JWST odkrył brązowe karły o masie 2 Jowiszów i cząsteczkę, której nie przewidział żaden model

Brązowe karły miały mieć swoje dno. Obiekty znajdujące się pomiędzy planetami a gwiazdami — zbyt masywne, by być planetami, zbyt małe, by utrzymać fuzję wodoru, która sprawia, że gwiazda świeci — uważano, że aby powstać z zapadającej się chmury gazu i pyłu, potrzebują co najmniej pewnego progu masy. JWST znalazł dziewięć, które najwyraźniej nie dotarły do tej wiadomości.

Gromada IC 348, zwarty żłobek młodych gwiazd w gwiazdozbiorze Perseusza, była już znana z tego, że kryje w sobie niezwykle małe brązowe karły. Wcześniejsze obserwacje JWST obniżyły rekord masy do 3–4 mas Jowisza. Nowe obserwacje, kierowane przez Kevina Luhmana z Pennsylvania State University oraz Catarinę Alves de Oliveirę z Europejskiej Agencji Kosmicznej, poszły dalej: wykorzystując obrazowanie NIRCam, a następnie spektroskopię NIRSpec, zespół zidentyfikował dziewięć nowych obiektów podgwiazdowych o masach szacowanych na zaledwie 2 masy Jowisza — około 0,19 procent masy Słońca. Jeden z nich posiada dysk protoplanetarny — pierścień materii, z którego powstają planety. To najmniej masywny obiekt, w jakim kiedykolwiek znaleziono surowiec do budowy planetarnych towarzyszy.

To już obala poprzednią granicę. Cząsteczka w atmosferze może być jednak jeszcze dziwniejszym wynikiem.

Polecana lekturaElias 2-24 b – najmłodsza potwierdzona planeta ma mniej niż milion lat

Niezidentyfikowany związek w najchłodniejszych atmosferach

Osiem z dziewięciu nowych członków — wraz z jednym wcześniej znanym obiektem — wykazuje cechę absorpcyjną przy długości fali 3,4 mikrometra, przypisywaną alifatycznemu węglowodorowi: klasie cząsteczek organicznych zbudowanych z łańcuchów atomów węgla i wodoru. Żaden istniejący model atmosfer brązowych karłów nie przewiduje, że ten związek powinien występować. Cechę tę zaobserwowano w atmosferach Saturna i Tytana, które zespół wykorzystał jako spektralne punkty odniesienia, ale nigdy wcześniej nie wykryto jej w żadnym brązowym karle poza Układem Słonecznym.

Cecha ta nie jest przypadkowa. Jej siła systematycznie koreluje z pozorną jasnością — im chłodniejszy i mniej masywny brązowy karzeł, tym wyraźniejszy sygnał. Taki gradient wskazuje na rzeczywisty proces fizyczny zachodzący w tych ekstremalnych, chłodnych atmosferach, a nie na zanieczyszczenie czy artefakt instrumentalny. Luhman i Alves de Oliveira proponują nową klasyfikację widmową — klasę H, od węglowodorów — aby pomieścić te obiekty. Istniejąca taksonomia chłodnych karłów obejmuje typy widmowe od L przez T do Y; żadna z tych klas nie została zaprojektowana z myślą o tym zakresie mas.

Czym dokładnie jest ta cząsteczka i dlaczego gromadzi się w atmosferach najlżejszych brązowych karłów, pozostaje otwartą kwestią. W artykule czytamy, że odkrycie „nie zostało przewidziane przez modele atmosferyczne i nie zostało wcześniej wykryte w atmosferach poza Układem Słonecznym”.

Jak to zrobili

Obserwacje wykorzystały dwa instrumenty Webba sekwencyjnie. NIRCam wykonał zdjęcia IC 348 w kilku bliskich podczerwieni filtrach, identyfikując kandydatów na obiekty podgwiazdowe na podstawie ich nietypowych kolorów i słabej pozornej jasności — to selekcja wykorzystująca fakt, że obiekty o bardzo małej masie wydają się wyraźnie czerwieńsze niż gwiazdy tła przy tych długościach fal. Spektroskopia NIRSpec potwierdziła następnie masy obiektów kandydujących, mierząc, ile światła każde z nich pochłania przy każdej długości fali, i porównując te wzorce z modelami spektralnymi młodych brązowych karłów.

