره یا اصطلاحا چرکین نشان می‌دهند تا مشخص شود که مابین کوتوله‌های قرمز و کوتوله‌های قهوه‌ای هستند.
گروه ستارگان L: وقتی می‌گوییم گروه طیف نوری یعنی ستاره‌ها را براساس باندهای جذبی در طیف نوری‌شان دسته‌بندی می‌کنیم. ستاره‌های گروه L باند نوری هیدرید آهن و فلزهای قلیایی دارند که گروه M فاقد آن است. نور آن‌ها بنفش-سرخ است.
گروه ستارگان T: قهوه‌ای‌ترین کوتوله‌های قهوه‌ای ستاره‌های گروه T هستند زیرا باندهای نور جذبی آن‌ها از دید انسان رنگ سرخ بسیار تیره‌ای دارد که شبیه قهوه‌ای به نظر می‌رسد.
گروه ستارگان Y: خنک‌ترین ستاره‌های عالم در گروه Y جای می‌گیرند. تا چند سال پیش گروه Y صرفا مبنای نظری داشت یعنی ستاره‌ای که در این گروه بگنجد کشف نشده بود. سرانجام در دهه دوم قرن ۲۱ میلادی تعدادی کوتوله بسیار خنک کشف شد که ویژگی‌های‌شان با مشخصات پیش‌بینی‌شده برای ستارگان گروه Y هم‌خوانی داشت. اکنون ده‌ها کوتوله قهوه‌ای از نوع Y کشف شده‌اند که خنک‌ترین ستارگان عالم محسوب می‌شوند و هیچ نوری از خود بیرون نمی‌دهند. لذا برخی اخترشناسان آن‌ها را تقریبا نوعی سیاره قلمداد می‌کنند.
کوتوله قهوه‌ای چیست: ستاره، سیاره یا هیچکدام؟
سه سیاره‌ی «مشتری» و «زحل» و «نپتون» واقع در منظومه‌ی شمسی ویژگی‌های‌شان شبیه کوتوله‌های قهوه‌ای است. گرمایی که آن‌ها از خود منتشر می‌کنند، بیش از گرمایی است که از خورشید جذب می‌کنند. هر یک از سه سیاره مذکور ده‌ها قمر دارند و گویی هر کدام‌شان ستاره‌ای است که منظومه‌ی کوچکی را حول خود پدید آورده است. ضمنا مشتری و زحل عمدتا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند و می‌دانیم که عنصر و سوخت اصلی ستاره‌ها برای هم‌جوشی هسته‌ای نیز هیدروژن و سپس هلیوم است. با این اوصاف، چرا مشتری و زحل را کوتوله قهوه‌ای نمی‌دانیم؟
اتحادیه جهانی نجوم تعریفی دارد که به سردرگمی‌ها در این‌باره پایان می‌دهد. طبق تعریف، اجسامی که جرم آن‌ها حداقل ۱۳ برابر جرم سیاره مشتری باشد، کوتوله قهوه‌ای هستند و کمتر از آن سیاره محسوب می‌شوند. قبلا توضیح دادیم که چرا جرم کوتوله‌های قهوه‌ای باید حداقل ۱۳ برابر جرم مشتری باشد.
تصویر ۳. رنگ نور کوتوله‌های قهوه‌ای در واقع به سرخی می‌زند؛ مثل منظومه دوتاییِ «دنیس ۱۵۴۷-۱۲۲۸» (به انگلیسی DENIS 1228-1547). کوتوله‌های کم‌دماتر و کم‌نورتر گروه T نیز که آکنده از متان هستند، نور ارغوانی می‌پراکنند.
چند نمونه کوتوله قهوه‌ای
- اولین کوتوله قهوه‌ای در سال ۱۹۹۵ کشف شد و Gliese 229B نام گرفت. جرم کوتوله قهوه‌ای مذکور ۰.۰۵ جرم خورشیدی بود.
