Webb identyfikuje najmniejszego swobodnego brązowego karła
Zespół JWST odkrył najmniejszego dotąd swobodnego brązowego karła w gromadzie IC 348.
Na ilustracji: Obraz centralnej części gromady gwiazd IC 348. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (PSU), Catarina Alves de Oliveira (ESA)
Brązowe karły to obiekty znajdujące się na granicy między gwiazdami a planetami. Powstają one podobnie jak gwiazdy, rosnąc na tyle gęste, by zapaść się pod wpływem własnej grawitacji, ale nigdy nie osiągają wystarczającej gęstości i temperatury, by rozpocząć syntezę wodoru i przekształcić się w pełnoprawną gwiazdę. Na najniższym końcu skali, niektóre brązowe karły są porównywalne z olbrzymimi planetami, ważąc zaledwie kilka razy więcej niż Jowisz.
Astronomowie starają się określić najmniejszy obiekt, który może uformować się w sposób podobny do gwiazdy. Zespół korzystający z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkrył nowego rekordzistę: maleńkiego, swobodnego brązowego karła o masie zaledwie 3-4 razy większej od masy Jowisza.
Jedno z podstawowych pytań, które można znaleźć w każdym podręczniku astronomii, brzmi: jakie są najmniejsze gwiazdy? Właśnie na to pytanie staramy się odpowiedzieć – wyjaśnił główny autor artykułu Kevin Luhman z Pennsylvania State University.
Strategia wyszukiwania
Aby zlokalizować tego nowo odkrytego brązowego karła, Luhman i jego współpracowniczka, Catarina Alves de Oliveira, postanowili zbadać gromadę gwiazd IC 348, znajdującą się około 1000 lat świetlnych od nas, w regionie gwiazdotwórczym Perseusza. Gromada ta jest młoda, ma zaledwie około 5 milionów lat. W rezultacie wszelkie brązowe karły byłyby nadal stosunkowo jasne w świetle podczerwonym, świecąc od ciepła swojego formowania.
Zespół najpierw zobrazował centrum gromady za pomocą kamery Webb NIRCam (Near-Infrared Camera), aby zidentyfikować kandydatów na brązowe karły na podstawie ich jasności i kolorów. Następnie najbardziej obiecujące cele zostały zidentyfikowane za pomocą spektrografu NIRSpace (Near-Infrared Spectrograph) Webba.
Czułość Webba w podczerwieni była kluczowa, umożliwiając zespołowi wykrycie słabszych obiektów niż przez teleskopy naziemne. Ponadto, ostre widzenie Webba pozwoliło im określić, które czerwone obiekty były brązowymi karłami, a które galaktykami tła.
Proces ten doprowadził do powstania trzech intrygujących obiektów o masie od trzech do ośmiu mas Jowisz i temperaturze powierzchni od 830 do 1500 stopni Celsjusza. Zgodnie z modelami, najmniejszy z nich waży zaledwie trzy do cztery razy więcej niż Jowisz.
Wyjaśnienie, w jaki sposób mógłby powstać tak mały brązowy karzeł, jest teoretycznie trudne. Ciężki i gęsty obłok gazu ma wystarczającą grawitację, aby zapaść się i uformować gwiazdę. Jednak ze względu na słabszą grawitację, małemu obłokowi powinno być trudniej zapaść się i uformować brązowego karła, co jest szczególnie prawdziwe w przypadku brązowych karłów o masach planet olbrzymów.
Dla obecnych modeli dość łatwo jest stworzyć gazowe olbrzymy w dysku wokół gwiazdy – powiedziała Catarina Alves de Oliveira z ESA, główna badaczka programu obserwacyjnego. Ale w tej gromadzie byłoby mało prawdopodobne, aby ten obiekt uformował się w dysku, zamiast tego uformował się jako gwiazda, a trzy masy Jowisza to 300 razy mniej niż masa naszego Słońca. Musimy więc zapytać, w jaki sposób proces formowania się gwiazd działa przy tak bardzo, bardzo małych masach?
Tajemnicza cząsteczka
Oprócz dostarczania wskazówek na temat procesu formowania się gwiazd, małe brązowe karły mogą również pomóc astronomom lepiej zrozumieć egzoplanety. Najmniej masywne brązowe karły pokrywają się z największymi egzoplanetami, dlatego też można oczekiwać, że będą miały podobne właściwości. Jednak swobodny brązowy karzeł jest łatwiejszy do zbadania niż olbrzymia egzoplaneta, ponieważ ta druga jest ukryta w blasku swojej macierzystej gwiazdy.
Dwa spośród brązowych karłów zidentyfikowanych w tym badaniu wykazują sygnaturę widmową niezidentyfikowanego wodoru lub cząsteczki zawierającej zarówno atomy wodoru, jak i węgla. Ta sama sygnatura w podczerwieni została wykryta przez misję Cassini w atmosferze Saturna i jego księżyca Tytana. Odkrycie tej sygnatury miało również miejsce w ośrodku międzygwiazdowym, czyli gazie znajdującym się pomiędzy gwiazdami.
Po raz pierwszy wykryliśmy tę cząsteczkę w atmosferze obiektu spoza naszego Układu Słonecznego – wyjaśniła Alves de Oliveira. Modele atmosfer brązowych karłów nie przewidują jej istnienia. Przyglądamy się obiektom o młodszym wieku i mniejszej masie niż kiedykolwiek wcześniej i widzimy coś nowego i nieoczekiwanego.
Brązowy karzeł czy zbuntowana planeta?
Ponieważ obiekty te mieszczą się w zakresie mas planet olbrzymów, nasuwa się pytanie, czy są one rzeczywiście brązowymi karłami, czy też planetami, które zostały wyrzucone z układów planetarnych. Mimo że zespół nie może wykluczyć tej drugiej możliwości, twierdzi, że jest znacznie bardziej prawdopodobne, że są to brązowe karły niż wyrzucone planety.
Wyrzucenie olbrzymiej planety jest mało prawdopodobne z dwóch powodów. Po pierwsze, takie planety są rzadkością w porównaniu do planet o mniejszych masach. Po drugie, większość gwiazd ma niską masę, a planety olbrzymie są wśród nich szczególnie rzadkie. W rezultacie jest mało prawdopodobne, aby większość gwiazd w gromadzie IC 348 była zdolna do wytworzenia tak masywnych planet. Ponadto, ponieważ gromada ma zaledwie 5 milionów lat, prawdopodobnie nie minęło wystarczająco dużo czasu, aby olbrzymie planety uformowały się, a następnie zostały wyrzucone ze swoich układów.
Odkrycie większej liczby takich obiektów pomoże wyjaśnić ich status. Teorie sugerują, że zbłąkane planety są bardziej prawdopodobne do znalezienia na obrzeżach gromady gwiazd, więc rozszerzenie obszaru poszukiwań może je zidentyfikować, jeżeli istnieją w IC 348.
Przyszłe prace mogą również obejmować dłuższe badania, które mogą wykryć słabsze, mniejsze obiekty. Krótki przegląd przeprowadzony przez zespół miał wykryć obiekty o masie nawet dwukrotnie większej od masy Jowisza. Dłuższe badania mogłyby z łatwością osiągnąć zasięg masy jednego Jowisza.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
