Webb vindt de lichtste bruine dwergen ooit in IC 348

De James Webb-ruimtetelescoop heeft in de jonge stervormingsregio IC 348 vrij zwevende bruine dwergen gevonden met geschatte massa's vanaf ongeveer twee Jupitermassa's. Daarmee bevinden deze objecten zich op de vage grens tussen planeten en 'mislukte sterren' — en vormen ze een uitzonderlijk belangrijke test voor de vraag hoe klein een lichaam kan zijn dat rechtstreeks in een sterrenkraamkamer ontstaat. 1

Waarom deze vondst bijzonder is

IC 348 ligt op ongeveer 1.000 lichtjaar afstand, in de stervormingsregio Perseus. In Webb's nabij-infraroodbeeld zijn heldere jonge sterren, stof en ingebedde bronnen zichtbaar. Dankzij de hoge gevoeligheid van de telescoop komen echter ook uitzonderlijk koele en zwak stralende substellair objecten in beeld. 1

De aanpak bestond uit twee stappen:

1. NIRCam-opnamen brachten de infraroodhelderheid en -kleuren van mogelijke kandidaten in kaart. Jonge, koele bruine dwergen wijken daarin af van gewone sterren en veel achtergrondbronnen.
2. NIRSpec-spectra onderzochten geselecteerde kandidaten vervolgens gedetailleerder. Die spectra leveren aanwijzingen voor koele, jonge substellair atmosferen en helpen onderzoekers eigenschappen, waaronder de massa, te schatten.

Dit onderzoek bouwt voort op een eerdere Webb-vondst in IC 348. Toen werden drie vrij zwevende bruine dwergen onder acht Jupitermassa's geïdentificeerd, waaronder één met een geschatte massa van drie tot vier Jupitermassa's. De diepere vervolgwaarnemingen brachten nieuwe clusterleden aan het licht met schattingen rond twee Jupitermassa's. 3

Geen ster, maar ook niet zomaar een planeet

Bruine dwergen hebben onvoldoende massa om langdurige kernfusie van waterstof te onderhouden, het proces dat gewone sterren laat schijnen. Sommige zwaardere bruine dwergen kunnen tijdelijk deuterium fuseren, maar ze worden geen stabiele, waterstofverbrandende sterren.

De lichtste leden van IC 348 hebben ongeveer de massa van reuzenplaneten, maar draaien niet rond een ster. In dit massabereik is de naamgeving dus niet alleen een kwestie van massa. Een object kan planetair van massa zijn, maar toch een bruine dwerg of object met planetaire massa worden genoemd als het vermoedelijk op een sterachtige manier is gevormd, en niet in een schijf rond een ster.

Juist dat maakt de ontdekking belangrijk. Geïsoleerde objecten van slechts enkele Jupitermassa's vormen is lastig te verklaren met gangbare modellen van fragmentatie in gas- en stofwolken. NASA noemt de nieuwe vondsten daarom een uitdaging voor modellen van stervorming. De waarnemingen begrenzen wel de laagste massa die in IC 348 wordt bereikt, maar vertellen nog niet langs welke route deze objecten zijn ontstaan. 1

Een massa is hier geen directe weging

De aanduiding 'ongeveer twee Jupitermassa's' is een afleiding, geen directe meting op een weegschaal. Bij zeer jonge bruine dwergen combineren onderzoekers gemeten helderheid en spectra met evolutiemodellen: berekeningen van hoe zulke objecten afkoelen en zwakker worden naarmate ze ouder worden. De geschatte massa hangt dus mede af van aannames over leeftijd en vroege ontwikkeling.

De kern van de ontdekking is daarom niet een messcherpe nieuwe grens tussen planeten en bruine dwergen. Het is het sterke bewijs dat IC 348 substellair clusterleden bevat in een extreem laag massabereik.

Schijven rond objecten met planetaire massa

Twee nieuw geïdentificeerde leden van IC 348, met geschatte massa's van ongeveer twee en tien Jupitermassa's, tonen een aanzienlijk infraroodoverschot dat samenhangt met omringende schijven. Zulke schijven bevatten materiaal waaruit in principe planeten of manen kunnen ontstaan.

Dat is opvallend: ingrediënten voor planeetvorming kunnen dus aanwezig zijn rond een lichaam dat zelf al dicht bij planetaire massa zit. Maar Webb heeft in deze systemen geen vormende planeten rechtstreeks gefotografeerd. Het infraroodoverschot verraadt schijfmateriaal, niet het bestaan van planeten.

Jets, schokken en sterren in wording

De grote mozaïekopname van IC 348 is meer dan een inventaris van bruine dwergen. Jonge sterren vormen hun omgeving actief om met uitstroom van materiaal die op gas en stof botst. NASA wijst op krachtige jets van pasgeboren sterren als een van de opvallende elementen in het beeld.

Die botsingen produceren Herbig-Haro-objecten: heldere schokstructuren waar sterrenuitstromen het omringende materiaal raken. In het bredere beeld zijn onder meer HH 797 en HH 211 te zien. Zo laat de opname meerdere fasen van stergeboorte tegelijk zien: ingebedde protosterren, jonge sterren die tevoorschijn komen, uitstromen, schijven en de zwakste vrij zwevende substellair objecten.

Een raadselachtig signaal in de atmosfeer

In spectra van enkele extreem lichte bruine dwergen zit ook absorptie die wordt gekoppeld aan een nog niet geïdentificeerde alifatische koolwaterstof. Een vergelijkbaar absorptiekenmerk bij 3,4 micrometer is eerder gezien in interstellair materiaal en in de atmosferen van Saturnus en Titan. 714

Onderzoekers hebben geopperd dat het ongewone spectrale gedrag aanleiding kan zijn voor een nieuwe klasse van dergelijke bronnen. Zowel de precieze identiteit van het molecuul als zo'n nieuwe classificatie staat echter nog niet vast. Het kenmerk is dus vooral een aanwijzing voor bijzondere chemie en atmosferen aan de ondergrens van de bekende vrij zwevende bruine dwergen. 9

Wat IC 348 nu verandert

Webb heeft de waargenomen ondergrens voor vrij zwevende bruine dwergen in IC 348 verlegd: van de eerdere vondst met drie tot vier Jupitermassa's naar ongeveer twee Jupitermassa's. De resultaten tonen dat stervormingsgebieden objecten kunnen voortbrengen in een massabereik dat lange tijd vooral met planeten werd geassocieerd. De schijven en ongebruikelijke spectra roepen tegelijk nieuwe vragen op over hun oorsprong en ontwikkeling.

De volgende stap is niet alleen nog zwakkere objecten vinden. Astronomen willen vooral vaststellen of deze lichamen ontstaan door rechtstreekse instorting van een gaswolk, door uitstoting uit jonge meervoudige systemen, door fragmentatie van een schijf — of via meer dan één vormingsroute.