- نزدیک‌ترین ستاره کوتوله قهوه‌ای به زمین، لومان ۱۶ (به انگلیسی Luhman 16) نام دارد که منظومه‌ای دوتایی متشکل از دو ستاره کوتوله قهوه‌ای است که تنها ۶.۵ سال نوری از ما فاصله دارند.
- سحابی جبار (شکارچی) بخشی از ابر میان‌‌ستاره‌ایِ بزرگ‌تری موسوم به «مجموعه ابر مولکولی جبار۱» است و ۱۰۰۰ تا ۱۴۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد. سحابی جبار صدها ستاره تازه متولدشده و کوتوله قهوه‌ای دارد. خوشه ذوزنقه که بخشی از سحابی جبار است نیز چندین کوتوله قهوه‌ای دارد. آن‌ها با سرعت در حال خروج از سحابی جبار هستند.
جدول نام و مشخصات بعضی از کوتوله‌های قهوه‌ای
| نام کوتوله قهوه‌ای | نام به انگلیسی | جرم خورشیدی | صورت فلکی | توضیحات |
| لومان ۱۶ آ | Luhman 16a | کمتر از ۰.۰۸ | بادبان | عضو منظومه دوتایی |
| لومان ۱۶ ب | Luhman 16b | کمتر از ۰.۰۸ | بادبان | عضو منظومه دوتایی |
| وایز ۰۷۱۴-۰۸۵۵ | WISE 0855-0714 | کمتر از ۰.۰۸ | مار آبی | – |
| دنیس ۳۹-۱۰۴۸ | DENIS 1048-39 | حدود ۰.۰۶ تا ۰.۰۹ | تلمبه | از ستارگان گروه M |
| ال‌پی ۲۰-۹۴۴ | LP 944-20 | حدود ۰.۰۷ | کوره | شراره می‌پراکند |
| گلیز ۲۲۹ ب | Gliese 229 b | ۰.۰۲۵ تا ۰.۰۶۵ | خرگوش | حاوی متان |
| گلیز ۵۷۰ د | Gliese 570 d | ۰.۰۵+/-۰.۰۲ | میزان (ترازو) | حاوی متان |
جمع‌بندی: ستاره کوتوله قهوه‌ای چیست و چگونه تشکیل می‌شود و چه ویژگی‌هایی دارد؟
در مطلب پیشِ رو گفتیم که کوتوله قهوه‌ای چیست. توضیح دادیم که کوتوله‌های قهوه‌ای در اصل نه ستاره‌ی کامل بلکه شبه‌ستاره هستند. آن‌ها نیز مثل ستاره‌های رشته اصلی از به‌هم‌پیوستن و متراکم شدن گازها و غبارهای میان‌ستاره‌ای پدید می‌آیند، اما جرم آن‌ها به‌حدی نیست که در اثر متراکم کردن آن بتوانند دمای لازم برای گداخت یا هم‌جوشیِ کامل و مستمر را در هسته‌ی خود تامین کنند. لذا هم‌جوشی ناقص و کوتاه‌مدتی در هسته‌ی آن‌ها شکل می‌گیرد که خیلی زود فروکش می‌کند.
معمولا جرم کوتوله‌های قهوه‌ای را با جرم سیاره‌ی مشتری می‌سنجند. حداقل و حداکثر جرم آن‌ها به‌ترتیب حدود ۱۳ و ۷۵ برابر جرم مشتری است. دمای خنک‌ترین ستاره‌ها یعنی کوتوله‌های سرخ کمی بیش از ۱۰۰۰ کلوین است اما کوتوله‌های قهوه‌ای حتی از ستاره‌های کوچک سرخ نیز خنک‌ترند و دمای سطح آن‌ها کمتر از ۱۰۰۰ کلوین است.
عنوان: کوتوله قهوه‌ای چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
موضوع: کوتوله قهوه‌ای چیست؟ کوتوله قهوه‌ای چگونه تشکیل می‌شود؟ کوتوله قهوه‌ای چه ویژگی‌هایی دارد؟
