Brązowe karły rozdzielają gwiazdy od planet. Powstają podobnie jak gwiazdy, zapadając się pod wpływem własnej grawitacji, ale nigdy nie staną się wystarczająco gęste i gorące, aby rozpocząć reakcje jądrowe syntezy wodoru i zmienić się w gwiazdy. Najmniej masywne brązowe karły posiadają masy porównywalne z masami planet-olbrzymów rzędu kilku mas Jowisza.
Strategia poszukiwania brązowych karłów
Główni autorzy publikacji – astronomowie Kevin Luhman (Pennsylvania State University, USA) i Catarina Alves de Oliveira (ESA) wybrali jako obiekt badań otwartą gromadę gwiazdową IC 348 znajdującą się w odległości około 1000 l.św. w gwiazdozbiorze Perseusza. Jest to młoda gromada licząca około 5 milionów lat. Dlatego oczekiwano, że brązowe karły będą względnie jasne w podczerwieni.
Na początku zespół astronomów sfotografował centrum IC 348 za pomocą kamery NIRCam znajdującej się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, aby zidentyfikować kandydatów na brązowe karły na podstawie ich jasności i kolorów (zob. ilustracje (1) i (2)). Następnie najbardziej obiecujący kandydaci (patrz ilustracja (4)) byli obserwowani spektrografem NIRSpec w trybie mikro-migawek. Jest to macierz 248 tysięcy mikro-migawek 100x200µm sterowanych indywidualnie pozwalających na równoczesną spektroskopię do 100 obiektów.
Zdjęcie gromady gwiazdowej IC 348
Kluczowa okazała się niezwykła czułość Teleskopu Webba na podczerwień, umożliwiająca detekcję ciał niebieskich słabszych niż z teleskopów na powierzchni Ziemi. Dodatkowo, dzięki unikalnej rozdzielczości tego sprzętu było możliwe rozróżnienie, które obiekty w podczerwieni są brązowymi karłami, a które galaktykami w tle IC 348.
W wyniku tych poszukiwań astronomowie odkryli trzy intrygujące obiekty o masach od 3 do 8 mas Jowisza i temperaturze powierzchniowej od 830 do 1500 C. Zgodnie z modelami komputerowymi najlżejsze z tych ciał niebieskich posiadało masę zaledwie 3 masy Jowisza.
Wyjaśnienie, jak taki małomasywny brązowy karzeł mógł powstać, jest wyzwaniem dla teorii. Duży i gęsty obłok gazowy posiada silną grawitację, która powoduje zapaść obłoku i uformowanie się gwiazdy. Ze względu na słabsze siły grawitacyjne trudniejszy jest kolaps lżejszego obłoku i powstanie brązowego karła – a szczególnie trudne jest to dla brązowych karłów o masach zbliżonych do planet-olbrzymów.
Jeden z głównych autorów omawianej publikacji, Catarina Alves de Oliveira (ESA), powiedziała, że zgodnie ze współczesnymi modelami planety-olbrzymy łatwo powstają w dyskach protoplanetarnych wokół gwiazd. Ale jest mała szansa, aby zamiast jak gwiazda – najlżejszy z tych obiektów (masa około 3 masy Jowisza i średnica około 300 razy mniejsza niż nasze Słońce) powstał w dysku w tej gromadzie gwiazdowej.
Dlatego aktualnie astronomowie zastanawiają się, jak proces powstawania gwiazd działa przy tak ekstremalnie małych masach?
