Living in Twilight: An Overview of our Closest and Smallest Stellar Neighbors

Autor: Sergio Dieterich, Carnegie Institution for Science

Gdy członkowie naszej grupy badawczej zabierają się za obserwacje w Cerro Tololo Inter-American Observatory w chilijskich Andach, spędzają większość czasu w przytulnym, ogrzewanym pomieszczeniu kontrolnym. Współczesne obserwacje astronomiczne w dużej mierze ograniczają się do monitorowania ekranów komputerowych i wprowadzania komend, które mówią teleskopowi, w które miejsce powinien się skierować. Jeżeli już musimy założyć zimową kurtkę i wejść po schodach tam gdzie jest teleskop – pod otwartą kopułą – to najprawdopodobniej coś poszło nie tak i staramy się rozwiązać problem i zminimalizować ilość zmarnowanego czasu obserwacyjnego na teleskopie. Jest w sumie jeden wyjątek. Tradycja naszej grupy nakazuje – podczas szkolenia nowego studenta, jeżeli pora roku i faza nocy są odpowiednie, aby wspólnie z nim pójść pod kopułę i pozwolić mu spojrzeć przez okular teleskopu. Fotografia nie oddaje tego co można zobaczyć bezpośrednio w okularze: jasna, czerwona kropka światła spokojnie płynąca w obszernym oceanie słabszych i bielszych gwiazd. Ta czerwona kropka to właśnie Proxima Centauri, najbliższa nam gwiazda oprócz Słońca, typowa gwiazda o małej masie. Gwiazdy takie jak Proxima Centauri, lub w skrócie po prostu Proxima, to jedne z najmniejszych lecz jednocześnie najpowszechniejszych typów gwiazd w Galaktyce. Skupmy się zatem przez kilka minut na najmniejszych i najbliższych nam gwiezdnych sąsiadach.

Wyobraźcie sobie, że upuszczamy duży, ceramiczny tależ na twardą kuchenną podłogę. Talerz rozpryskuje się na wiele, wiele kawałków różnego rozmiaru. Przyglądamy się skutkom i oceniami wyniki naszej nieostrożności. Naszą uwagę najpierw przykuwają nieliczne duże fragmenty. Jeżeli przyjrzymy się dokładniej zobaczymy, że na każdy duży fragment przypadają dziesiątki jeżeli nie setki mniejszych elementów. Wkrótce zdajemy sobie sprawę, że jeżeli marzymy w ogóle o posklejaniu talerza w całość czy rekonstrukcji tego co się stało, nie możemy po prostu pominąć także tych małych elementów i zamieść ich pod dywan. Takie nieszczęśliwe kuchenne wydarzenie to dobra analogia procesu formowania gwiazd, pozwala rzucić nowe światło w jaki sposób Droga Mleczna doszła do takiej populacji gwiazd jaką dzisiaj możemy obserwować. Gwiazdy powstają gdy obłoki międzygwiezdnego gazu i pyłu zwane olbrzymimi obłokami molekularnymi, są zaburzane–co powoduje, że zaczynają się zapadać pod własnym przyciąganiem grawitacyjnym. W zapadającym się obłoku kilka punktów osiąga coraz wyższą gęstość, i tym samym wywiera na otoczenie wyższe oddziaływanie grawitacyjne. W ciągu kilkuset tysięcy lat te obszary o wyższej gęstości pochłaniają wystarczającą ilość gazu i stają się wystarczająco zwarte, że przechodzą w stadium zarodkowe gwiazdy – powstaje protogwiazda. Gdy jądro protogwiazdy osiągnie wystarczająco wysoką temperaturę, która pozwala na rozpoczęcie i utrzymanie procesów fuzji jądrowej – powstaje nowa gwiazda. W sposób podobny do tego co się dzieje z naszym rozbijającym się talerzem, jednak ze względu na inne procesy fizyczne, wynikiem kolapsu obłoku powstają głównie gwiazdy o masach w zakresi 60% do 8% masy Słońca. Gdy w pełni się uformują, te małe gwiazdy o rozmiarach między 20% czy tylko 10% promienia naszego Słońca. Najmniejsze z nich pod względem rozmiaru (ale nie masy czy gęstości!) przypominają Jowisza. To czego tym małym gwiazdom brakuje pod względem masy nadrabiają swoją liczebnością. W rzeczy samej, z 366 gwiazd, do których odległość zmierzyliśmy dokładnie i znajdują się w odległości mniejszej niż 32,6 lat świetlnych (lub 10 parseków, w języku astronomów) od Układu Słonecznego, 275 należy właśnie do tego typu.  Obiekty tego typu powszechnie nazywane są czerwonymi karłami lub karłami M, zgodnie z systemem klasyfikacji gwiazd wykorzystywanym przez zawodowych astronomów.  Zakładając rozsądnie, że nasze gwiezdne sąsiedztwo nie różni się znacznie od reszty Drogi Mlecznej, można przyjąć, że około 75% gwiazd w naszej galaktyce to właśnie karły M. Klasa karłów M także czasami jest dzielona; gwiazdy o masie 20% lub mniej masy Słońca zwane są gwiazdami VLM (Very Low Mass). Proxima znajduje się w górnym zakresie mas gwiazd VLM.

