Как мы знаем, температура поверхности коричневых карликов никогда не превышает 2800 К. Для таких холодных объектов в спектральную классификацию звезд потребовалось ввести новые классы. Принятая сейчас классификация звездных спектров сложилась в первой половине 20 в. Известная гарвардская последовательность спектральных классов O-B-A-F-G-K-M отражает ход температуры звездных фотосфер (от горячих O и B к прохладным К и М), а дополнительные классы R, N и S отражают вариации химического состава у холодных звезд-гигантов с температурой около 3000 К. Эта схема надежно служила астрономам почти целый век, и даже создалось впечатление ее завершенности. Однако последние годы показали, что развитие спектральной классификации не прекратилось: обнаружение коричневых карликов привело в конце 1990-х годов к введению новых спектральных классов L и T для тел с эффективной температурой менее 2000 К.
Оказалось, что в формировании спектров экстремально холодных объектов весьма важную роль играет пыль. У самых холодных звезд класса М с температурой поверхности около 3000 К в спектре видны мощные полосы поглощения окисей титана и ванадия (TiO, VO). Но у более холодных звезд их не оказалось. До открытия ставшего теперь классическим коричневого карлика Gliese 229В самым темным и холодным был компаньон белого карлика GD 165B, имеющий температуру поверхности 1900 К и светимость 0,01% солнечной. Он поразил исследователей тем, что в отличие от других холодных звезд не имеет полос поглощения TiO и VO, за что был прозван «странной звездой». Такими же оказались спектры и других коричневых карликов с температурой ниже 2000 К. Расчеты показали, что молекулы TiO и VO в их атмосферах сконденсировались в твердые частицы – пылинки и уже не проявляют себя в спектре, как это свойственно молекулам газа.
Таким образом, подавление спектральных полос TiO и VO в результате конденсирования этих молекул в пылинки при T < 2000 К потребовало введения нового спектрального класса. В 1998 Дэви Киркпатрик (Калифорнийский технологический институт, США) предложил расширить гарвардскую схему, добавив в нее класс L для маломассивных инфракрасных звезд, имеющих эффективную температуру поверхности 1500–2000 K. Спектр L-карликов характеризуется сильной полосой поглощения CrH, сильными линиями редких щелочных металлов Cs и Rb, а также широкими линиями калия и натрия. Но без информации о возрасте объекты L-класса нельзя автоматически считать коричневыми карликами: очень старые маломассивные звезды тоже могут остыть ниже 2000 К. Однако большинство объектов L-класса все же должны быть именно коричневыми карликами.
Продолжая поиск и исследование L-карликов, астрономы обнаружили еще более экзотические объекты, для которых потребовалось ввести самый новый спектральный класс T, еще более холодный, чем L (Дж.Либерт и др., 2000). Эффективная температура T-карликов около 1500–1000 К и даже чуть ниже. В их спектрах видны мощные полосы поглощения воды, метана и молекулярного водорода, поэтому их называют «метановыми карликами». Прототипом этого класса считают коричневый карлик Gliese 229B.
Коричневые карлики ставят перед астрономами много сложных и очень интересных проблем. Чем холоднее атмосфера звезды, тем сложнее ее изучать как наблюдателям, так и теоретикам. Присутствие в атмосфере пыли не делает эту задачу легче: конденсация твердых частиц не только изменяет состав свободных химических элементов в атмосфере, но и влияет на теплообмен и форму спектра. Теоретические модели с учетом пыли предсказали парниковый эффект в верхних слоях атмосферы и уменьшение глубины молекулярных полос поглощения; эти эффекты подтверждаются наблюдениями. Но проблема пыли сложна: расчеты показывают, что после конденсации пылинки начинают тонуть. Возможно, на разных уровнях в атмосфере формируются плотные облака пыли. Метеорология коричневых карликов может оказаться не менее разнообразной, чем у планет-гигантов. Но если атмосферы планет удается изучать с близкого расстояния, то расшифровывать метановые циклоны и пылевые бури коричневых карликов придется только по их спектрам.
Вопросы о происхождении и численности коричневых карликов пока остаются открытыми. Первые подсчеты их количества в молодых звездных скоплениях типа Плеяд показывают, что по сравнению с нормальными звездами общая масса коричневых карликов, видимо, не так велика, чтобы «списать» на них всю темную массу Галактики. Но этот вывод еще нуждается в проверке.
Другой важный вопрос – как формируются коричневые карлики. Общепринятая теория происхождения звезд не дает на него ответ. Объекты столь малой массы могли бы формироваться подобно планетам-гигантам в околозвездных дисках. Но обнаружено довольно много одиночных коричневых карликов (например, в Туманности Ориона); трудно предположить, что все они сразу после рождения были потеряны своими более массивными компаньонами.
В 2001 совершенно особый путь рождения коричневых карликов наметился при исследовании двух тесных двойных систем – LL Андромеды и EF Эридана. В них более массивный компаньон – белый карлик – своим тяготением стягивает вещество с менее массивного спутника, так называемой звезды-донора. В системе LL Андромеды перетекающий на белый карлик газ образует аккреционный диск, в котором время от времени, раз в несколько лет, происходят вспышки; поэтому LL Андромеды относят к классу неправильных переменных звезд, называемых карликовыми новыми. Систему EF Эридана относят к классу поляров: в ней сильное магнитное поле белого карлика препятствует образованию аккреционного диска, поэтому вещество донора течет вдоль силовых синий и падает на магнитные полюса белого карлика.
Расчеты показывают, что в начале эволюции обеих этих систем спутники-доноры в них были обычными звездами, но за несколько миллиардов лет их масса упала ниже предельного значения, и термоядерные реакции в этих звездах угасли. Теперь это по внешним признакам типичные коричневые карлики. Температура звезды-донора в системе LL Андромеды около 1300 К, а в системе EF Эридана – около 1650 К. Их массы лишь в несколько десятков раз превосходят массу Юпитера, а в их спектрах видны линии метана. Насколько их внутренняя структура и химический состав сходны с аналогичными параметрами «настоящих» коричневых карликов, пока не известно. Таким образом, нормальная маломассивная звезда, потеряв значительную долю своего вещества, может стать коричневым карликом. В будущем этот новый тип космических объектов обещает немало интересных открытий.