Na ilustracji (1): Otwarta gromada gwiazdowa IC 348 sfotografowana w bliskiej podczerwieni przez kamerę NIRCam w Teleskopie Webba z zaznaczonymi kierunkami na niebie N-E (północ-wschód) i transformacją filtrów w bliskiej podczerwieni o średnich długościach fali 2,77μm / 3,60μm / 4,44μm odpowiednio do barw niebieska / zielona / czerwona w zakresie widzialnym. Pole widzenia tego zdjęcia obejmuje centralny fragment otwartej gromady gwiazdowej IC 348 o bokach 0,5 l.św. poziomo x 0,8 l.św. pionowo. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (Pennsylvania State University), Catarina Alves de Oliveira (European Space Agency)
Tajemnicza molekuła
Małomasywne brązowe karły, oprócz wskazówek odnośnie powstawania gwiazd, mogą nam pomóc lepiej zrozumieć egzoplanety, ponieważ najmniej masywne brązowe karły częściowo pokrywają się z najcięższymi egzoplanetami. Powinny wykazywać podobne właściwości. Jednakże swobodnie poruszające się w przestrzeni brązowe karły łatwiej zaobserwować niż olbrzymie egzoplanety, które są schowane w poświacie gwiazd macierzystych.
Dwa spośród brązowych karłów odkrytych w tym przeglądzie posiadają w widmie niezidentyfikowany węglowodór lub molekułę zawierającą atomy zarówno wodoru jak i węgla. (struktura w widmie brązowych karłów nr 1 i 3 o długości fali λ~3,4μm – patrz ilustracja (4)). Ta sama struktura widmowa została rozpoznana przez misję satelitarną Cassini w atmosferze Saturna i jego księżyca Tytana. Jest ona widoczna również w ośrodku międzygwiazdowym i materii gazowej pomiędzy gwiazdami.
Jest to pierwsza detekcja tej molekuły w obiekcie poza Układem Słonecznym. Modele atmosfer brązowych karłów nie przewidują jej istnienia. Zdaniem astronomki Alves de Oliveira, po raz pierwszy obserwujemy tak młode i małomasywne brązowe karły i odkryliśmy coś nowego i nieoczekiwanego.
Zdjęcia trzech brązowych karłów
Na ilustracji (2): Centralna część otwartej gromady gwiazdowej IC 348 sfotografowana w bliskiej podczerwieni przez kamerę NIRCam w Teleskopie Webba. Astronomowie przeszukali tą gromadę gwiazdową w poszukiwaniu małomasywnych i niezwiązanych z innymi ciałami niebieskimi brązowych karłów – obiektów, które są za lekkie by być gwiazdami i za ciężkie by być planetami. Zostały odkryte trzy brązowe karły o masach mniejszych niż 8 mas Jowisz, które zaznaczono w białych okręgach na głównym zdjęciu oraz pokazano powiększone w dodatkowych panelach. Najlżejszy z nich ma masę zaledwie 3-4 masy Jowisza – co stanowi wyzwanie dla teorii powstawania gwiazd. Źródło (CC BY 4.0): NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (Pennsylvania State University), Catarina Alves de Oliveira (European Space Agency)
Brązowe karły, czy swobodne planety?
Obiekty posiadają masy w zakresie mas planet-olbrzymów, więc rodzi się pytanie, czy faktycznie są to brązowe karły lub w rzeczywistości swobodne planety wyrzucone z jakiegoś układu planetarnego. Astronomowie w omawianej publikacji nie odrzucają tej drugiej hipotezy. Ale ich zdaniem bardziej prawdopodobne jest to, że są to brązowe karły niż wyrzucone planety.
Wyrzucenie planety z układu planetarnego jest nieprawdopodobne z dwóch następujących powodów:
(1) statystycznie takie planety-olbrzymy występują rzadko w porównaniu do planet o mniejszych masach,
(2) większość gwiazd jest małomasywna, a planety-olbrzymy występują szczególnie rzadko wśród takich gwiazd.
Jest więc mało prawdopodobne, aby większość gwiazd w gromadzie IC 348 była zdolna do uformowania tak masywnych planet (większość gwiazd w IC 348 jest małomasywna!). Poza tym prawdopodobnie jest za mało czasu, aby w układzie planetarnym powstała planeta-olbrzym i następnie została z niego wyrzucona, ponieważ ta otwarta gromada gwiazdowa liczy zaledwie 5 milionów lat.