Figure 1: A graphical representation of all known stars within 32.6 light-years (10 parsecs) of Earth. Stars of each category in the stellar classification system are represented by filled circles with sizes proportional to the star's size and colors that approximate their true colors. The Sun, a G type star, is represented by one of the yellow circles. The M dwarfs are themselves subdivided into two hues of red and 3 different sizes to represent the diversity within the M class. M dwarfs vastly outnumber all other types. The very small dots at the center represent stellar remnants that have exhausted their nuclear fuel and are called white dwarfs. The 8 planets of the Solar System are also plotted for size comparison, with Mercury and Mars too small to be noticeable. Updated counts are available at www.recons.org. Courtesy of Todd J. Henry / RECONS.
Rysunek 1: Graficzne przedstawienie wszystkich znanych gwiazd znajdujących się w odległości do 32,6 lat świetlnych (10 parseków) od Ziemi. Gwiazdy każdej kategorii w systemie klasyfikacji gwiazd zostały przedstawione jako kółka o rozmiarach proporcjonalnych do rozmiaru i barwie przypominającą rzeczywistą barwę gwiazdy. Słońce, gwiazda typu G to jedno z żółtych kółek. Karły M podzielone zostały na dwa odcienie czerwieni i 3 różne rozmiary – co pokazuje różnorodność tej klasy. Karły M znacznie przewyższają liczebnością wszystkie inne typy gwiazd. Bardzo małe kropki na środku przedstawiają pozostałości po gwiazdach, które wyczerpały swoje paliwo i przeszły w stadium białego karła.. 8 planet Układu Słonecznego przedstawiono po prawej, aby można było porównać ich rozmiary z rozmiarami gwiazd, przy czym Merkury i Mars są za małe, aby można było je zauważyć. Aktualizowane dane dostępne są na stronie www.recons.org. Źródło: Todd J. Henry / RECONS.

Ale jakimi gwiazdami są czerwone karły i jak ilość emitowanej przez nie energii wygląda w porównaniu do Słońca? Te gwiazdy są niewyobrażalnie słabe, i nawet Proximy nie da się dostrzec gołym okiem mimo tego, że znajduje się zaledwie 4,25 roku świetlnego od nas. Dla nabrania perspektywy możemy przyjąć, że najlepsze szacunki średnicy Drogi Mlecznej to od 100 000 do 180 000 lat świetlnych. Jeżeli nasza galaktyka byłaby miastem o średnicy 10 km, Proxima byłąby na tyle blisko, że pukałaby już do drzwi! A mimo to, gwiazdy, których jasność absolutna jest większa można dostrzec gołym okiem nawet z odległości sięgających 20% średnicy Drogi Mlecznej. Jeżeli próbka czerwonych karłów zostałaby umieszczona w tej samej odległości od Ziemi co Słońce, najjaśniejsze gwiazdy z tej próbki emitowałyby zaledwie 7% promieniowania Słońca. Najnowsze badania naszej grupy wskazują, że najsłabsze gwiazdy VLM świeciłyby z jasnością odpowiadającą 0,016% jasności Słońca. Proxima emituje około 0,2% promieniowania emitowanego przez Słońce.

