Ruskea kääpiö on kappale, joka koostuu samoista aineista kuin tähdet, mutta jonka massa ei riitä vetyfuusioon (vetyatomien yhdistyminen heliumatomeiksi). Ydinfuusio saa tähdet hehkumaan; ruskeilla kääpiöillä ei ole tarpeeksi massaa tähän, joten niitä ei luokitella tavallisiksi tähdiksi. Toisaalta ne eivät ole myöskään tavallisia jättiläisplaneettoja, koska ne säteilevät lämpöä ja valoa omaa sisäistä energiaansa vapauttaen. Niitä uskotaan olevan runsaasti, mutta niitä on löydetty vain vähän, koska niiden absoluuttinen magnitudi eli kirkkaus on hyvin pieni ja suurin osa säteilystä tulee infrapuna-alueella.

Ominaisuudet

Ruskeiden kääpiöiden massa sijoittuu raskaiden kaasujättiläisten ja kevyimpien tähtien välille. Niiden säteet ovat suunnilleen Jupiterin luokkaa, usein noin 0,8–1,2 RJ, vaikka massa voi vaihdella merkittävästi. Suurin osa ruskeista kääpiöistä tuottaa valon ja lämmön pitkälti oman lämmönsä säteilyllä ja sisäisen gravitaatiokutistuksen seurauksena.

Vaikka nimi viittaa ruskeaan, useimmat ruskeat kääpiöt näyttävät ihmisen silmään magentanpunaisilta tai punertavilta, koska niiden näkyvä valo on heikkoa ja infrapunaemissio korostuu. Niiden vallitsevat spektriluokat ovat M, L, T ja Y, jotka kuvaavat pinnan lämpötilaa ja kemiallista koostumusta: L-tyypin kääpiöt ovat lämpimämpiä ja punertavia, T-tyypit ovat viileämpiä ja niiden spektrissä näkyy metaanin absorptiota, ja Y-tyypit ovat kaikkein viileimpiä.

Massa ja fuusiokynnykset

Tyypillisesti ruskeiden kääpiöiden massa on noin 13–80 kertaa Jupiterin massaa (MJ). Näitä rajoja käytetään usein kuvaamaan eri fuusioprosesseja:

  • Deuteriumin poltto: yli noin 13 MJ massaisten ruskeiden kääpiöiden sisällä voi tapahtua deuteriumin ydinfuusiota, joka antaa lisälämpöä ja hidastaa jäähtymistä.
  • Litiumin tuhoutuminen: yli noin ~65 MJ massaisten kääpiöiden olosuhteet voivat polttaa litiumia; litiumin läsnäolo spektrissä on siksi diagnoosiväline nuoruuden ja massan arviointiin (litiumia).
  • Vetyfuusion alaraja: noin 75–80 MJ on kynnys, jonka yläpuolella riittävän massan omaava kappale voi käynnistää pysyvän vetyfuusion ja kehittyä tähdeksi.

Kehitys ja elinkaari

Ruskeat kääpiöt muodostuvat samankaltaisista prosesseista kuin tähdet: kaasupilven gravitaatiollisesta romahduksesta, mutta jos massaa on liian vähän, ydinfuusio ei käynnisty tai pysy. Syntyessään ne voivat olla melko lämpimiä, mutta ilman jatkuvaa vetyfuusiota ne jäähtyvät ja himmenevät ajan myötä. Nuoret ruskeat kääpiöt ovat kirkkaampia ja lämpimämpiä; vanhetessaan ne siirtyvät spektriluokkien kautta lämpimämmästä (esim. L) viileämpään (T ja lopulta Y).

Niiden sisäinen rakenne on osittain degeneroitunutta: elektronidegeneraatio paine vastustaa gravitaatiota ja estää radikaalin kutistumisen, minkä takia ruskeiden kääpiöiden säde muuttuu vain vähän massan kasvaessa. Tiheydet voivat olla korkeita ja pinnan gravitaatio voimakasta.

Havaitseminen ja tunnetut löydöt

Koska suurin osa säteilystä on infrapunassa, ruskeita kääpiöitä etsitään ja löydetään etenkin infrapuna-aaltoalueella toimivilla kartoittajilla kuten WISE ja 2MASS sekä optisilla suurilla tutkimuksilla kuten SDSS. Ne näkyvät myös tähtiparvien ja läheisten tähtien seuras-sivustoilla, koska lähietäisyyksillä ne ovat helpommin havaittavissa.

Yksi lähimmistä ja tunnetuimmista löydöistä on noin 6,5 valovuoden päässä sijaitseva WISE 1049-5319, joka on vuonna 2013 löydetty ruskeiden kääpiöiden kaksoissysteemi (tunnetaan myös nimellä Luhman 16). Merkittäviä aikaisia havaintoja olivat myös esimerkiksi Teide 1 ja Gliese 229B, jotka auttoivat varmistamaan ruskeiden kääpiöiden olemassaolon 1990-luvulla.

Miten erottaa planeetasta tai tähdestä?

Erottelu on joskus hankalaa. Yksi käytetty kriteeri on massa (13 MJ deuteriumraja), mutta tämä ei ota huomioon syntytapaa. Jos kappale on syntynyt tähtimäisestä pilvestä kuten tähdet, sitä pidetään yleensä ruskeana kääpiönä; jos se muodostui planeettakiekosta, sitä voidaan pitää planeettana, vaikka massa olisi sama. Spektrianalyysi (esimerkiksi litiumin ja metaanin merkit), ikäarviot ja dynamiikka auttavat määrittelyssä.

Yhteenveto

Ruskeat kääpiöt ovat tähtien ja planeettojen välissä sijaitsevia, usein vaikeasti havaittavia kappaleita. Niillä ei ole pysyvää vetyfuusiota, mutta ne voivat polttaa kevyempiä alkuaineita kuten deuteriumia ja tietyissä tapauksissa litiumia. Ne jäähtyvät ja himmenevät ajan myötä, ja niiden tutkimus valaisee sekä tähtien että planeettojen muodostumista ja paikallisen tähtitaivaan rakennetta.