Webb finder rekordsmå brune dværge i IC 348

James Webb-rumteleskopet har fundet brune dværge i den unge stjernedannende region IC 348 med anslåede masser helt ned til cirka to gange Jupiters masse. Objekterne svæver frit i rummet og ligger i den uklare grænsezone mellem planeter og såkaldte mislykkede stjerner. Netop derfor er de vigtige: De kan teste, hvor lille et legeme der kan dannes direkte i en stjernetåge. 1

Sådan fandt Webb de ekstremt svage objekter

IC 348 ligger cirka 1.000 lysår fra Jorden i Perseus' stjernedannende område. Webbs infrarøde blik viser både unge stjerner, støv og indlejrede kilder, men teleskopets høje følsomhed gør det også muligt at opdage meget kolde og lyssvage objekter under stjernemassen. 1

Forskerne arbejdede i to trin:

1. NIRCam-billeder målte kandidaternes infrarøde lysstyrke og farver. Unge, kølige brune dværge skiller sig ud fra almindelige stjerner og mange baggrundskilder i disse data.
2. NIRSpec-spektre undersøgte derefter udvalgte kandidater mere detaljeret. Spektrene kan vise kendetegn ved kolde, unge substellare atmosfærer og bruges til at anslå blandt andet masse.

Metoden bygger videre på et tidligere Webb-resultat fra IC 348. Den første søgning identificerede tre fritsvævende brune dværge under otte Jupitermasser, heriblandt én med en anslået masse på tre til fire Jupitermasser. Den dybere opfølgning har nu fundet medlemmer med estimater nær to Jupitermasser. 3

Hvorfor to Jupitermasser er opsigtsvækkende

Brune dværge er for lette til at opretholde brintfusion – den proces, der får almindelige stjerner til at lyse i milliarder af år. De tungeste kan fusionere deuterium i en begrænset periode, men de bliver ikke stabile, brintforbrændende stjerner.

De letteste medlemmer af IC 348 har masser, der kan sammenlignes med kæmpeplaneters. Men de kredser ikke om en stjerne. I dette masseområde afgør massen alene ikke, hvad objektet bør kaldes: Et legeme kan være planetlignende i masse, men omtales som en brun dværg eller et objekt med planetmasse, hvis det menes at være dannet på en stjernelignende måde frem for i en skive omkring en stjerne.

Det er netop vanskeligt for gængse modeller for fragmentering af gasskyer at skabe isolerede objekter på kun få Jupitermasser. NASA beskriver derfor fundene som en udfordring for modellerne for stjernedannelse. Observationerne sætter en nedre grænse for de masser, der er fundet i IC 348, men afslører ikke i sig selv, hvilken dannelsesvej objekterne har fulgt. 1

Massen er et estimat – ikke en direkte vejning

Betegnelsen “omkring to Jupitermasser” er afledt af målinger, ikke resultatet af en direkte vejning. For meget unge brune dværge sammenholder forskere lysstyrke og spektrer med udviklingsmodeller, der forudsiger, hvordan objekterne afkøles og bliver svagere med tiden. Masseestimatet afhænger derfor af antagelser om alder og den tidlige udvikling.

Hovedresultatet bør således læses som solid dokumentation for, at IC 348 rummer bekræftede eller stærkt underbyggede substellare medlemmer i et ekstremt lavt masseområde – ikke som en knivskarp grænse mellem planeter og brune dværge.

Skiver omkring objekter med planetmasse

To nyidentificerede medlemmer af IC 348, med anslåede masser på cirka to og 10 Jupitermasser, viser et markant infrarødt overskud, der forbindes med skiver af materiale omkring dem. Skiverne rummer stof, hvorfra planeter eller måner i princippet kan dannes.

Det peger på en bemærkelsesværdig mulighed: Byggesten til planeter kan være til stede omkring legemer, som selv har en masse tæt på planeternes. Men Webb har ikke afbildet planeter under dannelse i disse systemer. Det infrarøde overskud viser skivemateriale – ikke færdige eller voksende planeter.

Jets og chokbølger i en aktiv stjernevugge

IC 348-mosaikken er mere end en optælling af brune dværge. Den viser også unge stjerner, der former deres omgivelser med udstrømninger, som rammer gas og støv. NASA fremhæver kraftige jets fra nyfødte stjerner som nogle af de tydelige strukturer i billedet.

Når udstrømningerne kolliderer med det omgivende materiale, opstår lysende chokstrukturer kaldet Herbig-Haro-objekter. I det større billede ses blandt andet HH 797 og HH 211. Mosaikken samler dermed flere faser af stjernedannelse i ét motiv: indlejrede protostjerner, unge stjerner på vej frem, udstrømninger, skiver og de allersvageste fritsvævende substellare objekter.

Et uløst kemisk spor i atmosfærerne

Spektrene fra nogle af de allermindste brune dværge viser også absorption, der forbindes med et uidentificeret alifatisk kulbrinte. En lignende absorption ved 3,4 mikrometer er tidligere observeret i det interstellare medium samt i atmosfærerne på Saturn og Titan. 714

Forskere har foreslået, at det usædvanlige spektrale mønster kan give anledning til en ny klasse for disse kilder. Men hverken molekylets præcise identitet eller en ny klassifikation er afklaret. Signalet er derfor et spor – ikke et endeligt svar – på kemien og atmosfærerne hos de mindste kendte fritsvævende brune dværge. 9

Hvad fundet flytter

Webb har flyttet den observerede nedre grænse for fritsvævende brune dværge i IC 348 fra det tidligere resultat på tre til fire Jupitermasser ned til cirka to Jupitermasser. Fundet viser, at stjernedannende områder kan producere objekter i et masseinterval, som tidligere især blev forbundet med planeter. Samtidig rejser skiverne og de usædvanlige spektrer nye spørgsmål om, hvordan disse objekter bliver dannet og udvikler sig.

Næste skridt er ikke kun at finde endnu svagere objekter. Det er at afgøre, om de dannes ved direkte sammenstyrtning af en gassky, ved udslyngning fra unge flerstjernesystemer, ved fragmentering af skiver – eller gennem flere forskellige processer – og om deres skiver på sigt kan skabe mindre verdener omkring dem.