Dla obiektów o masie 2 Jowiszów cechy spektralne są bliskie granicy wykrywalności Webba. IC 348 została wybrana celowo: przy wieku około 3 milionów lat obiekty w gromadzie są wciąż ciepłe od energii uwolnionej podczas formowania — jaśniejsze i bardziej dostępne spektroskopowo niż starsze brązowe karły o tej samej masie. To samo poszukiwanie w gromadzie liczącej 100 milionów lat nie przyniosłoby żadnych wyników — obiekty byłyby zbyt zimne i słabe dla obecnych instrumentów.

Szacunki masy w tym ekstremalnym zakresie obarczone są niepewnością rzędu 30 procent. Obiekt nominalnie o masie 2 Jowiszów może w zależności od przyjętych założeń modeli ewolucyjnych mieć masę od 1,4 do 2,6 mas Jowisza.

Dlaczego to trudniej wytłumaczyć, niż się wydaje

Poprzednia granica masy JWST wynosząca 3–4 mas Jowisza już znajdowała się poniżej tego, co większość ram teoretycznych przewidywała jako praktyczną dolną granicę izolowanego formowania się obiektów podgwiazdowych. Ta granica wynika z termodynamiki: aby zapadająca się chmura gazu utworzyła stabilny obiekt, a nie uległa dalszemu fragmentowaniu, fragment musi osiągnąć określone warunki temperatury i gęstości. Różne modele — w zależności od przyjętej temperatury chmury, turbulencji i pola magnetycznego — umieszczają ten próg w zakresie od 3 do 10 mas Jowisza.

Dwie masy Jowisza znajdują się poniżej wszystkich tych progów. Teoria nie jest obalona w sensie rozstrzygającym — jest niekompletna w tym sensie, że nie uwzględnia czegoś, co obserwowalnie dzieje się w co najmniej jednej młodej gromadzie. Mechanizm, dzięki któremu IC 348 produkuje tak lekkie obiekty, nie jest obecnie poznany. Dysk protoplanetarny wokół najlżejszego kandydata dodaje kolejną warstwę: uważano, że dyski planetotwórcze wymagają znacznie masywniejszych obiektów macierzystych, a jeśli mogą się one formować wokół ciała o masie 2 Jowiszów, granica między formowaniem planet a gwiazd zawęża się.

Czego te odkrycia nie rozstrzygają

Dziewięć obiektów pochodzi z jednej gromady. To, czy IC 348 jest niezwykła — być może jej środowisko jest wyjątkowo efektywne w fragmentacji obłoków gazu przy niskich masach — czy też takie obiekty są powszechne w regionach formowania gwiazd, nie można rozstrzygnąć na podstawie samych tych danych. Wymagane byłoby systematyczne badanie Webba wielu młodych gromad.

Cecha węglowodorowa wymaga identyfikacji. Absorpcja przy 3,4 mikrometra jest zgodna z kilkoma różnymi związkami alifatycznymi; rozdzielczość spektralna NIRSpec przy tych długościach fal jest niewystarczająca, aby je rozróżnić. Do nazwania związku potrzebna byłaby wysokorozdzielcza spektroskopia uzupełniająca lub pomiary laboratoryjne cząsteczek kandydujących w warunkach atmosfer brązowych karłów. Autorzy nie spekulują na temat konkretnej identyfikacji.

Szersze pytanie, czy szacunki mas są wiarygodne w tych ekstremalnych zakresach — czy modele przeliczające obserwowaną jasność na masę nie załamują się poniżej 3 mas Jowisza — nie może zostać rozstrzygnięte bez niezależnych metod, takich jak dynamiczne pomiary mas z układów podwójnych, które nie są dostępne dla tych obiektów.