Czerwone karły nie tylko świecą bardzo słabo, ale światło, które emitują znacznie się różni od ciepłego światła słonecznego, którym możemy się cieszyć na karaibskich plażach. Powierzchnia naszego Słońca rozgrzana jest do temperatury około 5500 stopni Celsjusza. Przy tej temperaturze większość światła emitowana jest w zakresie barwy żółtej i zielonej w widzialnym zakresie widma. Dlatego też logicznym jest, że ludzkie oko wyewoluowało tak, aby najostrzej widzieć własnie w tym zakresie, który dociera na Ziemię. Gwiazdy o małej masie są jednak znacznie chłodniejsze na powierzchni: 3500 stopni Celsjusza w przypadku najgorętszych czerwonych karłów i 1800 stopni w przypadku najmniejszych i najsłabszych gwiazd VLM. Przy tych temperaturach oprócz tego, że gwiazda emituje ogólnie mniej promieniowania, to to co emituje przesunięte jest w kierunku większych długości fali, które postrzegamy jako bardziej czerwone. Widmo barwne najgorętszych czerwonych karłów osiąga maksymalną wartość w głębokiej czerwieni, która jest tuż na granicy zakresu wykrywalnego dla ludzkiego oka. W przypadku najsłabszych gwiazd VLM widmo osiąga maksymalną wartość w bliskiej podczerwieni widma elektromagnetycznego, znacznie za daleko dla ludzkiego oka. W obu przypadkach podwyższona czułość ludzkiego oka na zakres żółto-zielony sprawi, że będziemy postrzegać krótsze długości fali niż te w których występuje maksimum emisji. Międzygwiezdny podróżnik w przyszłości, który spojrzy z bliska na gorącego czerwonego karła najprawdopodobniej zaobserwuje osobliwą pomarańczową barwę, podczas ten znajdujący się w pobliżu chłodniejszego czerwonego karła zobaczy soczyście czerwony kolor (Rysunek 2ab). To make these faintest of faint stars even more unusual, there is evidence to suggest that they have strong surface magnetic fields. These magnetic fields would cause dark spots analogous to sunspots, but they may be more numerous and larger—perhaps covering a substantial portion of the star’s surface.

Figure 2: Artist's conception of a red dwarf star as seen from close proximity. It is thought that the hotter red dwarfs may actually look more orange than red due to the human eye's enhanced sensitivity to yellow light (a), whereas the cooler red dwarfs most likely would appear bright red. Figure credit: Walt Feimer/NASA.
Figure 2: Artist’s conception of a red dwarf star as seen from close proximity. It is thought that the hotter red dwarfs may actually look more orange than red due to the human eye’s enhanced sensitivity to yellow light (a), whereas the cooler red dwarfs most likely would appear bright red. Figure credit: Walt Feimer/NASA.

Astronomers currently think that as many as 1/3 of red dwarfs may harbor rocky planets with compositions similar to Earth’s. Could life evolve on these planets, and what would life around a red dwarf be like? The idea of life evolving on planets around red dwarfs is extremely exciting. If for no other reason, their sheer numbers means that the question of red dwarf habitability has tremendous implications in determining whether we live in a Universe teeming with life or whether life is a sparse occurrence. Despite this huge potential, the notion of life on low mass star systems is not without its challenges.

Because of their lower mass and consequentially weaker gravitational pull, red dwarfs take a very long time to settle into their fully contracted configuration, once they stop accreting material from their parent star forming cloud. Similarly, the comparatively slow rate of nuclear reactions in a low mass star’s core causes these stars to have extremely long lives when compared to more massive stars. Their slow evolution and long lives are both a blessing and a curse for the possibility of life. Once fully formed and contracted, red dwarfs change very little for hundreds of billions of years. The oldest red dwarfs may therefore have provided a stable environment for life for as long as they have existed, roughly 10 billion years based on current estimates for the age of the Galaxy. Compare that with only 4.1 billion years of biological evolution on Earth. Even if evolution around a planet hosting red dwarf happened slower and hit a few dead ends, the final result might still mean a complex and diverse ecosystem. However, the prospect of a prolonged period of stability suitable for biological evolution is only exciting if we assume that the right conditions for life were present to begin with, and that is where a red dwarf’s life in the slow lane becomes a problem. Liquid water is essential for life as we know it on Earth, and liquid water can only exist if the temperature on a planet’s surface allows it. A planet’s temperature is governed primarily by the planet’s orbital distance from its parent star and the star’s intrinsic luminosity. Astronomers call the range of orbital radii allowing the existence of liquid water the ‘habitable zone’ around a star. All stars are significantly brighter during their initial contraction phase, when most of the star’s energy comes from its gravitational collapse and not from nuclear fusion. For red dwarfs this initial period of increased luminosity may last up to 3 billion years, which is well beyond the formation time for planets. Any planet that forms in what will eventually become the star’s habitable zone will be subject to scorching heat during its early life. Calculations suggest that this fiery youth may cause all water to evaporate away, thus effectively sterilizing the planet. A possible way out of this scenario involves the retention of water in minerals called chondrites. If chondrites are present in sufficient amounts in the rocky material that coalesces to form planets, the fully formed planets could have substantial water reserves in their interiors. The water could then be released from the planet’s interior by volcanic activity at later times when the surface temperature is right for liquid water. Whether or not this scenario is likely is an area of active research.

