ננס חום

ננס חום (מכונה גם Failed Star- כוכב כושלאו Ultracool Dwarf ובקיצור UCD) הוא גוף תת-כוכבי שגדול מכוכב לכת וקטן מכוכב. קיימות מספר דעות לגבי הגדרת ננס חום: הראשונה מסתמכת על כך שננס חום גדול דיו על מנת להתיך דאוטוריום, אך לא גדול דיו על מנת להתיך מימן. הצעה אחרת היא להוסיף לדרישה זו מסה גדולה די הצורך להתיך את רוב הדאוטריום.. הגדרה נוספת שהוצעה מצביעה על צירוף שתי תכונות - הראשונה שמדובר בגוף שנוצר מערפילית בתור הגוף המרכזי, ובנוסף, שיקיים חום מעטפת גבוה דיו ליצירת אטמוספירה. חישובים ראשוניים מעלים שגוף שמסתו פי 13 מזו של צדק יקיים היתוך דאוטריום, אם מסתו מעל 25 מסות צדק הוא יתיך בסופו של דבר את רוב הדאוטריום, ואם מסתו שמעל פי 65-70 ממסת צדק, עם טמפרטורת ליבה של כ-2 מיליון קלווין) יתקיים גם היתוך של ליתיום. עם זאת, כפי שהוכח באסון קאסל בראבו, פעולות היתוך בסביבת יסודות שונים עשויות להתחולל בטמפרטורות נמוכות מהצפוי. 
לננסים חומים מאפיינים ייחודיים: הסעת חום מלאה מפני השטח של הננס ועד לליבתו, כך שאין הבדלים בהרכב הכימי בעומקים שונים של הננס (תופעה שנצפית גם בכוכבים מתחת ל-0.3 מסות שמש). סערות אדירות באטמוספירה של הננס וגשם ברזל.
למספר ננסים חומים ישנם כוכבי לכת המקיפים אותם, כגון 2M1207b, MOA-2007-BLG-192Lb, ו 2MASS J044144b.

היסטוריה

המונח ננס חום נטבע על ידי ג'יל טרטר בשנת 1975 (במקום המונח המקובל עד אז - ננס שחור) כדי לתאר גופים כהים תת-כוכביים שלא מסתובבים סביב כוכב אחר ומסתם נמוכה מכדי לקיים היתוך מימן בצורה יציבה. (כיום המושג ננס שחור משמש לננס לבן שהתקרר עד שהוא לא פולט חום או אור משמעותיים). שמות חלופיים שהוצעו הם Planetar (שילוב של Planet - כוכב לכת ו-Star - כוכב) ו-Substar (תת-כוכב).
תאוריות ראשוניות לגבי אופי כוכב בעל מסה נמוכה ולגבי המסה הנדרשת להיתוך מימן, שיערו שאובייקט בעל 0.07 מסות שמש ומטה מאוכלוסייה I, או 0.09 מסות שמש מאוכלוסייה II לעולם לא ייכנס למחזור החיים של כוכב, ויהיה כוכב מנוון לחלוטין (שריפת הדאוטריום מעל ל-0.013 מסות שמש בננסים חומים התגלתה רק בשנות ה-80 המאוחרות). לא נמצאו ננסים חומים באותן שנים מכיוון שספקטרום הפליטה שלהם הוא בעיקר בתחום הספקטרום התת-אדום וכמעט ולא בתחום הספקטרום הנראה. מצפי התת-אדום הקרקעיים באותה תקופה היו לא מדויקים מספיק כדי לזהות ננסים חומים.
מאז הניסיונות הראשונים נעשו מספר חיפושים בשיטות שונות כדי למצוא ננסים חומים. בין השיטות שנוסו: מדידת שינויים במהירות רדיאלית (מהירות הגוף ביחס לצופה) של כוכבים כדי לאתר לוויינים קרובים, סקירת צבירי כוכבים צעירים.
במשך שנים רבות כל הניסיונות למצוא ננסים חומים העלו חרס. עד שבשנת 1988, הפרופסורים אריק בקלין ובן זקרמן מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס חיפשו באמצעות אינפרא אדום ננסים לבנים, ומצאו לוויין עמום לGD 165. הספקטרום של GD 165B (הלוויין) היה מאד אדום ומסתורי, מראה שלא תאם את המצופה מננס אדום. התברר ש-GD 165B צריך להיות מסווג כאובייקט הרבה יותר קר מהננס האדום הכי קר שידוע. GD 165B נשאר ייחודי במשך כמעט עשור עד לתחילת פרויקט 2MASS‏ (Two Micron All Sky Survey- פרויקט לסקירת כל השמים בתת-אדום באורך גל 2 מיקרומטר), כשדייוי קירקפטריק מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, וחוקרים נוספים מצאו גופים רבים נוספים בעלי ספקטרום וצבע דומים.
כיום GD 165B מזוהה כאבטיפוס למחלקה של אובייקטים שנקראים "ננסי L". הסיווג של ננסי L עדיין שנוי במחלוקת - האם הם ננסים חומים או ננסים אדומים בעלי מסה נמוכה מאד, ומאד קשה על-פי הנתונים שנאספו עד כה להבחין בין שניהם.
מיד לאחר גילוי GD 165B, הוצעו מועמדים רבים נוספים לננסים חומים. אך התברר שננסים חומים צעירים יחסית (עד מיליארד שנה) לעיתים בהירים וחמים ברמה דומה לחלק מהכוכבים, ולכן דרושים מאפיינים ייחודיים אחרים כדי להבדיל בין ננס חום לכוכב. אחת מהשיטות היא בדיקת אחוז הליתיום בכוכב. בעוד שכוכב רגיל מכלה בהיתוך גרעיני את הליתיום בתוך כמיליון שנה, לננס חום אין טמפרטורת ליבה מספיק גבוהה כדי להתיך ליתיום ולכן זיהוי ליתיום באובייקט מבטיח זיהוי וודאי. על ידי בדיקת ליתיום התברר שרבים מהמועמדים אינם ננסים חומים.
בשנת 1995 המחקר בנושא קפץ קדימה כשהתגלו באופן ברור שלושה ננסים חומים, חלקם זוהו בעזרת גילוי נוכחות של ליתיום. במיוחד ראוי לציון גליזה 229B שהבהירות והטמפרטורה שלו נמוכים באופן ניכר מכוכב רגיל. למרבה הפלא לגליזה 229B ספקטרום בליעה של מתאן תכונה שנצפתה קודם רק בענקי גזים ובטיטאן. הימצאות מתאן לא צפויה בכוכבי הסדרה הראשית. גילוי זה סייע לביסוס קבוצה ספקטרלית חדשה "ננסי T" הקרה יותר מננסי L, אב הטיפוס של הקבוצה הוא גליזה 229B.
מאז שנת 1995, שבה אושר לראשונה זיהוי של ננס חום על ידי האסטרונומית הצ'יליאנית מריה טרזה רואיז, זוהו מעל אלף ננסים חומים. ננסים חומים קרובים לכדור הארץ הם אפסילון באינדיאני Ba ו Bb, זוג ננסים שקשורים כבידתית לכוכב דמוי שמש במרחק של כ-12 שנות אור מהשמש.

