Webb har funnet brune dverger helt nede ved to Jupitermasser

James Webb-romteleskopet har funnet frittflytende brune dverger i det unge stjernedannelsesområdet IC 348 med anslåtte masser ned mot omtrent to ganger Jupiters masse. Objektene ligger i det uklare grenselandet mellom planeter og stjerner som ikke ble massive nok til å bli vanlige stjerner. Nettopp derfor er de viktige: De tester hvor små objekter en stjernetåke kan danne direkte. 1

Slik fant Webb de svakeste objektene

IC 348 ligger omtrent 1 000 lysår unna i stjernedannelsesområdet Perseus. Webbs infrarøde blikk trenger gjennom støv og gjør det mulig å se både unge stjerner, innhyllede kilder og ekstremt kjølige, lyssvake objekter med masse under stjernenivå. 1

Undersøkelsen skjedde i to trinn:

1. NIRCam, Webbs nærinfrarøde kamera, målte lysstyrke og farger. Unge og kjølige brune dverger skiller seg ut fra vanlige stjerner og mange bakgrunnskilder i slike data.
2. NIRSpec, teleskopets nærinfrarøde spektrograf, undersøkte utvalgte kandidater mer detaljert. Spektrene gir tegn på kjølige, unge atmosfærer og brukes til å anslå blant annet masse.

Dette bygger videre på et tidligere Webb-søk i IC 348. Da ble tre frittflytende brune dverger med mindre enn åtte Jupitermasser funnet, inkludert én med en anslått masse på tre til fire Jupitermasser. Den dypere oppfølgingen har nå avdekket nye medlemmer med anslag nær to Jupitermasser. 3

Hvorfor to Jupitermasser er oppsiktsvekkende

Brune dverger er for lette til å opprettholde hydrogenfusjon, energiprosessen som får vanlige stjerner til å lyse over lang tid. Noen av de mer massive kan fusjonere deuterium i en begrenset periode, men de blir aldri stabile, hydrogenbrennende stjerner.

De letteste objektene i IC 348 har masse på nivå med kjempeplaneter, men de går ikke i bane rundt en stjerne. Her er ikke masse alene nok til å avgjøre betegnelsen. Et objekt kan være planetlignende i masse, men omtales som en brun dverg eller et objekt med planetmasse dersom opprinnelsen ser ut til å ligne stjernedannelse snarere enn planetdannelse i en skive rundt en stjerne.

Det er vanskelig for vanlige modeller for fragmentering av gasskyer å forklare dannelsen av isolerte objekter på bare noen få Jupitermasser. NASA beskriver derfor de nye funnene som en utfordring for modellene for stjernedannelse. Observasjonene setter en ny nedre grense for massene som er funnet i IC 348, men avslører ikke alene hvilken dannelsesmekanisme objektene har hatt. 1

Masseanslagene er ikke direkte veiinger

«Rundt to Jupitermasser» er et beregnet anslag, ikke en direkte måling på en vekt. For svært unge brune dverger kombinerer forskerne målt lysstyrke og spektrer med utviklingsmodeller for hvordan objektene kjøles ned og blir svakere over tid. Resultatet avhenger derfor blant annet av antakelser om alder og tidlig utvikling.

Hovedfunnet bør dermed forstås som sterk dokumentasjon på at IC 348 inneholder svært lette objekter med masse under stjernenivå, ikke som en knivskarp grense mellom planeter og brune dverger.

Skiver rundt objekter med planetmasse

To nylig identifiserte medlemmer av IC 348, med anslåtte masser på omtrent to og ti Jupitermasser, viser tydelig infrarødt overskudd som knyttes til skiver av materiale rundt dem. Slike skiver inneholder råstoff som i prinsippet kan danne planeter eller måner.

Det er en slående mulighet: Byggesteinene for planeter kan finnes rundt legemer som selv ligger nær planetmasser. Men observasjonen er ikke et bevis for at planeter faktisk dannes der. Infrarødt overskudd viser materiale i en skive; ingen planeter under dannelse er direkte avbildet i disse systemene.

Et aktivt fødested for stjerner

Mosaikken av IC 348 er mer enn en opptelling av brune dverger. Den viser også unge stjerner som former omgivelsene sine med utstrømninger som treffer gass og støv. NASA trekker fram kraftige stråler fra nyfødte stjerner som et av de tydelige trekkene i bildet.

Når slike utstrømninger kolliderer med stoffet rundt, oppstår lysende sjokkstrukturer kalt Herbig–Haro-objekter. I den større oversikten inngår blant annet HH 797 og HH 211. Bildet samler dermed flere stadier av stjernefødsel i samme område: innhyllede protostjerner, unge stjerner, utstrømninger, skiver og de svakeste frittflytende objektene med masse under stjernenivå.

Et kjemisk mysterium i atmosfærene

Spektrene fra noen av de aller letteste brune dvergene viser også absorpsjon fra et uidentifisert alifatisk hydrokarbon. Et tilsvarende trekk ved 3,4 mikrometer er tidligere observert i det diffuse interstellare mediet og i atmosfærene til Saturn og Titan. 714

Forskerne har foreslått at den uvanlige spektrale oppførselen kan gi grunnlag for en ny klasse for slike kilder. Men både den nøyaktige molekylidentiteten og en eventuell ny klassifisering er fortsatt uavklart. Signaturen er derfor et spor, ikke en endelig forklaring, på kjemien og atmosfærene til de minste kjente frittflytende brune dvergene. 9

Hva funnet endrer

Webb har flyttet den observerte nedre grensen for frittflytende brune dverger i IC 348 fra det tidligere funnet på tre til fire Jupitermasser til rundt to Jupitermasser. Det viser at stjernedannelsesområder kan produsere objekter i et masseområde som ofte forbindes med planeter. Samtidig reiser skivene og de uvanlige spektrene nye spørsmål om hvordan slike objekter dannes og utvikler seg.

Neste steg er ikke bare å finne enda svakere objekter, men å avgjøre om de ble dannet ved direkte kollaps i en gassky, ved utkastelse fra unge flerstjernesystemer, ved fragmentering av skiver – eller gjennom flere ulike prosesser.