Another interesting aspect of the idea of life in planets orbiting red dwarfs has to do with the extreme proximity of the star’s habitable zone to the star itself. These stars are so faint that planets in their habitable zones would have orbits smaller than the orbit of Mercury in our Solar System. At such small distances the slight difference in the star’s gravitational pull from the planet’s side facing the star to the planet’s far side causes a phenomenon called tidal locking. In a tidally locked planet the same side of the planet always faces the star, causing it to be much hotter than the side that is perpetually facing away from the star. The Earth-Moon system is a good example of a tidally locked satellite. The habitable conditions in a tidally locked planet may be confined to a narrow ring shaped region where the illuminated side meets the dark side of the planet. This habitable region would be in perpetual twilight, with the star shining low in the horizon. Such low illumination conditions may seem rather depressing to us humans, but low light levels peaking at redder wavelengths are the norm around red dwarfs, and it is quite possible that any existing life form in these otherworldly environments may have evolved to use infrared light in much the same way we utilize the bright yellow-green light of our parent star. Perhaps venturing too close to the planet’s illuminated side would cause these creatures to get a “star burn” from red light in much the same way we get can get a sunburn from the small portion of our Sun’s energy that is emitted as ultraviolet light.

Finally, a treatment of low mass stars would not be complete without making a connection to their lower mass cousins, the substellar brown dwarfs. Looking back to our shattered plate analogy of star formation, the cloud collapse process that produces stars with a wide range of different masses can also produce objects whose mass is too small to create the conditions necessary for sustainable core nuclear fusion. These objects are called brown dwarfs. Brown dwarfs look much like their VLM star counterparts in their youth because during that phase gravitational contraction releases a large amount of energy for both stars and brown dwarfs. However, once brown dwarfs are fully contracted they keep cooling down over the course of billions of years. For much of the red dwarf range of temperatures and colors it is difficult to tell whether a given object is a young brown dwarf or a VLM star of any age. Recent research by my collaborators and I indicates that the stellar sequence comes to an end when we reach objects with surface temperatures of about 1,800 C (3,300 F) and luminosities of roughly 1/6,000th that of our Sun (interested in the technical details? read the paper here). We came to this conclusion by performing the observations necessary to estimate the radius of a sample of 63 objects thought to lie close to the end of the stellar sequence. We then noted that for temperatures higher than 1,800 C the objects cover a wide range of radii, including the radii expected for old and fully contracted stars. At cooler temperatures we encountered larger radii that can only be explained if the objects in question are young brown dwarfs that are not yet fully contracted (Figure 3).

Figure 3: Temperature-Radius diagram for VLM stars. In keeping with astronomical tradition, the temperature axis is plotted with decreasing values from left to right. The star 2MASS J0523-1403 marks the temperature at which the minimum radius is reached, meaning that objects like 2MASS J0523-1403 are old and fully contracted. At cooler temperatures only larger objects are present, indicating that they are relatively young and not yet fully contracted brown dwarfs. A few objects are marked as unresolved binaries, meaning that we are seeing the light from two closely spaced stars and therefore the radius we calculate for those stars is.
Figure 3: Temperature-Radius diagram for VLM stars. In keeping with astronomical tradition, the temperature axis is plotted with decreasing values from left to right. The star 2MASS J0523-1403 marks the temperature at which the minimum radius is reached, meaning that objects like 2MASS J0523-1403 are old and fully contracted. At cooler temperatures only larger objects are present, indicating that they are relatively young and not yet fully contracted brown dwarfs. A few objects are marked as unresolved binaries, meaning that we are seeing the light from two closely spaced stars and therefore the radius we calculate for those stars is inaccurate.