סוג ספקטרלי M

לננסים חומים גדולים במיוחד יש ספקטרום M6.5 ומטה והם נקראים גם ננסי בתר M. על פי חלק מהתאוריות אלה אינם ננסים חומים אלא כוכב בעל מסה קטנה. המאפיין המגדיר את סוג ספקטרלי M, הסוג הקר ביותר ברצף הסדרה הראשית, הוא ספקטרום אופטי שנשלט על ידי קווי בליעה של מולקולות טיטניום(II) חמצני (TiO) וונדיום(II) חמצני (VO). נכון ל-2011 זוהו מעל 500 ננסי M.

סוג ספקטרלי L

לננסי L טמפרטורת פני שטח של 1300- 2200 מעלות קלווין.
לGD 165B, הלווין הקר של הננס הלבן GD 165, לא נמצאו סימנים של TiO המאפיינים ננסי M. זיהויים נוספים של גופים דומים לGD 165B הובילו בסופו של דבר את דייוי קירקפטריק ואחרים להגדיר סוג ספקטרלי חדש, ננסי L, שמוגדר על ידי טווח נראה אדום ועל ידי קווי בליעה חזקים של מתכות הידרידיות (MgH, FeH, CrH, CaH) וקווים בולטים של מתכות אלקליות.
נכון ל-2011 זוהו מעל ל-600 ננסי L, רובם על ידי סקרי שדה רחב: 2MASS- סקר השמים בשני מיקרון, DENIS- סקר עמוק בתת-אדום קרוב של שמי הדרום וSSDS- סקר השמים הדיגיטילי של סלואן. גם על רוב ננסי L אין הסכמה האם הם ננסים חומים או שהם כוכבים בעלי מסה קטנה מאד.