Najczęstsze pytania o najlżejsze brązowe karły

Czy planety mogą krążyć wokół brązowego karła o masie 2 Jowiszów?

Jeden z nowo odkrytych obiektów o masie około 2 Jowiszów wykazuje nadmiar emisji w podczerwieni, zgodny z dyskiem protoplanetarnym — zbiornikiem materii, z którego powstają planety. To, czy planety faktycznie powstają i przetrwają wokół obiektu niewiele cięższego od Jowisza, nie jest znane. Nie potwierdzono żadnych planet krążących wokół izolowanego obiektu o tej masie.

Jaka jest różnica między brązowym karłem a planetą-olbrzymem?

Brązowe karły powstają w wyniku bezpośredniego grawitacyjnego zapadania się obłoku gazu, tego samego procesu, który tworzy gwiazdy. Planety-olbrzymy powstają wewnątrz dysku materii krążącej wokół już istniejącej gwiazdy. Rozróżnienie to staje się praktycznie niejednoznaczne przy bardzo małych masach: obiekt o masie 2 Jowiszów znaleziony w izolacji wewnątrz gromady gwiazdotwórczej jest klasyfikowany jako brązowy karzeł na podstawie prawdopodobnego sposobu powstania, a nie samej masy.

Czym jest alifatyczny węglowodór i dlaczego jest dziwny w atmosferze brązowego karła?

Alifatyczne węglowodory to cząsteczki organiczne zbudowane z atomów węgla i wodoru ułożonych w łańcuchy lub rozgałęzienia — obejmują związki występujące w ropie naftowej na Ziemi i w atmosferze księżyca Saturna, Tytana. W zewnętrznej atmosferze brązowego karła istniejące modele nie uwzględniają ich. Ich obecność przy 3,4 mikrometra w widmach najchłodniejszych obiektów IC 348 stanowi lukę w obecnym rozumieniu chemii atmosfer podgwiazdowych.

Jak daleko znajduje się IC 348?

IC 348 leży około 1000 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Perseusza. To jeden z najbliższych młodych regionów gwiazdotwórczych i od kilkudziesięciu lat cel badań populacji gwiazd. Jej wiek około 3 milionów lat sprawia, że jej członkowie są wciąż na tyle jasni, aby możliwa była analiza spektroskopowa za pomocą Webba.

Program obserwacyjny zespołu skupiał się właśnie na IC 348. Porównywalne głębokie badania spektroskopowe innych młodych gromad — w tym gromady w Mgławicy Oriona, Chamaeleon I i Byka — są planowane lub w toku z użyciem Webba. Wyniki tych programów pozwolą sprawdzić, czy granica 2 mas Jowisza i cecha węglowodorowa pojawiają się szerzej, czy też IC 348 jest przypadkiem odosobnionym. Zaproponowana klasa widmowa H czeka na niezależne potwierdzenie z dodatkowych zestawów danych, zanim wejdzie do standardowego użytku.

Źródło: Luhman, K. L. & Alves de Oliveira, C., „A New Spectral Class of Brown Dwarfs at the Bottom of the IMF in IC 348”, The Astrophysical Journal Letters, 986 (1), 2025. DOI: 10.3847/2041-8213/addc55

Tagi: astronomia, JWST, brązowe karły, IC 348, Kevin Luhman, powstawanie gwiazd

Więcej podobnych

Odkryto pierwszą potwierdzoną atmosferę na skalistej planecie w strefie mieszkalnej

Kij do kopania sprzed 430 000 lat to najstarsze drewniane narzędzie ręczne

Substancja czynna Ozempiku przedłużyła życie zdrowych myszy o blisko 100 dni — w eksperymencie niezwiązanym z wagą ciała

1300 narzędzi denisowiańskich i pierwsza w historii kość przedramienia z jaskini w Chinach

Najcięższe czarne dziury powstają z połączeń innych czarnych dziur

Jowisz rozpędza elektrony niemal do prędkości światła, tak jak supernowe