Na razie jesteśmy na początku badań, których celem jest poznanie tak małomasywnych brązowych karłów/planet olbrzymów (?). Odkrycie większej liczby podobnych obiektów pomoże w doprecyzowaniu ich statusu. Istnieją teoretyczne sugestie, że swobodne planety częściej można spotkać w zewnętrznych obszarach gromad gwiazdowych. Więc poszerzenie obszaru poszukiwań może pozwolić na ich odkrycie – o ile istnieją w IC 348.
Przyszłe badania w tej dziedzinie powinny obejmować bardziej dogłębne przeglądy obserwacyjne jeszcze słabszych i mniej masywnych obiektów. Celem omawianego tutaj wstępnego przeglądu była detekcja obiektów o masach rzędu dwóch mas Jowisza. Przy bardziej zaawansowanych przeglądach powinno się łatwo sięgnąć do obiektów o masie Jowisza.
Na ilustracji (3): Pokazano widmo „wzorcowego” brązowego karła VHS 1256b (typ widmowy L) w bliskiej podczerwieni (~1-5μm) zrobione za pomocą spektrografu NIRSpec z identyfikacją chemiczną. U góry pokazano długości fali filtrów kamery NIRCam. Dodano również profil najjaśniejszej emisji PAH o długości fali λ~3,3μm obserwowanej w widmie gromady IC 348. Źródło (CC BY 4.0): K. L. Luhman et al 2024 AJ 167 19
Na ilustracji (4): Pokazano zrobione za pomocą spektrografu NIRSpec widma w bliskiej podczerwieni (~1-5μm) ośmiu kandydatów na brązowe karły, z których obiekty nr 1, 3 i 4 posiadają widma podobne do brązowego karła VHS 1256b. Zieloną linią zakreślono również profil najjaśniejszej emisji PAH o długości fali λ~3,3μm obserwowanej w widmie gromady IC 348. Zagadką jest niezidentyfikowana struktura λ~3,4μm występująca w widmach brązowych karłów nr 1 i 3, którą wcześniej zidentyfikowano w naszym Układzie Planetarnym podczas misji satelitarnej Cassini w widmie Saturna i jego księżyca Tytana. Źródło (CC BY 4.0): K. L. Luhman et al 2024 AJ 167 19
Na ilustracji (5): Zaznaczono jasności brązowych karłów 1, 3 i 4 uzyskane z obserwacji przez Teleskop Webba, w porównaniu do jasności teoretycznych w funkcji czasu (pozioma oś „Age” w milionach lat) dla modeli ewolucyjnych brązowych karłów o stałych temperaturach efektywnych (górny panel) lub stałych masach (dolny panel). Dla porównania również zaznaczono „gwiazdką” jasność egzoplanety TWA 27B krążącej wokół gwiazdy TWA 27. Źródło (CC BY 4.0): K. L. Luhman et al 2024 AJ 167 19
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa (CC BY 4.0): A JWST Survey for Planetary Mass Brown Dwarfs in IC 348
- Webb Telescope Spots Record-Breaking Free-Floating Tiny Brown Dwarf
- NASA’s Webb Identifies Tiniest Free-Floating Brown Dwarf
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI
Na ilustracji: Centralna część otwartej gromady gwiazdowej IC 348 sfotografowana w bliskiej podczerwieni przez kamerę NIRCam w Teleskopie Webba. Całe zdjęcie jest wypełnione materią międzygwiazdową, odbijającą światło od gwiazd z gromady IC 348. Jest to tzw. mgławica refleksyjna. Ta materia zawiera również związki chemiczne składające się z węgla, tzw. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne PAH (skrót od ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Wiatry z najbardziej masywnych gwiazd tej gromady prawdopodobnie mają wpływ na wygląd wielkiej pętli po prawej stronie tej fotki. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (Pennsylvania State University), Catarina Alves de Oliveira (European Space Agency)
