Webb v hvězdné líhni IC 348 našel hnědé trpaslíky o hmotnosti jen dvou Jupiterů

Vesmírný teleskop Jamese Webba našel v mladé hvězdotvorné oblasti IC 348 hnědé trpaslíky s odhadovanou hmotností až kolem dvojnásobku hmotnosti Jupiteru. Jde o volně putující objekty na neostré hranici mezi planetami a „neúspěšnými hvězdami“ — a právě proto jsou mimořádně cenné pro zkoumání toho, jak malé těleso může vzniknout přímo v hvězdné líhni. 1

Jak Webb zahlédl tak slabé objekty

IC 348 leží zhruba 1 000 světelných let od Země v oblasti tvorby hvězd v souhvězdí Persea. Webbův pohled v blízkém infračerveném oboru zachycuje jasné mladé hvězdy, prach i zdroje skryté v oblacích. Jeho citlivost však dovoluje odhalit také mimořádně chladná a málo svítivá podhvězdná tělesa. 1

Pozorování probíhalo ve dvou krocích:

1. Snímky z NIRCam měřily infračervenou jasnost a barvy kandidátů. Mladí, chladní hnědí trpaslíci se v těchto datech odlišují od běžných hvězd i řady vzdálených zdrojů v pozadí.
2. Spektroskopie NIRSpec následně podrobněji prozkoumala vybrané kandidáty. Spektra přinášejí doklady o chladných, mladých podhvězdných atmosférách a umožňují odhadnout jejich fyzikální vlastnosti včetně hmotnosti.

Nová práce navazuje na dřívější Webbův průzkum IC 348. Ten identifikoval tři volně putující hnědé trpaslíky s hmotností pod osminásobkem Jupiterovy hmotnosti; nejmenší z nich měl odhadovanou hmotnost asi tři až čtyři Jupitery. Hlubší následná pozorování nyní odhalila další členy oblasti s odhady blízkými dvěma hmotnostem Jupiteru. 3

Proč záleží na hnědém trpaslíku o dvou hmotnostech Jupiteru

Hnědí trpaslíci jsou tělesa, která nedosáhnou hmotnosti potřebné pro trvalou fúzi vodíku — proces pohánějící běžné hvězdy. Hmotnější z nich mohou po určitou dobu slučovat deuterium, nestanou se však dlouhodobě vodík spalujícími hvězdami.

Nejlehčí členové IC 348 se hmotností podobají obřím planetám, ale neobíhají kolem hvězdy. V tomto režimu samotná hmotnost nerozhodne o označení. Objekt může mít hmotnost blízkou planetě, přesto se označuje za hnědého trpaslíka nebo objekt planetární hmotnosti, pokud se předpokládá, že vznikl podobně jako hvězda — a ne v disku kolem hvězdy.

Právě vznik izolovaných objektů o pouhých několika hmotnostech Jupiteru je pro běžné modely fragmentace mračen plynu a prachu obtížně vysvětlitelný. NASA uvádí, že nové objevy testují modely vzniku hvězd. Pozorování vymezují nejnižší hmotnost dosaženou v IC 348, sama o sobě ale neurčují, jakou cestou tyto objekty vznikly. 1

Hmotnost je odhad, ne přímé zvážení

Hodnota „asi dvě hmotnosti Jupiteru“ není přímým měřením. U velmi mladých hnědých trpaslíků vědci kombinují naměřenou svítivost a spektra s evolučními modely, které předpovídají, jak těleso v čase chladne a slábne. Odvozená hmotnost proto závisí mimo jiné na předpokladech o stáří a raném vývoji objektu.

Hlavní výsledek je tedy vhodné chápat jako důkaz, že IC 348 obsahuje potvrzené nebo silně podpořené podhvězdné členy v mimořádně nízkém hmotnostním rozsahu. Nejde o dokonale ostrou hranici mezi hnědými trpaslíky a planetami.

Disky kolem objektů planetární hmotnosti

Dva nově identifikované objekty v IC 348 s odhadovanými hmotnostmi přibližně dvou a deseti Jupiterů vykazují výrazný infračervený přebytek spojovaný s disky kolem těchto těles. V discích se nachází materiál, z něhož by potenciálně mohly vznikat planety nebo měsíce.

Důsledek je pozoruhodný: materiál potřebný k formování planet může existovat i kolem těles, která sama mají hmotnost blízkou planetám. Neznamená to ale, že Webb kolem nich přímo spatřil vznikající planety. Infračervený přebytek ukazuje na materiál disku; formující se planety v těchto systémech přímo zobrazeny nebyly.

Hvězdná líheň plná výtrysků a rázových vln

Mozaika IC 348 není jen sčítáním hnědých trpaslíků. Ukazuje také mladé hvězdy, které mohutnými výtrysky přetvářejí své okolí. Tyto proudy hmoty narážejí do plynu a prachu; NASA je označuje za jeden z výrazných prvků celé scény.

Srážky vytvářejí Herbigovy–Harovy objekty, tedy jasné rázové struktury vznikající tam, kde hvězdné výtrysky narazí do okolního materiálu. Širší záběr zahrnuje například HH 797 a HH 211. Mozaika tak zachycuje několik etap hvězdného zrodu najednou: zahalené protohvězdy, vynořující se mladé hvězdy, výtrysky, disky i nejslabší volně putující podhvězdné objekty.

Záhada atmosfér na samém dně hmotnostní škály

Spektra některých extrémně lehkých hnědých trpaslíků navíc ukazují absorpci spojovanou s neidentifikovaným alifatickým uhlovodíkem. Podobná absorpce v oblasti 3,4 mikrometru už byla popsána v mezihvězdném prostředí i v atmosférách Saturnu a Titanu. 714

Vědci navrhli, že by nezvyklé spektrální chování mohlo vést k nové třídě těchto zdrojů. Přesná identifikace molekuly i případná nová klasifikace však zůstávají otevřené. Zatím jde o stopu, nikoli konečnou odpověď na otázku chemie a atmosfér nejmenších známých volně putujících hnědých trpaslíků. 9

Co nález v IC 348 posouvá

Webb snížil pozorovanou spodní hranici volně putujících hnědých trpaslíků v IC 348 z dřívějších tří až čtyř hmotností Jupiteru na zhruba dvě. Ukazuje tím, že hvězdotvorné oblasti dokážou vytvářet objekty v hmotnostním pásmu, které bylo dříve spojováno hlavně s planetami. Disky i neobvyklá spektra zároveň otevírají nové otázky o jejich vzniku a vývoji.

Dalším krokem nebude jen hledání ještě slabších objektů. Zásadní bude zjistit, zda vznikly přímým kolapsem mračna, gravitačním vyvržením z mladých vícenásobných systémů, fragmentací disku, nebo kombinací více mechanismů — a zda jejich disky mohou jednou vytvořit menší světy.