The temperature we obtained for the end of the stellar sequence is substantially higher than that predicted by theoretical models, and we are now trying to pinpoint the root causes of this discrepancy. As a part of this research we have found what we believe to be the smallest known star to date and also a representative of the smallest possible stars. This star is called 2MASS J0523-1403, and shines faintly in the constellation Lepus the hare, under the feet of Orion the hunter. (Figure 4). 2MASS J0523-1403 has a radius of only percent the radius of our Sun. That radius makes 2MASS J0523-1403 about 15 percent smaller than the planet Jupiter. Indeed, perhaps coincidentally, the size we calculate for 2MASS J05234-1403 is within 1 percent of the size of the planet Saturn. Therefore while we can say that VLM stars in general have sizes comparable to Jupiter, we can go one step further and say that the smallest stars are Saturn sized. In making these comparisons we must be careful not to confuse volume and mass. While these stars have the volume of giant planets their mass is theoretically predicted to be anywhere from 70 to 80 times the mass of Jupiter, making them incredibly dense. In fact, it is the quantum mechanical limit on the allowed upper density that causes brown dwarfs to stop contracting before nuclear fusion ignites.

Figure 4: The smallest known star, 2MASS J0523-1403, as seen with the Cerro Tololo 0.9 meter telescope is shown using a color scheme that approximates its true color.
Figure 4: The smallest known star, 2MASS J0523-1403, as seen with the Cerro Tololo 0.9 meter telescope, is shown using a color scheme that approximates its true color.

Over the last few decades our knowledge of red dwarfs has gone from simply knowing that they exist, to realizing just how numerous they are, and finally to being able to characterize them and assess their suitability as hosts for habitable planets. This progress is in part due to advances in observational astronomy, such as the substitution of blue sensitive photographic film to red sensitive digital CCD detectors and infrared detectors. Those advances in sensitivity and data management were then utilized to conduct large all-sky surveys that revealed a multitude of new red dwarfs and gave astronomers the unprecedented ability to study them not only as individual objects but also as a population. We now have a good understanding of how red dwarfs contribute to the overall stellar population of the Galaxy and are gaining greater understanding of their promises and challenges as hosts of livable planets. The history of astronomy has taught us that we cannot predict what the next discovery will be and how it will change our understanding of things. It could well be that after thorough study we may realize that the roughly 75 percent of the stars in the Galaxy that we call red dwarfs are not suitable as hosts of living planets. That alone would let us know that life in the Universe might be a bit more special than previously thought and how fortunate we are to have a home on planet Earth. On the opposing view, we know from our experience on Earth that evolution usually finds a way to make life flourish in the most extreme and odd environments. If life forming mechanisms are able to overcome the challenges we discussed here, plus many others that we have not yet even imagined, it is quite possible that our solar neighborhood abounds with beings of unimaginable forms thriving under the soft red twilight of their tiny parent star.

Dieterich_photo_lowres

About the author. Sergio (Serge) Dieterich is an observational astronomer who studies the properties of the smallest stars in the solar neighborhood, and the differences and similarities between these stars and their lower mass substellar cousins, the brown dwarfs. He is particularly interested in how stellar structure, and evolution processes happening deep within the core of a star or brown dwarf, are related to the colors and spectroscopic features of the surface of the star, which is the only part probed by telescope observations. Serge also specializes in the technique of astrometry, which measures minute changes in the relative position of a star in the sky to determine the star’s distance from Earth, as well as any orbital motion the star may have about an unseen companion. Serge was born in Porto Alegre, Brazil, and moved to Miami, Florida, just before starting high school. He has a B.A. in physics from Johns Hopkins University, an M.S. in physics from Georgia State University, and recently obtained his Ph.D. in astronomy also from Georgia State. After college and before starting graduate school Serge taught high school physics and middle school physical science for two years. He currently holds a National Science Foundation postdoctoral fellowship at the Department of Terrestrial Magnetism from the Carnegie Institution for Science. In addition to cutting edge research, he is also developing contents for high school level students about astronomy and stars.

4 thoughts on “Living in Twilight: An Overview of our Closest and Smallest Stellar Neighbors”

    1. Dear Margarita,
      Thank you for your comments! 2MA0523 has a radius of 8.6% that of the Sun. The number must have been lost during editing. I will ask the webmaster to fix it. Note that this is a calculated radii based on the star’s total light output and it’s surface temperature, and is not a direct measurement. As of now we have not discovered any eclipsing binary systems that would allow a direct measurement for a star with the same properties of 2MA0523. Our research group is currently working on ways to refine this calculation and validate the assumptions that go into it. So we may come up with better estimates and we may also find other stars that may bring the value for the smallest star up or down by a bit, but I do not foresee major changes. This radius value is one of the few points in which our observations and theoretical models actually agree. We do not agree on the minimum temperature and luminosity for a stellar object, and there is a healthy debate going on there, but as the observer it helps to have Nature on your side!