סוג ספקטרלי T

ננסי T (נקראים גם ננס חום מתאן) הם הננסים היחידים שהסיווג שלהם כננסים חומים מוסכם. לננסי T טמפרטורה אפקטיבית (טמפרטורת פני שטח) של 700- 1300 מעלות קלווין. כמו ש-GD 165B הוא אבטיפוס של הסוג L, כך גליזה 229B הוא אבטיפוס של ננסי T. בעוד שספקטרום ה-NIR (תת-אדום קרוב) של ננסי L מראה קווי בליעה חזקים של HO (מים) וCO (פחמן חד-חמצני), בספקטרום ה-NIR של גליזה 229B דומיננטיים קווי בליעה של CH₄ (מתאן), מאפיין שנמצא רק אצל ענקי גזים וטיטאן. התנגשויות של H₂O ו-CH₄ בH₂ יוצרות קווי בליעה המעניקים לגליזה 229B ספקטרום כחול ותת-אדום קרוב. לגליזה 229B יש ירידה תלולה בספקטרום האדום וחוסר במתכות הידרידיות המאפיינות ננסי L, לעומת זאת הוא מאופיין בקווי בליעה רחבים במיוחד של המתכות האלקליות Na וK. המאפיינים הייחודיים הללו הובילו את קירקפטריק להציע את סוג ספקטרלי T עבור גופים בעלי קווי בליעה של מימן, אשלגן ומתאן. תרשים של סיווג תת-אדום קרוב של ננסים חומים פותח ב-2011 על ידי אדם בורגייזר וטום גבייל.
נכון ל-2011, ידועים 207 ננסי T. דוגמאות לננסים מסוג T הם לווייניו של אפסילון באינדיאני ו-SIMP J013656.5+093347. בגלל קווי הבליעה שיוצרים נתרן ואשלגן בחלק הירוק של הספקטרום, ננסי T נראים לעין האנושית בצבע מג'נטה.

סוג ספקטרלי Y

ננסי Y הם הקרים ביותר מבין הננסים החומים, על פי חלק מההגדרות הם "תת-ננסים חומים". המחקר על ננסי Y נמצא בעיצומו ועדיין הרצף הספקטרלי שלהם לא מוגדר בבירור.
ב-2009 לננסים החומים הקרים ביותר שידועים טמפרטורה אפקטיבית מוערכת בכ-500 עד 600 K, ננסים אלו קבלו את הסיווג הספקטרלי T9 (התחום הקר ביותר בתוך סיווג T). לננסים אלו ספקטרום בליעה בסביבות אורך גל של 1.55 מיקרון. פיליפס דלורם ועמיתים הראו שהתכונה הזו תואמת קווי בליעה של אמוניה ולכן הימצאות אמוניה היא אינדיקציה למעבר בין T ל-Y, והננסים הללו צריכים להיות מסווגים כ-Y0. עם זאת, קשה להבחין בין קווי בליעה של אמוניה לבין קווי בליעה של מתאן ומים, ועל כן טענה קבוצת מדענים שההכרזה על סיווג Y0 הייתה קודם זמנה.
באפריל 2010 התגלו שני תת-ננסים חומים נוספים, שהוצעו כאב טיפוס לסיווג Y0. בפברואר 2011, לומן ועמיתים דיווחו על גילוי תת-ננס חום בטמפרטורה 300 K (כ-30 מעלות צלזיוס), בעל 7 מסות צדק שמשמש כלוויין של ננס לבן. אף על פי שמסת הננס היא בטווח המסות של כוכב לכת, קבוצת מדענים הראתה שהננס נוצר כמו כוכב. זמן קצר לאחר מכן, מיכאל ליו ועמיתים פרסמו תיאור של ננס חום קר מאד (~370 K) שמקיף ננס חום בעל מסה נמוכה מאד, "הנתונים הם בהירות נמוכה, צבע לא טיפוסי וטמפרטורה נמוכה, CFBDS J1458+10B הוא מועמד מבטיח להשערת סוג ספקטרלי Y"..
באוגוסט 2011, חוקרים שהשתמשו בנתונים מטלסקופ החלל WISE (סורק שדה רחב בתת-אדום), גילו 6 ננסי Y בטמפרטורה של 300 K~. עד כה גילה WISE 100 ננסים חומים חדשים, מתוכם 6 ננסי Y. אחד מננסי Y‏, WISE 1828+2650, מחזיק בתואר הננס החום הקר ביותר, טמפרטורת האטמוספירה שלו מוערכת בפחות מטמפרטורת החדר (298 K או 25°C). הוא אינו פולט אור נראה בכלל, מה שהופך אותו לדומה לכוכב לכת יותר מאשר לכוכב.

מאפייני הספקטרום והאטמוספירה של ננסים חומים

עיקר זרם הפליטה של ננסי T ו-L הוא בספקטרום התת-אדום הקרוב באורכי גל של 1- 2.5 מיקרומטר. הטמפרטורות הנמוכות של ננסים חומים גורמות לספקטרום תת-אדום עשיר שמכיל מגוון תכונות שמשתנות בתלות בטמפרטורה, מסה ומתכתיות. בנוסף, הטמפרטורות הנמוכות גורמות להתעבות חלק מהגז לגרגירי נוזל.
אטמוספירה טיפוסית של ננסים חומים ידועים משתרעת בטווח הטמפרטורה מ-2200 עד לכ-300K. בניגוד לכוכב שמחמם את עצמו עם היתוך פנימי יציב, ננסים חומים מתקררים עם הזמן; הננסים המסיביים מתקררים לאט יותר מאשר אלו הפחות מסיביים.

טכניקה תצפיתית


כורונוגרפים (אביזר בטלסקופ שנועד לחסום מקור אור שמפריע לתצפית) משמשים כדי להבחין בגופים עמומים שמקיפים כוכבים בהירים‏. גליזה 229B התגלה באמצעות כורונוגרף.